中央空调自适应模糊-PID 控制系统的设计

林小英

模糊控制系统是一种基于规则的知识型控制系统，相对于与传统的控制方法，模糊控制有以下优点：对过程建模的要求不高，只要求掌握操作人员的经验和专家知识；控制算法简单方便，控制规则采用语言变量的形式定性表述，对于难以建立数学模型的复杂系统，具有良好的适应性和鲁棒性。常规的模糊控制器在动态性能方面有许多不足之处，比如静态精度不高和难以满足动静两方面的性能要求，主要是由于一般模糊控制器在结构上过于简单，因此需要对其结构做出相应的优化，以弥补这些不足。
   
   常规 PID 控制器是工业控制中最基本的控制器，由于其参数物理意义明确、易于调整，在工程中的应用十分普遍。PID 控制器的参数整定的好坏直接影响着调节过程的品质，对于线性定常系统的控制是非常有效；但当被控对象是数学模型不确定、滞后严重、非线性强的系统，其 PID 参数整定就变得非常困难，且一旦设定不能够在线自动调整，因此对这些系统就不能取得很好的控制效果。
   
   针对常规模糊控制器以及 PID 控制器对非线性、时变系统控制的局限性，结合二者的优点，出现了模糊-PID 控制器。所谓模糊-PID 控制器就是在常规模糊控制和 PID 控制的基础上，结合两者的优点设计出来的模糊-PID 控制器。根据专家知识和操作人员的经验，找出 PID 的三个参数与控制器的输入之间模糊关系，将得到的模糊子集隶属度函数值和模糊规则存放在模糊知识库中，控制器根据实时输入，经过模糊推理，使 PID 参数的能够在线动态整定，把这一控制过程称为自适应模糊-PID 控制。本控制系统以偏差e及偏差变化率ec作为控制器输入，在系统运行的过程中实时检测偏差e和偏差变化率ec，经过模糊推理对PID参数进行动态整定，以实现不同时刻的e和ec对PID参数的要求，从而使整个系统具有最佳的动态、静态性能。
   
   自适应模糊-PID 控制器结构设计的首要工作是确定模糊控制器的输入以及输出模块。按模糊控制器的输入变量个数，可将模糊控制器划分为一维、二维以及多维。从理论上讲，维数越高，表示系统反馈信息越全面，因而控制精度也越高，然而，维数的增加，也使模糊规则变得过于庞杂，并且控制算法不易设计，所以一般维数在三维以下，实际工程项目中经常使用二维自适应模糊-PID 控制器。