毕业论文-基于模糊PID算法的中央空调温度控制系统设计.doc
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1、基于模糊基于模糊 PID 算法的中央空调温度控制系统设计算法的中央空调温度控制系统设计 The Application Research on Fuzzy PID Control in Central air conditioner System Control 摘要摘要 随着现代生活不断向智能化迈进,人们对中央空调的性能提出了更高的要求, 如空调的舒适性、节能性等。本文重点研究如何在中央空调系统中使用智能化的冷 水机组控制系统,从而既能提供舒适的生活工作环境,又能最大限度的节约能源。 文中首先分析了中央空调的工作机理和中央空调的大滞后、大惯性的特性,介绍 了适合过程控制的模糊控制理论,并给出
2、了模糊PID控制器的具体设计方法。在对中 央空调冷却水循环系统进行变频控制的基础上,针对冷却水的水泵机组设计了模糊 PID控制器,通过仿真表明模糊PID控制可以较好的实现控制要求。文中还详细介绍 了中央空调温度控制系统的硬件和软件设计,该系统采用西门子的S7-200 PLC作为 控制单元,利用模糊PID控制算法,通过交流变频调速器控制水泵速度,保证系统根 据实际负荷的情况调整流量,实现恒温控制,同时又可以节约大量能量。 关键词关键词:中央空调、模糊 PID、PLC、变频器 The Application Research on Fuzzy PID Control in Central air
3、conditioner System Control Abstract As modern become more intelligent day-by-day, people hope central air conditioner have more excellent capability, such as comfort and energy saving. This paper mostly research on how to use intelligent controller to control water circulation system of central air
4、conditioner, so the air conditioner can supply comfort and use less energy as possible. In this paper, we analyze the mechanism of central air conditioner and its inertia and hysteresis; introduce fuzzy PID control which is suit for inertia and hysteresis process control. And present the design meth
5、od for fuzzy PID controller. In this paper. We do frequency conversion design for cooling water system, and basing on this, we used fuzzy PID controller to control water pumps of the cooling water system. The paper did some simulations on the central air conditioner model with fuzzy PID controller,
6、and then finished the hardware and software design for the control system. The control system took the S7-200 PLC as core and drive pumps by frequency conversion. This control can adjust its power and carry out constant temperature, as well as save a great deal energy. Keywords: Central air conditio
