Обоснование выбора алгоритмов управления для нечеткого регулятора, системы управления микроклиматом

УДК 69.05.624

Обоснование выбора алгоритмов управления для нечеткого регулятора, системы управления микроклиматом

Булгаков Алексей Григорьевич, Иссам Мохаммед Али, Крапивин Д.МТокмаков Г.Е.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

Аннотация

В промышленном производстве всегда существуют требования к микроклимату, при котором наиболее целесообразно вести работу — это называется комфортными условиями. Комфортные условия главным образом определяются температурой воздуха и влажностью внутри помещения. Для эффективного регулирования предлагается нечеткий регулятор. Управление системой кондиционирования воздуха на основе нечеткой логики имеет преимущество по сравнению с традиционным регулированием, с использованием ПИД-регулятора по трем основным критериям, а именно: робастности, скорости срабатывания и экономии энергии.

Ключевые слова: Нечеткая логика, отопление, вентиляция и кондиционирование.

Key words: Fuzzy logic, heating, Ventilation and Air-conditioning.

В процессе работы была создана система управления микроклиматом, принципы функционирования которой, представлены на рисунке 1. Заданная пользователем температура T_зад сравнивается с текущей температурой в помещении T_тек и вычисляется ошибка регулирования и скорость изменения ошибки, которые поступают на вход блока фаззификации, который представляет собой функции принадлежности, тем самым происходит переход от реальных значений регулируемой величины к нечетким.

Далее для принятой формы записи правил степень принадлежности антецедента каждого правила определяется по минимуму всех условий.

С помощью min-max интерфейса определяются степени принадлежности термов выходной переменной по максимуму.

В качестве метода дефаззификации используется один стандартных и самых распространенных методов метод центра тяжести. Суть метода заключается в том, что метод суммирует результаты и вес каждого из термов и вычисляет единственный ответ, который отражает все возможные результаты для всех возможных термов. В реальности центр тяжести обеспечивает плавный переход между конкурирующими условиями.

Согласно полученного ответа формируется соответственное управляющее воздействие поступающие на кондиционер и обогреватель, которые в свою очередь влияют на микроклимат в здание.

Процесс регулирования влажности происходит аналогично принципу как и регулирование температуры.

Так как использование специализированных нагревательных, охладительных и увлажнительных установок требует капитальных материальных вложений, то в качестве этих исполнительных механизмов будут использоваться бытовой обогреватель, кондиционер и паровой увлажнитель, имеющие несколько режимов работы.

Рис.1. Принцип функционирования системы управления микроклиматом

Сформировав принцип функционирования системы следующим этапом является создания алгоритма работы системы управления микроклиматом помещения, блок-схема которого представлена на рисунке 2.

Рис.2. Блок –схема алгоритма работы системы управления микроклимата помещения

Надо отметить, что после выключения кондиционера микропроцессорному контроллеру необходимо будет выдерживать паузу в течение 3 минут, для того чтобы стабилизировалась давления в камере компрессора. Выдержка времени между выключение и последующим включением регламентируется производителем и необходима для того что кондиционер не вышел из строя. После выключения кондиционера на экране ЖКИ помимо статуса управления отображает время в секундах оставшиеся для нормализация давления компрессора.

Для проверки приведенных принципов управления были проведены исследования по определению эффективности при компьютерном управлении по сравнению с ручным управлением.

На основе приведенных результатов, можно сделать следующие выводы:

1. Созданная база правил и принятые в МП системе управления функции принадлежности позволяют осуществить эффективное регулирование микроклимата в замкнутом помещении;

2. Разработанный для опытного образца интерфейс предоставляет оператору необходимую информацию, достаточную для реализации всех возможностей фаззи – управления, заложенного в МП системе;

3. Интеллектуальная система управления показывает не только более высокое быстродействие, но и меньшее энергопотребление. Так при сравнительных испытаниях удельное энергопотребление при управлении нечеткой логикой снизилось на 20 %.

Для определения наиболее эффективного вида функции принадлежности и расположения датчиков был проведен ряд исследований, результаты которых приведены в таблице 1.

Формирование микроклимата при управлении исполнительными устройствами с помощью МП системы.

Начальные условия: Т_i^оС=28,5^о; Вл_i=48%.

Заданный микроклимат: Т_зад^оС=25^о; Вл_зад=45%.

Таблица 1.

Ошибка, время достижения заданной температуры, энергопотребление сильно зависят от вида функции принадлежности(ФП) таблица 1.

Сужение диапазона нулевоготерма Z, даст более качественный выход на заданную величину. Это подтверждается снижением ошибки на этапе приближения температуры в помещении к заданной.

Если необходима высокая точность для поддержания заданной температуры, то целесообразно применить ФП№1, но это повлечет за собой, увеличение энергопотребления и времени работы системы.

Если же необходимо высокое быстродействие и экономия электроэнергии, то целесообразно выбрать ФП№4 – 6. Но в данном случае возрастет ошибка между заданной и текущей температурой.

ФП№2 – 3 наиболее подходят для использования. Так как имеют не такое высокое энергопотребление и не большую ошибку.

Литература

1. M. Ning M., Zaheeruddin and Z. Chen “Fuzzy-Set Based HVAC System Uncertainty Analysis”, pp. 229-234, IEEE, 2006.

2. S. N. Sivanandam, S. Sumathi and S. N. Deepa “Introduction to Fuzzy Logic using MATLAB” Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.

3. J. Harris” Fuzzy Logic Applications in Engineering Science”, Springer, 2006.

4. William Siler and James J. Buckley “Fuzzy Expert Systems And Fuzzy Reasoning” , John Wiley & Sons, Inc.2005.

5. Ahmad M. Ibrahim “Fuzzy Logic for Embedded Systems applications”, Elsevier Science, 2004.