本發(fā)明涉及一種基于模糊控制和pid控制相結(jié)合的焓差實驗室溫度切換控制。

背景技術(shù)：

焓差實驗室是一種能夠測量空調(diào)的制冷量和制熱量的實驗裝置，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)溫度的控制是整個焓差實驗室的核心部分。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空調(diào)制冷量和制熱量的準(zhǔn)確性。因此，焓差實驗室的溫度控制極為重要。

但是，焓差實驗室室外側(cè)的溫度控制具有很大的非線性、滯后性和時變性，而且具有極強(qiáng)的干擾量。簡單的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，穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差就會變差；當(dāng)加強(qiáng)穩(wěn)定和減小穩(wěn)態(tài)誤差時，調(diào)節(jié)速度就會變慢。采用模糊控制雖然能夠加快調(diào)節(jié)時間，但是穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差并不好。

此系統(tǒng)的被控對象是加熱器，當(dāng)加熱器動作之后一段時間，溫度才會用相應(yīng)的變化，具有較大的滯后性，要想選擇一個合適的控制方式，使系統(tǒng)達(dá)到期望輸出，是很難的。對于一般滯后系統(tǒng)，可以采用建模方法去預(yù)測輸出，但是由于此系統(tǒng)具有較大不確定干擾量，建模會有誤差，使其最終結(jié)果有較大誤差。

設(shè)計內(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)合的焓差實驗室溫度切換控制方法，本發(fā)明運用模糊控制和pid控制，模糊控制可以加快調(diào)節(jié)時間，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)合的焓差實驗室溫度切換控制方法，包括以下步驟：

(1)選取多個溫度傳感器放置室外側(cè)，測得室外側(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，使測量溫度x2達(dá)到期望指標(biāo)；

(2)設(shè)計其模糊控制器，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℃，對室外側(cè)多個位置的溫度傳感器檢測的溫度進(jìn)行平均，算得測量溫度x2，通過兩者之差得到溫度誤差e，根據(jù)誤差e去確定每一時刻的加熱器功率y。通過改變加熱器功率y，來改變焓差實驗室室外側(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。然后對三個變量進(jìn)行量化，根據(jù)焓差實驗室實際數(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的論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，增量δu的論域為{-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為被測機(jī)組的外機(jī)風(fēng)機(jī)壓差；為多種被測機(jī)組外機(jī)風(fēng)機(jī)壓差平均值；

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；在此焓差實驗室系統(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)實際系統(tǒng)和反復(fù)的實驗得出以下模糊規(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)前時刻，g(k)為當(dāng)前輸出隸屬度，g(k)是根據(jù)兩個輸入的隸屬度函數(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，把模擬信號輸給加熱器，加熱器就會輸出一個相應(yīng)的功率y；

所述步驟(3)中，具體步驟為：

設(shè)計其pid控制器，pid控制器輸出u，輸入是期望溫度x1和測量溫度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控制器的積分時間，td為pid控制器的微分時間，模擬pid控制器控制規(guī)律為：

但是運用于焓差實驗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)不斷的實驗的測試，得到當(dāng)誤差e小時，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，傳輸給加熱器，最后輸出加熱器的功率y，從而進(jìn)行焓差實驗室室外側(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，系統(tǒng)選擇上文所設(shè)計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，系統(tǒng)選擇上文所設(shè)計的模糊控制器，能夠使溫度的調(diào)節(jié)時間縮短，提高焓差實驗室工作效率。

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)時間，提高焓差實驗室的工作效率。

2.能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小穩(wěn)態(tài)誤差，增強(qiáng)焓差實驗室對制冷量和制熱量測量的準(zhǔn)確度。

3.采用被測機(jī)組外機(jī)壓差作為模糊控制的一個輸入量，能夠預(yù)測一段時刻的溫度變化趨勢，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。

具體實施方式

本發(fā)明是基于濟(jì)南某公司的焓差實驗室設(shè)計所創(chuàng)造的。

如下，將會結(jié)合實際項目和附圖對本發(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驗室室外側(cè)溫度的控制方法，具體操作如下(參照圖1和圖2)：

步驟1.通過plc從焓差實驗室現(xiàn)場采集室外側(cè)溫度和空調(diào)外機(jī)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，設(shè)定焓差實驗室室外側(cè)期望溫度26℃。算出期望值溫度與實際溫度誤差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)計通過測量的誤差e，通過上文設(shè)計的pid控制器，能得出pid的控制器的輸出u2。

步驟4.根據(jù)測量的焓差實驗室溫度誤差e，和上述所得出的切換條件，設(shè)計出適用于焓差實驗室的溫度控制的切換控制器(設(shè)計的控制器原理框圖如圖一所示)，當(dāng)-0.8≤e≤0.8時，系統(tǒng)選擇上文所設(shè)計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，系統(tǒng)選擇上文所設(shè)計的模糊控制器，能夠使溫度的調(diào)節(jié)時間縮短，提高焓差實驗室工作效率。得出仿真圖(圖五為本發(fā)明結(jié)果仿真圖)。

在實際工程中，與普通的pid控制器相比，本控制器的調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差都要優(yōu)于普通得分pid控制器。