摘  要： 針對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)存在非線性、不確定性和干擾性等問題,，提出了利用MATLAB實(shí)現(xiàn)模糊自適應(yīng)PID控制,，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了編程仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明,，將該方法應(yīng)用在中央空調(diào)系統(tǒng)中是可行的,，但是MATLAB不能與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行直接數(shù)據(jù)通信。因此將MATLAB和PLC控制相結(jié)合,，利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)MATLAB和PLC之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換,，達(dá)到智能控制的目的。
關(guān)鍵詞： 中央空調(diào)系統(tǒng)；模糊自適應(yīng)PID控制,；PLC,；OPC；智能控制

　常規(guī)PID控制是過程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律,，具有原理簡(jiǎn)單,、使用方便和穩(wěn)定等特點(diǎn)。但常規(guī)PID在控制過程中的參數(shù)都是固定不變的,，若用于調(diào)節(jié)中央空調(diào)這樣具有非線性,、不確定性、滯后性和干擾性等問題的系統(tǒng)[1],，常規(guī)PID控制很難達(dá)到控制精度,。
　因此，本文針對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)將PID和模糊控制相結(jié)合,，提出了模糊自適應(yīng)PID控制,。模糊控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運(yùn)用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制,。模糊控制不需要建立對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,，只要求把現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)總結(jié)成比較完善的語言控制規(guī)則，因此它能繞過對(duì)象的不確定性,、不精確性,、噪聲、非線性,、時(shí)變性以及時(shí)滯等影響,。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于非線性,、時(shí)變,、滯后的系統(tǒng)的控制[2]。但是傳統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID控制初始參數(shù)是人為給定的,，不能從系統(tǒng)中自動(dòng)得到[3],，因此本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于在傳統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID控制基礎(chǔ)之上增加辨識(shí)結(jié)構(gòu)和Bang-Bang控制，對(duì)傳統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID控制初始值進(jìn)行優(yōu)化,。
　然而模糊自適應(yīng)PID算法不能與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行直接連接和控制,，因此，將模糊自適應(yīng)PID控制和PLC進(jìn)行結(jié)合,，利用兩者的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行智能控制,，使系統(tǒng)達(dá)到較為理想的控制效果。
1 系統(tǒng)的控制策略
　利用MATLAB實(shí)現(xiàn)模糊自適應(yīng)PID控制,，Step 7進(jìn)行PLC編程,，組態(tài)軟件WinCC監(jiān)控,，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制。系統(tǒng)的控制策略為：PLC采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)交換傳給MATLAB進(jìn)行計(jì)算處理,，再將運(yùn)算處理的結(jié)果傳給下位機(jī)PLC,，由PLC輸出模塊輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過程控制,，利用WinCC監(jiān)控實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng),、手動(dòng)控制。充分發(fā)揮3種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn),，達(dá)到較為理想的控制效果,。
2 中央空調(diào)的組成及原理
　中央空調(diào)系統(tǒng)由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和制冷劑回路組成,，其工作原理如圖1所示[4],。

　（1）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)
　冷凍水泵將冷凍水送到各風(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤管中,，由風(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng),，達(dá)到的冷卻空氣的目的。
?。?）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)
　冷卻水泵將吸收熱量后的冷卻水送到冷卻塔上,，由冷卻塔風(fēng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行噴淋冷卻，與大氣進(jìn)行熱交換,。冷卻后的冷卻水被送到冷凝器去吸收制冷劑釋放出的熱量,。
　（3）制冷劑回路
　制冷劑回路是中央空調(diào)系統(tǒng)的心臟,。在蒸發(fā)器中,，制冷劑和冷凍水發(fā)生熱量交換，將冷凍水制冷,，制冷劑吸收熱量后蒸發(fā),；在冷凝器中，蒸發(fā)后的制冷劑和冷卻水發(fā)生熱量交換,，制冷劑釋放熱量,，被冷卻循環(huán)水帶走。
3 模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)
3.1 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　本文提出的模糊自適應(yīng)PID控制是在傳統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID控制基礎(chǔ)之上添加Bang-Bang控制和辨識(shí)結(jié)構(gòu),。通過對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)的模糊控制自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,。

　在系統(tǒng)控制的初始階段,，Bang-Bang控制作為引導(dǎo)控制，辨識(shí)結(jié)構(gòu)在該階段得到的信息對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行辨識(shí),，在此階段結(jié)束時(shí),，辨識(shí)出系統(tǒng)模型參數(shù)整定出PID控制參數(shù)的初始值,，然后切換控制開關(guān)（開關(guān)切換的規(guī)則是：如果|e（t）|＞＝α×γ，則由Bang-Bang控制,，否則由Fuzzy PID控制,，其中γ為系統(tǒng)設(shè)定值，α（0＜α＜1）的選取保證Bang-Bang控制能為辨識(shí)結(jié)構(gòu)提供足夠的信息[5-6]）,，轉(zhuǎn)換到模糊自適應(yīng)PID控制,。以當(dāng)前系統(tǒng)誤差e（t）和誤差變化率ec（t）作為模糊控制器的2個(gè)輸入，利用模糊控制器（包括模糊化,、模糊規(guī)則,、模糊推理和反模糊）對(duì)PID參數(shù)kp、kd,、ki進(jìn)行在線調(diào)整,，滿足不同e和ec對(duì)控制器參數(shù)的要求，從而使被控制對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能,。

