改進pso算法模糊自適應(yīng)pid溫濕度控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID溫濕度控制方法，包括以下步驟：S01，獲取采集量偏差、采集量偏差變化率；S02，采集量偏差、采集量偏差變化率模糊化；S03，模糊推理及反模糊化；S04，基于改進PSO算法迭代獲取PID的參數(shù)的初始值；S05，基于步驟S04獲取的優(yōu)化后的模糊自適應(yīng)PID的參數(shù)對風機變頻器進行模糊自適應(yīng)PID控制，控制風機變頻器的頻率、冷卻水三通閥和加濕閥的開度。本發(fā)明在基本PSO算法基礎(chǔ)上引入粒子的自身因素和社會因素，使其更加快速準確的找到最優(yōu)PID初始參數(shù)值；再結(jié)合模糊控制與傳統(tǒng)PID控制，使得系統(tǒng)更好的對室內(nèi)溫濕度進行實時在線監(jiān)控及優(yōu)化。
【專利說明】改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID溫濕度控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種室內(nèi)溫濕度控制方法，尤其是涉及一種基于改進PSO算法的模糊自適應(yīng)PID室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，央空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，人們對中央空調(diào)的性能也提出了更高的要求，如空調(diào)的舒適性、節(jié)能性等，因此，僅僅單一考慮溫度或濕度的控制，是無法滿足人對環(huán)境舒適度的要求。再者，中央空調(diào)系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，其能耗占整個建筑能耗的50%以上，是耗能大戶，目前的控制方式一般都采用傳統(tǒng)的PID控制算法，其控制效果并不令人滿意，在系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性和可靠性等性能方面，難以滿足用戶的需求，因此，尋求一個高效的節(jié)能控制系統(tǒng)是十分必要的。
[0003]中央空調(diào)系統(tǒng)是一個具有時滯、時變、非線性和大惰性的復(fù)雜系統(tǒng)，雖然傳統(tǒng)的PID控制是一種原理簡單、適應(yīng)性強、魯棒性好的控制算法，但是對于復(fù)雜的系統(tǒng)，其是難以保證系統(tǒng)控制始終處于優(yōu)化狀態(tài)和良好的品質(zhì)特征。例如專利CN203396032公開了一種本實用新型公開了一種基于模糊自適應(yīng)PID的室溫控制裝置，包括溫度傳感器、風量傳感器、模糊自適應(yīng)PID控制器裝置、送風風機、變頻器、末端風閥；本實用新型響應(yīng)速度加快，超調(diào)量明顯減小，在線參數(shù)自整定能力強，具有較好的抗干擾性和較強的自適應(yīng)能力，同時能在房間部分負荷運行條件下降低風機的能耗，具有較好的節(jié)能效果。但是在現(xiàn)有技術(shù)中，對環(huán)境的控制僅僅考慮了溫度對人體的影響，這不足以滿足人對環(huán)境舒適度的要求，因此，需要考慮環(huán)境濕度對人體的影響，只有同時滿足了人對環(huán)境溫濕度的要求，才能夠滿足人對環(huán)境的舒適度要求；再者，雖然現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)具有較好的節(jié)能效果，但是，在現(xiàn)有技術(shù)中，對環(huán)境的控制僅僅考慮了溫度對人體的影響，這不足以滿足人對環(huán)境舒適度的要求，因此，需要考慮環(huán)境濕度對人體的影響，只有同時滿足了人對環(huán)境溫濕度的要求，才能夠滿足人對環(huán)境的舒適度要求；再者，雖然現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)具有較好的節(jié)能效果，但是，仍需尋求一個更加節(jié)能更加迅速的控制方法。
