超精模糊控制算法與模塊化及其在節(jié)能中的應(yīng)用

1、超精模糊控制算法與模塊化及其在節(jié)能中的應(yīng)用樊遠(yuǎn)征北京泛析智能控制技術(shù)有限公司，北京,100088摘要水丈論述了控鋼算法在發(fā)展國(guó)艮經(jīng)濟(jì)中的童義給出丁基于立覽智能控制的算 法硬化芯片的柱能及其在空«.*/»浴、有限空間椅呆3l度拉創(chuàng)的節(jié)能枚果關(guān)鍵詞 控創(chuàng)鼻法 模赫拉創(chuàng) 湛度控制 節(jié)能 空調(diào)如果將測(cè)量技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和控制算法視為自動(dòng)化領(lǐng)域四大支柱體系的話,我國(guó)在 控制算法領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展最為遲緩其結(jié)果不僅拉大了我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)化行業(yè)的距離而且形響了我國(guó)相關(guān)工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步.控制算法可理解為控制領(lǐng)域的方針和策略，是控制系統(tǒng)的精曲與靈魂.無(wú)論是最簡(jiǎn)單的、抑或是最復(fù)雜的控

2、制系統(tǒng)，其成功與否無(wú)不與控制算法休咸相關(guān).(一)產(chǎn)業(yè)升圾與測(cè)控技術(shù)的關(guān)系20世紀(jì)6070年代，發(fā)達(dá)國(guó)家以提高控制性能為中心的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，全面深入地普及了先進(jìn)控制算法提離了系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性能從而大幅度提高了能源利用率.我國(guó)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重 點(diǎn)放在了以信息化帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)化上，而不是以提高控制性能為中心.這樣一來(lái)只能在控制功能方面獲得 一定程度的發(fā)展，如功能數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集中管理等，而在控制性能方面未能獲得應(yīng)有的進(jìn)步.由此帶 來(lái)的后果是能耗増加貴源利用率低、效益增加緩慢.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)的能源利用率落后于發(fā)達(dá)國(guó) 家2倍以上.之所以出現(xiàn)這種局面與控制性能落后不無(wú)關(guān)系，僅舉以下現(xiàn)狀說(shuō)明.1-制

3、造業(yè)產(chǎn)品低檔的根源是控制算法落后(1) 家電制造業(yè).我國(guó)的家電產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)遭遇技術(shù)壁壘和貿(mào)易壁壘，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)受到進(jìn)口中、高檔家電產(chǎn)品的沖擊，其中一個(gè)重要的原因就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用了落后的控制算法，因此注定了國(guó)產(chǎn) 家電產(chǎn)品的檔次只能屈居低端，不得不靠殘酷的低價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)而生存.例如.國(guó)產(chǎn)冰箱的溫控系統(tǒng)由于 控制算法落后而造不出溫度波動(dòng)小于士 的冷鮮冰箱，被迫將高檔品市場(chǎng)讓給“西門(mén)子”和“l(fā)gs又如 國(guó)產(chǎn)空調(diào)器，由于未采用先進(jìn)控制策略，而是沿用傳統(tǒng)的壓縮機(jī)變頻控制，響應(yīng)速度慢、據(jù)度波動(dòng)大、能 耗高、舒適性差，不得不將高端產(chǎn)品市場(chǎng)拱手讓給日本.(2裝備制造業(yè).幾乎全部采用進(jìn)口控制器盡管耗費(fèi)了大量的外匯

