模糊PID算法在空调控制系统中的应用
基于空调控制器的模糊PID控制算法研究与应用
基于空调控制器的模糊PID控制算法研究与应用作者：徐咏邬超鹏谭海锋陈泳来源：《电脑知识与技术》2018年第09期摘要：针对传统PID控制响应、过渡时间长和模糊控制不准确、误差大的问题，提出了应用于空调控制器的模糊PID控制算法。
设计了模糊PID控制算法的结构，利用MATLAB的M 函数工具以及模糊推理工具箱，以环境温度控制研究了模糊PID控制算法的设计与实现步骤。
通过改造单台美的空调采用模糊PID控制算法前后的温度控制对比测试，得出采用算法后从初始状态过渡到设定值的调节时间从10分钟减少到7分钟，稳态过程中的温度变化更加平稳，变化范围从±1.5℃缩小到±0.6℃，减少了系统的调节时间和控制的超调量，缩短了过渡时间，可用于智能空调系统。
关键词：空调控制器；模糊PID；MATLAB；算法研究中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）09-0269-0420世纪80年代空调进入我国，到如今的21世纪，空调已成为人们日常生活的常用家电产品[1]。
目前，人们对空调控制器的需求日益增加、对其性能要求也越来越高。
结合国内外发展状况，空调控制器将向着性价比高、多功能、网络化、低功耗和智能化的趋势发展。
根据空调的发展趋势，针对传统PID控制算法响应、过渡时间长和模糊控制算法控制不准确、误差大的问题，提出了基于空调控制器的模糊PID控制算法。
1 算法概述1.1 PID控制算法PID控制从产生到现在已经经历了80多年的历史，主要在可建立精确数学模型的确定性控制系统中使用。
在现代化工业控制系统中，95%以上的控制回路采用PID结构[2]。
在实际工程应用中，常用的传统PID参数调节步骤繁琐，特别是查找合适的I参数和D参数，实际调试过程中会通过很多次试验才能找到合适的参数[3]。
因此，本系统采用经典的Ziegler-Nichols方法来确定系统最初的P参数、I参数和D参数，之后根据系统运行的效果再进一步改进和优化相关参数。
模糊PID自整定技术在地铁空调控制中的应用
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模糊控制技术在空调系统中的应用与优化
模糊控制技术在空调系统中的应用与优化摘要：随着科技的不断进步，空调系统已经成为了现代生活中不可或缺的一部分。
然而，如何通过有效的控制手段提高空调系统的性能，成为了当前研究的热点。
本文将探讨模糊控制技术在空调系统中的应用与优化，为空调系统的控制与优化提供参考。
引言：空调系统在今天的社会中扮演着重要的角色，它不仅给人们提供舒适的室内环境，还在工业生产中起到至关重要的作用。
为了提高空调系统的性能，控制手段成为了研究的热点。
模糊控制技术因其对不确定性的强适应能力而引起了广泛的关注，并在空调系统中得到了广泛应用。
本文将探讨模糊控制技术在空调系统中的应用与优化。
一、模糊控制技术概述模糊控制技术是一种针对模糊系统建模与控制的方法。
与传统的精确控制方法相比，模糊控制技术不需要准确地建立系统的数学模型，而是通过模糊集合、模糊规则和模糊推理等方法来实现对系统的控制。
在空调系统中，模糊控制技术能够通过模糊规则和模糊推理来实现对温度、湿度等参数的自适应调节，从而提高系统的控制性能。
二、模糊控制技术在空调系统中的应用1. 温度控制空调系统主要功能之一是对室内温度进行控制，使其维持在一个舒适的范围内。
模糊控制技术能够通过将温度划分为模糊集，设计一定的模糊规则，并通过模糊推理来调节空调系统的运行状态，实现对温度的自适应控制。
这种方法能够更好地适应不同环境下温度的变化，提高系统的控制精度。
2. 湿度控制除了温度，空调系统还需对室内湿度进行控制，以提供舒适的空气环境。
传统的控制方法往往需要准确的湿度模型，而模糊控制技术具有很好的适应性和实时性，能够快速响应湿度的变化，并通过模糊推理来调节空调系统中的加湿和除湿装置，实现对湿度的精确控制。
3. 能耗优化空调系统的能耗一直是一个重要的问题。
模糊控制技术通过模糊推理来根据室内外的温度、湿度等参数，综合考虑能耗与舒适性之间的权衡，从而实现对空调系统的能耗优化。
通过动态调控制冷剂循环速度、风速等参数，模糊控制技术能够使空调系统在保证舒适性的同时，尽可能减少能耗，达到节能的目的。
模糊PID控制技术在空调控制过程中的应用
模糊PID控制技术在空调控制过程中的应用
张明莉;秦静;艾兰;刘继承
【期刊名称】《机床与液压》
【年(卷),期】2008(036)007
【摘要】以某化纤厂集中式工艺性空调系统作为研究对象,建立了模糊PID控制系统.此系统使用模糊增益调整PID控制器,它是利用模糊规则和推理来对PID参数进行调整的,通过算法的仿真分析,验证了算法的可行性.
