超精模糊控制算法与模块化及其在节能中的应用

1、超精模糊控制算法与模块化及其在节能中的应用樊远征北京泛析智能控制技术有限公司，北京,100088摘要水丈论述了控钢算法在发展国艮经济中的童义给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、有限空间椅呆3l度拉创的节能枚果关键词 控创鼻法 模赫拉创 湛度控制 节能 空调如果将测量技术、执行器技术、网络化技术和控制算法视为自动化领域四大支柱体系的话,我国在 控制算法领域的进步和发展最为迟缓其结果不仅拉大了我国与发达国家自动化行业的距离而且形响了我国相关工业的技术进步.控制算法可理解为控制領域的方针和策略，是控制系统的精曲与灵魂.无论是最简单的、抑或是最复杂的控

2、制系统，其成功与否无不与控制算法休咸相关.(一)产业升圾与测控技术的关系20世纪6070年代，发达国家以提高控制性能为中心的产业升级，全面深入地普及了先进控制算法提离了系统的控制精度、稳定性及动态性能从而大幅度提高了能源利用率.我国的产业升级的重 点放在了以信息化带动产业化上，而不是以提高控制性能为中心.这样一来只能在控制功能方面获得 一定程度的发展，如功能数字化、网络化、集中管理等，而在控制性能方面未能获得应有的进步.由此带 来的后果是能耗増加贵源利用率低、效益增加缓慢.统计数据表明，我国的能源利用率落后于发达国 家2倍以上.之所以出现这种局面与控制性能落后不无关系，仅举以下现状说明.1-制

3、造业产品低档的根源是控制算法落后(1) 家电制造业.我国的家电产品在国际市场遭遇技术壁垒和贸易壁垒，在国内市场受到进口中、高档家电产品的冲击，其中一个重要的原因就是在产品设计中采用了落后的控制算法，因此注定了国产 家电产品的档次只能屈居低端，不得不靠残酷的低价格竞争而生存.例如.国产冰箱的温控系统由于 控制算法落后而造不出温度波动小于士 的冷鮮冰箱，被迫将高档品市场让给“西门子”和“lgs又如 国产空调器，由于未采用先进控制策略，而是沿用传统的压缩机变频控制，响应速度慢、据度波动大、能 耗高、舒适性差，不得不将高端产品市场拱手让给日本.(2装备制造业.几乎全部采用进口控制器尽管耗费了大量的外汇

4、却依然制造不出中、高档装备来.究其原因.却是由于进口控制器的控制性能也不很先进.我国装备制造业的出路只有从改善控制 算法入手，才能立竿见形地制造出国际一流装备.(3)科学仪器制造业.产科学仪器大多无法与进口产品危美的原因.在一定程度上依然归咎于控制算法落后，以至于在不同的使用环境下性能指标会下降稳定性和可韋性变差致使产品档次上不 去，沦入只能靠价格竞争勉强维持企业生存的恶性猶环中z加工业落后的根源是控制算法落后(1热处理水平决定了金属工件的抗拉、抗压、抗弯、抗扭的性能和使用寿命.而热处理水平是由热 处理炉的温度控制精度决定的，由于采用了传统的、相对落后的控制算法,必然导致热处理炉的ifi控精

5、度低在技术上不能保证高质量的金属工件性能和长的使用寿命.(2) 生物医药、酿造、食品业的生产工艺的温度控制精度，更是影响产晶质童的决定性因索由于国内设计的工艺及相应的技术装备在控制算法上未能突破传统模式致使产品质在低水平上徘徊.为 提高产品档次工艺技术装备不得不依赖进口.x蘿筑业中无形的能源浪费不可忽视近年来，我国的建筑业获得了飞速发展的机遇.然而材料与能源的消耗、特别是投人使用后旷日持 久的能源利用是否合理？应该引起有关部门的重视.据有关资料介绍，我国每单位建筑面积的能源消 耗为发达回家3倍以上！其中三分之二的能源消耗在供履和空调上我国供热采暧系统依然采用漫灌式供暖，没有采用闭环控制是造成高

