智能控制算法在空调系统中的应用

刘壬生　　陈远远（珠海格力电器股份有限公司，广东　珠海　519070）

智能控制算法在空调系统中的应用

刘壬生陈远远
（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海519070）

摘要：针对家用空调控制系统，本文采用模糊控制和PID控制两种算法相结合的智能控制方案，根据实际温差与设定值的比较结果，调整两种算法控制器在总的控制输出中的比例系数，共同调节输出。并给出硬件设计、软件设计方案。实验结果表明本文采用的控制方案可行，控制精度高，稳定性好，控制效果满足设计要求。

关键词：模糊控制；PID控制；变频空调系统

空调系统具有非线性，时变，滞后性等特性，同时由于房间不同，环境不同，建立精确的空调系统数学模型极其困难。因此选用合适的控制方案以满足人们对空调性能越来越高的要求成为空调控制器技术的关键。

本文使用DSP芯片作为控制内核，采用模糊控制和PID控制相结合的智能控制方法，用于空调系统中，得到了很好的控制效果。

2智能控制器的设计

空调系统调节温度时，需要很高的动态品质和稳定精度。由于空调系统模型及房间模型都不能精确地确定，而单纯的采用模糊控制和PID控制，控制效果都不够理想。因此采用将模糊控制和PID控制相结合，共同调节输出的控制方法。此方法集中了模糊控制的鲁棒性强和PID控制的控制精度高的优点，能够达到很好的控制效果。

控制方案如图1所示，根据实际温度与目标温度两者差值大小，选择模糊控制和PID控制所占比例，当温差较大时（|e|≥e0），模糊控制器的控制量乘以系数K1，PID控制器的控制量乘以系数K3，同理当温差较小时（|e|≤e0），模糊控制器的控制量乘以系数K2，PID控制器的控制量乘以系数K4，然后将两控制器的输出相加作为最终的控制量。通过仿真与实验数据相结合，最终确定两个控制器在总的控制输出中占的比例的比例系数K1，K2，K3，K4。

2.1模糊控制器的设计

温差e和温差变化率ec作为模糊控制器的两个输入，压缩机频率作为控制器的输出u。e和ec对应的论域为[-3，+3]，选用语言变量为{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，含义依次为：正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。控制量u的语言变量为{PB，PM，PS，ZO，NS，NM}，含义依次为：正大、正中、正小、零、负小、负中。e，ec，u的隶属函数图如图2、图3所示。

其中e的基本论域为[-2，+6]，ec的基本论域为[-0.3，+0.2]，u的基本论域为[-6，+10]，模糊规则选用的形式为：ife andecthenu。

通过仿真由相应的输入组合可以得到相应的解模糊输出，解模糊选用面积重心法，即可以得到模糊控制表，见表1。

图5　软件设计流程图

图3　输出u的隶属函数图

图1　智能控制方案框图

图2　e和ec的隶属度函数

图6　温度曲线

图4　硬件设计方案

2.2PID控制器的设计

当设定温度与实际温度之差较小时，进入PID控制模式。PID控制的关键内容在于整定PID参数。

PID控制器输出的一般形式为：

U[PID]=（e×Kp+∫e+ec×Kd）×Kpid

数字离散化后的表达式为：

U[PID]=（e（k）×Kp+Ki×+ec （k）×Kd）×Kpid

由于系统可设定的温度范围较宽，温差及温差变化速率不同，PID参数不同，且由于空调系统的比例带较大，本文使用临界比例带法调整PID参数的整定方向。鉴于在空调系统中用PID控制容易产生的积分饱和问题以及选取合适的积分增益，本文采用积分分离和变速积分相结合的方案。当温差较大时，取消积分作用，即Ki=0，增大KP，使温差很快降到某一范围内，此时再引入积分，并使用积分变速函数根据温差改变积分累加速度，以消除静差，达到高控制精度。Kd的调整则根据温差变化率，并设置Kd限值，保证系统稳定。

3　硬件的实现

控制方案的硬件实现如图4所示，由于需要实时处理信号，使用复杂的控制方案则需要很高的运算速度。本文选用TI公司针对空调系统开发的专用DSP芯片作处理器，将检测到的模拟信号经芯片内部集成的AD转换模块进行处理，通过通讯模块将检测到实时温度与设定温度传递给芯片，并与设定温度实时比较，经过运算后输出PWM信号控制压缩机频率，达到调节温度的目的。

4　软件的实现

5　实验与结果分析

此控制方案用于空调系统中，设定室内温度为25℃，实验开始时室内温度为30℃，实验结果如图6所示。结果表明，使用本控制方案，温度调节速度快，超调小，稳定性好，满足了空调的舒适性与稳定性。

结语

本文将模糊控制和PID控制两种控制方法相结合，根据采样温度与设定温度差值的大小选择两个控制器输出所占比例，充分发挥两控制方法的优点，使系统具有鲁棒性、灵敏性、适应性。设计了基于DSP芯片作处理器的硬件方案，给出软件控制流程。实验结果表明，系统控制精度高，稳定性好，满足设计要求，证明此控制方案适合非线性、时变性，滞后性特点的系统，实用性很高。

参考文献

[1]李国勇.智能控制及其MATLAB实现[M].北京：电子工业出版社，2005：252-256.

[2]周黎英，赵国树.模糊PID控制算法在恒速升温系统中的应用[J].仪器仪表学报，2008，29（02）：405-409.

[3]徐璟.PID参数整定分析[J].广西电业，2010（04）：45-46.

中图分类号：TB657

文献标识码：A