基于模糊控制技術(shù)的供暖節(jié)能技術(shù)研究

徐海亮 王虎 黃璐

(陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司710018 西安）

一、前言

    為實(shí)現(xiàn)對室溫的控制，要對室溫進(jìn)行監(jiān)控。由于室溫與濕度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其冷風(fēng)等因素有關(guān)，采用傳統(tǒng)PID控制很難達(dá)到預(yù)定要求。本次設(shè)計(jì)采用模糊控制技術(shù)對室溫進(jìn)行控制，將預(yù)定值與實(shí)際室溫比較，得出控制量及其方法，使其達(dá)到設(shè)定值。

二、室溫模糊控制器設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)引入模糊智能控制器、流量控制閥。采用雙輸入單輸出的模糊控制結(jié)構(gòu)，流量控制器實(shí)際入口溫度值為，給定標(biāo)準(zhǔn)溫度值為，偏差為。輸入量經(jīng)過模糊化后輸入到推理機(jī)后清晰化輸出控制量U，即分別作為控制閥門的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)開關(guān)量和控制閥門開度的脈沖量個(gè)數(shù)，之后采用比例因子來調(diào)節(jié)暖氣流量。調(diào)節(jié)規(guī)則如下：

    （1）>0，表示房間溫度值偏低，則開大流量控制器閥門，使熱水供給量增加，提高值；

    （2）<0，表示房間溫度值偏高，則開小流量控制器閥門，使熱水供給量減少，減小值。

    通過不斷調(diào)整，使值漸趨于0，實(shí)際室溫由于各種因素會在設(shè)定溫度值附近波動(dòng)，保證系統(tǒng)供熱穩(wěn)定。實(shí)際住宅供熱系統(tǒng)中，不同的時(shí)間與天氣對應(yīng)不同的設(shè)定溫度值，本設(shè)計(jì)中設(shè)定溫度的標(biāo)準(zhǔn)值為23。

    根據(jù)智能調(diào)節(jié)閥輸入信號、開度和數(shù)據(jù)流量，流量和開度是非線性關(guān)系，參考了2012中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告中關(guān)于調(diào)節(jié)閥與房間溫度的研究報(bào)告，能得到閥門流量與房間溫度的廣義對象的傳遞函數(shù)為（2-1）所示：

（2-1）示

    一維模糊智能控制器的輸入為溫度誤差。誤差的模糊論域?yàn)?/span>[－6，＋6]，模糊集取{NB，NS，ZO，PS，PB}。根據(jù)＝、＝，可求出和的量化因子，根據(jù)控制要求，=4，則量化因子為：考慮對論域的覆蓋程度和靈敏度與魯棒性原則,的隸屬函數(shù)選用三角形隸屬函數(shù)。 

     系統(tǒng)采用負(fù)偏差邏輯，即偏差，偏差變化率。由于設(shè)計(jì)要求為無靜差控制系統(tǒng)，被控對象具有慣性特征，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此采用二維模糊控制器。

    輸入量輸出量的模糊化

    （1）確定輸入輸出語言變量

    設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)首先要明確模糊輸入、輸出變量及其相應(yīng)的模糊取值，包括隸屬度函數(shù)，室溫控制系統(tǒng)的模糊輸入確定為溫度的偏差和偏差的變化。設(shè)目標(biāo)溫度為A，實(shí)測溫度為B，則偏差，偏差的變化為。

    輸入語言變量選用實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差及其偏差變化率△e，把各控制量作為輸出的語言變量。根據(jù)室溫情況，輸入輸出語言變量都選取7個(gè)語言值：PL(正的大溫度偏差)，PM(正的中溫度偏差)，PS(正的小溫度偏差)，ZO(零溫度偏差)，NS(負(fù)的小溫度偏差)，NM(負(fù)的中溫度偏差)，NL(負(fù)的大溫度偏差)。根據(jù)室溫的情況，對于溫度模糊控制輸入及輸出的語言的模糊子集確定為：