6、能耗的主要原因，而阻碍供热 采暖系统采用闭环控制的难题是控制算法问题.我国家用空调器的平均制冷能效比(eer只有26欧吳为32,日本为45.由此可见仅空调 产品一项就多消耗30%40%的能源为何国产篆用空调器的制冷能效比如此之低？究其根本原因 仍然归结为控制算法问题.(二) 知后而直追的美国科技政策20世纪8090年代在日本政府推动下将模糊控制技术迅速普及到众多产品和工程中荻得了巨大的经济效益在这一产业革新活动中,包插将美国人的发明利用模糊控制技术进行适当改造后，返销 美国ii取了大量的美元.1995年，美国商人发现了这个问题遂向美国政府报吿美国科技部进行了 调査研究，并调整了科学技术发展战略

7、重点，提出了将“模糊技术、材料科学和生物工程”列为21世纪科 学技术的三大支柱.迄今为止，美国政府始终将智能控制技术和材料科学作为重点资助的顼目.二、现有技术的不足与改进日、吳科技界和学术界扱力推崇的模糊控制技术并非白璧无瑕、无懈可击.笔者对此从数学和控制 论两个层面进行了多年研究，总结并发展了模糊控制技术，提出直觉智能控制(sic)的控制算法及硬化 产品，并在一些工业温度控制对象中获得了成功应用(一)现有控制算法的局限柱日本人把模糊控制奉为法宝视作日本自主创新的标志然而必须指出的是模糊左制并不完善, 尚存在一些不足之处，例如.(1) 消除静差破坏稳定性模糊p1d自适应控制器和变论域模耕控制器

8、都会破坏系统的稳定性, 这两种控制器尤其不适用于尢滞后系统的控制.(2) 最佳化调琏困难.(二)越精模糊控制模块超精模糊控制(super robus fuzzy control简称srfc)模块是硬化的先进控制软件为梢确控制具 有严重非线性、时变性、不确定性和耦合性的温度对很提供了核心控制算法.srfc模块分为软件和硬 件两部分srfc软件中的先进控制算法具有如下特点，(1)模糊推理函数化一即响应函数,响应函数的最大优点是运算资源低，最佳化调整简单(一股只 调1个参数.(2) 多模态控制 速，制动无超调(3) 位置学习一即通过在线学习消除稳态谋差的方法,位置学习的最大优点是在消除稳态误差的 同

9、时不破坏稳定性,并能跟踪被控对象参数变化，对应改进在线学习强度.面对用户的应用需求可将srfc软件细分为三类即：c塑软件一嵌入pc机的。型软 件带数显数给的p型软件与工业总线连接的.上述三种类型软件所对应的硬件是相同的，简称srfc模块，如图1所示.srfc模块由超精模糊 控制处理器,16位ad和串口控制芯片组成.srfc模块中的16位ad提供一略模拟输人信号(ai).srfc模块中的串口控制芯片提供的数字通讯操作平台(rx.tx和485en).srfc模块有两路输出(图1力一路为模拟信号(ao),另一路为脉宽调制信号(pwm).另外模块 还可以向外围器件提供dc-5v(10mma)电源.sr

10、fcy那模块al5v gnd 45v4k5e>txfwm8tt15图l srtc-cffltt块原理方框图srfc-c型模块管脚图(外形tof) 如图2所示.hai-n?cn ¥)oogo<)oooooo图2 srfc< as块管脚图(外形top)srfc-c贡模块上的两只20 !双排插针j1和j2的管脚说明如表1与表2所示.双排插针j1和 j2除了与dc5v电源和外电路信号联接以外，还兼有固定模块的作用.»1 ji ffnit明（管入型ml口 .o输出型绍口.口号描述管脾类旳管御功能2ai116位ad殊换输人竭，饕换电压抢81 0-3. 9v,转换结果（

11、0-ffffh）44850rs485控制使能城（需此功能埔定制）1» 3 ,16,17gndp離块电棟地8txo申口数据发送端6rxi串口«««收端20+ 5p棋块+5v供电18vip系统数字1部分+5v供电19-5p模块供给外部的一5v 10ma输出j1±*f«引詳请空"可.» 2明（mi类fihl 入整第口 o输出型鋼口. p电口）管hi綸号描述管脚类塑管购功能1v2p豪统2部分+5v供电2. 3*4 *6,810,gndp电源堆17.18,19,2011aoo模块桂制0-3.6v*出端13-5p模块供给外部的