[0004]經(jīng)過長時間的試驗和測試發(fā)現(xiàn)，模糊控制不需要被控對象的精確描述，能夠解決非線性、時間滯后等問題。同時，長期的試驗發(fā)現(xiàn)，粒子群優(yōu)化算法(PS0算法)作為一種新興的群體智能進化算法，運算速度快、全局搜索能力強。為此，本發(fā)明在標準PSO算法的基礎(chǔ)上，對PSO算法進行改進，并將其和模糊控制以及傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，設(shè)計了一種針對室內(nèi)溫濕度的新的模糊自適應(yīng)PID控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的主要在于，針對空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境及空調(diào)系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，提出了一種調(diào)節(jié)精度較高、調(diào)節(jié)迅速、超調(diào)小、具有一定可行性的基于改進PSO算法的模糊自適應(yīng)PID室內(nèi)溫度控制方法。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，實時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的溫濕度，并將其傳遞給模糊自適應(yīng)控制器，再結(jié)合改進PSO算法優(yōu)化得到的PID初始參數(shù)值，經(jīng)過分析計算得到相應(yīng)的控制量，將控制量應(yīng)用到相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)上，從而更加快速有效的達到實時在線控制系統(tǒng)室內(nèi)溫濕度，滿足人對環(huán)境舒適度要求的目的。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的及解決其技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)，包括傳感器裝置、控制裝置和執(zhí)行機構(gòu)。
[0008]傳感器裝置包括溫度傳感器、濕度傳感器、風量傳感器和流量傳感器；
[0009]控制裝置包括控制計算機、可編程邏輯控制器PLC、通信模塊和轉(zhuǎn)換模塊，控制計算機用于實時在線監(jiān)測系統(tǒng)輸入量和輸出量；可編程邏輯控制器PLC包括三個改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID控制器，三個改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID控制器分別第一 PID控制器、第二 PID控制器、第三PID控制器；第一 PID控制器、第二 PID控制器、第三PID控制器分別用于控制加濕閥、風機變頻器和冷卻水三通閥；
[0010]轉(zhuǎn)換模塊包括第一轉(zhuǎn)換模塊、第二轉(zhuǎn)換模塊和第三轉(zhuǎn)換模塊；傳感器裝置通過第一轉(zhuǎn)換模塊與可編程邏輯控制器PLC相連接，可編程邏輯控制器PLC通過第二轉(zhuǎn)換模塊與加濕閥相連接，可編程邏輯控制器PLC通過第三轉(zhuǎn)換模塊與風機變頻器和冷卻水三通閥相連接。
[0011]控制計算機、通信模塊、可編程邏輯控制器PLC依次順序連接。
[0012]控制計算機通過RS232串口、串行通信總線與通信模塊連接。
[0013]傳感器裝置包括溫度傳感器、濕度傳感器、風量傳感器和流量傳感器，分別用于實時采集室內(nèi)溫度、濕度、送人房間的風量和冷卻水及冷凍水的流量；控制裝置，包括控制計算機、可編程邏輯控制器PLC以及相關(guān)的通信模塊和轉(zhuǎn)換模塊，控制計算機用于實時在線監(jiān)測系統(tǒng)輸入量和輸出量；可編程邏輯控制器PLC包括三個改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID控制器，分別用于控制加濕閥、風機變頻器及冷卻(凍)水三通閥；執(zhí)行機構(gòu)，包括加濕閥、風機變頻器及冷卻(凍)水三通閥，分別用于控制加濕器、送風風機和冷卻盤管。
[0014]控制計算機對空調(diào)房間溫濕度輸入量和控制輸出量進行實時在線監(jiān)測，并將所采集到的各種工況下的輸入輸出參數(shù)進行整合，形成相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，進而能夠通過對實時工況的反饋直接通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫的控制參數(shù)值對控制對象進行迅速的控制調(diào)節(jié)。
