基于模糊与PID复合切换控制的VRV空调系统仿真

刘芮辰，李树江，赵维卫

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870)

基于模糊与PID复合切换控制的VRV空调系统仿真

刘芮辰，李树江，赵维卫

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870)

VRV空调系统以其节能性和舒适性得到了广泛应用，但系统存在启动反应慢、抗干扰能力差等问题。对此，文中在VRV空调系统房间模型基础上，采用模糊和模糊PID切换控制的方式，设计了一种VRV空调系统的控制方案。仿真测试验证了该设计在环境波动剧烈的情况下，系统调节时间短且作用效果显著，同时对室内温度控制具有较高精度，能够满足对环境舒适度的更高要求。

VRV空调系统；模糊控制；模糊PID；切换控制

变冷媒空调系统(Variable Refrigerant Volume，VRV)，一拖多VRV空调主要由室内机、室外机、冷媒管线和控制器4部分组成[1]。室内机是VRV空调的末端装置部分，由蒸发器和风机组成，与分体式空调室内机的原理完全相同[2]。室外机主要由冷凝器、压缩机和其他制冷附件组成，通过变频控制器控制压缩机转速，使系统内的冷媒流量进行自动控制，以满足室内冷、热负荷的要求[3]。VRV空调以简单的结构优势，有着广泛的应用前景[4]。然而当工作环境温度变化较剧烈时，系统需要具有鲁棒性和快速响应的能力[5]。针对VRV空调的这种工作环境，本设计采用模糊控制与模糊PID切换的控制方式，当温度剧烈变化时系统使用模糊控制策略；当调节温度与设定温度较为接近时系统切换到模糊PID控制策略，增强抗干扰能力和响应能力[6]。

1 模糊原理及设计

对于目标系统，如果被控对象具有耦合性和非线性等特性，一般难以建立精确的数学模型[7]。VRV空调控制系统具有时滞性和非线性，采用常规PID控制无法取得满意的控制效果[8]。在实际控制中，模糊控制的动态控制效果要优于PID控制，所以VRV系统在启动阶段采用模糊控制策略，使室内温度快速的接近设定目标[9]。将设定温度与室内温度的温差E以及温度变化率EC作为输入，利用模糊规则计算得到输出参数U作为换热器风阀模型的输入。设定输入参数的论域为(-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6);模糊子集为{NB,NS,ZE,PS,PB},子集中的元素代表的含义为负大，负小，零，正小，正大。模糊状态采用三角隶属函数，通过系统的特性设置模糊规则；当E为PB，EC为NS时，经分析可知，此时室内温度低于设定温度，而温度变化率却以较慢的速度下降，此时需要加快温度上升速度来消除温度下降趋势。由此可以得到模糊规则：If E is PB and EC is NS Then U is PB。通过归纳得出25条模糊规则,如表1所示。

表1 模糊控制规则

2 模糊PID控制器设计

PID控制是一种线性控制策略，通过设定目标和实际输出之间的差值 ，计算e(t)的比例、积分和微分值，通过线性组合构成的控制量对被控对象进行控制[10]。控制器输出公式为

(1)

但是PID的缺点在于参数设置固定，无法根据具体情况进行更改。为此，在PID初值的基础上通过模糊控制算法对参数进行动态的调整，使PID控制器获得更好的静态控制效果。系统预设KP、KI、KD的参数值，通过模糊运算得到PID修正参数，代入后得到新的PID参数[11]，公式为

(2)

(3)

(4)

表2 KP、KI、KD模糊推理规则

3 系统整体设计

空调的启动性能对VRV空调系统能耗起到较大影响[13]。启动后快速达到设定温度，稳定状态下避免振荡，可以有效降低能耗[14]。由于室内空间、排气量、散热等参数不同，所建立的数学模型也不同。室内换热器风扇的可近似为一阶惯性环节，房间数学模型可认为是一阶滞后环节[15]。通过计算得到被控对象整体模型为

(5)

在系统仿真中，两种控制方法需要切换。经过测试，选择温差在10%时切换可以保证系统的平滑过渡。使用Simulink仿真软件，具体仿真结构如图1所示。

图1 模糊切换系统仿真图

4 仿真结果与分析

使用阶跃信号模拟室内空调启动。当室内温度设定为20 ℃，在仿真中阶跃信号值设为20,响应曲线如图2所示。

图2 复合控制和PID控制系统仿真对比图

通过仿真结果可知，在启动阶段下，使用普通PID控制的系统超调为18.25%，调节时间为720 s，而使用复合控制的超调为6.1%，调节时间为600 s；经过对比，使用模糊与模糊PID复合控制的温度上升速度更快，超调更小，性能优于普通PID控制。由图可知，复合控制在接近温度设定值差值10%时发生切换，信号切换过程比较平滑，不会使执行设备产生明显震荡，更好地实现了控制要求。

5 结束语

针对VRV空调的特性和需求，为了增强系统的调节速度和降低能耗，设计采用模糊控制与模糊PID复合切换控制方法。通过Simulink进行系统仿真，验证了控制方法的可行性，解决了PID控制动态特性差，静态精度不够的问题，使VRV空调系统工作更加高效和稳定。

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Simulation of VRV System Based on Fuzzy and Fuzzy PID Switching Control

LIU Ruichen，LI Shujiang，ZHAO Weiwei

(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China )

VRV system with its energy saving and comfort characteristics have been generally recognized and a wider range of applications.Based on the established VRV room model, using a fuzzy control and fuzzy PID control switching method is adopted to design a VRV system control scheme.The simulation results show that the system has a short regulation time and a significant effect in the case of severe environmental fluctuation, while the indoor temperature has a high control accuracy, to meet people’s environmental comfort requirements.

VRV system;fuzzy control;fuzzy PID control;switch control

2016- 11- 07

刘芮辰(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：嵌入式开发。李树江(1966-)，男，教授。研究方向：智能控制技术等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.037

TP273+.3

A

1007-7820(2017)09-139-03