[摘要] 专业化、现代化的厂房对环境的要求越来越高，恒温、恒湿已成为工业化生产的重要环
专业化、现代化的厂房对环境的要求越来越高，恒温、恒湿已成为工业化生产的重要环境保障。厂房恒温恒湿空调控制系统的理论与实践都有了长足的发展，它采用计算机网络及通信技术、自动化控制技术和软件技术等组成的自动化综合管理系统，对厂房车间内部的各种设备所要求的温度、湿度以及工作情况等进行综合的自动化控制与管理，保证环境温度和湿度处于要求的参数范围内，实时记录、分析，保证生产需求。众所周知，传统的DDC控制器中的控制算法采用的是PID控制，但空调区域内的温度是一个纯滞后的惯性被调量，存在非线性、强耦合、参数难整定等的缺陷，如果能采用模糊控制技术对空调温湿度进行控制，能够使系统具有超调量小，调节迅速，且具有很好的鲁棒性，对提高控制系统运行的稳定性、可靠性都具有重要的理论和应用价值。
一、模糊控制理论概述
1.自动控制技术都是基于反馈的概念，即测量、比较和执行。经典控制理论主要解决线性系统的控制问题，现代控制理论可以解决多输出的问题，它们都要求控制器的综合设计要建立在被控对象的准确数学模型的基础上，而在实际工业生产中，系统的影响因素复杂多变，建立精确的数学模型极为困难或难以实现。对于工业被控对象，其机理较为复杂，多数具有多变量、非线性、大延滞和随机干扰性强的特性，很难建立满足要求的数学模型。如果模型不准确，就达不到预期控制效果。
2.20世纪中期，美国人扎得提出了采用模糊控制器应用模糊集合理论进行统筹考虑的控制技术。模糊控制系统中最核心的部分是核心推理，整个系统推理程序均模仿操作人员的经验、思考及决策，不需要建立被控对象的数学模型，只要掌握现场操作人员或有关专家的经验、指示或者操作数据。系统的鲁棒性强，尤其适应于非线性、时变滞后系统的控制。容易建立语言变量控制规则，对于数学方程很难建立，又具有丰富控制经验的领域，模糊控制可以发挥无与伦比的优势。模糊控制实际上是一种非线性控制，属于智能控制的范畴，运用直接数字控制(DDC)技术，计算机语言模拟实现常规仪表的控制功能，并能与中央电脑通讯实现空调控制的自动化与智能化。
3.模糊逻辑控制器有模糊化接口、知识库、推理机和模糊判断接口组成。模糊化接口是模糊控制器的输入接口，模糊控制器的输入必须经过模糊化才能用于模糊控制输出的求解，主要作用是测量输入变量和受控系统的输出变量，并把它们映射到一个合适的响应域的量程，然后，精确的输入数据被变换为适当的语言值或模糊集合的标示符；数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值(即经过论域等级的离散化以后对应值的集合)，若论域为连续域则为隶属度函数；模糊控制器的规则是基于专家知识或熟练的手动操作人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，规则库就是用来存放全部模糊控制规则的，在推理时为“推理机”提供控制规则，由规则库和数据库这两部分组成整个模糊控制器的知识库；推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分，通常是在模糊控制器设计过程中选定的推理算法软件。推理所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把推理和输出端具有转换作用的功能部分称为解模糊接口。
二、空调恒温恒湿自动控制的实现思路
1.空调系统的作用就是对室内空气进行处理，是空气的温度、流动速度及新鲜度、洁净度等指标符合场所的使用要求。现代厂房空调系统一般都包括新风部分、空气的净化部分和空气的热湿处理部分组成，这几大部分构成的全空气系统在工业上应用最多，也是最基本的方式。空气处理设备都集中于一个空气处理室，冷、热源也大多都集中在一起，处理后的空气用风管分别送到各个空调房间内，采用集散控制系统(DCS)，集中管理、分散控制，管理与控制相结合便于集中管理和维护。为了达到最优的控制效果，保证空调系统能将车间温、湿度随时都控制在要求范围内，引入了模糊控制策略，利用分布在车间各个位置的智能温、湿度传感器采集不同位置的车间温、湿度信息，通过模糊控制器处理后，送入PLC进行程序处理，控制空调机组动作，实时进行调整，使车间内的温、湿度处于系统设定的范围内。同时，还可以根据车间温、湿度变化情况，实时控制空调机组的运行，减少能耗，保证系统的安全运行和有效节能。
