專(zhuān)利名稱(chēng)：一種室內(nèi)溫度模糊控制系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制的領(lǐng)域，特別是一種應(yīng)用于家居室內(nèi)空調(diào)溫度的 模糊控制系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
目前，隨著能源危機(jī)的趨勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)重，環(huán)保和節(jié)能問(wèn)題受到越來(lái)越多的重視，并 且廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)的領(lǐng)域中。由于人們對(duì)生活環(huán)境質(zhì)量要求的逐步提高，建筑物的能 耗，尤其是空調(diào)系統(tǒng)的能耗在總能耗的比重越來(lái)越大。這樣，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能問(wèn)題的發(fā)展是大 勢(shì)所趨。一般現(xiàn)有的技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排這方面的手段是采用簡(jiǎn)單的分級(jí)控制的解 決辦法，可以根據(jù)所需室溫與外界的溫差進(jìn)行不同規(guī)格的制冷/制熱量。但是由于室內(nèi)溫 度與空調(diào)的制冷/制熱量并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的線性控制問(wèn)題，因此采用傳統(tǒng)模型很難建立準(zhǔn) 確的動(dòng)態(tài)方程，因此這樣的控制還是有一定的局限性。此外，傳統(tǒng)控制的控制量是階躍性的，每一級(jí)的制冷量固定，因此并不能準(zhǔn)確提供 室內(nèi)所需制冷/制熱量，很容易出現(xiàn)波動(dòng)，就是在一定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)過(guò)冷或過(guò)熱，造成一定的 能源浪費(fèi)。因此，如何研發(fā)出一種能很好地滿足房間在不同工況的控制要求，并且控制效果 曲線平滑，沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)，能夠盡量減少由分級(jí)控制的波動(dòng)產(chǎn)生的能耗的室內(nèi)空調(diào)濕度模 糊控制系統(tǒng)及其方法，已經(jīng)成為業(yè)界較為迫切需要解決的行業(yè)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，是一種能很好地滿足房間在不同工況的 控制要求，并且控制效果曲線平滑，沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)，能夠盡量減少由分級(jí)控制的波動(dòng)產(chǎn)生的 能耗的室內(nèi)溫度模糊控制系統(tǒng)，利用新規(guī)則設(shè)計(jì)出模糊控制器，然后將這些模糊語(yǔ)言轉(zhuǎn)化 為數(shù)值運(yùn)算，并能保證控制系統(tǒng)具有良好的自適應(yīng)能力，同時(shí)具有優(yōu)化控制方法的功效。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種室內(nèi)溫度模糊控制系統(tǒng)，包括溫度探測(cè)器、放大器、比較器、微分器、模糊控制 器、空調(diào)功耗控制系統(tǒng)，所述的溫度探測(cè)器設(shè)置在室內(nèi)，與比較器輸入端相連，比較器的輸 出端輸出濕度偏差信號(hào)；所述比較器的輸出端與微分器、放大器和模糊控制器的輸入端依 次相連，模糊控制器的輸出端通過(guò)放大器與空調(diào)功耗控制系統(tǒng)相連接。進(jìn)一步地，所述的空調(diào)功耗控制系統(tǒng)包括加熱器和冷卻水閥門(mén)，通過(guò)放大器接收 模糊控制器輸出的信號(hào)進(jìn)行制冷或制熱調(diào)節(jié)。對(duì)本發(fā)明所述一種室內(nèi)空調(diào)模糊控制方法是利用模糊控制規(guī)則進(jìn)行如下步驟(A)首先由溫度探測(cè)器探測(cè)出室內(nèi)溫度，通過(guò)比較器輸出相同預(yù)設(shè)信號(hào)的濕度偏
差信號(hào)；(B)所述的溫度偏差信號(hào)通過(guò)微分器輸出濕度變化率信號(hào)；