【总页数】3页(P293-295)
【作者】张明莉;秦静;艾兰;刘继承
【作者单位】北京联合大学,北京,100101;中国人民公安大学,北京,100036;北京联合大学,北京,100101;北京联合大学,北京,100101
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.模糊PID算法在空调控制系统中的应用 [J], 张凯
2.模糊PID控制算法在地源热泵空调控制中的应用 [J], 李中彩;程武山
3.模糊PID自整定技术在地铁空调控制中的应用 [J], 罗永建;柴晓冬;吴浩;郑树彬;侯彦彬
4.模糊PID控制技术在空调控制过程中的应用 [J], 张明莉;秦静;艾兰;刘继承
5.基于空调控制器的模糊PID控制算法研究与应用 [J], 徐咏;邬超鹏;谭海锋;陈泳
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模糊PID参数自整定技术在中央空调系统中的应用探讨
模糊PID参数自整定技术在中央空调系统中的应用探讨中央空调系统是一个复杂系统，其能耗占整个建筑能耗的50%以上，是耗能大户，目前的控制方式一般都采用传统的PID控制算法，其控制效果并不令人满意，浪费能源的现象严重，在系统的控制精度、稳定性和可靠性等性能方面，难以满足用户的需求。
本文以某烟厂中央空调系统的工程改造为背景，讨论中央空调系统这个典型的多输入多输出、具有大滞后特性的非线性系统的控制问题。
由于该系统是复杂系统，难以建立精确的数学模型，显然采用PID方式控制是不恰当的。
文章提出采用基于自学习的模糊PID参数自整定技术，借助PID参数的在线模糊自整定，实时修改PID参数，确保系统在运行过程中始终处于优化状态，既满足系统技术性能指标要求又能最大限度地节约能源。
以下是对某些关键技术问题的粗略讨论。
2 PID各参数对系统控制特性的影响经典控制算法PID是传统的调节方式，也是当前中央空调系统采用的主要控制方法，要改进中央空调系统的性能，必须研究PID控制算法中各个参数对控制系统特性的影响，下面就PID调节的三个环节分别说明PID各参数对系统动、静态性能的影响。
比例环节的作用是减少偏差。
比例系数增大可以加快响应速度，减小系统稳态误差，提高控制精度。
但过大会产生较大超调，导致系统不稳定；取得过小，可减少系统的超调量，使系统的稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度，使系统的过渡过程时间延长。
积分环节用于消除系统的静态误差，提高系统的无差度，但会使系统响应速度变慢，使系统的超调量变大，并且可能导致系统产生振荡。
加大积分系数有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使系统的超调量加剧，甚至引起振荡；减小积分系数虽然有利于系统的稳定，避免系统产生振荡，减小系统的超调量，但对消除系统的静差是不利的。
微分环节能反映偏差信号的变化趋势，能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正信号，有助于系统减小超调，克服振荡，使系统快速趋于稳定，提高系统的响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态特性。
毕业论文-基于模糊PID算法的中央空调温度控制系统设计
基于模糊PID算法的中央空调温度控制系统设计The Application Research on Fuzzy PID Control in Centralair conditioner System Control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：中央空调、模糊PID、PLC、变频器The Application Research on Fuzzy PID Control in Centralair conditioner System ControlAbstractA s m o d e r n b e c o m e m o r e i n t e l l i g e n t d a y-b y-d a y,p e o p l e h o p e c e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r h a v e m o r e e x c e l l e n t c a p a b i l i t y,s u c h a s c o m f o r t a n d e n e r g y s a v i n g.T h i s p a p e r m o s t l y r e s e a r c h o n h o w t o u s e i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r