2.空调工程是建立在建筑热工、空调技术和自控技术上的一种综合工程技术。描述空气状态的两个主要参数温度和湿度，并不是完全独立的两个变量。当相对湿度发生变化时要引起加湿减湿动作，会引起室温波动；而室温变化时，使室内空气中水蒸气的饱和压力变化，在绝对含湿量不变的情况下，就直接改变了相对湿度。这种相对关联着中央空调温度控制系统研究的参数称为相关函数。在温度、湿度都有要求的空调系统中，组成自控系统时应充分注意这些相互关联的参数特性。空调自动控制要设计一个多输入、多输出的控制器对整个系统进行控制，系统的控制对象为温度和湿度，而温度的特点是变化比较缓慢，惯性比较大，调节比较困难，它们之间的关系很难用精确的数学模型描述。用一般的P功调节很难适应这种变化，且系统容易大幅振荡；而一些基于神经网络的控制算法在实际应用中还有待检验，其稳定性和收敛的快速性还有待提高，目前不宜采用。采用基于知识的模糊控制算法，模糊控制的稳定性和快速性在实际应用中都己得到验证，对复杂的、难以建立精确数学模型的控制对象有很强的适应性，在实际的生产中有广泛的应用。在空调系统的控制建模方面传统方法将被控对象简化为一阶惯性环节。事实上制冷空调复杂的质量和能量传递过程很难用精确的微分方程进行描述。对于对象延迟很大、负荷变化较大的调节系统，它就显得无能为力，且对于多变量系统，由于变量之间的相互干扰作用，很难获得理想的控制效果。而暖通空调控制系统大多数为多变量系统，所以即使运用了先进的PID算法，也得不到最佳效果。由于处理器、存储器等硬件以及HVAC系统模拟软件的研究使用，使得开发更复杂的控制算法成为可能。传统的基于PI、PID算法的控制方法正受到挑战。模糊控制不依赖于被控对象精确的数学模型，能够直接从专家和操作者的控制经验归纳、优化而得到对被控对象的控制方案，并且具有较好的控制效果，达到节能的目的。
3.环境温度的控制，具有非精确性，例如环境温度高了一些，需调低一些，温度低了一些，需调高一些，这些都是不确定性的描述。为了获得最佳的环境温湿度控制效果，需要设计基于专家和有经验的操作人员进行调控的智能控制系统。温度和湿度是两个耦合性很强的变量，必须对它们进行解耦后才能实施有效控制。数据现实，温度变量对湿度变量的影响较大。温度每上升1℃，相对湿度提高3%～4%，而湿度对温度的影响较小，且湿度变化比温度变化慢得多，完全可通过补偿进行解耦。因此，温度湿度模糊逻辑控制可用同样的方法设计。模糊控制器设计为二维模糊控制，其中输入变量为温度误差和误差变化率，输出变量为控制温度的变量，即冷冻(加热)水电动阀的开启程度的变化。
4.当然，简单模糊控制器采用单一控制规则难以完善，模糊控制表量化等级和自适应能力有限，并不能取得良好的控制效果，采用在中央空调原有PID控制系统中增加适合实时控制的模糊控制，构成混合型模糊PID控制，即FUZZY-PID混合控制，这种系统采用混合型模糊PID控制器，结合了模糊控制和PID控制的优点，在大偏差的动态范围内实行PID控制，在小偏差()范围内实行模糊控制，两者的切换由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现，系统动态响应好且无静差。
5.中央空调机组主要完成空气的过滤、制冷制热和加湿等几个功能。其中，空气的制冷制热是通过与盘管中的冷热水进行热交换完成的，改变盘管中冷热水流量即可改变送风温度。中央空调温度控制系统的控制目标是保证送风温度保持在设定点。温度传感器把非电量(室内温度)进行检测并将其转化为电量值送A/D转换器进行转换，得出与实测温度值相对应的数字量，计算机将它与预设值(数字量)进行比较，得出温度偏差值并计算出温度变化率，作为模糊控制器的输入，由模糊规则表得出控制表，查表得出控制输出量，分别对应着此时系统的供冷供热量和风量。它们分别通过各自的驱动电路对控制对象(电动三通阀和变频风机)进行控制。风机的转速调节是通过改变变频器的输出频率来实现的，而供冷供热量的改变是通过改变电动阀调节冷/热水量来实现的。当系统存在超调时，可通过切换开关切换到PID控制器，由优化的PID控制器对变化的对象进行控制。
6.常用的模糊控制器有单输入单输出型和双输入单输出型两种。为了提高控制精度和响应速度，采用双输入单输出型的控制方式。此外，为了使控制效果更好，在室温偏差较大时，利用PID控制使输出较快的接近目标值；在室温偏差较小时采用模糊控制策略，使室温维持在允许的波动范围之内。单独采用PID控制器调节纯滞后的大惯性被调量，过程调节时间较短，但震荡也较大；若采用FUZZY-PID控制器控制纯滞后的大惯性被调量，具有良好的动态指标，无超调，动态响应得到大大改善，最大动态偏差显着降低，使系统获得更好的控制品质。模糊PID控制响应对扰动信号的适应能力比较强，更为稳定。利用两种方法各自的优点来弥补对方的不足，从而达到提高系统的动态特性，保证系统稳态精度的要求。
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