4、卻依然制造不出中、高檔裝備來(lái).究其原因.卻是由于進(jìn)口控制器的控制性能也不很先進(jìn).我國(guó)裝備制造業(yè)的出路只有從改善控制 算法入手，才能立竿見(jiàn)形地制造出國(guó)際一流裝備.(3)科學(xué)儀器制造業(yè).產(chǎn)科學(xué)儀器大多無(wú)法與進(jìn)口產(chǎn)品危美的原因.在一定程度上依然歸咎于控制算法落后，以至于在不同的使用環(huán)境下性能指標(biāo)會(huì)下降穩(wěn)定性和可韋性變差致使產(chǎn)品檔次上不 去，淪入只能靠?jī)r(jià)格競(jìng)爭(zhēng)勉強(qiáng)維持企業(yè)生存的惡性猶環(huán)中z加工業(yè)落后的根源是控制算法落后(1熱處理水平?jīng)Q定了金屬工件的抗拉、抗壓、抗彎、抗扭的性能和使用壽命.而熱處理水平是由熱 處理爐的溫度控制精度決定的，由于采用了傳統(tǒng)的、相對(duì)落后的控制算法,必然導(dǎo)致熱處理爐的ifi控精

5、度低在技術(shù)上不能保證高質(zhì)量的金屬工件性能和長(zhǎng)的使用壽命.(2) 生物醫(yī)藥、釀造、食品業(yè)的生產(chǎn)工藝的溫度控制精度，更是影響產(chǎn)晶質(zhì)童的決定性因索由于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的工藝及相應(yīng)的技術(shù)裝備在控制算法上未能突破傳統(tǒng)模式致使產(chǎn)品質(zhì)在低水平上徘徊.為 提高產(chǎn)品檔次工藝技術(shù)裝備不得不依賴(lài)進(jìn)口.x蘿筑業(yè)中無(wú)形的能源浪費(fèi)不可忽視近年來(lái)，我國(guó)的建筑業(yè)獲得了飛速發(fā)展的機(jī)遇.然而材料與能源的消耗、特別是投人使用后曠日持 久的能源利用是否合理？應(yīng)該引起有關(guān)部門(mén)的重視.據(jù)有關(guān)資料介紹，我國(guó)每單位建筑面積的能源消 耗為發(fā)達(dá)回家3倍以上！其中三分之二的能源消耗在供履和空調(diào)上我國(guó)供熱采曖系統(tǒng)依然采用漫灌式供暖，沒(méi)有采用閉環(huán)控制是造成高

6、能耗的主要原因，而阻礙供熱 采暖系統(tǒng)采用閉環(huán)控制的難題是控制算法問(wèn)題.我國(guó)家用空調(diào)器的平均制冷能效比(eer只有26歐吳為32,日本為45.由此可見(jiàn)僅空調(diào) 產(chǎn)品一項(xiàng)就多消耗30%40%的能源為何國(guó)產(chǎn)篆用空調(diào)器的制冷能效比如此之低？究其根本原因 仍然歸結(jié)為控制算法問(wèn)題.(二) 知后而直追的美國(guó)科技政策20世紀(jì)8090年代在日本政府推動(dòng)下將模糊控制技術(shù)迅速普及到眾多產(chǎn)品和工程中荻得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益在這一產(chǎn)業(yè)革新活動(dòng)中,包插將美國(guó)人的發(fā)明利用模糊控制技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)改造后，返銷(xiāo) 美國(guó)ii取了大量的美元.1995年，美國(guó)商人發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題遂向美國(guó)政府報(bào)吿美國(guó)科技部進(jìn)行了 調(diào)査研究，并調(diào)整了科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略

7、重點(diǎn)，提出了將“模糊技術(shù)、材料科學(xué)和生物工程”列為21世紀(jì)科 學(xué)技術(shù)的三大支柱.迄今為止，美國(guó)政府始終將智能控制技術(shù)和材料科學(xué)作為重點(diǎn)資助的頊目.二、現(xiàn)有技術(shù)的不足與改進(jìn)日、吳科技界和學(xué)術(shù)界扱力推崇的模糊控制技術(shù)并非白璧無(wú)瑕、無(wú)懈可擊.筆者對(duì)此從數(shù)學(xué)和控制 論兩個(gè)層面進(jìn)行了多年研究，總結(jié)并發(fā)展了模糊控制技術(shù)，提出直覺(jué)智能控制(sic)的控制算法及硬化 產(chǎn)品，并在一些工業(yè)溫度控制對(duì)象中獲得了成功應(yīng)用(一)現(xiàn)有控制算法的局限柱日本人把模糊控制奉為法寶視作日本自主創(chuàng)新的標(biāo)志然而必須指出的是模糊左制并不完善, 尚存在一些不足之處，例如.(1) 消除靜差破壞穩(wěn)定性模糊p1d自適應(yīng)控制器和變論域模耕控制器