t o c o n t r o l w a t e r c i r c u l a t i o n s ys t e m o f c e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r,s o t h e a i r c o n d i t i o n e r c a n s u p p l y c o m f o r t a n d u s e l e s s e n e r g y a s p o s s i b l e.I n t h i s p a p e r,w e a n a l yz e t h e m e c h a n i s m o f c e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r a n d i t s i n e r t i a a n d h y s t e r e s i s;i n t r o d u c e f u z z y P I D c o n t r o l w h i c h i s s u i t f o r i n e r t i a a n d h ys t e r e s i s p r o c e s s c o n t r o l.A n d p r e s e n t t h e d e s i g n m e t h o d f o r f u z z y P I D c o n t r o l l e r.I n t h i s p a p e r. W e d o f r e q u e n c y c o n v e r s i o n d e s i g n f o r c o o l i n g w a t e r s ys t e m,a n d b a s i n g o n t h i s, w e u s e d f u z z y P I D c o n t r o l l e r t o c o n t r o l w a t e r p u m p s o f t h e c o o l i n g w a t e r s ys t e m.T h e p a p e r d i d s o m e s i m u l a t i o n s o n t h e c e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r m o d e l w i t h f u z z y P I D c o n t r o l l e r,a n d t h e n f i n i s h e d t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e d e s i g n f o r t h e c o n t r o l s y s t e m. T h e c o n t r o l s ys t e m t o o k t h e S7-200 P L C a s c o r e a n d d r i v e p u m p s b y f r e q u e n c y c o n v e r s i o n.T h i s c o n t r o l c a n a d j u s t i t s p o w e r a n d c a r r y o u t c o n s t a n t t e m p e r a t u r e,a s w e l l a s s a v e a g r e a t d e a l e n e r g y.K e y w o r d s:C e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r,F u z z y P I D c o n t r o l,P L C,F r e q u e n c y c o n v e r s i o n致谢在论文完成之际，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。
模糊PID控制在变风量空调系统中的应用
Ａ Ｓ Ｒ Ｃ ：ｎｉｅｉ ｎ ｔ ｐｒｕｅ ｏｔｌｃｅ ｅ ｆ Ａ ｉ ｃｎｉ ｎ ｇｓ ｔ ｒ ｅｔ ｉｐｐｒ Ｂ Ｔ Ａ Ｔ Ａ ｔｌｅｔ ｍ ｅ ｔ ｎｏ ｓ ｍ Ｖａ —ｏｄ ｉ ｉ ｓ ｍ ｉｐ ｓ ｅ ｉ ｔｓ ａｅ ｎｌ ｇ ｅ ａ ｒ ｃ ｒ ｈ ｏＶ ｒ ｔ ｎ ｙｅ ｓ ｅ ｎ ｄｎｈ ｏ ．
第２卷 第５ ８ 期
文 章 编 号 ：０ ６ ９ ４ （ ０ １０ — １７ ０ １０ — ３ ８ ２ １ ） ５ ０ ９
２１年５ ０１ 月
模 糊 Ｐ Ｄ 控 制 在 变 风 量 调 系 中 的应 用 Ｉ 空 统
曹建 秋 ， 徐 凯