(C)所述的溫度偏差信號(hào)和濕度變化率信號(hào)共同經(jīng)過(guò)放大器后輸入模糊控制器；(D)所述的模糊控制器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模糊化，根據(jù)模糊規(guī)則得出模糊值；(E)所述的模糊控制器根據(jù)得出的模糊值對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行解模糊化，得到所需要 的制冷或制熱量；(F)模糊控制器的輸出端通過(guò)放大器分別向加熱器和冷氣水閥門(mén)輸出放大后的控 制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室溫的有效控制。進(jìn)一步地，所述的步驟(D)中溫度偏差信號(hào)和溫度變化率信號(hào)共同經(jīng)過(guò)放大器后 產(chǎn)生的誤差e以及誤差變化率c，經(jīng)過(guò)模糊推理后輸入到模糊控制系統(tǒng)。進(jìn)一步地，在步驟(E)中對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行解模糊化后輸出控制量q，得到確定的所 需要制冷或制熱量的數(shù)值。更具體地，在步驟(D)中所述的溫度誤差e的論域是_6至6，誤差變化率c的論域 是-6至6。更具體地，在步驟(E)中所述的控制量q論域是_7至7。作為優(yōu)選方案，在步驟(D)中新建立一個(gè)誤差e的隸屬函數(shù)，將零值設(shè)置為正零單 個(gè)三角形分布，用以提高收斂溫度的效果。作為另一優(yōu)選方案，在步驟(D)中新建立一個(gè)誤差e的隸屬函數(shù)，將零值設(shè)置為正 零和負(fù)零兩個(gè)三角形分布，用以提高收斂溫度的響應(yīng)速度。本發(fā)明的有益效果是(1)將模糊控制器應(yīng)用在室內(nèi)空調(diào)控制系統(tǒng)中，以溫度誤差和誤差變化率為控制 輸入，制冷/制熱量為控制輸出，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的分級(jí)控制；(2)消除了由于傳統(tǒng)控制過(guò)量控制導(dǎo)致的波動(dòng)問(wèn)題，從而達(dá)到節(jié)約能耗的目的；(3)提出了空調(diào)模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)化方法，并加以仿真模擬驗(yàn)證。(4)采用了模糊控制的方法優(yōu)化出新規(guī)則，并利用這些規(guī)則設(shè)計(jì)出控制器，然后將 這些模糊語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為數(shù)值運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器代替人來(lái)完成自動(dòng)控制，將這些模糊語(yǔ)言轉(zhuǎn) 化為數(shù)值運(yùn)算，并能保證控制系統(tǒng)具有良好的自適應(yīng)能力。


圖1是本發(fā)明所述室內(nèi)空調(diào)模糊控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述模糊控制器的控制原理示意圖；圖3是溫度誤差e的隸屬函數(shù)圖；圖4是誤差變化率c的隸屬函數(shù)圖；圖5是控制量q的隸屬函數(shù)圖；圖6是第一組數(shù)據(jù)模擬結(jié)果圖；圖7是第二組數(shù)據(jù)模擬結(jié)果圖；圖8是第三組數(shù)據(jù)模擬結(jié)果圖；圖9是第四組數(shù)據(jù)模擬結(jié)果圖；圖10是新建立誤差q的隸屬函數(shù)圖；圖11是圖10所示新控制器的模擬結(jié)果圖；圖12是新建立誤差e的隸屬函數(shù)4
圖13是圖12所示新控制器的模擬結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖 及較佳實(shí)施例，詳細(xì)說(shuō)明如下。如圖1所示，一種室內(nèi)空調(diào)模糊控制系統(tǒng)包括溫度探測(cè)器、放大器、比較器、微分 器、模糊控制器、空調(diào)功耗控制系統(tǒng)，所述的溫度探測(cè)器設(shè)置在室內(nèi)，與比較器輸入端相連， 比較器的輸出端輸出溫度偏差信號(hào)；所述比較器的輸出端與微分器、放大器和模糊控制器 的輸入端依次相連，模糊控制器的輸出端通過(guò)放大器與空調(diào)功耗控制系統(tǒng)相連接。所述的 空調(diào)功耗控制系統(tǒng)包括加熱器和冷卻水閥門(mén)，通過(guò)放大器接收模糊控制器輸出的信號(hào)進(jìn)行 制冷或制熱調(diào)節(jié)。如圖2所示，以一個(gè)空房間為例，該房間與室外環(huán)境有換熱，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。要 求系統(tǒng)能在某一室外溫度環(huán)境下將室內(nèi)溫度控制在要求的溫度。以要求溫度Ts與實(shí)時(shí)室溫T的誤差e以及誤差變化率c為模糊控制器的輸入，以 空調(diào)系統(tǒng)的制冷/制熱量q為模糊控制器的輸出。如圖3至圖5所示，一種室內(nèi)空調(diào)模糊控制方法，包括利用模糊控制規(guī)則對(duì)室內(nèi)溫 度進(jìn)行控制的如下步驟(A)首先由溫度探測(cè)器探測(cè)出室內(nèi)濕度，通過(guò)比較器輸出相同預(yù)設(shè)信號(hào)的濕度偏