8、都會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 這兩種控制器尤其不適用于尢滯后系統(tǒng)的控制.(2) 最佳化調(diào)璉困難.(二)越精模糊控制模塊超精模糊控制(super robus fuzzy control簡(jiǎn)稱(chēng)srfc)模塊是硬化的先進(jìn)控制軟件為梢確控制具 有嚴(yán)重非線性、時(shí)變性、不確定性和耦合性的溫度對(duì)很提供了核心控制算法.srfc模塊分為軟件和硬 件兩部分srfc軟件中的先進(jìn)控制算法具有如下特點(diǎn)，(1)模糊推理函數(shù)化一即響應(yīng)函數(shù),響應(yīng)函數(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算資源低，最佳化調(diào)整簡(jiǎn)單(一股只 調(diào)1個(gè)參數(shù).(2) 多模態(tài)控制 速，制動(dòng)無(wú)超調(diào)(3) 位置學(xué)習(xí)一即通過(guò)在線學(xué)習(xí)消除穩(wěn)態(tài)謀差的方法,位置學(xué)習(xí)的最大優(yōu)點(diǎn)是在消除穩(wěn)態(tài)誤差的 同

9、時(shí)不破壞穩(wěn)定性,并能跟蹤被控對(duì)象參數(shù)變化，對(duì)應(yīng)改進(jìn)在線學(xué)習(xí)強(qiáng)度.面對(duì)用戶(hù)的應(yīng)用需求可將srfc軟件細(xì)分為三類(lèi)即：c塑軟件一嵌入pc機(jī)的。型軟 件帶數(shù)顯數(shù)給的p型軟件與工業(yè)總線連接的.上述三種類(lèi)型軟件所對(duì)應(yīng)的硬件是相同的，簡(jiǎn)稱(chēng)srfc模塊，如圖1所示.srfc模塊由超精模糊 控制處理器,16位ad和串口控制芯片組成.srfc模塊中的16位ad提供一略模擬輸人信號(hào)(ai).srfc模塊中的串口控制芯片提供的數(shù)字通訊操作平臺(tái)(rx.tx和485en).srfc模塊有兩路輸出(圖1力一路為模擬信號(hào)(ao),另一路為脈寬調(diào)制信號(hào)(pwm).另外模塊 還可以向外圍器件提供dc-5v(10mma)電源.sr

10、fcy那模塊al5v gnd 45v4k5e>txfwm8tt15圖l srtc-cffltt塊原理方框圖srfc-c型模塊管腳圖(外形tof) 如圖2所示.hai-n?cn ¥)oogo<)oooooo圖2 srfc< as塊管腳圖(外形top)srfc-c貢模塊上的兩只20 !雙排插針j1和j2的管腳說(shuō)明如表1與表2所示.雙排插針j1和 j2除了與dc5v電源和外電路信號(hào)聯(lián)接以外，還兼有固定模塊的作用.»1 ji ffnit明（管入型ml口 .o輸出型紹口.口號(hào)描述管脾類(lèi)旳管御功能2ai116位ad殊換輸人竭，饕換電壓搶81 0-3. 9v,轉(zhuǎn)換結(jié)果（