7、ner, Fuzzy PID control, PLC, Frequency conversion 致致 谢谢 在论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师葛锁良老师的热情关怀和悉 心指导。在我撰写论文的过程中, 葛老师倾注了大量的心血和汗水 。在整个研 究生学习阶段, 他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟 的工作作风 ,深深地感染和激励着我。从课题的选择到论文的即将完成,葛 老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向葛老师致以诚挚的谢意 和崇高的敬意。 此外,我还要感谢 和我一起度过 愉快地研究生生活的何明、卢娟、于敏华、 任磊、孙德亮 、张全、俞宗 佳、凌萍同学,和所有
8、关心我的老师、同学和朋友, 尤其是师弟们 ,在我的论文完成过程中给了我很大的支持,在你们的帮助下, 我才能克服 学习中遇到的 困难,顺利完成本文 。 在研究生学习期间遇到这么多的良师益友,我感到非常荣幸 。这段美好的 生活经历将伴随我的一生 ,它也会是 我生命中最宝贵的财富。 最后再次感谢 陪我一起度过研究生阶段每一位老师、同学、和朋友! 作者:方鹏 2009年3月 目目 录录 第一章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 中央空调控制方法的研究现状2 1.3 模糊控制算法的历史与特点3 1.4 自动控制理论在空调系统中的应用概述3 1.5 本文主要工作 5 第二章 中央空调控制系统的节能设计6
9、 2.1 中央空调系统的组成 .6 2.2 中央空调节能方案分析7 2.2.1 中央空调冷水机组基本工作原理和节能控制.8 2.2.2 变频调速技术在中央空调中的应用9 2.3 本章小结 10 第三章 模糊控制算法研究 11 3.1 模糊控制的基本概念 11 3.1.1 模糊集合以及隶属度函数的意义 .11 3.1.2 隶属度函数的概念与选择.11 3.1.3 模糊推理及相关概念 12 3.2 模糊控制系统的基本原理.14 3.3 模糊 PID 控制系统设计的基本方法 .15 3.3.1 模糊 PID 控制器的结构设计 .15 3.3.2 输入量的模糊化 16 3.3.3 模糊 PID 控制规
10、则的设计 .17 3.3.4 模糊量的清晰化 18 3.4 数字 PID 算法与模糊 PID 算法的控制效果比较 20 3.5 本章小结 21 第四章 中央空调控制算法研究与仿真.22 4.1 数字 PID 控制算法与仿真 .22 4.2 模糊 PID 控制算法与仿真 .24 4.3 本章小结 27 第五章 中央空调变频控制系统实现.28 5. 1 可编程控制器选型 .28 5. 1. 1 可编程控制器 PLC 的基本功能 28 5. 1. 2 西门子 S7-200 PLC 系列可编程控制器特点 .29 5. 1. 3 西门子可编程控制器软件 .29 5.2 人机界面选型方案 .30 5.3
11、中央空调冷水机组的 PLC 组态与硬件电路设计 31 5.3.1 PLC 的输入信号 32 5.3.2 PLC 的输出信号 33 5.3.3 通讯接口 .35 5. 4 下位机软件的设计 .35 5.4.1 主程序模块 35 5.4.2 初始化模块 36 5.4.3 模糊 PID 控制子程序 36 5.4.4 电机变频与旁路运行控制程序 .37 5.4.5 输出模块 37 5. 5 人机界面的设计 .37 5. 6 本章小结 40 第六章 结论与展望 .41 6.1 工作总结 41 6.2 展望 .41 参考文献 42 插图清单插图清单 图 1-1 中央空调系统主要结构 1 图 2-1 中央空
12、调机组冷水机组结构 8 图 2-2 冷冻泵的变频控制方案 9 图 2-3 冷却泵的变频控制方案 .10 图 3-1 高斯分布 .11 图 3-2 三角形分布 .12 图 3-3 梯形分布 .12 图 3-4 模糊控制系统框图.15 图 3-5 模糊 PID 控制器的结构 .16 图 3-6 模糊化函数 .16 图 3-7 模糊子集的确定 .17 图 3-8 模糊 PID 控制系统结构 .19 图 3-9 一阶系统的数字 PID 算法阶跃响应曲线 .20 图 3-10 一阶系统的模糊 PID 算法阶跃响应曲线 20 图 4-1 PID 控制 .22 图 4-2 数字 PID 控制系统响应曲线.2