差信號(hào)；(B)所述的濕度偏差信號(hào)通過(guò)微分器輸出濕度變化率信號(hào)；(C)所述的濕度偏差信號(hào)和濕度變化率信號(hào)共同經(jīng)過(guò)放大器后輸入模糊控制器；(D)所述的模糊控制器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模糊化，根據(jù)模糊規(guī)則得出模糊值；(E)所述的模糊控制器根據(jù)得出的模糊值對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行解模糊化，得到所需要 的制冷或制熱量；(F)模糊控制器的輸出端通過(guò)放大器分別向加熱器和冷氣水閥門(mén)輸出放大后的控 制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室溫的有效控制。其中，模糊控制器的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)比較關(guān)鍵的一環(huán)，需要對(duì)溫度誤差e和誤差變化 率c進(jìn)行模糊化，經(jīng)模糊推理后進(jìn)行解模糊輸出控制量q，最后輸出確定的數(shù)值。選取溫度誤差e、誤差變化率c和控制量q的論域分別為e = {-6，-5，-4，-3，-2，_1，0，1，2，3，4，5，6}；c = {-6，-5，-4，-3，-2，_1，0，1，2，3，4，5，6}；q = {-7，-6，-5，-4，-3，-2，_1，0，1，2，3，4，5，6，7}。e，c和q的語(yǔ)言值分別選為e = {負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}c = {負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}參考以下模糊控制規(guī)則表
所述步驟D中解模糊的方法采用重心法。選用重心法來(lái)進(jìn)行解模糊，根據(jù)輸入的 溫度偏差信號(hào)和溫度變化率信號(hào)，分別通過(guò)各自的隸屬函數(shù)圖得出相應(yīng)的模糊信號(hào)和模糊 信號(hào)權(quán)值。比如偏差的輸入經(jīng)放大后到模糊控制器是1，那么從圖3可以看出它經(jīng)模糊化的 信號(hào)是零和正小，權(quán)值分別是0. 5和0. 5。然后經(jīng)模糊規(guī)則轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)的模糊化信號(hào)， 用解重心的方法在加濕量和新風(fēng)量的隸屬函數(shù)圖上得出準(zhǔn)確的值來(lái)，經(jīng)放大作為系統(tǒng)的輸 出o如圖8至圖11所示，以下采用四組期望溫度Ts和外界環(huán)境溫度I；的工況下進(jìn)行仿真。參考下表 第一組至第四組的數(shù)據(jù)模擬仿真結(jié)果如圖6至圖9所示，無(wú)論是要求溫度高于或 低于外界環(huán)境溫度，室內(nèi)溫度均可以達(dá)到收斂，收斂時(shí)間基本保持在500-600S的范圍內(nèi)。 可見(jiàn)采用模糊控制器能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的要求。如圖10所示，作為優(yōu)選改進(jìn)，在步驟(D)中新建立一個(gè)誤差e的隸屬函數(shù)，將零值 設(shè)置為正零單個(gè)三角形分布，用以提高收斂溫度的效果。新控制器的模擬結(jié)果如圖11所 示，明顯新的隸屬函數(shù)能夠使室溫很好地收斂到要求的溫度?？梢?jiàn)模糊控制器輸出值的隸 屬函數(shù)，尤其是零值附近的隸屬函數(shù)對(duì)輸出結(jié)果的收斂程度起著很大的作用，但是并沒(méi)有 改變它的收斂速度。如圖12所示，作為另一種優(yōu)選改進(jìn)，在步驟(D)中新建立一個(gè)誤差e的隸屬函數(shù)， 將零值設(shè)置為正零和負(fù)零兩個(gè)三角形分布，用以提高收斂溫度的響應(yīng)速度。新控制器的模 擬結(jié)果如圖13所示可見(jiàn)，收斂速度大致是400-500S左右，比之前有了 100s左右的提升。由 此可見(jiàn)，采用適當(dāng)?shù)哪：?guī)則和輸入隸屬函數(shù)能夠?qū)κ諗克俣扔兴岣摺ｏ@然上述實(shí)施例不是對(duì)本發(fā)明的限制，上述的一種室內(nèi)溫度模糊控制系統(tǒng)及其方法還可以有其他許多變化。雖然已經(jīng)結(jié)合上述例子詳細(xì)討論了本發(fā)明，但應(yīng)該理解到業(yè)內(nèi) 專(zhuān)業(yè)人士可以顯而易見(jiàn)地想到的一些雷同，代替方案，均落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種室內(nèi)溫度模糊控制系統(tǒng)，其特征在于，包括溫度探測(cè)器、放大器、比較器、微分器、模糊控制器、空調(diào)功耗控制系統(tǒng)，所述的溫度探測(cè)器設(shè)置在室內(nèi)，與比較器輸入端相連，比較器的輸出端輸出溫度偏差信號(hào)；所述比較器的輸出端與微分器、放大器和模糊控制器的輸入端依次相連，模糊控制器的輸出端通過(guò)放大器與空調(diào)功耗控制系統(tǒng)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)溫度模糊控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的空調(diào)功耗控制 系統(tǒng)包括加熱器和冷卻水閥門(mén)，通過(guò)放大器接收模糊控制器輸出的信號(hào)進(jìn)行制冷或制熱調(diào) 節(jié)。
