復(fù)合智能控制算法在恒溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王延年，李 浩，劉成濤

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710048）

復(fù)合智能控制算法在恒溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王延年，李 浩，劉成濤

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710048）

針對(duì)傳統(tǒng)恒溫控制系統(tǒng)所存在的調(diào)節(jié)時(shí)間長，參數(shù)難以調(diào)整，控制效果不符合要求等問題，提出了一種復(fù)合智能控制算法。這種控制算法是在傳統(tǒng)的增量式PID算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化而得到的智能PID算法，輔以首次閥門開度技術(shù)、溫度斜率控制技術(shù)和閥門跟蹤技術(shù)而形成。同時(shí)系統(tǒng)具有自適應(yīng)計(jì)算參數(shù)功能，可以適應(yīng)不同地區(qū)和氣候條件。該系統(tǒng)既有較好的快速性，又有一定的抗干擾能力，可以在極短時(shí)間內(nèi)到達(dá)設(shè)定溫度，并且能夠有效的抑制溫度超調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)恒溫出水。

復(fù)合智能控制；恒溫控制系統(tǒng)；PID控制

1 引 言

目前，多數(shù)過程控制系統(tǒng)仍然采用的是PID控制策略，這是因?yàn)檫@種控制具有直觀、實(shí)現(xiàn)簡易和魯棒性能良好等一系列優(yōu)點(diǎn)［1］。恒溫控制系統(tǒng)是過程控制的重要模型，對(duì)溫度控制系統(tǒng)的研究具有顯著的理論和實(shí)際意義。但是由于恒溫控制系統(tǒng)中的溫度具有大滯后、非線性、數(shù)學(xué)模型難于準(zhǔn)確建立等特點(diǎn)，所以采用傳統(tǒng)的增量式PID控制算法難以獲得滿意的控制效果。為了滿足在工業(yè)控制中的運(yùn)用，人們紛紛對(duì)傳統(tǒng)的PID控制算法進(jìn)行了改進(jìn)。論述了在進(jìn)行恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用復(fù)合智能控制算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的進(jìn)水溫度和環(huán)境溫度變化，根據(jù)不同的環(huán)境溫度自動(dòng)切換到不同的PID參數(shù)的工作模式下，然后通過PID算法調(diào)節(jié)閥門開度，控制冷水的進(jìn)水流量，進(jìn)而控制水溫。為了快速且穩(wěn)定的達(dá)到目標(biāo)溫度，該系統(tǒng)引入了首次閥門開度技術(shù)；為了控制溫度的快速上升和超調(diào)量過大，該系統(tǒng)引入了溫度斜率參與控制；為了防止閥門關(guān)死導(dǎo)致壓力過大致使機(jī)組保護(hù)停機(jī)，該系統(tǒng)引入了閥門跟蹤技術(shù)。最終，系統(tǒng)能在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)到達(dá)目標(biāo)溫度且恒溫出水。

2 復(fù)合智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下面表述的是一種復(fù)合智能控制系統(tǒng)，具體運(yùn)用在直熱式空氣源熱泵恒溫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中。本空氣源熱泵恒溫系統(tǒng)具有4個(gè)溫度傳感器，分別檢測(cè)出水溫度T1，水箱溫度T2，環(huán)境溫度T3和入水溫度T4這4種溫度。將采集到的4種溫度信號(hào)送到主控單元中進(jìn)行分析與處理，然后采用復(fù)合智能控制算法來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大小以及正反轉(zhuǎn)的方向，從而控制閥門的開度，進(jìn)而控制冷水的進(jìn)水流量，最終控制水溫。當(dāng)水溫高于用戶的設(shè)定值時(shí)，增大閥門開度，使冷水大量進(jìn)入，從而降低水溫；而當(dāng)水溫低于用戶的設(shè)定溫度時(shí)，則減小閥門開度，減小冷水的流入量，使水溫上升。

復(fù)合智能控制系統(tǒng)是基于出水溫度、閥門開度以及環(huán)境條件等因素的數(shù)學(xué)分析模型，開發(fā)一種參數(shù)自整定、自調(diào)整的快速預(yù)測(cè)溫度控制軟件，為直熱式空氣能熱水器恒溫控制技術(shù)提供理論分析、核心技術(shù)，并應(yīng)用于空氣能熱泵熱水器恒溫控制系統(tǒng)。溫度傳感器通過對(duì)恒溫控制系統(tǒng)中溫度信號(hào)的離散采樣，運(yùn)用復(fù)合智能控制算法控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫系統(tǒng)的恒定溫度控制。

