模糊控制在智能建筑中的應用

李悟早，孫健，張文斌，王桂花，韓雷斌

（中國自控系統(tǒng)工程有限公司）

1 引言

智能建筑[1]經(jīng)歷了40年的發(fā)展，國內外涌現(xiàn)出大量的新型綠色環(huán)保智能建筑，并且在原有傳統(tǒng)建筑上進行了技術更新和智能化改造，使其能夠適應信息化時代的需求和發(fā)展。智能建筑通過先進的計算機技術對傳統(tǒng)建筑工作環(huán)境進行更好的智能化控制[2]，大幅度減少了建筑能源的浪費，提高了建筑內人員的工作效率、安全性和舒適度。

2 模糊控制介紹

智能化控制方法主要有專家系統(tǒng)控制、自適應控制、模糊控制[3]、神經(jīng)網(wǎng)絡[4]控制等方法。由于專家系統(tǒng)主要是根據(jù)行業(yè)專家的知識和經(jīng)驗成果對數(shù)據(jù)進行實際控制，當工作環(huán)境和數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，會因誤差較大導致不能靈活的對數(shù)據(jù)進行控制改變。而采用神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制的系統(tǒng)則能夠精確處理大量的數(shù)據(jù)，在具有語音識別、模式識別、復雜控制等諸多功能方面具有巨大的優(yōu)勢。但其問題也比較明顯，系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)精確度極高，還需要考慮數(shù)據(jù)的成本和效率以及能源消耗等問題，并且有些系統(tǒng)的開發(fā)和設計并不需要通過建立非常完備的神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)便已經(jīng)能有效的解決問題。

模糊控制的主要技術優(yōu)勢是在處理數(shù)據(jù)不精確時根據(jù)一定的規(guī)則建立模糊規(guī)則和模糊控制系統(tǒng)中的數(shù)學模型，并有效的進行智能化控制。

模糊控制的主要原理是以模糊數(shù)學為理論基礎，通過綜合運用模糊數(shù)學理論將其中的數(shù)據(jù)進行集合計算轉化，運用模糊數(shù)學邏輯[6]將其中的數(shù)據(jù)轉化成為模糊計算機語言。在實際的工程設計和復雜的施工現(xiàn)場時，很多的數(shù)據(jù)往往都是模糊、不夠精確的，采用模糊控制的理論和方法可以對無法建立精確模型[7]的被控對象進行有效分析和控制。

2.1 模糊控制結構

模糊控制是由模糊控制器、執(zhí)行機構、轉換機構、傳感器等組成，首先將模糊數(shù)據(jù)輸入，然后通過計算機數(shù)據(jù)處理器接口對其進行模糊轉化，將計算機數(shù)據(jù)處理器轉化后成為一種能夠準確識別的計算機編程語言，再將其數(shù)據(jù)送到需要執(zhí)行的機構，然后對其進行清晰化的執(zhí)行。

模糊控制器是模糊控制的核心，它將傳感器傳送來數(shù)據(jù)進行模糊化處理，建立模糊規(guī)則后對其進行模糊推理和模糊篩選，符合條件再對其進行清晰化處理。最后得到的數(shù)據(jù)結構轉化成電信號傳送到被控傳感器中，由于對被控傳感器的對象往往控制精度不固定，如傳感器的溫度、流量、濃度、濕度、壓力等。故需要選用控制精度和穩(wěn)定性都能達到一定條件的模糊控制傳感器。

2.2 模糊控制器的設計流程

模糊控制在智能建筑中實現(xiàn)的步驟，首先是收集智能建筑中需要進行模糊控制的數(shù)據(jù)，其次是根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進行模糊控制器的設計，在確定好實際所需的輸入和輸出量后，再根據(jù)物理量確定選用一維、二維或高維模糊控制器。確定模糊子集的隸屬度函數(shù)時，根據(jù)經(jīng)驗可以選擇Z形、鐘形、高斯型、三角形等。建立模糊規(guī)則后經(jīng)模糊推理進行篩選，選出符合條件的進行模擬仿真，建立數(shù)學模型。在設計出模糊控制器后將其安裝到相應設備中，最后通過傳感器進行智能化控制。

2.3 模糊控制的特點

模糊控制的主要特點是依靠工作人員和專家的實際工作經(jīng)驗、知識和實際操作數(shù)據(jù)進行模糊語言搭建和確定模糊規(guī)則，所以模糊控制無需充分考慮多方面的因素就可以設計和建立精確控制模型。其次因為模糊控制是基于語言控制決策規(guī)則進行設計的，這有利于建立模擬語言模仿人類的思維，建立模擬各種人工控制的概念和方法，具有很高的效率和可操作性。模糊控制的魯棒性強，因為其語言控制經(jīng)歷過系統(tǒng)的模糊化和清晰化處理，受外界干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化的影響較小，尤其適合非線性、時變和純線性滯后的控制系統(tǒng)。