11、0-ffffh）44850rs485控制使能城（需此功能埔定制）1» 3 ,16,17gndp離塊電棟地8txo申口數(shù)據(jù)發(fā)送端6rxi串口«««收端20+ 5p棋塊+5v供電18vip系統(tǒng)數(shù)字1部分+5v供電19-5p模塊供給外部的一5v 10ma輸出j1±*f«引詳請(qǐng)空"可.» 2明（mi類(lèi)fihl 入整第口 o輸出型鋼口. p電口）管hi綸號(hào)描述管腳類(lèi)塑管購(gòu)功能1v2p豪統(tǒng)2部分+5v供電2. 3*4 *6,810,gndp電源堆17.18,19,2011aoo模塊桂制0-3.6v*出端13-5p模塊供給外部的

12、一5v 10ma輸出15pwmo模塊控制pwm輸出端（輸出能力5v 5ma）注，j2上未/明引詳晴總空即可三.srfc模塊應(yīng)用實(shí)踐（一）中央空調(diào)節(jié)能33%fhk-1智能溫控器是srfc模塊的初級(jí)產(chǎn)品利用fhk-1實(shí)現(xiàn)精確溫控和變風(fēng)調(diào)溫方式, 可實(shí)現(xiàn)節(jié)能33%.這一結(jié)論性的數(shù)據(jù)是在北京市節(jié)能認(rèn)證委員會(huì)監(jiān)督下由北京建工學(xué)院18通試驗(yàn)室對(duì)美國(guó)john- son公司專(zhuān)門(mén)用于空調(diào)系統(tǒng)的視控開(kāi)關(guān)與fhk-1智能溫控器性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室（無(wú)門(mén)窗）對(duì)比測(cè)試所獲 得的.側(cè)試結(jié)果如下表所示，jobnon 控開(kāi)關(guān)與fhk-1 «ttil控8性龍對(duì)比豪第1控制ii類(lèi)教宣內(nèi)溫度檜耗/mx/hrfhk-1 w能溫控

13、器22c±008c26. 25wjohnson溫檢開(kāi)關(guān)22±1.639. 42w北京市節(jié)能認(rèn)證委員會(huì)據(jù)此認(rèn)定fhk-1智能溫控器為節(jié)能產(chǎn)晶x國(guó)家家用質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 在北京亞洲大酒店進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)（有門(mén)窗）實(shí)測(cè)，認(rèn)定fhk-1智能溫控器比j ohnson據(jù)控開(kāi)關(guān)節(jié)能 71.38%.fhk-1智能溫控器之所以能夠在對(duì)現(xiàn)有空調(diào)設(shè)備不做大改動(dòng)的情況下荻得如此明顯的節(jié)能效 果是由于在溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上提出了“梢確溫控"與降低“強(qiáng)迫對(duì)流損失"相結(jié)合的全新的設(shè)計(jì)原則.1.精確瀑控從上表不難看出，在同一測(cè)試條件下，采用fhk 1智能溫控器的控溫效果明顯優(yōu)于美a johnson

14、 公可溫控開(kāi)關(guān)的控溫效果溫度液動(dòng)福度減少15匸，僅此一頊相當(dāng)于節(jié)能20%.fhk-1智能溫控器之所以能取得如此明顯的控湄效果是由于其核心元件為cb3lp芯片該芯 片內(nèi)部集成了“直覺(jué)智能函數(shù)s將模1w推理轉(zhuǎn)換成響應(yīng)函數(shù)，然后莊函數(shù)層面上改造并克眼了模糊推理 缺點(diǎn)構(gòu)造的高級(jí)智能控制算法，為不熟悉模棚控制和智能控制的設(shè)計(jì)師們提供了使用簡(jiǎn)單、高性?xún)r(jià)比 的智能化控制工具，專(zhuān)門(mén)用于控制以大滯后、時(shí)變性、多變量尊為主要待征的難控對(duì)象而傳統(tǒng)的控制 （尤其是雙為控制系統(tǒng)用于這類(lèi)對(duì)象時(shí)，無(wú)法保證動(dòng)態(tài)梢度空調(diào)系統(tǒng)有限空間恰恰屬于這類(lèi)難控對(duì) 食因此fhk-1智能溫控器得以充分發(fā)獰其特長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了精確溫控.x采用變風(fēng)空調(diào)

