基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法的集熱控制系統(tǒng)的研究

傅強生，董帥帥，任永鵬，黃澤楓，高曉紅

（吉林建筑大學(xué)，吉林長春，130000）

0 引言

集熱控制系統(tǒng)是一個值得深入研究的課題，但是傳統(tǒng)集熱控制系統(tǒng)消耗能源更多且工作效率低。在當前礦物資源嚴重缺乏的今天，更加高效且節(jié)能的集熱控制系統(tǒng)的研究具有急迫性和重要性。傳統(tǒng)集熱控制系統(tǒng)的被控對象都具有時變性、大滯后、多干擾、非線性、數(shù)學(xué)模型不確定等特點。因此，我們采用一種新型控制算法—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID 控制算法相結(jié)合以彌補傳統(tǒng)PID 控制算法的不足之處，通過PLC 控制整個系統(tǒng)。控制方式問題的解決，可以改善傳統(tǒng)集熱控制系統(tǒng)能耗問題的現(xiàn)狀，進一步提高工作效率，達到集熱和節(jié)能的作用。

首先，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法的研究相對比較活躍，發(fā)表的文章也累積了一定的數(shù)量，本文主要講解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID 控制算法相結(jié)合，這樣在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上將對傳統(tǒng)PID 控制算法依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型的問題進行了更加深化的研究。其次，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID 控制算法相結(jié)合是本研究很重要的觀念，在一定程度上彌補了對該問題研究的不足，豐富了集熱控制系統(tǒng)的研究的內(nèi)容。

1 研究路線

系統(tǒng)采用PID 控制器，它是一種使用傳統(tǒng)PID 算法的控制器，它在很多的工業(yè)控制領(lǐng)域都有著廣泛的涉及，它適用在條件復(fù)雜且在容易出現(xiàn)異常以及故障的情況下進行控制，具有很優(yōu)良的魯棒性，于是廣泛運用在工業(yè)的控制需求中。盡管傳統(tǒng)PID 從最開始到現(xiàn)在以及很長一段時間了，但經(jīng)過許多學(xué)者的調(diào)整使PID 控制器在工業(yè)控制應(yīng)用中一直沿用。

早在1942 年，國外就有人提出了新的PID 控制法，(ZN)參數(shù)整定法，并且在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用[1]，但是它也有明顯的缺點，并不能很好的解決PID 控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)問題。接著Cohen 和Coon 為了增強抗干擾性，提出了基于帶有時間延遲的一階模型(FOLPD)的方法[2]。但是缺點也很明顯，比如他的響應(yīng)速度較慢。在此之后，Kim和Chu 等對PID 控制進行了進一步的優(yōu)化[3]。時間來到2002 年，KimDH 和Hong 等提出一種搜索算法，利用免疫算法與傳統(tǒng)的PID 控制器結(jié)合，進行控制器的自動調(diào)節(jié)[4]。它模仿于螞蟻群體工作的優(yōu)化方式，以此找到控制器調(diào)節(jié)的最佳解決方案[5]。Chiha 與Liouane 等對此進行進一步改進，對多目標函數(shù)進行最小化，最終其控制效果相較于參數(shù)整定法有了明顯改善。而隨著遺傳算法的提出發(fā)展，一些人如Kumar和Jain等想到把遺傳算法與傳統(tǒng)PID控制器結(jié)合，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)合的控制效果在各個方面都得到了顯著提高[6]。

只是使用PID 控制還遠遠不夠，傳統(tǒng)的PID 控制對外界的干擾應(yīng)變能力差，很容易因為外界因素干擾產(chǎn)生偏差，PID 對于自己適應(yīng)自行調(diào)整能力差，于是考慮到以上情況加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來彌補傳統(tǒng)PID 的缺陷，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是類似生物的神經(jīng)系統(tǒng)，類似于人類身體的神經(jīng)系統(tǒng)，它是一個可以應(yīng)對外界干擾及時做出調(diào)整的算法，它有很好的自適應(yīng)性可以彌補傳統(tǒng)PID 的缺陷。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

開始小組成員對項目的理論知識研究較為薄弱，所以首先我們在網(wǎng)上查找相關(guān)文獻，并且鞏固基礎(chǔ)知識例如PLC和傳感器。通過文獻查找了解國內(nèi)外的研究成果和研究情況，總結(jié)了太陽能集熱控制研究的主要方法以及優(yōu)劣。定性分析搭建系統(tǒng)，根據(jù)太陽能集熱的基本控制原理，結(jié)合相關(guān)的材料、化學(xué)和物理的研究，對太陽能集熱溫度、水量、流速等影響因素進行分析，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID 控制的基礎(chǔ)方法搭建系統(tǒng)，并建立PLC 控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器的設(shè)計

集熱控制整體系統(tǒng)可以分為三個部分集熱部分、換熱部分、供熱部分，如圖2 所示；太陽能集熱裝置是系統(tǒng)控制過程中的核心源泉和關(guān)鍵設(shè)備，作為生活用水供暖過程中的供暖熱源，最主要的反應(yīng)就是在其中進行，也是實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的關(guān)鍵節(jié)。