在工業(yè)控制對(duì)象中，恒溫控制系統(tǒng)是典型的一階系統(tǒng)，溫度是一個(gè)大慣性、純滯后的對(duì)象，由于干擾眾多，恒溫控制系統(tǒng)的精確模型難于建立，因此傳統(tǒng)的溫度控制方法難以滿足要求。由于本系統(tǒng)是通過控制閥門開度來控制冷水的進(jìn)水流量，進(jìn)而控制水溫，而水溫的上升和下降都需要一定的緩沖時(shí)間，單純的數(shù)字PID無法滿足控制要求，因此采用復(fù)合智能控制策略，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。

圖1為復(fù)合智能控制算法結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方案。系統(tǒng)中的A/D采集將出水前的溫度離散采樣處理，反饋到輸入端。輸入的離散控制信號(hào)經(jīng)過D/A發(fā)送采用保持，轉(zhuǎn)換成模擬控制電平信號(hào)，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)、熱泵和閥門）輸出，被控對(duì)象（水溫）在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制下改變閥門轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而控制冷水的水流量。同時(shí)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的偏差量反饋到主控單元進(jìn)行趨勢(shì)判定，然后選擇合適的PID控制參數(shù)，當(dāng)出水前的溫度與設(shè)定溫度有偏差時(shí)，數(shù)字調(diào)節(jié)單元就會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，直到出水溫度與設(shè)定溫度一致，這個(gè)調(diào)節(jié)過程就到此完成。

圖1 復(fù)合智能控制算法結(jié)構(gòu)框圖

3 復(fù)合智能控制算法

在恒溫控制系統(tǒng)中，由于溫度具有大滯后、閥口出水的非線性、數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確建立等特點(diǎn)，而常規(guī)的PID控制算法容易出現(xiàn)較大的超調(diào)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能也較差，難以獲得滿意的控制效果［1］。因此，本復(fù)合智能控制算法由智能PID算法＋首次閥門開度技術(shù)＋溫度斜率參與控制技術(shù)＋閥門跟蹤技術(shù)＋自適應(yīng)計(jì)算參數(shù)以構(gòu)成本系統(tǒng)優(yōu)化的調(diào)節(jié)算法。

3.1 智能PID控制算法

由于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型難于建立，常規(guī)的PID控制無法滿足要求，引入智能控制的概念，提出一種適合本系統(tǒng)的智能PID控制算法［2］。智能PID控制算法是在傳統(tǒng)的增量式PID算法基礎(chǔ)上，根據(jù)前人和專家的經(jīng)驗(yàn)以及操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)具有大滯后、時(shí)變、非線性系統(tǒng)對(duì)象而提出的控制算法。

在該恒溫控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)通過控制閥門開度來控制進(jìn)水流量，進(jìn)而控制水溫，而水溫的上升和下降都需要一定的緩沖時(shí)間，所以該系統(tǒng)是一個(gè)典型的大滯后系統(tǒng)。加上環(huán)境溫度，進(jìn)水溫度，水壓，水流量［3］的變化影響，出水溫度將滿足下列函數(shù)關(guān)系式：

其中λ為溫度影響因子，Q為水流量，P為水壓。

在恒溫控制系統(tǒng)中，為了可以減少整個(gè)溫控系統(tǒng)的延時(shí)性，在系統(tǒng)輸出誤差絕對(duì)值較大時(shí)，采用飽和輸出的工作方式。同時(shí)，為了防止系統(tǒng)過大的超調(diào)量，在系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值在小范圍時(shí)，采用增大積分系數(shù)的辦法，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。因此本系統(tǒng)所采用的智能PID算法是一種非線性算法，可以顯著改善恒溫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度。

該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，其開度控制是通過接通時(shí)間的長短來進(jìn)行的，因此在引入PID控制時(shí)使用增量式［4－7］。

傳統(tǒng)的增量式PID算法［8］形式為：

式中e（k）為偏差量，u（k）為控制量，umak（k）為最大控制量。

智能PID控制規(guī)則如下：設(shè)定兩個(gè)偏差界限E1和E2，并且E1＜E2

規(guī)則1：如果｜e（k）｜＜E1，則u（k）＝u（k－1）

規(guī)則2：如果｜e（k）＞E2｜，則u（k）＝umak（k）

規(guī)則3：如果E1＜｜e（k）｜＜E2，則u（k）＝Δu（k）

由以上3條控制規(guī)則可以體現(xiàn)出系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。

3.2 首次閥門開度技術(shù)

