基于模糊與PID復合切換控制的VRV空調系統(tǒng)仿真

劉芮辰，李樹江，趙維衛(wèi)

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870)

基于模糊與PID復合切換控制的VRV空調系統(tǒng)仿真

劉芮辰，李樹江，趙維衛(wèi)

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870)

VRV空調系統(tǒng)以其節(jié)能性和舒適性得到了廣泛應用，但系統(tǒng)存在啟動反應慢、抗干擾能力差等問題。對此，文中在VRV空調系統(tǒng)房間模型基礎上，采用模糊和模糊PID切換控制的方式，設計了一種VRV空調系統(tǒng)的控制方案。仿真測試驗證了該設計在環(huán)境波動劇烈的情況下，系統(tǒng)調節(jié)時間短且作用效果顯著，同時對室內溫度控制具有較高精度，能夠滿足對環(huán)境舒適度的更高要求。

VRV空調系統(tǒng)；模糊控制；模糊PID；切換控制

變冷媒空調系統(tǒng)(Variable Refrigerant Volume，VRV)，一拖多VRV空調主要由室內機、室外機、冷媒管線和控制器4部分組成[1]。室內機是VRV空調的末端裝置部分，由蒸發(fā)器和風機組成，與分體式空調室內機的原理完全相同[2]。室外機主要由冷凝器、壓縮機和其他制冷附件組成，通過變頻控制器控制壓縮機轉速，使系統(tǒng)內的冷媒流量進行自動控制，以滿足室內冷、熱負荷的要求[3]。VRV空調以簡單的結構優(yōu)勢，有著廣泛的應用前景[4]。然而當工作環(huán)境溫度變化較劇烈時，系統(tǒng)需要具有魯棒性和快速響應的能力[5]。針對VRV空調的這種工作環(huán)境，本設計采用模糊控制與模糊PID切換的控制方式，當溫度劇烈變化時系統(tǒng)使用模糊控制策略；當調節(jié)溫度與設定溫度較為接近時系統(tǒng)切換到模糊PID控制策略，增強抗干擾能力和響應能力[6]。

1 模糊原理及設計

對于目標系統(tǒng)，如果被控對象具有耦合性和非線性等特性，一般難以建立精確的數(shù)學模型[7]。VRV空調控制系統(tǒng)具有時滯性和非線性，采用常規(guī)PID控制無法取得滿意的控制效果[8]。在實際控制中，模糊控制的動態(tài)控制效果要優(yōu)于PID控制，所以VRV系統(tǒng)在啟動階段采用模糊控制策略，使室內溫度快速的接近設定目標[9]。將設定溫度與室內溫度的溫差E以及溫度變化率EC作為輸入，利用模糊規(guī)則計算得到輸出參數(shù)U作為換熱器風閥模型的輸入。設定輸入?yún)?shù)的論域為(-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6);模糊子集為{NB,NS,ZE,PS,PB},子集中的元素代表的含義為負大，負小，零，正小，正大。模糊狀態(tài)采用三角隸屬函數(shù)，通過系統(tǒng)的特性設置模糊規(guī)則；當E為PB，EC為NS時，經(jīng)分析可知，此時室內溫度低于設定溫度，而溫度變化率卻以較慢的速度下降，此時需要加快溫度上升速度來消除溫度下降趨勢。由此可以得到模糊規(guī)則：If E is PB and EC is NS Then U is PB。通過歸納得出25條模糊規(guī)則,如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

2 模糊PID控制器設計

PID控制是一種線性控制策略，通過設定目標和實際輸出之間的差值 ，計算e(t)的比例、積分和微分值，通過線性組合構成的控制量對被控對象進行控制[10]。控制器輸出公式為

(1)

但是PID的缺點在于參數(shù)設置固定，無法根據(jù)具體情況進行更改。為此，在PID初值的基礎上通過模糊控制算法對參數(shù)進行動態(tài)的調整，使PID控制器獲得更好的靜態(tài)控制效果。系統(tǒng)預設KP、KI、KD的參數(shù)值，通過模糊運算得到PID修正參數(shù)，代入后得到新的PID參數(shù)[11]，公式為

(2)

(3)

(4)

表2 KP、KI、KD模糊推理規(guī)則

3 系統(tǒng)整體設計

空調的啟動性能對VRV空調系統(tǒng)能耗起到較大影響[13]。啟動后快速達到設定溫度，穩(wěn)定狀態(tài)下避免振蕩，可以有效降低能耗[14]。由于室內空間、排氣量、散熱等參數(shù)不同，所建立的數(shù)學模型也不同。室內換熱器風扇的可近似為一階慣性環(huán)節(jié)，房間數(shù)學模型可認為是一階滯后環(huán)節(jié)[15]。通過計算得到被控對象整體模型為

(5)

在系統(tǒng)仿真中，兩種控制方法需要切換。經(jīng)過測試，選擇溫差在10%時切換可以保證系統(tǒng)的平滑過渡。使用Simulink仿真軟件，具體仿真結構如圖1所示。

圖1 模糊切換系統(tǒng)仿真圖

4 仿真結果與分析

使用階躍信號模擬室內空調啟動。當室內溫度設定為20 ℃，在仿真中階躍信號值設為20,響應曲線如圖2所示。

圖2 復合控制和PID控制系統(tǒng)仿真對比圖

通過仿真結果可知，在啟動階段下，使用普通PID控制的系統(tǒng)超調為18.25%，調節(jié)時間為720 s，而使用復合控制的超調為6.1%，調節(jié)時間為600 s；經(jīng)過對比，使用模糊與模糊PID復合控制的溫度上升速度更快，超調更小，性能優(yōu)于普通PID控制。由圖可知，復合控制在接近溫度設定值差值10%時發(fā)生切換，信號切換過程比較平滑，不會使執(zhí)行設備產(chǎn)生明顯震蕩，更好地實現(xiàn)了控制要求。

5 結束語

針對VRV空調的特性和需求，為了增強系統(tǒng)的調節(jié)速度和降低能耗，設計采用模糊控制與模糊PID復合切換控制方法。通過Simulink進行系統(tǒng)仿真，驗證了控制方法的可行性，解決了PID控制動態(tài)特性差，靜態(tài)精度不夠的問題，使VRV空調系統(tǒng)工作更加高效和穩(wěn)定。

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Simulation of VRV System Based on Fuzzy and Fuzzy PID Switching Control

LIU Ruichen，LI Shujiang，ZHAO Weiwei

(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China )

VRV system with its energy saving and comfort characteristics have been generally recognized and a wider range of applications.Based on the established VRV room model, using a fuzzy control and fuzzy PID control switching method is adopted to design a VRV system control scheme.The simulation results show that the system has a short regulation time and a significant effect in the case of severe environmental fluctuation, while the indoor temperature has a high control accuracy, to meet people’s environmental comfort requirements.

VRV system;fuzzy control;fuzzy PID control;switch control

2016- 11- 07

劉芮辰(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：嵌入式開發(fā)。李樹江(1966-)，男，教授。研究方向：智能控制技術等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.037

TP273+.3

A

1007-7820(2017)09-139-03