模糊Smith-PID控制器在空调房间温控系统中的应用

唐良宝;阚丹青;赵智林

【摘 要】为了解决变风量(VAV)空调房间温度控制系统中非线性、滞后等缺点,采用一种模糊Smith-PID控制策略,通过水域温度控制实验进行验证,并与常规Smith算法在不同温度下的稳定性、鲁棒性等进行比较研究,同时论证了模糊Smith-PID控制算法在空调房间温控系统中的实用性和有效性.实验结果表明,模糊Smith-PID控制算法可使温度控制精度在±0.5 ℃,验证了该算法的优越性. 【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》 【年(卷),期】2010(030)006 【总页数】4页(P561-5)

【关键词】变风量空调房间温度;模糊Smith-PID控制;PLC控制 【作 者】唐良宝;阚丹青;赵智林

【作者单位】桂林电子科技大学,机电工程学院,广西,桂林,1004;桂林电子科技大学,机电工程学院,广西,桂林,1004;桂林电子科技大学,机电工程学院,广西,桂林,1004 【正文语种】中 文 【中图分类】TP273.4

变风量(VAV)空调是为满足节能舒适的要求而产生的一种全空气空调系统[1]。随着科技的发展和人民生活水平的提高,空调的应用越来越广,而对其性能的要求也越来

越高。但空调温度控制过程具有非线性变化、纯滞后、惯性大等特点,采用传统控制策略难以保证其控制精度和运行的稳定性。

实际上,目前大多数空调系统依旧采用常规PID控制,但当模型失配时,如控制参数仍保持不变,就会降低系统的性能,导致不稳定。于是人们转而使用其他控制算法来提高系统的稳态性能,如:自适应控制、模糊控制、Smith预估控制算法及神经网络等[2]。在此基础上,提出一种模糊Smith-PID控制策略,模拟实验结果表明,该方法控制性能较好,调节精度较高,超调小,鲁棒性好。 1 控制系统模型建立

要对一个被控对象进行控制,必须为其建立一个合适的数学模型[3]。根据实际情况,需要对实际对象进行一些必要的简化和假设,VAV空调房间温度作为系统的控制对象,为二阶系统,但在控制中往往用纯延迟的一阶模型来代替。VAV空调房间是一个分部参数的对象,为使问题简化,用集中参数来表示,有近似性,且工程上做这样的处理是完全可以满足实际应用要求的[4]。设房间温度模型可近似为一个带纯滞后环节的大惯性一阶系统:

式中:T为惯性时间常数;τ为纯滞后时间常数;K为增益系数。 2 模糊Sm ith-PID控制系统设计

在模糊控制器上并联一个积分因子,提高模糊控制器的稳定性;对Smith预估器的结构进行改进,引入一个惯性环节,并用模糊控制方法调整滤波时间常数,并设计了调整参数tf的自适应机构。结合模糊自整定PID控制[5]与改进型Smith预估控制提出模糊Smith-PID空调房间温度控制策略,构成如图1所示的模糊Sm ith-PID控制器。模糊控制与PID控制相结合可互相弥补各自的缺点,利用模糊控制动态性能较好和PID控制稳态性能较好的特点,可达到鲁棒性好、控制精度高的控制效果;采用改进型Smith预估调节器,可以有效地解决系统纯滞后问题,减小超调,缩短调节时间。

图1 模糊Smith-PID控制系统框图 3 实验验证

为了证明模糊Smith-PID控制器的性能均优于常规PID控制器和Smith-PID控制器,采用实验模拟这一方法进行检验。为了验证模糊Smith-PID控制器在恒温空调系统中的应用,在实验中采用水域温度控制系统进行模拟,是因为采取了实验对象相近相似的对象:两者对象同是对温度进行控制;两者控制对象均有非线性、纯滞后、惯性大等特点;水域温度控制方法同样适用于VAV温控系统等。故采用水域温度控制系统进行验证有一定的理论依据。实验系统实物图如图2所示。 3.1 硬件设计

根据图2水域温度控制系统实物图可知,本系统核心控制器为S7-200PLC,可编程控制器PLC(Programmable Logic Controller),它是基于微处理器的通用工业控制装置,能执行各种形式和各种级别的复杂控制任务,应用面广、功能强大、使用方便[6]。PLC采用循环扫描的工作方式,每扫描一次就构成一个扫描周期,接着周而复始地重复该过程。如果一个逻辑线圈被接通或断开,该线圈的所有触电并不会立即动作,必须等扫描到该触电时才会动作[7]。系统硬件接线图如图3所示。 图2 水域温度控制实验实物 图3 系统硬件接线图

