變頻空調(diào)房間溫度模糊控制的仿真研究

曹振華

變頻空調(diào)房間溫度模糊控制的仿真研究

曹振華

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710300）

利用Matlab軟件中的模糊工具箱和Simulink仿真工具對(duì)變頻空調(diào)器的溫度進(jìn)行模糊控制器設(shè)計(jì)并仿真。通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)變頻空調(diào)器的溫度控制采用單純的模糊控制雖魯棒性較強(qiáng)，但存在穩(wěn)態(tài)誤差，以后可考慮研究采用模糊PID控制器，將兩者有力的結(jié)合起來，使其達(dá)到更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、更小的超調(diào)。采用該仿真工具其方法簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，可以大力推廣。

變頻空調(diào)器；空調(diào)房間溫度；模糊控制器設(shè)計(jì)；仿真

0 引言

模糊控制技術(shù)是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，是一種逐步大量應(yīng)用的能夠提高工業(yè)自動(dòng)化控制能力的控制技術(shù)。是一種基于語言規(guī)則和模糊推理的控制方法，采用人類的語言語句表述，其特點(diǎn)是直觀，易于理解，可以對(duì)大慣性、非線性、難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì)象以及大滯后等取得較好控制效果[1]。但由于模糊控制器設(shè)計(jì)過程中存在諸多主觀因素，如控制規(guī)則構(gòu)造、隸屬度確定等，

要使控制系統(tǒng)達(dá)到較好的魯棒性和適應(yīng)性需要反復(fù)進(jìn)行調(diào)試。因此，利用電腦預(yù)先對(duì)設(shè)計(jì)好的模糊控制器進(jìn)行仿真模擬研究就顯得難能可貴。

本論文擬采用MATLAB仿真軟件進(jìn)行模擬仿真，MATLAB目前已成為國際上最為流行的仿真軟件之一，它擁有可靠豐富的矩陣運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、圖形繪制、圖像處理以及包括Simulink和Fuzzy Logic lbox在內(nèi)的實(shí)用工具箱，其可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的模擬仿真研究[2]。該軟件具有可靠的數(shù)值運(yùn)算、圖像和圖形顯示及處理、友好的圖形界面設(shè)計(jì)風(fēng)格等眾多優(yōu)點(diǎn)，其很快在國際自動(dòng)控制界流行起來，現(xiàn)在已經(jīng)成為自動(dòng)控制系統(tǒng)研究人員不可或缺的有力仿真工具。同時(shí)，控制界很多學(xué)者將自己擅長的控制方法用MATLAB加以仿真實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了大量MATLAB的配套工具箱，如模糊控制工具箱（Fuzzy Logic toolbox）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（neural netwook toolbox）、控制系統(tǒng)模型圖形仿真環(huán)境（Simulink）等。尤其是Simulink工具平臺(tái)的出現(xiàn)，使得控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真變得即容易又直觀。本文擬利用FuzzyLogic Toolbox和Simulink兩個(gè)工具箱對(duì)變頻空調(diào)器溫度控制的模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真。

1 變頻空調(diào)器溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)

變頻空調(diào)器溫度模糊控制器采用輸入變量為房間溫度變化和溫度變化率, 輸出變量為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)。其內(nèi)容設(shè)計(jì)主要有4個(gè)方面[3]：（1）輸入輸出語言變量及其隸屬度函數(shù)的確定；（2）控制規(guī)則表的編輯；（3）模糊合成推理；（4）解模糊。

在Matlab軟件的Command命令窗口鍵入命令fuzzy，模糊推理系統(tǒng)圖形編輯器（FIS）彈出，F(xiàn)IS主要用于設(shè)計(jì)和顯示模糊推理系統(tǒng)的基本信息。

1.1 輸入輸出語言變量的確定

在FIS Editor中單擊菜單Edit/Add input,編輯輸入輸出語言變量,并在下半部的右側(cè)白框內(nèi)分別輸入“溫度變化量”和“溫度變化率”（為輸入語言變量input1和input 2重新命名）；選output方框,在下半部的右側(cè)白框內(nèi)輸入“壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速”（為輸出語言變量output重新命名）。在下半部左側(cè)為“與”、“或”、“蘊(yùn)涵”、模糊規(guī)則的合成運(yùn)算以及解模糊選擇合適的方法,分別選擇“min極小”、“max極大”、“min極小”,“max極大”、“centroid面積重心法”。結(jié)果如圖1所示。

