恒溫智能控制論文范文

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1復(fù)合智能控制算法

1．1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。

1．2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。

1．3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)。

1．4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。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。

1．5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。

1．6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。

2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℃。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。

3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。

作者：王延年李浩劉成濤單位：西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院