由图3可知,通过pt100铂热电阻温度传感器采集到的水温信号,传送给SBWZ热电阻温度变送器,经温度变送器将热电阻信号变换成与被测温度成线性的4～20 mA的输出信号,通过EMS235的A/D模块,将模拟信号转换成数字信号送给周波控制器,周波控制器则将脉冲信号再传送给固态继电器,用来控制加热器以改变水温满足系统要求。其中,开关K 1、K 2分别为系统的开始和停止按钮;开关K 3、K 4分别为系统的降温和升温按钮,每按一下,温度降低或升高10℃。 3.2 水域温度控制系统软件设计

为了知道水域温度控制系统的传递函数,首先做一个开环控制,给系统一个阶跃信号,通过常规PID控制跟踪[8],最终得出系统的传递函数为

水域温度控制系统总体流程图如图4所示。本次实验中,利用PLC实现了常规PID水域温度控制以及模糊Smith-PID水域温度控制,并对它们的结果进行了比较。 图4 水域温度控制系统软件设计流程图

系统每隔10 s显示一个实时温度值,采集到的实时温度通过工控机显示出来,显示界面见图5。

图5 系统采集的实时温度显示界面 3.3 实验结果

针对模糊Sm ith-PID控制器的控制效果以及抗干扰特性和鲁棒特性,结合硬件和软件的设计,实验内容集中在以下几方面。 3.3.1 不同设定温度控制的影响

为了说明模糊Smith-PID控制系统的优越性,采用了占空比控制方式[9],采样周期T=20 s。首先针对模糊Smith-PID控制进行水域温度控制,分别设定温度为40℃、50℃、60℃。由图6可看出,无论设定温度为多少,系统都能保证温度控制精度在±0.5℃。

图6 不同设定温度下的实验曲线 3.3.2 阶跃实验 实验内容包括以下方面:

(1)2个阶跃响应:水温首先设定50℃,在1 h后,再升温到60℃,如图7所示。 图7 2个阶跃实验曲线

(2)3个阶跃响应:水温首先设定40℃,在1 h后,再升温到50℃,再过1 h,继续升温到60℃,如图8所示。

图8 3个阶跃实验曲线

实验(1)、(2)分别对应的图7、图8所示,图中分别给出了常规PID控制和模糊Sm ith-PID控制的阶跃响应曲线。从各个阶跃曲线不难得出: (1)模糊Sm ith-PID控制系统的温度超调量小、曲线较为平坦; (2)模糊Smith-PID控制系统的响应快,控制输出动作快。 3.3.3 鲁棒性实验

为了比较分析2种控制方法的鲁棒性,进行了如下的实验:

(1)水温设定在50℃,1 h后加入冷水使温度突降;(2)水温设定在50℃,1 h后加入热水使温度突升。加冷/热水即加入了干扰量,也改变了被控对象的参数。降温和升温扰动实验曲线如图9、图10所示,从图9～10可看出,模糊Smith-PID的温度控制超调小、响应快速。 图9 降温扰动实验 图10 升温扰动实验 4 结束语

采用理论分析、模型的建立及实验验证相结合的方法,对模糊Smith-PID控制器在VAV空调房间温度控制的效果进行了模拟研究,研究结果表明,模糊Sm ith-PID控制算法比常规Smith控制算法控制效果更好,动态响应快、抗干扰性强、鲁棒性好,并可使温度控制精度在±0.5℃,证明了该算法的实用性和可行性。 参考文献:

[1] 朱为明.基于神经网络的变风量空调智能控制系统研究[D].北京:北京建筑工程学院,2008.

[2] 刘战国.智能控制在建筑空制系统及电梯群控系统中的应用研究[D].重庆:重庆大学,2008.

[3] 蒋顺文,唐焱.ABS智能控制器的设计与仿真[J].桂林电子科技大学学

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[4] 裴美珍,单正娅.基于ATS52的空调温度控制系统的设计[J].微型机与应用,2010(6):22-24.

[5] 朱世钊.电机调速系统的最优PID控制参数方法[J].桂林电子科技大学学报,2009,29(1):30-34.

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[9] Tan W en.Tuning of a modified sm ith predictor for processes with time delay[J].Control Theory&Applications,2003,20(2):297-301.