 
　模糊控制規(guī)則表建立之后,，根據(jù)模糊控制器的原理，對(duì)PID參數(shù)在線自校正,。
　在線運(yùn)行過程中,，系統(tǒng)通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算,，完成對(duì)PID參數(shù)的在線調(diào)整,，其工作流程圖如圖3所示。

　從圖4可以看出,，在第500個(gè)采樣時(shí)間時(shí)控制器輸出有一定的波動(dòng),，但是很快地使系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明模糊自適應(yīng)PID控制具有較強(qiáng)的抗干擾能力和很強(qiáng)的魯棒性,，使系統(tǒng)的調(diào)速性能大大提高,，在一定程度上克服了常規(guī)PID控制的弊端，從而提高了系統(tǒng)的控制效果,。
　從圖4,、圖5的仿真結(jié)果可以得出，模糊自適應(yīng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)比較明顯,，系統(tǒng)的上升時(shí)間較短,，超調(diào)量較小，調(diào)整的時(shí)間相對(duì)縮短,，震蕩次數(shù)較少,。
　從圖6、圖7,、圖8完成了對(duì)PID參數(shù)在線調(diào)整,，滿足要求,，將本方法用于中央空調(diào)這個(gè)滯后、不確定,、多干擾系統(tǒng)的控制是可行的,。

5 軟件的設(shè)計(jì)
5.1 下位機(jī)的設(shè)計(jì)
　下位機(jī)的程序系統(tǒng)包括冷/熱水系統(tǒng)控制程序、新風(fēng)機(jī)組控制程序,、空調(diào)機(jī)組控制程序和風(fēng)機(jī)盤管控制程序4大部分,。利用Step 7 5.4進(jìn)行編程，由于有很多算法在功能和結(jié)構(gòu)上是非常相似的,，因此編程時(shí)盡量使用結(jié)構(gòu)化編程思想,，把各種功能相同的程序封裝成標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊（FC/FB）后共用，從而優(yōu)化程序,。
5.2 上位機(jī)的設(shè)計(jì)
　根據(jù)系統(tǒng)的要求,，本文選用組態(tài)軟件WinCC，它支持TCP/IP協(xié)議和OPC（OLE for Process Control）標(biāo)準(zhǔn),。利用WinCC的變量管理器,、圖形編輯器和報(bào)警記錄等各種功能組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，界面主要包括登錄界面,、主控系統(tǒng)和水泵界面等,。
　從系統(tǒng)首頁界面可以進(jìn)入其他監(jiān)控畫面，各個(gè)界面之間也可以相互切換,。從上位機(jī)的監(jiān)控畫面可直觀觀察現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),，直觀地觀看到數(shù)據(jù)的變化。
6 MATLAB和PLC之間的通信
　MATLAB 7.0以上的軟件含有OPC工具箱,，OPC是一種用于過程控制的對(duì)象鏈接與嵌入OLE（Object Linking and Embedding）接口,，OPC以其獨(dú)有的開放性、互聯(lián)性,、高效性在產(chǎn)業(yè)控制中占有主導(dǎo)地位,。OPC采用客戶/服務(wù)器體系（C/S），在客戶和服務(wù)器之間建立通信,，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的交換,。
　針對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)，選用MATLAB作為OPC的客戶端,，組態(tài)軟件WinCC作為OPC的服務(wù)器,，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分散性，控制室和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備距離較遠(yuǎn),，上位機(jī)和下位機(jī)之間選用過程現(xiàn)場(chǎng)總線（Profibus）,。MATLAB與PLC的過程控制結(jié)構(gòu)如圖9所示[7]。

　本系統(tǒng)以西門子PLC S7-300作為下位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,，以組態(tài)軟件WinCC為下位機(jī)數(shù)據(jù)總控平臺(tái),，通過OPC接口和Profibus總線把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和MATLAB方便地連接起來，實(shí)現(xiàn)PLC采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)交換傳給MATLAB進(jìn)行計(jì)算處理,，再將運(yùn)算處理的結(jié)果傳給下位機(jī)PLC,，由PLC輸出模塊控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過程控制,，利用WinCC監(jiān)控實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)和手動(dòng)控制,。
　針對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)存在非線性、不確定性和干擾性等問題,，本文提出了模糊自適應(yīng)PID控制,，克服了常規(guī)PID的缺點(diǎn)，并通過MATLAB進(jìn)行了仿真,。仿真結(jié)果表明,，模糊自適應(yīng)PID控制具有響應(yīng)速度快、該超調(diào)量比較小,、抗干擾能力較強(qiáng)和魯棒性較好的優(yōu)點(diǎn),，將該方法用于中央空調(diào)系統(tǒng)是可行的。但是MATLAB不能與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接連接,，因此將MATLAB和PLC控制相結(jié)合,，利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)MATLAB和PLC之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，達(dá)到智能控制的目的,。其為實(shí)踐奠定了堅(jiān)定的基礎(chǔ),，對(duì)中央空調(diào)的舒適和節(jié)能運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。
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