13、4 图 4-3 模糊 PID 控制系统结构图.24 图 4-4 输出的隶属度函数.25 图 4-5 输出的隶属度函数.25 图 4-6 模糊 PID 控制系统响应曲线.27 图 5-1 中央空调冷却水机组控制系统结构图.28 图 5-2 进水与出水温度采集电路.32 图 5-3 水泵运行状态反馈电路.32 图 5-4 水泵驱动电路.33 图 5-5 过载处理电路.33 图 5-6 模拟量输出电路.34 图 5-7 变频旁路切换与变频器启动电路.34 图 5-8 变频旁路切换逻辑电路.35 图 5-9 主程序结构框图.36 图 5-10 模糊 PID 控制程序结构框图36 图 5-11 电机变频
14、与旁路运行控制程序结构框图37 图 5-12 启动主监控界面38 图 5-13 参数设定界面38 图 5-14 故障信息界面39 图 5-15 参数设定界面39 图 5-16 密码输入界面39 表格清单表格清单 表 4-1 KP的模糊规则表.26 表 4-2 KI的模糊规则表.26 表 4-3 KD的模糊规则表.26 1 第第一一章章 绪绪论论 1 1. .1 1 引引言言 空调是现代化楼宇中不可缺少的 一部分,随着我国经济的不断发展和城市 化进程的不断推进,中央空调的应用会越来越广泛。但是中央空调的能耗非常大, 约占整个建筑的总用电量的60%70%。降低空调循环水系统的输配电耗,对于 降低中
15、央空调系统全年的运行能耗具有十分重要的现实意义。随着中央空调的发 展和对其研究的深入,出现了众多的冷水系统变流量调节方法。其中,变流量变 频控制技术得到大力发展,对冷水机组水泵的智能化控制起到了极大的推动作用, 使中央空调的冷水机组的高精确度控制成为可能。 常见的中央空调系统主要由制冷机组、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、 风机盘管系统和散热塔组成,如图1-1 所示。压缩机、 风机和水泵是中央空调 的重要耗能部件,采用变频调速技术不仅能基本保持室温恒定,让人感觉舒适, 更重要的是其平均节能效果高达 30 以上,所以采用变频调速技术自然是最 佳选择。 图 1-1 中央空调系统主要结构 在对中央空
16、调的冷冻水和冷却水系统 的控制器进行设计时,要注意克服大 滞后、大惯性特性,对于中央空调这种类型的系统其复杂性及控制的困难表现在 以下几个方面: (1)模型的不确定性。在传统的控制理论中,控制系统的设计、调节器参 数的整定都 是以被控过程的数学模型为依据 ,其建模的方法通常有机理建模和 实验建模两种。由于人类的认识能力有限,且中央空调工作环境普遍存在着各种 2 各样的干扰,许多复杂的物理变化使得难以完全从机理上揭示其内在的规律; 这种不确定性普遍存在于空调的 各个环节之 中,使得 很难对其进行精确 建模。 (2)系统的非线性。严格 地说,所有的实际系统都存在非线性,只是非线 性的程度不同而已。
17、当系统的非线性不是很严重时,可用线性系统来近似,这在 工程上是可以接受的。但是对于存在严重非线性环节的系统,采用线性化的处理 方法常会产生很大的偏差,甚至会得出完全相反的结论。线性系统的分析设计有 着比较完善和系统的理论方法,而 中央空调的 非线性的研究虽然取得了一些新 成果,但非线性理论远非完善,有很多问题尚待研究。 (3)系统的时滞特性。在 绝大多数控制系统中, 或多或少 地存在着一定 程度的时间滞后的 特性,时滞的存在给 系统的控制 带来一定的困难 ,当系统出 现扰动时,会严重影响系统的 控制效果 ,甚至出现发散震荡。因 此,时滞对象 被认为是最难控制的对象之一。从50 年代末以来,在时
18、滞控制方面先后出现了 基于模型的方法(如 Smith 预估控制、最优控制、滑模变结构控制等)和无模型 的方法两大类 ,为解决中央空调这类的 大时滞过程 提供了有效的策略 。 (4)系统的多变量及强耦合特性。 整个中央空调系统 中,包含多 个相互 关联的子系统,如冷却水系统、冷冻水系统、风机系统等。因为各个子系统之 间的关联,导致了 这些子系统中的变量 以各种形式相互 影响着,任何一个变量 的变化可能引起其他的变量发生变化, 增加了系统的控制的难度 。 大部分空调系统中还具有一些其他的特性,如时变性、大惯性 等。所以, 如何在这种复杂的控制环境下, 如何达到满意的控制效果是我们研究的主要方 向。