圖2 集熱控制系統(tǒng)圖

集熱部分是由太陽能集熱裝置、光照度傳感器、水泵和閥門構(gòu)成，其中最主要的太陽能集熱裝置主要是由太陽能板也叫光伏板組件組成，這是一種在太陽光照射下可以將陽光聚合并通過特殊的材料（半導(dǎo)體材料）的光生伏特效應(yīng)從而使得太陽能、光能轉(zhuǎn)換為我們所需要的電能。太陽能集熱裝置連帶光照傳感器，光照傳感器實時檢測光照強度從而將光照強度轉(zhuǎn)換為標準電壓值，再將電壓值送到PLC 控制中心進行檢測和及時的控制；若光照強度不足以使太陽能集熱裝置產(chǎn)生足夠的熱量導(dǎo)致水溫不足以滿足用戶需要，則需要通過換熱部分進行進一步加工處理。

換熱部分是由儲水箱、循環(huán)水泵、閥門、溫度傳感器、液位傳感器和輔熱設(shè)備構(gòu)成，其中輔熱設(shè)備主要用于在光照不足導(dǎo)致水溫沒達到期望進行二次加熱的設(shè)備，通過溫度傳感器以及液位傳感器對儲水箱實時檢測從而進行準確的控制，若水箱內(nèi)水溫不夠則通過PLC 控制中心對輔熱設(shè)備進行控制加熱水箱內(nèi)部使得水溫達到正常值，若液位傳感器檢測水箱內(nèi)液位過低則通過補水閥補水使儲水箱內(nèi)有充足的水量，再達到合適的溫度以及液位時通過循環(huán)泵和閥門將熱水輸送到供熱部分供給用戶。

供熱部分則是由換熱器、水閥、溫度傳感器、流量傳感器組成，通過換熱器以及循環(huán)泵使用戶所處環(huán)境溫度達到合適的溫度，通過溫度傳感器來測量反饋實時溫度，流量傳感器用來檢測管道內(nèi)水流的流速，通過控制循環(huán)速度也可以使得溫度達到標準，這一部分雖然設(shè)計較少，并且做出的檢測和干預(yù)不能太多，因為供熱是整個系統(tǒng)最終的目的，通常處于用戶的生活環(huán)境中例如家庭等。

集熱控制系統(tǒng)把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力等特點與模糊控制器中的模糊控制規(guī)則相結(jié)合，組成集合雙方優(yōu)點的集熱控制系統(tǒng)。控制器對輸入信號進行模糊化處理，然后運輸?shù)缴窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí)，不斷改變隸屬度函數(shù)值和寬度，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值大小，最終將輸出變量解模糊化，進行輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會不斷重復(fù)學(xué)習(xí)，記憶模糊控制規(guī)則，達到最好的控制輸出[7]。

誤差值e、誤差變化率ec作為模糊變量兩個輸入，并且制定合適的模糊規(guī)則，模糊控制規(guī)則如圖3 所示。

圖3 模糊控制規(guī)則

根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理得到控制系統(tǒng)的三個參數(shù)Kp、Ki和Kd。輸入變量和輸出變量經(jīng)過模糊化處理后，都采用7個模糊子集為｛NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PL｝分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中和正最大。模糊控制輸出如圖4 所示。

圖4 模糊控制輸出曲面觀測窗

3 系統(tǒng)搭建

整個太陽能集熱控制系統(tǒng)由集熱、換熱、供熱三個部分組成，提前準備好所需的各個部件如S7-200 PLC、模擬量輸入模塊EMAE08、模擬量輸出模塊EMAQ04、光照度傳感器、一體化溫度變送器、一體化液位變送器、開關(guān)電源、MCGS 觸摸屏、變頻器MM440、電磁閥、溫濕度傳感器RS485 等，每個部件通過導(dǎo)線進行連接，搭建變壓變頻器給CPU 和其余傳感器提供電源和適配的輸入，通過PLC控制中心對系統(tǒng)自動檢測控制，觸摸屏可以進行人工檢測，并且對PLC 進行人為操控。

圖5 系統(tǒng)實物圖

集熱控制系統(tǒng)使用CPU 為226 型PLC 進行控制。它可以通過運用可編程存儲器來發(fā)出指令，這些指令信息會直接傳遞至用戶層。PLC 的特點有很多，例如較好的穩(wěn)定性，較好的性能，操作也方便簡單，而且具有抗干擾接口，所以在一些領(lǐng)域，如電氣控制領(lǐng)域、通信領(lǐng)域等都有廣泛的應(yīng)用[8]。

4 結(jié)語

集熱系統(tǒng)的研究通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID 控制算法結(jié)合，敘述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制器的設(shè)計過程。使用MCGS 組態(tài)軟件進行監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，并與S7-200 PLC 建立通信鏈接。實現(xiàn)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法對集熱控制系統(tǒng)的控制，驗證了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法在實際應(yīng)用中的可行性。在完成仿真后我們搭建起實物，在計算機上調(diào)試昆侖通態(tài)顯示屏，通過顯示屏進行調(diào)試控制，在計算機上也可以觀察到整體系統(tǒng)的情況和數(shù)值的變化，最終經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試和程序修改實現(xiàn)了整體系統(tǒng)對集熱控制和供熱過程的實現(xiàn)。