本發(fā)明涉及一種基于模糊控制和pid控制相結(jié)合的焓差實(shí)驗(yàn)室溫度切換控制。
背景技術(shù):
焓差實(shí)驗(yàn)室是一種能夠測(cè)量空調(diào)的制冷量和制熱量的實(shí)驗(yàn)裝置,主要分為室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)兩部分環(huán)境,而室外側(cè)溫度的控制是整個(gè)焓差實(shí)驗(yàn)室的核心部分。室外側(cè)溫度控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性直接影響了被測(cè)空調(diào)制冷量和制熱量的準(zhǔn)確性。因此,焓差實(shí)驗(yàn)室的溫度控制極為重要。
但是,焓差實(shí)驗(yàn)室室外側(cè)的溫度控制具有很大的非線性、滯后性和時(shí)變性,而且具有極強(qiáng)的干擾量。簡(jiǎn)單的pid控制單一參數(shù)很難滿足系統(tǒng)的要求,當(dāng)加快調(diào)節(jié)速度時(shí),穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差就會(huì)變差;當(dāng)加強(qiáng)穩(wěn)定和減小穩(wěn)態(tài)誤差時(shí),調(diào)節(jié)速度就會(huì)變慢。采用模糊控制雖然能夠加快調(diào)節(jié)時(shí)間,但是穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差并不好。
此系統(tǒng)的被控對(duì)象是加熱器,當(dāng)加熱器動(dòng)作之后一段時(shí)間,溫度才會(huì)用相應(yīng)的變化,具有較大的滯后性,要想選擇一個(gè)合適的控制方式,使系統(tǒng)達(dá)到期望輸出,是很難的。對(duì)于一般滯后系統(tǒng),可以采用建模方法去預(yù)測(cè)輸出,但是由于此系統(tǒng)具有較大不確定干擾量,建模會(huì)有誤差,使其最終結(jié)果有較大誤差。
設(shè)計(jì)內(nèi)容
為了解決以上問題,本發(fā)明提出一種基于模糊控制和pid控制相結(jié)合的焓差實(shí)驗(yàn)室溫度切換控制方法,本發(fā)明運(yùn)用模糊控制和pid控制,模糊控制可以加快調(diào)節(jié)時(shí)間,合適參數(shù)的pid控制可以消除靜態(tài)誤差,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。兩者相互結(jié)合能夠很好的達(dá)到系統(tǒng)的要求。
一種基于模糊控制和pid控制相結(jié)合的焓差實(shí)驗(yàn)室溫度切換控制方法,包括以下步驟:
(1)選取多個(gè)溫度傳感器放置室外側(cè),測(cè)得室外側(cè)平均溫度記為x2,加熱器功率記為y,并能夠根據(jù)期望溫度x1和測(cè)量溫度x2之間的溫度誤差e,根據(jù)所設(shè)定的控制方法控制加熱器功率的增量δu,使測(cè)量溫度x2達(dá)到期望指標(biāo);
(2)設(shè)計(jì)其模糊控制器,確定輸入輸出的論域,輸入的隸屬度函數(shù),確定模糊規(guī)則表,然后解模糊,得出相應(yīng)的輸出加熱器功率的增量δu;
(3)設(shè)計(jì)pid控制器;
(4)選擇合適的切換策略,進(jìn)行模糊控制和pid控制之間的切換;
所述步驟(1)中,具體步驟為:輸入期望溫度x1為25℃,對(duì)室外側(cè)多個(gè)位置的溫度傳感器檢測(cè)的溫度進(jìn)行平均,算得測(cè)量溫度x2,通過兩者之差得到溫度誤差e,根據(jù)誤差e去確定每一時(shí)刻的加熱器功率y。通過改變加熱器功率y,來改變焓差實(shí)驗(yàn)室室外側(cè)溫度,使室外側(cè)溫度達(dá)到所要求的指標(biāo)。其中,
e=x1-x2(1)
所述步驟(2)中,具體步驟為:
設(shè)計(jì)其模糊控制器,具體步驟為:壓差δf和溫度誤差e作為模糊控制器的增量δu作為模糊控制器的輸出。然后對(duì)三個(gè)變量進(jìn)行量化,根據(jù)焓差實(shí)驗(yàn)室實(shí)際數(shù)值確定δf和溫度誤差e的量化因子為kf和ke,和輸出的比例因子ku,確定壓差δf和誤差e的論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,1,2,3},增量δu的論域?yàn)閧-4,-3,-2,-1,0,1,2,3-4},壓差δf和誤差e的模糊子集{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb},增量δu的模糊子集{nb,nm,ns,nz,zo,pz,ps,pm,pb}。
其中,f為被測(cè)機(jī)組的外機(jī)風(fēng)機(jī)壓差;
其中,n1為δf論域的最大值,此系統(tǒng)中為3。;
其中,n2為e論域的最大值,此系統(tǒng)中為3;在此焓差實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中溫度誤差一般都是±10℃,因此取量化因子ke為3/10。
根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)得出以下模糊規(guī)則表:
根據(jù)模糊控制規(guī)則表和隸屬度函數(shù),能夠確定
δu1(k)=g(k)·δu(k)(5)
其中,k為當(dāng)前時(shí)刻,g(k)為當(dāng)前輸出隸屬度,g(k)是根據(jù)兩個(gè)輸入的隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則表得出:
u(k)=u(k-1)+ku·δu1(k)(6)
其中,u(k)為解模糊輸出;
根據(jù)u(k),然后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,把模擬信號(hào)輸給加熱器,加熱器就會(huì)輸出一個(gè)相應(yīng)的功率y;
所述步驟(3)中,具體步驟為:
設(shè)計(jì)其pid控制器,pid控制器輸出u,輸入是期望溫度x1和測(cè)量溫度x2之間的溫度誤差e,kp為pid控制器的比例系數(shù),ki為pid控制器的積分系數(shù),kd為pid控制器的微分系數(shù),ti為pid控制器的積分時(shí)間,td為pid控制器的微分時(shí)間,模擬pid控制器控制規(guī)律為:
但是運(yùn)用于焓差實(shí)驗(yàn)室溫度控制的一般都是采樣控制,系統(tǒng)只能通過采樣的偏差值進(jìn)行判斷與控制,設(shè)采樣周期為t,pid控制器控制規(guī)律進(jìn)行離散處理,得出以下增量式pid公式:
δu(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+ki·e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](8)
u(k)=u(k-1)+δu(k)(9)
其中,k為當(dāng)前采樣次數(shù):
根據(jù)不斷的實(shí)驗(yàn)的測(cè)試,得到當(dāng)誤差e小時(shí),能夠使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小于0.05的pid控制器參數(shù)。把所得到的參數(shù)輸入pid控制器中,得出pid控制器的輸出u,并且通過數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),傳輸給加熱器,最后輸出加熱器的功率y,從而進(jìn)行焓差實(shí)驗(yàn)室室外側(cè)溫度的調(diào)節(jié)。
所述步驟(3)中,具體步驟為:確定期望溫度x1為25℃。通過系統(tǒng)的期望溫度x1與測(cè)量溫度x2的溫度誤差e進(jìn)行模糊控制器和pid控制器的切換控制。具體策略如下:
當(dāng)-0.8≤e≤0.8時(shí),系統(tǒng)選擇上文所設(shè)計(jì)pid控制器,所得到的溫度穩(wěn)定性更強(qiáng),穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1℃。
當(dāng)|e|>0.8時(shí),系統(tǒng)選擇上文所設(shè)計(jì)的模糊控制器,能夠使溫度的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短,提高焓差實(shí)驗(yàn)室工作效率。
本發(fā)明的有效收益為:
1.能夠縮短控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,提高焓差實(shí)驗(yàn)室的工作效率。
2.能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減小穩(wěn)態(tài)誤差,增強(qiáng)焓差實(shí)驗(yàn)室對(duì)制冷量和制熱量測(cè)量的準(zhǔn)確度。
3.采用被測(cè)機(jī)組外機(jī)壓差作為模糊控制的一個(gè)輸入量,能夠預(yù)測(cè)一段時(shí)刻的溫度變化趨勢(shì),降低系統(tǒng)的滯后性。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的原理框圖。
圖2為本發(fā)明的流程框圖。
圖3為本發(fā)明壓差δf的隸屬度函數(shù)圖。
圖4為本發(fā)明誤差e的隸屬度函數(shù)圖。
圖5為本發(fā)明結(jié)果仿真圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明是基于濟(jì)南某公司的焓差實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)所創(chuàng)造的。
如下,將會(huì)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明:
本發(fā)明是一種能夠在線控制焓差實(shí)驗(yàn)室室外側(cè)溫度的控制方法,具體操作如下(參照?qǐng)D1和圖2):
步驟1.通過plc從焓差實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采集室外側(cè)溫度和空調(diào)外機(jī)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓,設(shè)定焓差實(shí)驗(yàn)室室外側(cè)期望溫度26℃。算出期望值溫度與實(shí)際溫度誤差e,分析誤差,得出誤差e的范圍為[-10,10]℃。用壓差傳感器測(cè)出空調(diào)外機(jī)風(fēng)機(jī)的壓差,根據(jù)上述公式(2)得到壓差δf。
步驟2.設(shè)計(jì)模糊控制,通過量化因子ke,kec分別把溫度誤差e和壓差δf量化到{-3,-2,-1,0,1,2,3}的論域中,然后根據(jù)上述設(shè)計(jì)好的隸屬度函數(shù)(圖三為本發(fā)明壓差δf的隸屬度函數(shù)圖。圖四為本發(fā)明誤差e的隸屬度函數(shù)圖)。和模糊規(guī)則表得出相應(yīng)的模糊控制器輸出u1。
步驟3.設(shè)計(jì)通過測(cè)量的誤差e,通過上文設(shè)計(jì)的pid控制器,能得出pid的控制器的輸出u2。
步驟4.根據(jù)測(cè)量的焓差實(shí)驗(yàn)室溫度誤差e,和上述所得出的切換條件,設(shè)計(jì)出適用于焓差實(shí)驗(yàn)室的溫度控制的切換控制器(設(shè)計(jì)的控制器原理框圖如圖一所示),當(dāng)-0.8≤e≤0.8時(shí),系統(tǒng)選擇上文所設(shè)計(jì)pid控制器,所得到的溫度穩(wěn)定性更強(qiáng),穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1℃。當(dāng)|e|>0.8時(shí),系統(tǒng)選擇上文所設(shè)計(jì)的模糊控制器,能夠使溫度的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短,提高焓差實(shí)驗(yàn)室工作效率。得出仿真圖(圖五為本發(fā)明結(jié)果仿真圖)。
在實(shí)際工程中,與普通的pid控制器相比,本控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差都要優(yōu)于普通得分pid控制器。