1.2 隸屬度函數(shù)的確定

在FIS Editor中單擊菜單View/Edit membership function, Membership Function Editor界面彈出。其中上半部分顯示隸屬度函數(shù)的圖形，下半部分設(shè)定隸屬度函數(shù)的參數(shù)。

采用Mamdani提出的處理方法可實(shí)現(xiàn)模糊控制器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。即將輸入變量、輸出變量的論域定為[-6,+6]區(qū)間連續(xù)變化量，使之離散化，構(gòu)成含13個(gè)整數(shù)元素的離散集合{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0, 1,2,3,4,5,6}，并將其分成5個(gè)等級(jí){-6,-3,0,3,6}，見表1。每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)Fuzzy子集，可根據(jù)實(shí)際用隸屬度函數(shù)模擬[-6,+6]之間13個(gè)元素對(duì)應(yīng)每個(gè)等級(jí)的隸屬度。MatLab模糊邏輯工具箱中提供了拋物線型曲線、分段線性函數(shù)、S型函數(shù)、高斯分布函數(shù)等11種常用隸屬度函數(shù)類型。其中最簡單的隸屬度函數(shù)是三角形函數(shù),三角形函數(shù)實(shí)際上是一種特殊的分段線性函數(shù)，其計(jì)算工作量少，形狀簡單，存儲(chǔ)空間較節(jié)約。當(dāng)輸入值發(fā)生變化時(shí)，三角形隸屬函數(shù)與正態(tài)分布的隸屬函數(shù)的相比，其靈敏性更大。

表1 輸入、輸出變量的離散等級(jí)

比如當(dāng)選中語言變量（如溫度變化），在白框內(nèi)輸入其論域大?。╗-6,+6]）)，隸屬度函數(shù)的名稱（TL），類型（trimf）和參數(shù)（[-6，-3，0]）。各語言變量隸屬度函數(shù)圖形見圖2～圖4所示。

圖2 溫度變化隸屬度函數(shù)

圖3 溫度變化率隸屬函數(shù)

圖4 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)隸屬函數(shù)

1.3 控制規(guī)則的編輯

在FIS Editor中單擊菜單View/Edit Rules，文本編輯窗口Rule Editor彈出，即可進(jìn)行控制規(guī)則的輸入和修改。模糊控制規(guī)則有三種顯示形式：符號(hào)型（Simbolic），語言型（Verbose）以及索引型（In-dexed），可以通過菜單Options進(jìn)行選擇，默認(rèn)為語言型（if…then…）。

在FIS Editor中定義的變量系統(tǒng)已經(jīng)自動(dòng)將其顯示在界面下部，只要選擇相應(yīng)的輸入變量（是否加not）、輸出變量，選擇不同輸入變量之間的連接關(guān)系（or，and）以及權(quán)重系數(shù)（默認(rèn)為1），單擊按鈕Add rule，在上半部區(qū)域內(nèi)（括號(hào)中數(shù)字表示該規(guī)則的權(quán)重值）就會(huì)顯示所編輯的控制規(guī)則。如表2所示，列舉了部分控制規(guī)則。這樣便利建立了一個(gè)FIS文件,保存為“房間溫度.fis”，并單擊File/Save to workspace，把FIS文件保存到工作空間，以便在Simulink建模過程中調(diào)用。

表2 部分模糊控制規(guī)則

1.4 模糊合成推理過程的觀察

圖6 模糊規(guī)則演示界面

可利用在FIS Editor中的觀察器（單擊View Rules和View Surface）了解模糊規(guī)則的合成推理過程及輸入輸出變量之間的關(guān)系，如圖5、圖6所示。

2 系統(tǒng)仿真

檢驗(yàn)一個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期目的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最重要的問題，但如果進(jìn)行計(jì)系統(tǒng)實(shí)際設(shè)檢驗(yàn)，則需要花費(fèi)大量的資金和時(shí)間，因此設(shè)計(jì)者往往利用電腦仿真軟件進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)系統(tǒng)的仿真模擬，利用其仿真系統(tǒng)模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，模擬實(shí)際運(yùn)行工況，檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)是否合理。其中Matlab中的Simulink仿真便可直觀、明了地觀察所設(shè)計(jì)模糊系統(tǒng)是否合理，也可以幫助分析、解決不合理問題，進(jìn)行模糊設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)以及完善系統(tǒng)[4]。

2.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

仿真模型可直接用文本編輯軟件進(jìn)行編輯，一般以特定的文本（或標(biāo)記文本）方式存取。Matlab軟件提供了一種更為簡單明了的方式——利用各種模塊庫用可視化的途徑在仿真模型編輯窗口將系統(tǒng)“搭建”起來。