15、方氏降低強(qiáng)迫對(duì)流損失.在暖通空調(diào)理論中，迄今尚無(wú)“強(qiáng)制對(duì)流損失”的概念實(shí)驗(yàn)表明'攜帶冷能的氣流按擊到圈護(hù)結(jié)構(gòu) 時(shí),不可避免地會(huì)有部分冷能經(jīng)門(mén)窗籌隔熱能力較差的圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接傳導(dǎo)至室外這部分損失與氣流方 向和流速有關(guān)尤當(dāng)氣流方向正對(duì)南向門(mén)宙且代流速度最大時(shí)，“強(qiáng)制對(duì)流損失”亦最大降低“強(qiáng)制對(duì)流損失”的措施可以有兩種，其一 在建筑設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮空調(diào)的出風(fēng)口避免直面門(mén)窗尊 隔熱能力較差的圍護(hù)結(jié)構(gòu)）其二,采用變風(fēng)量空阿方式，即，通過(guò)控制送風(fēng)量實(shí)現(xiàn)房間溫度恒定.與現(xiàn)有 的變風(fēng)溫技術(shù)路線相比,變風(fēng)量空調(diào)方式的平均風(fēng)量減少了 30%70%.平均風(fēng)量的桟少帶來(lái)兩大好處*-是提高了舒適度，二是減少?gòu)?qiáng)迫對(duì)流損

16、失，降低檜耗.fhk-1智能溫控器采用變風(fēng)量空調(diào)方式 減小“強(qiáng)制對(duì)流損失s實(shí)現(xiàn)節(jié)能13%51%.（二）挫制開(kāi)放式水浴il度l被控對(duì)箴說(shuō)明開(kāi)放式水浴是強(qiáng)時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，其中，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)k是設(shè)定溫度st的函數(shù)，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)k的 最大與最小值如表3所示.»3開(kāi)環(huán)放大的最大與最爾值設(shè)定程度st（d開(kāi)環(huán)放大ffiftk302.7900.9憤性時(shí)間t是設(shè)定溫度st和水盤(pán)v的函數(shù)慣性時(shí)間t的最大與侵小值如表4所示. «4價(jià)性時(shí)mit的量大與小值設(shè)定 a«sr<tc)水* v(l)慣性時(shí)iwt<s）9044700304.41020902.2300302.2600滯后時(shí)

17、間t是水量v的函數(shù)，滯后時(shí)間t的最大與最小值如表5所示.水量v(l)掃后時(shí)«t(s)4.42802.2150x控制性能srfc模塊控制開(kāi)放水浴的控制性能，如表6所示.豪6 srfc塊控開(kāi)敖水浴富度的標(biāo)設(shè)定ii度st(c)水* v(l)度pv的渡動(dòng)(£過(guò)我過(guò)程時(shí)冏t.(s402.240±0.034.1300404.440 士 0 023.5500802.280±0 053.2360804.480±0.042.1580(三) srfc模塊用于虞譜儀的沒(méi)控裝jll被控對(duì)象說(shuō)明毛細(xì)柱,慣性時(shí)間小于5s滯后肘間大于2齢50350c連續(xù)可調(diào)恒溫管;慣性時(shí)間小于is,滯后時(shí)間大于5.50350連續(xù)可調(diào)$夷子源;慣性時(shí)間小于10矢滯后時(shí)間大于2s,5o35oc連續(xù)可調(diào)人控制性能srfc模塊控制毛細(xì)柱恒溫管和離子源的控制性能均達(dá)到啟動(dòng)段最速超調(diào)量“小于10%控 制波動(dòng)