模糊控制的方法可以和其他相對成熟的語言控制理論和方法直接結合，如PID控制、自適應控制等。從工業(yè)控制過程中的語言控制角度分析來看，建立一套語言分析和控制規(guī)則，對難以分析和獲取的數(shù)據(jù)信息，以及動態(tài)特性難以控制的被控對象尤為適用。

故模糊控制大量應用于各種復雜工業(yè)控制領域，如2003年提出模糊控制過程加速和前饋驅動補償?shù)膹碗s模糊控制過程驅動控制器的基本設計控制方法，用于與s-mcs-51單片機共同完成控制的異步降壓電動機以及用于輕載電動降壓機的節(jié)能器上，取得了很好的實際應用結果。

3 在智能建筑中的應用

3.1 智能建筑中光環(huán)境的模糊控制

智能建筑系統(tǒng)中的自然光[8]和智能建筑燈光的照明都是非線性的過程，所以選擇模糊控制更為合理。模糊控制的對象主要是智能建筑遮陽[9]系統(tǒng)和人工照明系統(tǒng)。其中，百葉窗遮陽照明系統(tǒng)是通過照明系統(tǒng)控制一個百葉窗的偏轉角度來對百葉窗進行采光控制的。

遮陽系統(tǒng)和人工智能照明系統(tǒng)將模糊的光照均勻度當做一個輸入量傳送到模糊控制器中，模糊控制器將人的感覺和舒適度作為評價標準。該標準分為可能無法接受的感覺、輕微的感覺、可能容易接受、稍不舒適、不能忍受五個檔次。模糊的光照均勻程度評價標準分為很差、較差、中、較好、很好五個檔次。經(jīng)過模糊的規(guī)則和邏輯推理之后，根據(jù)我國建筑采光設計規(guī)范要求進行分析判斷是否符合建筑采光條件，使最后的數(shù)據(jù)分析結果更具科學性和實用性。

3.2 智能建筑中空調的模糊控制

空調屬于強耦合和時變的非線性控制系統(tǒng)，由于缺乏精確的空調控制數(shù)據(jù)，很難建立精確的空調數(shù)學控制模型，所以主要依靠模糊控制方法進行空調的控制。

模糊控制不僅能對空調進行精確的溫度控制，而且能有效控制空調的溫濕度并保證空調的正常運行。最常見的就是用模糊控制智能化空調的機組制冷[10]系統(tǒng)。

空調的制冷機組系統(tǒng)是智能化空調系統(tǒng)的一個核心組成部分，通過對空調制冷機組的模糊控制來對智能化空調系統(tǒng)進行智能化管理和控制。模糊控制的對象一般選擇室外的溫度、冷卻水的溫度、熱負荷溫度作為空調的輸入量。將室外壓縮機的輸入量和頻率溫度作為輸出量。

模糊控制輸入量結構中的室外溫度也可以設置為五個檔次，分別為超低溫、低溫、正常、高溫、超高溫。在模糊控制的模型數(shù)據(jù)建立好之后，可將模型數(shù)據(jù)導入到控制器的matlab中進行仿真和模擬，監(jiān)測是否能夠滿足相關需求。在建立數(shù)學模型后進行軟件模擬，能夠減少錯誤，提高工作效率，減少能源的浪費。

3.3 智能建筑中電梯群控的模糊控制

電梯[11]運送系統(tǒng)是現(xiàn)代智能建筑中電梯設計不可或缺的一部分，也是目前在日常生活中使用率較高的一種智能化設備。在充分滿足乘客生理和心理需求的同時，估算出乘客在電梯最長平均等候時間和乘客最大平均沖擊點的次數(shù)。然后，運用模糊控制算法進行電梯智能化控制。

在智能電梯中可以合理化的進行資源分配，減少對資源的浪費，提高工作效率和乘客滿意度。

模糊語言設置的電梯等候時間檔次分為短、適中、長、很長。在模糊推理的清晰化過程中通?？梢赃x用的兩種模型分別是Mamdani型和Sugeno型。在清晰化的模糊推理過程中通常選用的模型是電梯重心群控算法。可以求出電梯中心沖擊點的次數(shù)作為模糊推理的清晰化結果。我們使用該算法對matlab模型進行仿真之后得到了仿真的結果，采用群控[12]算法對平均乘電梯的時間和最大沖擊點的次數(shù)都起到了有效抑制作用，能夠使乘客在乘電梯的過程中減少承受的沖擊次數(shù)。

4 結論與展望

智能建筑的控制方式有很多種，其中模糊控制在各種智能建筑的解決方案中起著重要的作用，在中央空調、智能照明、電梯群控、能源管控、安防等各個方面都具有很好的智能化控制作用。模糊控制還可與其他的控制工程管理系統(tǒng)協(xié)同發(fā)揮作用。由于模糊控制系統(tǒng)具有很強的自適應和魯棒性，所以在建筑工程的應用方面也具有很大的潛力，模糊控制與智能建筑有很緊密的結合，未來會出現(xiàn)更多更新的應用。