（ 庆交 通 大学 信 息 科 学 与工 程 学 院 ， 庆 ４ ０ ７ 重 重 ００ ４）
ｍｏ ｅ ｅ ｉ ｎ ｐ ｒ ｍｅｔｒ ｆｔｅ ａｒｃ ｎ ｔｏ ｅ ｏｏ ｃ ａ ｅ，ｔ ｏ ｕ ｔ ｓ ｆｔ ｅ ｃ ｎ ｒｌｓ ｓｅ ｐ ｒｏ ｓ ｗｅ １ ｄ ｌｄ ｓｇ ａ ａ ｅ ｓｏ ｈ ｉ ｏ ｄｉ ｎ ｄ ｒ ｍ ｈ ｎｇ ｉ ｈｅ ｒ ｂ ｓｎｅ ｓ ｏ ｈ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ ｅｆ ｒ ｌ． ｍ ＫＥＹ Ｗ Ｏ ＲＤ Ｓ： ｒａ ｅ ａ ｒｖ ｌ ｍ ｅ； ａｈｅ ｔｃ ｌｍｏ ｌ Ｃａ ｃ ｄ ｏ ｔｏ ； ｒａ ｅ ｕ ｖ ｒｅ Ｖａ ｉｂｌ ｉ ｏ ｕ Ｍ ｔ ｍａｉａ ｄｅ ； ｓ ａ ｅ ｃ ｎｒ ｌ Ｖａｉ ｂｌ ｎｉｅ ｓ
扰 动 ， 小 了各 种 扰 动 对 室 温 的 影 响 。 采 用 可 变 论 域 自适 应模 糊 ＰＤ 控 制 。进 行 仿 真 ， 果 证 明 ， 风 量 空 调 系统 具 有 良好 减 Ｉ 结 变
的 动态 性 和 稳 定 性 。当 空 调 房 间 模 型 结 构 参 数 发 生 变 化 时 ， 制 系统 鲁 棒性 好 。 控 关键 词 ： 风 量 ； 学 模 型 ； 级 控 制 ； 变 论 域 变 数 串 可 中 图分 类 号 ：Ｐ ７ ＋４ Ｔ ２ ３ ． 文献标识码： Ａ
模糊控制在空调系统中的运用
科技视界Science&Technology VisionScience&Technology Vision科技视界空调系统的能源消耗量达建筑能耗的60%,其中有大部分能量未能被使用而是旁通、阀件设阻或者直接排放而损耗掉,这是因为空调系统的设计是按照符合最大的情况进行设计安装的,但在绝大多数时间里没能按照全负荷运行,形成大马拉小车的现象。
随着电器控制技术的发展,电气控制在逐步改善空调系统的节能运行,模糊控制理论旨在控制的参数都在改变的情况下能够运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论,得到模糊控制讯号使被控对象保持在节能运行状态下的一种智能控制。
1空调系统控制的现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空调系统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。
如温湿度系统具有强时变、强耦合、参数变化较大等特点,PID控制对这类对象的控制效果并不理想。
温度和湿度是两个耦合性很强的变量,必须对它们进行解耦后才能实现有效地控制。
例如,温度变量对湿度变量的影响较大(温度每上升1℃,相对湿度下降2%~3%)而湿度对温度的影响较小(可忽略),且湿度变化比温度变化慢得多,于是对于只有一组固定参数的PID控制器来说就无能为力了。
首先,当实际对象与被控对象模型之间出现偏差时根据模型确定的PID控制器参数不再是最优的了,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复杂。
其次,对于具有迟延特性的被控对象,这种单纯依靠反馈信息的控制方式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。
故常规的PID控制器对这类对象的控制效果很不理想。
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模糊PID算法在空调控制系统中的应用
【摘要】空调控制系统是一种非线性设备，系统控制复杂，并且由于其干扰严重，参数耦合性强及时变性等特点，使得变频控制系统控制尤为复杂。
对于这样一个非线性的温度控制系统，简单的PID算法无法对其进行控制到非常好的效果。
将PID算法和模糊控制算法相结合形成模糊PID控制算法，该算法集成了PID算法和模糊控制算法的优势，包括比例、模糊、比例积分控制等。
使用模糊PID控制算法的空调控制系统具有更快的反应速度和更强的鲁棒性，更高的精度和稳态。
仿真实验证明，模糊PID控制能有效降低系统误差，保证系统具有良好的特性，达到变频空调的理想控制效果。
【关键词】PID 模糊控制变频空调
引言
随着科学技术的进步和计算机控制系统发展，通信数据中心机房也得到了大力的发展。
具统计，在典型的通信数据中心机房投资时，空调制冷设备占投资的6%，但是其空调设备在后期的电费支出却占整个机房的电费支出的40%以上，因此大型机房的空调设备节能问题是目前一个继续解决的重点难题。
空调系统设备不仅要保证工作人员的一个舒适的理想工作环境，更要创造一个各种设备能稳定运行的环境，由于信息化专用机房内各种程控交换机及电子计算机属于高精度设备，对工作环境有着特殊的要求，对机房环境的湿度、温度、净化空调送风方式都有很高的要求，这就对机房的空调控制系统提出了高要求。