19、 1 1. .2 2 中中央央空空调调控控制制方方法法的的研研究究现现状状 中央空调在 正常运行时,需要根据室内外的工作环境温度、 使用空调的空 间大小和设定的温度 、冷却水温度等变量的变化,不断调整自身的运行状况,从 而实现既能保证空调的舒适性又能尽量降低能耗的双重目标。故此,中央空调的 控制系统对于一个空调的性能起到了至关重要的作用。 传统的中央空调 的冷水机组 基本都是 由人工设定的钟控装置控制 ,系统定 时启动和定时关闭,每天长时间全开或全关,轮流运行。这样对电网频繁的冲 击,不仅恒温效果不佳 ,让人感到不适,同时也浪费了大量的电能 。70 年代 3 中后期,我国的工程设计人员 开始进
20、行空调系统节能控制方面的研究工作。在 目前应用的系统中往往偏重于设备的运行管理控制方法,具体控制方法上, 基 本上采用多个回路的 PID 控制。各种类型的 PID 控制器因其参数物理意义明 确、易于调整 ,并且具有一定的鲁棒性 ,因而得到了广泛的应用。 但是常规 PID 控制器本身存在的一些缺陷 ,使得它在实际应用中的控制效 果不是很理想 。由最优控制理论可知 ,当被控对象模型及扰动模型已知时 ,由 此得出最优状态调节器可等效为一个具有一组特定参数的PID 控制器。然而 在实际应用中被控对象模型和扰动模型往往是不精确的时变的甚至是不可知的, 于是对于具有一组固定参数的PID 控制器来说 ,问题
21、就出现了 。首先当被控 对象模型与实际对象之间出现偏差时根据模型确定的PID 控制器参数通常不 再是最优的了 。因此当被控对象模型为不可知或时变时要确定最优PID 控制 器参数将变得十分困难 ;其次 PID 控制器之所以能够在过程控制领域获得广泛 地应用,原因之一 ,是因为 在实际的应用中 PID 控制器的设计可只借助于系统 输出等反馈信息进行控制 ,从而减少了控制系统对对象模型的依赖性 。但是这 种单纯依靠反馈信息的控制方式对于具有迟延特性的被控对象来说,由于反馈 量往往不能及时地反映对象模型和扰动的变化,使得 PID 控制器输出总是不 能跟上对象模型和扰动的变化 。所以常规的 PID 控制
22、器对于这类对象的控制效 果很不理想 ;再次,一个实用的 PID 控制器至少是一个两自由度的控制器 , 用工程整定法 (如 Z-N 法临界、比例带法 )等进行参数整定时 ,由于各参数 的控制效果存在一定程度的耦合 ,因此为找到一组最佳参数需要运行人员进行 反复地调试 ,这无疑降低了工作效率 。为解决上述问题 ,控制学家及工程设计 人员在不断改进 PID 控制方案的同时 ,将智能控制等新型控制技术引入到 中 央空调控制领域 ,并取得了丰硕的成果。 1 1. .3 3 模模糊糊控控制制算算法法的的 历历史史与与特特点点 自从模糊控制理论进入实际应用以来,在各个工程领域的各个方面都引起 了广泛的重视
23、。1965 年美国加 州大学的自动控制理论专家 L.A.Zadeh 提出了 模糊集合论从而开创了模糊逻辑的历史。后来Zadeh 又提出了模糊语言变量这 个重要的模糊逻辑概念 ,到了 1974 年 Zadeh 在以前的工作的基础上 进行模糊 逻辑推理的研究 。从此,模糊逻辑 在控制理论领域为人们所熟知 。1974 年 4 E.H.Mamdani 利用模糊控制语言设计出模糊控制器 ,实现了世界上第一个试验 性的蒸汽机控制 ,它的成功标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开始,宣 告模糊控制的诞生。 在此之后,不断有人对 不同的复杂的控制对象进行了模糊 控制的实验研究 ,均取得了 不错的结果。这些实验
24、研究表明模糊控制具有以下特 点: (1) 无须知道被控系统的具体数学模型;模糊控制是以人对被控系统的控 制经验为依据而设计控制器的,故无须知道被控系统的数学模型。 (2) 是一种反映人类智慧思维的智能控制 ;模糊控制中的信息传递 、模 糊规则以及逻辑推理等, 都是基于专家知识或熟练操作者的成熟经验 ,并能够 通过不断的在线 学习而得到完善,因此很容易构成智能化自学习控制系统。 (3) 易为人们所接受模糊控制规则,这些规则是以人类语言表达的。 (4) 容易构造 ;如果用微型机系统或单片机来构造模糊控制系统,其结 构和一般数字控制系统无异 ,模糊控制方法 可用软件实现 ,设计者可利用简单 方便的计
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