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恒温智能控制论文

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1复合智能控制算法

1.1加上环境温度,进水温度,水压,水流量[3]的变化影响,出水温度将满足下列函数关系式。其中λ为温度影响因子,Q为水流量,P为水压。在恒温控制系统中,为了可以减少整个温控系统的延时性,在系统输出误差绝对值较大时,采用饱和输出的工作方式。同时,为了防止系统过大的超调量,在系统误差的绝对值在小范围时,采用增大积分系数的办法,以提高系统的稳态精度。因此本系统所采用的智能PID算法是一种非线性算法,可以显著改善恒温系统的动态响应和稳态精度。该系统的执行机构为电动流量调节阀,其开度控制是通过接通时间的长短来进行的,因此在引入PID控制时使用增量式。

1.2首次阀门开度技术系统会预先设置好4组PID参数,为了使水温能够快速且准确的达到设定温度,在进行PID调节时,系统会根据3号温度传感器采集到的环境温度T3,与设定温度T3s(用户设定,默认值为20℃,参数设定范围为-15℃~45℃)和设定参数ΔT3s(用户设定,默认值为15℃,参数设定范围为5℃~30℃)之间的关系来确定首次阀门的开度。若T3?T3s-ΔT3s,则系统选择PID1的设定参数;若T3s-ΔT3s<T3<T3s,则系统选择PID2的设定参数;若T3?T3s,则系统选择PID3的设定参数。这样可以保证水温能快速稳定的达到目标温度。

1.3温度斜率参与控制技术为了提高空气能热水器出水温度达到60℃以上,有效防止温度超调量过大,采取温度斜率参与控制来提前控制温度的快速上升。针对温度上升阶段,当阀门开度逐渐减小时,温度上升曲线的斜率为递增趋势,这样容易造成温度超调量大,导致机组温度过高而保护停机。在温度上升阶段加入斜率参与控制技术,当温度的上升量大于设定值时,即当每10s温度上升大于0.6℃时,阀门停止关阀动作,这样能控制温度上升的曲线斜率为递减趋势,给水温变化留有合理的缓冲时间,防止超调量过大导致机组保护停机。

1.4阀门跟踪技术在低温情况下,系统加入了阀门跟踪技术,即在阀门已经接近处于全关位置,但是水温还没有达到设定温度,这时就启动阀门跟踪,使阀门停在现在的位置,等着温度上升,而不再进行关小阀门继续调节,这样既能达到目标温度,又能防止在水温接近目标温度时,阀门频繁动作[9]。同时在PID调节的同时加入阀门位置跟踪,也有利于防止阀门关死导致机组压力过大而停止工作。从首次开阀进入PID调节到T1(出水温度)达到Tsp(目标温度)的这一温度上升时段内参与,即当信号到来时从全开位置开始记录单片机累计向阀门发出的脉冲个数n。当n=b时,则暂时屏蔽单片机向步进电机输出脉冲,此后待T1温度每10秒钟上升幅度小于设定值时,并且T1<Tsp则输出脉冲屏蔽暂时退出,切入PID调节。此时阀门跟踪继续参与,若在T1<Tsp时,出现了b=N5(N5定义为阀门的最大开度),则再次屏蔽输出脉冲,使T1每10秒钟上升幅度小于设定值时,则本次阀门位置跟踪结束。

1.5自适应计算参数系统一共有4组PID控制参数,通过3号温度传感器采集到的环境温度可以确定不同的地区和不同的季节。同时将采集到的出水温度和用户的设定温度进行比较计算出偏差,系统可以自动选择前3种PID控制参数,同时系统还会通过2号温度传感器采集到水箱温度T2。若系统正式进入PID调节15分钟后,检测到T2?SP-10℃且T2?60℃时(SP=T1s-ΔTLs),则系统自动转入PID4的调节状态。所以本系统具有一定的自适应能力,可以适应不同地区和季节的恒温出水。

1.6复合智能控制系统流程复合智能控制系统的软件设计采用模块化设计结构,具有自适应能力,可以根据环境温度,进水温度和水箱温度自动切换到合适的PID参数组。在智能PID算法的基础上辅以首次阀门开度技术,温度斜率参与控制技术,阀门跟踪技术形成了复合智能控制算法。克服了系统的调节滞后,响应缓慢,难以控制等问题。其流程图如图2所示。

2测试结果与分析

系统经过前期方案论证和软硬件设计,在某型号热泵热水器上实际运行,获得了满足工业控制要求的控制曲线,由此可以证明复合智能控制算法所提出的控制策略和程序实现方法符合实际控制要求。以下分别给出传统数字PID控制算法和复合智能控制算法的恒温系统控制曲线。其中环境温度为20℃,目标温度为60℃,图3为采用传统数字PID测试曲线,图4为采用复合智能控制算法测试曲线。从图3可知当设定温度为60℃时,温度需要经过13分钟的时间才能达到稳定输出状态,输出温度约为58.5℃,温度的超调量约为6℃。从图4可知当设定温度为60℃时,温度需要经过5分钟就能达到稳定输出状态,输出温度约为59.5℃,温度的超调量约为1.5℃。比较测试曲线可以看出,这种算法可以获得满足工业控制要求的控制曲线,能减小调节时间和超调量,能够在较短的时间内达到用户设定的出水温度。

3结束语

在恒温控制系统中,由于系统自身的结构特点,决定了它没有准确的数学模型,所以采用传统的PID控制算法并不能兼顾所有工况下的多项性能指标,如调节时间和超调量等。复合智能控制算法是对传统PID控制算法的优化设计,并在实际控制平台上运行,系统可以自动对PID参数进行选择和整定,以达到理想的控制效果。由此可以证明复合智能控制算法具有广阔的工程应用前景。

作者:王延年李浩刘成涛单位:西安工程大学电子信息学院

恒温智能控制论文责任编辑:杨雪    阅读:人次

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