在Matlab中的Command窗口鍵入Simulink，Simulink Library Browser對(duì)話框彈出。單擊File/New/Model，新建一個(gè)仿真模型窗口，并將所需的模塊按照設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案拖動(dòng)到該窗口，然后將相應(yīng)模塊用帶箭頭的線段連接起來，其仿真模型如圖7所示[5]。

圖7 仿真模型

2.2 系統(tǒng)模型仿真過程

雙擊各模塊為其設(shè)定參數(shù)，房間傳遞函數(shù)如下：[6]

其中1=150s；2=60s；=12s；=10。

雙擊“模糊控制器”模塊，彈出對(duì)話框如圖8所示，在框內(nèi)輸入“房間溫度”，將前面設(shè)計(jì)好的FIS文件傳遞給模糊控制器。

圖8 參數(shù)設(shè)置

若房間設(shè)定溫度為26℃，初始溫度分別為20℃、30℃時(shí)的仿真曲線如圖9所示。

圖9 仿真曲線

從圖9仿真曲線可知, 模糊控制器可以很簡單并且有效的控制模型很復(fù)雜的系統(tǒng)以及模型不是很清楚的系統(tǒng)，且魯棒性較強(qiáng)。但其不具有積分環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差[7-9]。若將模糊控制器與PID控制器結(jié)合起來，可以構(gòu)成兼有兩者優(yōu)點(diǎn)的模糊PID（Fuzzy—PID）控制器，從而達(dá)到更好的控制效果。這個(gè)是變頻空調(diào)溫度控制系統(tǒng)以后研究的方向，我們將通過Matlab仿真軟件繼續(xù)進(jìn)行這方面的研究。

3 結(jié)論

（1）利用模糊推理系統(tǒng)圖形編輯器（FIS）可以進(jìn)行方便、簡單、靈活的設(shè)計(jì)模糊控制器，且模糊推理過程以及輸入輸出變量之間的關(guān)系可以直觀、明了的顯示；

（2）Simulink仿真控制系統(tǒng)快速、方便、效果佳；

（3）當(dāng)使用Simulink模塊無法仿真復(fù)雜的控制系統(tǒng)時(shí)，其Matlab豐富的命令函數(shù)可通過標(biāo)準(zhǔn)M文件形式編制S函數(shù)式來構(gòu)造所需的功能模塊；

（4）通過仿真可知，變頻空調(diào)器房間溫度控制采用單純的模糊控制魯棒性較強(qiáng)，但存在穩(wěn)態(tài)誤差，以后可考慮研究采用模糊PID控制器，將兩者有力的結(jié)合起來，使其達(dá)到更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、更小的超調(diào)。

[1] 徐昕.Matlab工具箱應(yīng)用指南——控制工程篇[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

[2] 黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.

[3] 吳曉莉.Matlab輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[4] 姚俊.Simulink建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[5] 高翔,吳剛,陳金增.制冷空調(diào)系統(tǒng)的模糊控制與模擬仿真[J].海軍工程學(xué)報(bào),1998,(3):62-66

[6] 白建波,李洋,王孟,等.空調(diào)系統(tǒng)室溫回路的性能評(píng)估及自適應(yīng)PID控制方法[J].制冷與空調(diào),2016,(2): 168-172.

[7] 黃貞輝,陳瑋,涂建.家用變頻空調(diào)溫度模糊控制算法研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,(2):169-174.

[8] 曹振華.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的控制仿真研究[J].制冷與空調(diào),2017,(3):313-316.

[9] 周智華,姚曉東.多溫區(qū)汽車變頻空調(diào)控制系統(tǒng)的仿真研究[J].制冷與空調(diào),2008,(3):53-56,39.

Simulation Study on Fuzzy Control of Temperature in Variable Frequency Air Conditioning Room

Cao Zhenhua

( Shaanxi Institute of Technology, Xi’an, 710302 )

In this paper, the fuzzy controller is designed and simulated by using the fuzzy toolbox and Simulink simulation tools in MATLAB software. Through simulation, it is found that the temperature control of frequency conversion air conditioner adopts simple fuzzy control, although it has strong robustness, but there is steady state error. After that, the fuzzy PID controller can be considered and combined to make it achieve faster dynamic response and smaller overshoot. The simulation tool is simple, reliable and easy to implement, and can be widely promoted.

Frequency conversion air conditioner; air conditioning room temperature; fuzzy controller design; simulation

TU831.6

A

1671-6612（2019）04-433-4

曹振華（1978.2-），男，研究生，副教授，E-mail：106741438@qq.com

2018-08-10