[0015]控制計算機通過RS232串口及串行通信總線與通信模塊連接；通信模塊再與可編程邏輯控制器連接。溫度傳感器、濕度傳感器、風量傳感器和流量傳感器可通過第一轉(zhuǎn)換模塊進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，而后再與可編程邏輯控制器PLC相連接。
[0016]濕度改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID控制器發(fā)出的控制信號經(jīng)過第二轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后加濕閥進行控制，調(diào)節(jié)加濕閥開度以便于控制加濕器，從而調(diào)節(jié)送風濕度；變頻器改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID控制器發(fā)出的控制信號經(jīng)過第三轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)/模及數(shù)/數(shù)轉(zhuǎn)換后對變頻器進行控制，進而調(diào)節(jié)送風風機的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)送風量，從而達到控制室溫的目的。
[0017]溫度改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID控制器發(fā)出的控制信號經(jīng)過第三轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后對冷卻(凍)水三通閥進行控制，從而控制冷卻(凍)水流量，進而控制冷卻盤管的制冷量來控制送風溫度，以便達到控制室內(nèi)溫度的目的。
[0018]改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID溫濕度控制方法，包括以下步驟:
[0019]S01，獲取采集量偏差、采集量偏差變化率:設(shè)定采集量調(diào)節(jié)限定值W，傳感器獲取室內(nèi)數(shù)據(jù)采集量Wtl, W和Wtl發(fā)送給可編程邏輯控制器PLC，通過W與Wtl比較，計算出采集量偏差e，以時間為變量對溫度偏差e求導，獲取溫度偏差變化率ec ;如果采集量偏差e大于或者等于預(yù)設(shè)定的偏差門限值，則進入步驟S02，否則，不進行PID溫濕度控制；
[0020]S02,采集量偏差、采集量偏差變化率模糊化:根據(jù)步驟SOl計算獲取的采集量偏差e、采集量偏差變化率ec，依據(jù)模糊算法獲取采集量偏差模糊量E、采集量偏差變化率模糊量EC ；
[0021]S03,模糊推理及反模糊化:依據(jù)采集量偏差模糊量E、采集量偏差變化率模糊量EC,在模糊規(guī)則庫中查表獲取模糊控制量，依據(jù)所述模糊控制量，進行反模糊化計算得出輸
出量，獲取PID的三個參數(shù)變化值4、AK01、AK0d ；
[0022]S04，基于改進PSO算法迭代獲取PID的三個參數(shù)的初始值^ K01 K0d依據(jù)所
述PID的三個參數(shù)的初始值和PID的三個參數(shù)變化值< AK^ AK0d優(yōu)化模糊自適應(yīng)PID 的參數(shù) Kp, K1, Kd ；
[0023]模糊自適應(yīng)PID的參數(shù)KP、K1, Kd的計算公式為式⑴:
【權(quán)利要求】
1.改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括傳感器裝置、控制裝置和執(zhí)行機構(gòu)； 所述傳感器裝置包括溫度傳感器、濕度傳感器、風量傳感器和流量傳感器； 所述控制裝置包括控制計算機、可編程邏輯控制器PLC、通信模塊和轉(zhuǎn)換模塊，所述的控制計算機用于實時在線監(jiān)測系統(tǒng)輸入量和輸出量；所述可編程邏輯控制器PLC包括三個改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID控制器，所述三個改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID控制器分別為第一 PID控制器、第二 PID控制器和第三PID控制器；所述第一 PID控制器、第二 PID控制器、第三PID控制器分別用于控制加濕閥、風機變頻器和冷卻水三通閥； 所述轉(zhuǎn)換模塊包括第一轉(zhuǎn)換模塊、第二轉(zhuǎn)換模塊和第三轉(zhuǎn)換模塊； 所述傳感器裝置通過第一轉(zhuǎn)換模塊與可編程邏輯控制器PLC相連接，可編程邏輯控制器PLC通過第二轉(zhuǎn)換模塊與加濕閥相連接，可編程邏輯控制器PLC通過第三轉(zhuǎn)換模塊與風機變頻器和冷卻水三通閥相連接； 所述控制計算機、通信模塊、可編程邏輯控制器PLC依次順序連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制計算機通過RS232串口、串行通信總線與通信模塊連接。