3.—種室內(nèi)溫度模糊控制方法，其特征在于，包括利用模糊控制規(guī)則對(duì)室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng) 進(jìn)行控制的如下步驟(A)首先由溫度探測(cè)器探測(cè)出室內(nèi)溫度，通過(guò)比較器輸出相同預(yù)設(shè)信號(hào)的濕度偏差信號(hào)；(B)所述的溫度偏差信號(hào)通過(guò)微分器輸出溫度變化率信號(hào)；(C)所述的溫度偏差信號(hào)和濕度變化率信號(hào)共同經(jīng)過(guò)放大器后輸入模糊控制器；(D)所述的模糊控制器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模糊化，根據(jù)模糊規(guī)則得出模糊值；(E)所述的模糊控制器根據(jù)得出的模糊值對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行解模糊化，得到所需要的制 冷或制熱量；(F)模糊控制器的輸出端通過(guò)放大器分別向加熱器和冷氣水閥門(mén)輸出放大后的控制信 號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室溫的有效控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的室內(nèi)溫度模糊控制方法，其特征在于，所述的步驟(D)中溫度 偏差信號(hào)和溫度變化率信號(hào)共同經(jīng)過(guò)放大器后產(chǎn)生的誤差e以及誤差變化率c，經(jīng)過(guò)模糊 推理后輸入到模糊控制系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的室內(nèi)溫度模糊控制方法，其特征在于，在步驟(E)中對(duì)輸出信 號(hào)進(jìn)行解模糊化后輸出控制量q，得到確定的所需要制冷或制熱量的數(shù)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的室內(nèi)溫度模糊控制方法，其特征在于，在步驟(D)中所述的溫 度誤差e的論域是_6至6，誤差變化率c的論域是-6至6。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的室內(nèi)溫度模糊控制方法，其特征在于，在步驟(E)中所述的控 制量q論域是_7至7。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的室內(nèi)溫度模糊控制方法，其特征在于，在步驟(D)中新建立一 個(gè)誤差e的隸屬函數(shù)，將零值設(shè)置為正零單個(gè)三角形分布，用以提高收斂溫度的效果。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的室內(nèi)溫度模糊控制方法，其特征在于，在步驟(D)中新建立一 個(gè)誤差e的隸屬函數(shù)，將零值設(shè)置為正零和負(fù)零兩個(gè)三角形分布，用以提高收斂溫度的響 應(yīng)速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及對(duì)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制的領(lǐng)域，特別是一種應(yīng)用于家居室內(nèi)空調(diào)溫度的模糊控制系統(tǒng)及其方法。該模糊控制系統(tǒng)包括溫度探測(cè)器、放大器、比較器、微分器、模糊控制器、加熱器和冷卻水閥門(mén)，其控制方法利用模糊控制規(guī)則，通過(guò)設(shè)置新的誤差函數(shù)變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)模糊控制方法的有效優(yōu)化。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)機(jī)器代替人來(lái)完成自動(dòng)控制，將這些模糊語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為數(shù)值運(yùn)算，并能保證控制系統(tǒng)具有良好的自適應(yīng)能力。
文檔編號(hào)G05B13/02GK101893851SQ201010223128
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月12日
發(fā)明者楊波, 解立垚, 郭棟才 申請(qǐng)人:郭棟才