12、一5v 10ma输出15pwmo模块控制pwm输出端（输出能力5v 5ma）注，j2上未/明引詳晴总空即可三.srfc模块应用实践（一）中央空调节能33%fhk-1智能温控器是srfc模块的初级产品利用fhk-1实现精确温控和变风调温方式, 可实现节能33%.这一结论性的数据是在北京市节能认证委员会监督下由北京建工学院18通试验室对美国john- son公司专门用于空调系统的視控开关与fhk-1智能温控器性能进行实验室（无门窗）对比测试所获 得的.側试结果如下表所示，jobnon 控开关与fhk-1 «ttil控8性龍对比豪第1控制ii类教宣内温度檜耗/mx/hrfhk-1 w能温控

13、器22c±008c26. 25wjohnson温检开关22±1.639. 42w北京市节能认证委员会据此认定fhk-1智能温控器为节能产晶x国家家用质量监督检验中心 在北京亚洲大酒店进行现场（有门窗）实测，认定fhk-1智能温控器比j ohnson据控开关节能 71.38%.fhk-1智能温控器之所以能够在对现有空调设备不做大改动的情况下荻得如此明显的节能效 果是由于在温控系统的设计上提出了“梢确温控"与降低“强迫对流损失"相结合的全新的设计原则.1.精确瀑控从上表不难看出，在同一测试条件下，采用fhk 1智能温控器的控温效果明显优于美a johnson

14、 公可温控开关的控温效果温度液动福度减少15匸，仅此一顼相当于节能20%.fhk-1智能温控器之所以能取得如此明显的控湄效果是由于其核心元件为cb3lp芯片该芯 片内部集成了“直觉智能函数s将模1w推理转换成响应函数，然后庄函数层面上改造并克眼了模糊推理 缺点构造的高级智能控制算法，为不熟悉模棚控制和智能控制的设计师们提供了使用简单、高性价比 的智能化控制工具，专门用于控制以大滞后、时变性、多变量尊为主要待征的难控对象而传统的控制 （尤其是双为控制系统用于这类对象时，无法保证动态梢度空调系统有限空间恰恰属于这类难控对 食因此fhk-1智能温控器得以充分发獰其特长，实现了精确温控.x采用变风空调

15、方氏降低强迫对流损失.在暖通空调理论中，迄今尚无“强制对流损失”的概念实验表明'携带冷能的气流按击到圈护结构 时,不可避免地会有部分冷能经门窗筹隔热能力较差的围护结构直接传导至室外这部分损失与气流方 向和流速有关尤当气流方向正对南向门宙且代流速度最大时，“强制对流损失”亦最大降低“强制对流损失”的措施可以有两种，其一 在建筑设计上应考虑空调的出风口避免直面门窗尊 隔热能力较差的围护结构）其二,采用变风量空阿方式，即，通过控制送风量实现房间温度恒定.与现有 的变风温技术路线相比,变风量空调方式的平均风量减少了 30%70%.平均风量的桟少带来两大好处*-是提高了舒适度，二是减少强迫对流损

16、失，降低檜耗.fhk-1智能温控器采用变风量空调方式 减小“强制对流损失s实现节能13%51%.（二）挫制开放式水浴il度l被控对箴说明开放式水浴是强时变参数系统，其中，开环放大倍数k是设定温度st的函数，开环放大倍数k的 最大与最小值如表3所示.»3开环放大的最大与最尔值设定程度st（d开环放大ffiftk302.7900.9憤性时间t是设定温度st和水盘v的函数惯性时间t的最大与侵小值如表4所示. «4價性时mit的量大与小值设定 a«sr<tc)水* v(l)惯性时iwt<s）9044700304.41020902.2300302.2600滞后时

17、间t是水量v的函数，滞后时间t的最大与最小值如表5所示.水量v(l)掃后时«t(s)4.42802.2150x控制性能srfc模块控制开放水浴的控制性能，如表6所示.豪6 srfc块控开敖水浴富度的标设定ii度st(c)水* v(l)度pv的渡动(£过我过程时冏t.(s402.240±0.034.1300404.440 士 0 023.5500802.280±0 053.2360804.480±0.042.1580(三) srfc模块用于虞谱仪的沒控装jll被控对象说明毛细柱,惯性时间小于5s滞后肘间大于2齢50350c连续可调恒温管;惯性时间小于is,滞后时间大于5.50350连续可调$夷子源;惯性时间小于10矢滞后时间大于2s,5o35oc连续可调人控制性能srfc模块控制毛细柱恒温管和离子源的控制性能均达到启动段最速超调量“小于10%控 制波动