空调系统设备属于非线性设备，具有滞后性、参数时变性和受环境影响大的特点，目前市场上大多数空调设备都是采用的控制方法都比较单一，很难对性能进行大幅度的提升。
但是采用模糊PID控制，可以实现优越的控制性能，主要是因为模糊PID控制根据空调的数学模型和实际测量结果对目标进行控制，非常适用于无法建立精确模型和模型变化的情况。
1 模型建立
空调房是一个多变的目标体，比较复杂，实际的空调房的动态特征是一个高阶微分方程[2]，由于高阶微分方程计算非常复杂，不便于模型的建立，因此本文采用响应曲线的方法对空调房的室内温度的特性进行分析。
本文假设的空调房具有以下前提：
（1）室内是一个密封的空间，与外界没有任何的接触，即无法与外界进行热量的交换；（2）室内热量均匀分布，及温度均匀分布；（3）室内设备的热容量忽略不计；（4）各种干扰因素忽略不计，比如开关门、使用家用电器、人为因素、外界天气变化等。
室内空气对流传热系数为，室外空气对流传热系数为，空调房的墙体厚度为360mm，墙体的导热系数为，空调房的尺寸为长6m，宽4米，高3米。
空气密度为1.2250kg/m3，空气比热值为，将这些定量的数值代入公式，则可以得到如公式（6）的空调房间温度模型。
2 模糊PID控制策略
根据制冷原理，当制冷系统处于稳定状态时，制冷输出量与压缩机的转速成正比。
制冷系统的输出量应该时刻根据室内温度情况进行变化。
当室内温度降低时，热负载变会减小。
此时应该降低压缩机的运转速度来减少制冷器的输出量，直到保证室内温度稳定为止[3]。
对于这样一个非线性的温度控制系统，简单的PID算法无法对其进行控制到非常好的效果[4]。
但是模糊控制算法可以很好的控制这种复杂的控制系统，模糊控制方法类似于人脑的思维方式，但是，模糊控制不存在积分环节，因此使用模糊控制会导致经常处于平衡点上下发生震荡，存在稳态误差。
但是，简单的PID算法控制可以消除这种稳态误差。
由此，本文将PID算法和模糊控制算法相结合形成模糊PID控制算法，这种算法集成了PID算法和模糊控制算法的优势，包括比例、模糊、比例积分控制等。
使用模糊PID控制算法的空调控制系统具有更快的反应速度和更强的鲁棒性，不仅如此，模糊PID控制算法在被控量偏差较大时使用模糊控制，在被控量偏差较小时使用PID控制，由此完成高精度的控制。
模糊控制器分为三部分：测量值的模糊化过程、建立模糊法则、模糊推断和决策。
本文建立的模糊控制法则如表1所示。
模糊控制器具有多个特点，比如响应速度快、稳态精度低、易产生震荡。
但是PID具有高稳态精度，适合各种工作环境的特点。
当控制器工作在动态过程时，主要起作用的是模糊控制器，当系统达到稳态工作点时，主要起作用的是PID控制实现稳态控制。
通过控制器自动开关，使得控制器能在PID控制和模糊控制之间进行转换。
本系统设定当|e|<5时，启动PID控制器，当|e|<5时，启动模糊控制器。
3 系统仿真
本文利用MatLab的Simulink工具创建变频空调模糊PID控制系统的仿真实现，误差切换点设置为|e|=5，数字显示模块动态显示房间温度Ti（t）的仿真输出。
设置房间温度为25摄氏度，限幅器参数值为3，延迟为20s，仿真时间为5000s时的仿真波形如图1所示。
延迟时间改为30秒的仿真波形如图2所示。
由图1可以得出，系统的输出在经过震荡后稳定在25℃，达到了预期目标。
模糊控制的下降速度要快于PID控制的下降速度，模糊控制的动态性能要由于
PID控制，但是稳态的误差较大，但是控制系统的时间延迟较大，导致PID控制的波动较大，响应速度慢，使得系统不稳定。
但是模糊PID控制算法的性能要由于其他控制算法，具有调节速度快，稳态误差小，控制效果优于PID和模糊控制。
由图2可以得出，系统的延迟时间改为30秒，PID控制对系统模型具有较强的依赖性，模糊PID控制不随参数的变化而性能受到影响，不依赖数学模型，系统在任何环境下都比较稳定。
4 结语
本文建立了室内温度模型，并对模型进行了分析，提出了模糊PID控制在变频空调中的应用，实验结果证明，模糊PID控制既有传统PID控制器的高精度有点，也具有模糊控制器的快速反应、适应能力强的特点，模糊PID控制能有效降低系统误差，保证系统具有良好的特性，达到变频空调的理想控制效果。
参考文献：
[1]师宇.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].机械科学与技术，2011.5（4）：12-14.
[2]苏明，陈伦军.模糊PID控制及其MATLAB仿真[J].现代机械，2012.3（2）：56-57.
[3]李丽娜.模糊PID符合控制算法改进及应用[J].东北大学学报（自然科学版），2009.2：32-34.
[4]张科.基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统[J].探测与控制学报，2008.2（4）：121-123.。