    計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制算法進(jìn)行模糊控制時(shí)，將每次采樣所得數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，成為模糊控制器的輸入變量。為實(shí)現(xiàn)模糊化處理，將輸入變量的基本論域乘以相應(yīng)的量化因子轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域，再將模糊控制算法給出的控制量乘以因子，將其轉(zhuǎn)換到控制對象能夠接受的基本論域。設(shè)偏差的量化因子為，偏差變化的量化因子為，輸出變量的比例因子為，偏差和偏差的變化分別量化為和，輸出變量為。一維模糊控制系統(tǒng)示意圖如圖2.3所示：

圖2.3  模糊控制器示意圖

    對于設(shè)定偏差、的論域X，將誤差大小量化為9個(gè)等級，既是：X={-1、-2、-3、-4、-5、-6、0、1、2、3、4、5、6}。對于控制量的論域Y，其控制器可以量化為9個(gè)，即為Y={-1、-2、-3、-4、-5、-6、0、1、2、3、4、5、6}。對于輸入輸出變量模糊子集的定義關(guān)鍵是確定隸屬函數(shù)，在確定隸屬函數(shù)時(shí)掌握的原則是：a. 表示隸屬函數(shù)的模糊集必須是凸模糊集；b. 變量所選取的隸屬函數(shù)通常是對稱和平衡的；c. 隸屬函數(shù)要遵從語義順序；d. 論域中的每個(gè)點(diǎn)應(yīng)該至少屬于一個(gè)隸屬函數(shù)的區(qū)域，至多兩個(gè)隸屬函數(shù)的區(qū)域；e. 對同一個(gè)點(diǎn)沒有兩個(gè)隸屬函數(shù)會同時(shí)有最大隸屬度；f. 當(dāng)兩個(gè)隸屬函數(shù)重疊時(shí)，重疊部分的任何點(diǎn)的隸屬函數(shù)的和應(yīng)該小于等于1，根據(jù)以上的原則，以及簡化計(jì)算選擇三角形隸屬函數(shù)。

表2.1  模糊控制規(guī)律圖

		NL	NM	NS	ZO	PS	PM	PL
	NL	NL	NL	NL	NL	NM	NS	ZO
	NM	NL	NL	NM	NM	NS	ZO	ZO
	NS	NL	NM	NM	NS	ZO	ZO	PS
	ZO	NM	NS	NS	ZO	PS	PS	PM
	PS	NS	ZO	ZO	PS	PM	PM	PL
	PM	ZO	ZO	PS	PM	PM	PL	PL
	PL	ZO	PS	PM	PL	PL	PL	PL

    取輸出的基本論域?yàn)?/span>{-0.06,0.06}，的模糊論域取[-6，+6]，模糊集為{NB，NS，ZO，PS，PB}，控制量的論域?yàn)?/span>[4，20]mA,其最大值為20mA，最大增量一般是最大值的2％，如選為5×2％＝0.2，那么的初選值為。的隸屬函數(shù)也選擇為三角形隸屬函數(shù)

可得比例因子=0.0189。的隸屬函數(shù)選擇為三角形隸屬函數(shù)。反模糊化采用重心法，即（2-2）式：

（2-2）示

    為第n條規(guī)則結(jié)論部分隸屬函數(shù)的特征值，是第n條規(guī)則的輸出控制量模糊集的隸屬度。控制器采用增量形式，即：，可得控制查詢表如表2所示。當(dāng)偏差達(dá)一定量小時(shí)，引起靜差，為消除靜差，引入量，所以總輸出可以表示為 。

三、結(jié)語

    本文提出的模糊控制理論技術(shù)，是基于模糊控制理論進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)及其模糊推理方法，并結(jié)合相應(yīng)的算法算術(shù)平均值與分批估計(jì)相結(jié)合的融合算法，對室溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在數(shù)據(jù)測量的精確度有了很大的提高。

參考文獻(xiàn)

    【1】 韓紅.基于模糊推理的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003.45

    【2】 杜曉坤.基于byaes估計(jì)的多傳感器最優(yōu)融合.工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2005.25

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會      文徑網(wǎng)絡(luò)：呂琳琳  尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)