基于灰色預(yù)測(cè)模糊PID算法的空調(diào)房間溫度控制

摘 要： 針對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)房間溫度控制系統(tǒng)的大慣性、純滯后和時(shí)變性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了將等維新息灰色預(yù)測(cè)控制與模糊自整定PID相結(jié)合的新型控制器，建立中央空調(diào)房間溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，介紹灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)，并對(duì)該控制方案進(jìn)行了數(shù)字仿真。仿真結(jié)果表明,該控制器比PID控制器、模糊PID控制器有更多優(yōu)越性，調(diào)節(jié)迅速，超調(diào)小，有更好的動(dòng)、靜態(tài)性能，具有一定的可行性。
關(guān)鍵詞： 中央空調(diào)； 模糊PID； 灰色預(yù)測(cè)； 仿真

能源問(wèn)題日益得到廣泛重視，而建筑物又是能耗大戶，世界各國(guó)都投入大量的人力、物力、財(cái)力研究建筑節(jié)能。在建筑物中，中央空調(diào)的能耗占建筑能耗的40%以上，目前的控制方式一般都采用PID控制算法，但中央空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)滯后、時(shí)變、非線性的系統(tǒng)，難以獲得精確的控制模型，采用常規(guī)PID控制往往難以實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能的運(yùn)行指標(biāo)[1]。模糊控制從人的控制經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出模糊控制規(guī)則，適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以用傳統(tǒng)理論建模的系統(tǒng)，在控制領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。而灰色預(yù)測(cè)控制是通過(guò)系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)序列的提取，尋求系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律，從而按照規(guī)律預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的行為，并根據(jù)系統(tǒng)未來(lái)的行為趨勢(shì)，確定相應(yīng)的控制決策進(jìn)行預(yù)控制。本文將灰色預(yù)測(cè)控制和模糊自整定PID控制結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)一種灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制器。通過(guò)模糊控制在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)自適應(yīng)性，通過(guò)預(yù)測(cè)控制消除系統(tǒng)的慣性和遲延，更好地解決中央空調(diào)時(shí)滯、控制精度、穩(wěn)定性等問(wèn)題。
1 控制系統(tǒng)模型的建立
中央空調(diào)房間溫度作為系統(tǒng)的控制對(duì)象，它是一個(gè)二階系統(tǒng)，但在能夠滿足控制要求的情況下，建立模型時(shí)常采用帶延遲的一階模型近似描述其動(dòng)態(tài)特性[2]。
根據(jù)空調(diào)房間模型的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[3]，側(cè)面送風(fēng)的空調(diào)房間傳遞函數(shù)為：

表冷器是空氣處理裝置中的重要組成部分，以冷（熱）水作為冷（熱）媒，讓其通過(guò)金屬光管或肋片管，從而使空氣被冷卻（加熱）甚至減濕，以維持空調(diào)房間的溫度和濕度。因此，表冷器的模型直接影響到空調(diào)機(jī)組的性能，有必要將其考慮進(jìn)空調(diào)房間模型中。表冷器的傳冷（熱）有一定的慣性，所以要考慮滯后，表冷器的傳遞函數(shù)可用一階慣性加純滯后的典型動(dòng)態(tài)特性來(lái)描述，根據(jù)相關(guān)研究成果[4]建立適合系統(tǒng)模擬的傳遞函數(shù)為：

2 預(yù)測(cè)模糊自整定PID控制器設(shè)計(jì)
灰色預(yù)測(cè)是以系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)為采樣信息，即根據(jù)采樣時(shí)刻及此之前幾步系統(tǒng)輸出的歷史數(shù)據(jù)，按新陳代謝原理建立GM（1,1）預(yù)測(cè)模型，用所建的模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為的發(fā)展，即預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的一步或多步行為數(shù)據(jù)，然后將行為預(yù)測(cè)值與行為的給定值進(jìn)行比較，計(jì)算系統(tǒng)誤差及誤差變化率?；疑A(yù)測(cè)模糊自整定PID控制器將預(yù)測(cè)誤差及其變化率作為模糊PID控制器的輸入，通過(guò)模糊控制對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行在線整定，以確定系統(tǒng)的超前控制值，進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)控制?？刂瓶驁D如圖1所示。

圖4所示。灰色預(yù)測(cè)模塊由基于灰色預(yù)測(cè)算法編寫的M文件實(shí)現(xiàn)。模糊自整定PID模塊中，通過(guò)不斷試湊得到的PID參數(shù)的初始值為：Kp0=10、Ki0=0.01、Kd0=10。e和ec量化因子分別為0.4、0.2，ΔKp、ΔKi、ΔKd比例因子分別1、0.000 000 1、1?；疑A(yù)測(cè)模塊中，采樣周期T=5 s，預(yù)測(cè)步數(shù)k1=3，建模維數(shù)m=5。