系統(tǒng)會(huì)預(yù)先設(shè)置好4組PID參數(shù)，為了使水溫能夠快速且準(zhǔn)確的達(dá)到設(shè)定溫度，在進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)3號(hào)溫度傳感器采集到的環(huán)境溫度T3，與設(shè)定溫度T3s（用戶設(shè)定，默認(rèn)值為20℃，參數(shù)設(shè)定范圍為－15℃～45℃）和設(shè)定參數(shù)ΔT3s（用戶設(shè)定，默認(rèn)值為15℃，參數(shù)設(shè)定范圍為5℃～30℃）之間的關(guān)系來確定首次閥門的開度。若T3?T3s－ΔT3s，則系統(tǒng)選擇PID1的設(shè)定參數(shù)；若T3s－ΔT3s＜T3＜T3s，則系統(tǒng)選擇PID2的設(shè)定參數(shù)；若T3?T3s，則系統(tǒng)選擇PID3的設(shè)定參數(shù)。這樣可以保證水溫能快速穩(wěn)定的達(dá)到目標(biāo)溫度。

3.3 溫度斜率參與控制技術(shù)

為了提高空氣能熱水器出水溫度達(dá)到60℃以上，有效防止溫度超調(diào)量過大，采取溫度斜率參與控制來提前控制溫度的快速上升。針對(duì)溫度上升階段，當(dāng)閥門開度逐漸減小時(shí)，溫度上升曲線的斜率為遞增趨勢(shì)，這樣容易造成溫度超調(diào)量大，導(dǎo)致機(jī)組溫度過高而保護(hù)停機(jī)。在溫度上升階段加入斜率參與控制技術(shù)，當(dāng)溫度的上升量大于設(shè)定值時(shí)，即當(dāng)每10s溫度上升大于0.6℃時(shí)，閥門停止關(guān)閥動(dòng)作，這樣能控制溫度上升的曲線斜率為遞減趨勢(shì)，給水溫變化留有合理的緩沖時(shí)間，防止超調(diào)量過大導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)停機(jī)。

3.4 閥門跟蹤技術(shù)

在低溫情況下，系統(tǒng)加入了閥門跟蹤技術(shù)，即在閥門已經(jīng)接近處于全關(guān)位置，但是水溫還沒有達(dá)到設(shè)定溫度，這時(shí)就啟動(dòng)閥門跟蹤，使閥門停在現(xiàn)在的位置，等著溫度上升，而不再進(jìn)行關(guān)小閥門繼續(xù)調(diào)節(jié)，這樣既能達(dá)到目標(biāo)溫度，又能防止在水溫接近目標(biāo)溫度時(shí)，閥門頻繁動(dòng)作［9］。同時(shí)在PID調(diào)節(jié)的同時(shí)加入閥門位置跟蹤，也有利于防止閥門關(guān)死導(dǎo)致機(jī)組壓力過大而停止工作。從首次開閥進(jìn)入PID調(diào)節(jié)到T1（出水溫度）達(dá)到Tsp（目標(biāo)溫度）的這一溫度上升時(shí)段內(nèi)參與，即當(dāng)信號(hào)到來時(shí)從全開位置開始記錄單片機(jī)累計(jì)向閥門發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)n。設(shè)b為閥門目標(biāo)開度，其值是一個(gè)由W，T3，T4，Tsp四個(gè)參數(shù)組成的函數(shù)f（W，T3，T4，Tsp），其計(jì)算公式為：

當(dāng)n＝b時(shí)，則暫時(shí)屏蔽單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖，此后待T1溫度每10秒鐘上升幅度小于設(shè)定值時(shí)，并且T1＜Tsp則輸出脈沖屏蔽暫時(shí)退出，切入PID調(diào)節(jié)。此時(shí)閥門跟蹤繼續(xù)參與，若在T1＜Tsp時(shí)，出現(xiàn)了b＝N5（N5定義為閥門的最大開度），則再次屏蔽輸出脈沖，使T1每10秒鐘上升幅度小于設(shè)定值時(shí)，則本次閥門位置跟蹤結(jié)束。

3.5 自適應(yīng)計(jì)算參數(shù)