3.改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID溫濕度控制方法，其特征在于，包括以下步驟: S01，獲取采集量偏差、采集量偏差變化率:設(shè)定采集量調(diào)節(jié)限定值W，傳感器獲取室內(nèi)數(shù)據(jù)采集量\，W和Wtl發(fā)送給可編程邏輯控制器PLC，通過W與Wtl比較，計算出采集量偏差e，以時間為變量對溫度偏差e求導，獲取溫度偏差變化率ec ;如果采集量偏差e大于或者等于預(yù)設(shè)定的偏差門限值，則進入步驟S02，否則，不進行PID溫濕度控制； S02，采集量偏差、采集量偏差變化率模糊化:根據(jù)步驟SOl計算獲取的采集量偏差e、采集量偏差變化率ec，依據(jù)模糊算法獲取采集量偏差模糊量E、采集量偏差變化率模糊量EC ； S03，模糊推理及反模糊化:依據(jù)采集量偏差模糊量E、采集量偏差變化率模糊量EC，在模糊規(guī)則庫中查表獲取模糊控制量，依據(jù)所述模糊控制量，進行反模糊化計算得出輸出量，獲取PID的三個參數(shù)變化值、AK01、AK0d ； S04,基于改進PSO算法迭代獲取PID的三個參數(shù)的初始值^ K01、K0d，依據(jù)所述PID的三個參數(shù)的初始值和PID的三個參數(shù)變化值A(chǔ)K0d優(yōu)化模糊自適應(yīng)PID 的參數(shù) Kp, K1, Kd ； 模糊自適應(yīng)PID的參數(shù)KP、K1, Kd的計算公式為:

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID溫濕度控制方法，其特征在于，步驟S04所述基于改進PSO算法迭代獲取PID的三個參數(shù)的初始值< K01 K,罠體包括以下步驟: (a)、引入粒子自身因素和社會因素: 在基本PSO算法的基礎(chǔ)上，通過增加函數(shù)值仍和％，引入粒子自身因素和社會因素，所述奶為函數(shù)值小于I的線性遞減函數(shù)，能夠讓群體在進化初期考慮粒子自身的因素，使得粒子的搜索能力能夠獲取合適的種子；所述朽為函數(shù)值小于I的線性遞增函數(shù)，能夠讓群體在進化后期考慮社會共享信息，使得粒子具有開發(fā)能力以加快算法的收斂速度； (b)、建立粒子速度、位置進化模型: 選取公式(2)和公式(3)作為改進PSO算法的粒子速度、位置進化方程，
Vij (t+Ι) = Φ ! [Vij (t) +C^1 (Pij (t) -Xij (t)) ] + Φ 2r2c2 (pgJ (t) -Xij (t))式(2)
Xij (t+1) = XijUHvij (t+1)式(3) 其中:1表示第i個粒子，j表示第j維，Xij (t)為t時刻粒子的位置；Vij(t)為t時刻粒子的速度；(^、(32為(0，1)之間兩個獨立的隨機函數(shù)；ri為認知系數(shù)，r2為社會學習系數(shù)，!^和巧取值在(0，2)之間；Pij(t)為粒子i在t時刻前所經(jīng)歷的最好位置；pgj(t)為第t次
迭代前第j維的全局最優(yōu)值，
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID溫濕度控制方法，其特征在于，包括以下步驟:所述采集量包括溫度采集量和濕度采集量，所述采集量偏差包括溫度偏差和濕度偏差，所述采集量偏差變化率包括溫度偏差變化率和濕度偏差變化率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID溫濕度控制方法，其特征在于，包括以下步驟:所述溫度采集量、溫度偏差變化率經(jīng)過改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID控制后，用于控制風機變頻器的頻率和冷卻水三通閥；所述濕度采集量和濕度偏差變化率經(jīng)過改進PSO算法模糊自適應(yīng)PID控制后，用于控制加濕閥的開度。
【文檔編號】F24F11/00GK104019526SQ201410287520
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】唐亞鳴, 盧萍, 陳楷 申請人:河海大學常州校區(qū)