模糊PID控制在地铁车厢空调中的应用

1、模糊pid控制在地铁车厢空调中的应用沈阳建筑大学信息与控制工程学院 马少华 王妍 崔柳月 郭全摘要：针对地铁车厢变风量空调系统具有多变量、纯滞后、非线性的系统特性，将模糊控制和pid控制技术结合，建立了模糊pid控制器，有效实现对车厢内温度的合理控制。结果表明，该控制方法能使系统具有良好的动态性能和稳态性能，控制精度高，节能效果显著，具有广泛的应用前景关键词:地铁车厢，变风量空调；模糊pid控制；application of fuzzy pid control in metro carriages air conditioningfaculty of information and contr

2、ol engineering shenyang jianzhu universityma shao-hua wang yan guo quan cui liu-yue guo quanabstract:aiming at the problems that the metro carriages vav system has such characteristics as multivariable,large time delay and nonlinearity,combining fuzzy control with pid control technology,fuzzy pid co

3、ntroller w as established.controlling the metro carriages temperature was effectively realized.the results show that with adopting the proposed control method，the system exhibits good dynamic and steady performances,high control precision,obvious energy-saving effect and w ide application prospectke

4、y words:metro carriages;vav;fuzzy pid control引言:随着我国的经济发展，地铁已成为现代化大都市的标志。地铁具有高效、快捷、舒适、安全、无污染和载客量大的特点和优势1。地铁是一种特殊的地下建筑，也是人流聚集的公共场所，造成了地铁内热量的增加，使人们对生活环境舒适性的要求也越来越高，空调成为客车内不可缺少的设备。由于传统pid控制由于其pid参数难以在线整定，对非线性、时变和机理复杂的过程存在控制难的问题。地铁空调控制系统是一个干扰性大、高度非线性、不确定的系统，设计了地铁车厢温控模糊pid控制控制系统，其控制参数随环境、时间、负荷的变化而变化，如果用固

5、定参数的控制方法很难达到满意的控制效果。模糊控制最大特点是对各类具有非线性、不确定性、时变的复杂系统控制时显示了鲁棒性好、控制性能高的优点2。将模糊控制与pid控制相结合，既具有模糊控制的灵活性且适应性强的特点，又具有pid控制器精度高的优点。本文采用模糊pid控制技术对地铁车厢空调温度进行控制，使乘客乘坐时的舒适度达到最佳。1、地铁车厢温控模糊控制器设计1.1、模糊pid控制器结构 模糊自适应pid控制器主要由参数可调整的pid控制器和模糊推理器两部分组成，模糊推理器以误差e和误差变化率ec作为输入变量，首先进行模糊化计算，然后根据模糊控制规则进行逻辑推理和判决，得到输出变量为pid控制器的

6、三个参数k、k、k的调整系数，再根据初始参数，得到最终的pid控制参数3。满足不同时刻的e和ec对pid参数自整定的要求，使被控对象具有良好能的动、静态性能，其基本结果图如图1所示。图1 模糊pid控制器结构图1.3、隶属度函数的确定 根据地铁车厢空调系统的工作情况，模糊pid控制器采用二输入三输出的形式，把地铁车厢内温度与地铁车厢外温度差值e和温差变化率ec作为输入变量，pid控制器的3个增益为输出变量，即k是比例增益；k是积分增益；k是微分增益。设定输入变量e和ec，输出变量的模糊子集都为 nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb。子集中的元素分别代表负大、负中、负、小、零、正小、正中、正

7、大，设它们都服从正态分布。输入变量e和ec量化论域为3，+3，输出变量k/k/k的量化论域均定为3，+3。两输入偏差e和偏差变化率ec的隶属函数采用三角形函数4。1.4、模糊控制规则的建立 建立规则库再结合专家经验，找出pid三个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和计算ec，再根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对pid控制器参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。pid控制中比例系数k在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。积分系数k的作用在于消除系统的稳态误差，微分系数k的作用在于改善系统的动态特性。针对不同的e和e

8、c，被控过程对参数k、k、k的自整定要求应满足以下规律5：（1）当车厢内外温差|e|较大时，为了使系统尽快达到平稳状态，防止车厢内外温差瞬间变大, 应取较大的k和较小的k，以使系统响应加快；（2）当车厢内外温差|e|中等时，为使系统的震荡性减小，并保证系统响应速度，kp应适当减小；应取较小的k以及适当的k和k，以使系统具有较小的超调；（3）当车厢内外温差|e|较小时，为了使系统稳态误差减小，应取较大的k和k以及适当的k，以避免系统输出在设定值附近震荡，减小干扰因素对系统的影响，使系统具有较好的稳态性能。综上所述,制定模糊规则表如下：表1 k模糊控制规则表kecnbnmnszopspmpbenb

9、pbpbpmpmpszozonmpbpbpmpspszonsnspmpmpmpszonsnszopmpmpszonsnmnmpspspszonsnsnmnmpmpszonsnmnmnmnbpbzozonmnmnmnbnb表2 k模糊控制规则表kecnbnmnszopspmpbenbnbnbnmnmnszozonmnbnbnmnsnszozonsnbnmnsnszopspszonmnmnszopspmpmpsnmnszopspspmpbpmzozopspspmpbpbpbzozopspmpmpbpb表3 k模糊控制规则表kecnbnmnszopspmpbenbpsnsnbnbnbnmpsnmps

10、nsnbnmnmnszonszonsnmnmnsnszozozonsnsnsnsnszopszozozozozozozopmpbpspspspspspbpbpbpmpmpmpspspb1.5、模糊量的精确化 精确化的计算是把语言表达式的模糊两转化为精确值的过程。根据上述输出量模糊子集的隶属度函数和模糊控制规则表，模糊自整定pid控制下，pid调整参数为：式中，k、k、k为pid各参数的初始值；、为模糊推理结果。2、地铁车厢空调模糊pid仿真62.1、系统仿真模型的建立 地铁车厢空调是一个多变对象，其动态特性为一个一阶惯性加延迟的对象，结合地铁车厢空调的实际状况，建立近似数学模型进行仿真。利用s

11、imulink仿真软件分别建立pid控制和模糊pid控制的仿真模型，其输入采用阶跃响应。本文所建立的数学模型仅考虑地铁车厢空调系统的温度控制部分，通过实验建立了温度对象的传递函数为： （1）式中：k放大系数，； t时间常数，min；延迟时间，min。 2.2、仿真结果 以阶跃信号模拟地铁车厢内外温差输入信号，输出信号曲线图像，在pid控制下阶跃响应如图2所示，在模糊pid控制下阶跃响应如图3所示。图2 pid控制下阶跃响应图图3 模糊pid控制下阶跃响应图从仿真结果可知，建立的系统的数学模型在模糊pid控制下相对于传统pid控制，具有超调量更小、响应速度更快、控制今年孤独更高等优点。变风量空调

12、系统具有良好的动态性和稳定性。当空调车厢模型结构参数发生变化时，控制系统鲁棒性更好。3、结语本文针对常规pid控制和简单模糊控制存在的缺陷，把模糊理论和pid控制理论结合。仿真结果表明，模糊pid控制器应用于空调系统具有较好的鲁棒性、快速性和准确性的优点的事实得到了证实，这种控制方式的控制效果优于常规pid控制且有利于节能。更适合地铁车厢空调系统的控制，具有较好的应用前景。参考文献：1李国庆，城市轨道交通通风空调系统技术发展新趋势j，都市快轨交通.2004(6).2 archana thosar,amit patra,souvik bhattacharyya.feedback linearization based control of a variable air volume air conditioning system for cooling applicationsj.isa transactions,2008,43(3)