系統(tǒng)一共有4組PID控制參數(shù)，通過3號(hào)溫度傳感器采集到的環(huán)境溫度可以確定不同的地區(qū)和不同的季節(jié)。同時(shí)將采集到的出水溫度和用戶的設(shè)定溫度進(jìn)行比較計(jì)算出偏差，系統(tǒng)可以自動(dòng)選擇前3種PID控制參數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)還會(huì)通過2號(hào)溫度傳感器采集到水箱溫度T2。若系統(tǒng)正式進(jìn)入PID調(diào)節(jié)15分鐘后，檢測(cè)到T2?SP－10℃且T2?60℃時(shí)（SP＝T1s－ΔTLs），則系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入PID4的調(diào)節(jié)狀態(tài)。所以本系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，可以適應(yīng)不同地區(qū)和季節(jié)的恒溫出水。

3.6 復(fù)合智能控制系統(tǒng)流程

復(fù)合智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具有自適應(yīng)能力，可以根據(jù)環(huán)境溫度，進(jìn)水溫度和水箱溫度自動(dòng)切換到合適的PID參數(shù)組。在智能PID算法的基礎(chǔ)上輔以首次閥門開度技術(shù)，溫度斜率參與控制技術(shù)，閥門跟蹤技術(shù)形成了復(fù)合智能控制算法。克服了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)滯后，響應(yīng)緩慢，難以控制等問題。其流程圖如圖2所示。

圖2 程序主流程

4 測(cè)試結(jié)果與分析

系統(tǒng)經(jīng)過前期方案論證和軟硬件設(shè)計(jì)，在某型號(hào)熱泵熱水器上實(shí)際運(yùn)行，獲得了滿足工業(yè)控制要求的控制曲線，由此可以證明復(fù)合智能控制算法所提出的控制策略和程序?qū)崿F(xiàn)方法符合實(shí)際控制要求。以下分別給出傳統(tǒng)數(shù)字PID控制算法和復(fù)合智能控制算法的恒溫系統(tǒng)控制曲線。其中環(huán)境溫度為20℃，目標(biāo)溫度為60℃，圖3為采用傳統(tǒng)數(shù)字PID測(cè)試曲線，圖4為采用復(fù)合智能控制算法測(cè)試曲線。從圖3可知當(dāng)設(shè)定溫度為60℃時(shí)，溫度需要經(jīng)過13分鐘的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定輸出狀態(tài)，輸出溫度約為58.5℃，溫度的超調(diào)量約為6℃。從圖4可知當(dāng)設(shè)定溫度為60℃時(shí)，溫度需要經(jīng)過5分鐘就能達(dá)到穩(wěn)定輸出狀態(tài)，輸出溫度約為59.5℃，溫度的超調(diào)量約為1.5℃。

圖3 傳統(tǒng)數(shù)字PID測(cè)試曲線目標(biāo)溫度60℃

圖4 復(fù)合智能控制算法測(cè)試曲線目標(biāo)溫度60℃

比較測(cè)試曲線可以看出，這種算法可以獲得滿足工業(yè)控制要求的控制曲線，能減小調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到用戶設(shè)定的出水溫度。

5 結(jié)束語

在恒溫控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了它沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，所以采用傳統(tǒng)的PID控制算法并不能兼顧所有工況下的多項(xiàng)性能指標(biāo)，如調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等。復(fù)合智能控制算法是對(duì)傳統(tǒng)PID控制算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在實(shí)際控制平臺(tái)上運(yùn)行，系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行選擇和整定，以達(dá)到理想的控制效果。由此可以證明復(fù)合智能控制算法具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

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Application of Com plex Intelligent Control Algorithm for Constant Tem perature Control System

Wang Yannian，Li Hao，Liu Chengtao
（School of Electronic Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

Aiming at the problems in the traditional constant temperature control system such as time－consuming regulation，the difficulty of adjusting parameters and failure control effect，the complex intelligent control algorithm is presented in this paper.It is obtained on the basis of optimization for traditional incremental PID algorithm，combining with the technologies of the first valve close，temperature slope control and valve tracking.The system has the function of self－adaptive computing parameters for different regions and climate conditions.It is conducted rapidly and has anti－interference ability，so the set temperature can be got within a very short time and the temperature overshoot can be restrained effectively for constant temperature water.

Complex intelligent control；Constant temperature control system；PID control

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.023

TP273

A

1002－2279（2015）01－0084－04

王延年（1963－），男，吉林長春人，教授，碩士研究生，主研方向：工業(yè)控制信息系統(tǒng)。

2014－06－11