中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的神經(jīng)PID控制

摘 要： 在對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的設(shè)計中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對PID控制器參數(shù)kp，ki，kd的在線整定與調(diào)整，實現(xiàn)對中央空調(diào)冷凍水變流量的控制，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能與控制精度。
關(guān)鍵詞： 神經(jīng)網(wǎng)；PID控制器；中央空調(diào)；變流量

　中央空調(diào)在整個智能樓宇建筑系統(tǒng)中的能耗比例較大，約占整個建筑能耗的50%，中央空調(diào)節(jié)能措施的研究是我國現(xiàn)階段空調(diào)研究的主要方向。中央空調(diào)變水量系統(tǒng)是當(dāng)實際負荷的改變時，通過變頻器實現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的改變，從而改變系統(tǒng)冷凍水的流量，實現(xiàn)空調(diào)的節(jié)能目標。
　由于中央空調(diào)是一個非線性、大滯后、時變的系統(tǒng)，要想通過PID達到一個良好的控制效果，必須對PID的3個參數(shù)合理選取。在以往的PID控制變頻調(diào)節(jié)中，PID參數(shù)的整定需在現(xiàn)場調(diào)試的過程中不斷地加以調(diào)整才能實現(xiàn)良好的控制，在應(yīng)用上普通的PID調(diào)節(jié)很難實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，而且對工況及環(huán)境變化的適應(yīng)能力差。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的中央空調(diào)水系統(tǒng)通過不斷的調(diào)整權(quán)值參數(shù)可對PID參數(shù)kp、ki、kd進行在線式調(diào)整，可以隨環(huán)境的變化實現(xiàn)對參數(shù)的調(diào)整，對數(shù)學(xué)模型要求也不是很高，在穩(wěn)定性和適應(yīng)能力方面具有良好的性能[1]。
1 中央空調(diào)冷凍水二次泵控制方案
　本文應(yīng)用壓差控制來實現(xiàn)中央空調(diào)水系統(tǒng)中水泵的變頻。壓差控制采用冷凍水環(huán)路中離泵最遠的空調(diào)用戶端（最不利支路）的壓差與壓差設(shè)定值比較的偏差，作為控制器的輸入改變變頻器的值，控制水泵電機轉(zhuǎn)速改變流量，使檢測處的壓差跟隨設(shè)定值，滿足系統(tǒng)負荷需要[1]。當(dāng)房間的負荷降低時，造成最不利支路上冷凍水電動閥門開度減小，冷凍水的流量減小，壓差增大。通過與設(shè)定壓差比較，改變二次水泵的轉(zhuǎn)速，降低其流速，使最不利支路上的壓差減小。
2 冷凍水變流量控制器的設(shè)計
2.1 神經(jīng)PID控制原理
　利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近任意非線性函數(shù)的能力、自學(xué)習(xí)的能力及非線性映射能力。將其運用到PID控制調(diào)節(jié)中，并根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過不斷調(diào)整權(quán)值、不斷調(diào)節(jié)PID控制器的3個參數(shù)，以期達到某種控制規(guī)律下性能指標的最優(yōu)化。
　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由輸入層、隱含層、輸出層3層網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。通過隱含層和輸出層活化函數(shù)的計算，使輸出層的神經(jīng)元狀態(tài)對應(yīng)PID控制器的3個可調(diào)參數(shù)kp、ki、kd，來實現(xiàn)系統(tǒng)的在線整定[2]。
經(jīng)典增量式控制算法：


2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器結(jié)構(gòu)
　基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其控制器是由常規(guī)的PID控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。在控制器中，常規(guī)的PID控制器與被控對象形成閉環(huán)控制，通過不斷采集被控對象輸出，使被控對象的輸出趨于穩(wěn)定，并使系統(tǒng)的誤差趨于零；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)誤差值來作為它的輸入，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力和加權(quán)系數(shù)的不斷調(diào)整，使輸出層神經(jīng)元的輸出對應(yīng)于控制器的可調(diào)參數(shù)kp、ki、kd，來調(diào)整控制器的輸出，使系統(tǒng)運行狀態(tài)快速穩(wěn)定。