基于smith 预估的模糊pid 串级中央空调水系统控制

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1、收稿日期：2011-07-06作者简介：张荷芳(1967-)，女，西安工业大学副教授，主要从事大系统控制理论研究。E-mail：dzx_zh_f@163.com.基于Smith预估的模糊PID串级中央空调水系统控制张荷芳，王洁，易善伟（西安工业大学电子信息工程学院,西安710032）摘要：为了避免部分负荷下空调运行所造成的能量损失，需对水流量进行控制。通过分析，采用一种带Smith预估的模糊PID复合串级控制系统。该系统对末端压差和回水温度进行串级优化控制，其中主控制器采用模糊PID参数自调整控制器，在

2、副回路中加入Smith预估控制器。Matlab仿真结果表明，新的串级控制系统相比常规PID控制，响应速度快，具有良好的静态性能。关键词：中央空调；模糊PID控制；Smith预估；串级控制在空调系统实际运行过程中，由于受各种因素变化的影响，设备绝大部分时间内在远低于额定负荷的情况下运转。对于楼宇空调水系统，当前常规的做法是采用恒定或人工修改设定值的方式对下位机控制器进行控制管理，系统的能耗及运行和控制特性基本上依赖于操作人员的经验，因此在部分负荷时会出现能量浪费以及控制特性较差的情况[1]。理想的变水量系

3、统应该是水量随空调系统负荷的变化而做相应的变化。本文通过对一次泵变水量系统的回水温度控制，达到对冷冻水量的调节。温度对象是具有大滞后、大惯性、非线性和时变性的复杂系统，应用常规PID控制器很难达到理想的控制效果。模糊控制对非线性或不确定性对象具有良好的控制效果[2]，Smith预估控制是用于时滞对象的有效控制方法。本文在串级控制的内环中使用Smith预估控制算法，外环中加入了模糊控制算法来提高控制品质。1一次泵水系统节能控制分析本系统通过对一次泵水泵进行变频调速控制水流量，达到水泵的节能运行。系统中，随

4、负荷变化而变化的参数有用户侧的冷冻水流量、供回水温度、阀门开度和供回水管道之间的作用压差。其中压差控制响应迅速，控制精度高，但是压差设定值很难确定。一般冷水机组的出水温度通常控制在7℃，期望供回水温差为5℃。可在回水管道上设置水温检测装置，根据回水温度的变化来控制水量变化，但是温度的大滞后现象会影响控制效果。针对这种情况，本文采用了串级控制系统，最不利回路的压差控制为副回路，主回路控制对象为冷源侧的回水温度，这样既解决了压差设定值难的问题，同时又避免温度的大滞后。中央空调一次泵变流量系统如图1所示。图1

5、一次泵变流量系统图Fig.1SystemdiagramofvaribalePrimaryflow2基于Smith预估的模糊PID串级控制系统2.1控制系统结构在一次泵变流量系统中，当负荷减小时，支路上的调节阀减小开度，减小支路的流量[3]。同时由于阀门开度的减小，引起支路两端的压差增大，压差控制器根据温度控制器给定的压差输出值与实际压差的偏差快速调节降低水泵频率[4]。当扰动量不大，经过副回路及时调整一般不影响回水温度，如果扰动幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，仍会影响冷冻水回水温度。此时再由主回路进

6、一步调节，从而完全克服上述扰动，使回水温度调整到给定值上。串级控制系统结构如图2。图2一次泵变流量串级控制系统结构Fig.2.1StructureofcascadecontrolsystemtovaribalePrimaryflow2.2副调节器Smith预估器是解决纯迟延系统的有效方法，其原理为：与PID控制器并接一补偿环节，该补偿环节为Smith预估器[5]，其结构图如图3所示。图3Smith预估控制系统结构Fig3Systemstructureofsmithpredictorcontrol系统闭环

7、传递函数为：其特征方程为：如果模型精确，即，则带有Smith预估器的闭环系统的特征方程式中不包含纯滞后项，从而消除了纯滞后对控制系统的影响，减少超调量并加速调节过程。串级控制系统要求有一个快速的动作的副调节器，而对静态误差要求相对较低，因此副回路选用PI调节器。当副回路存在纯滞后时，会明显延长副回路的调节时间，从而降低了整个系统的控制品质。将Smith预估补偿引入副回路，问题可得到有效地解决。2.3主调节器主回路中控制对象为温度控制，容量滞后大，对超调量和静态误差要求都较高，故主控制器选用PID控制[7

8、]。同时在主回路中加入了模糊控制器，构成了模糊PID参数自调整控制器。本设计中以误差e和误差变化率ec作为模糊输入语言变量，u作为模糊输出语言变量。每个语言变量取七个语言值，负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZR)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。各变量的大小都量化为7个等级，量化等级为公式：e，ec，u={-6，-4，-2，0，2，4，6}。为实现模糊化，还需要建立精确量与模糊量之间的关系，即确定论域中的每个元素对各