復合智能控制算法在恒溫控制系統中的應用

王延年，李 浩，劉成濤

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

復合智能控制算法在恒溫控制系統中的應用

王延年，李 浩，劉成濤

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

針對傳統恒溫控制系統所存在的調節時間長，參數難以調整，控制效果不符合要求等問題，提出了一種復合智能控制算法。這種控制算法是在傳統的增量式PID算法的基礎上進行優化而得到的智能PID算法，輔以首次閥門開度技術、溫度斜率控制技術和閥門跟蹤技術而形成。同時系統具有自適應計算參數功能，可以適應不同地區和氣候條件。該系統既有較好的快速性，又有一定的抗干擾能力，可以在極短時間內到達設定溫度，并且能夠有效的抑制溫度超調，最終實現恒溫出水。

復合智能控制；恒溫控制系統；PID控制

1 引 言

目前，多數過程控制系統仍然采用的是PID控制策略，這是因為這種控制具有直觀、實現簡易和魯棒性能良好等一系列優點［1］。恒溫控制系統是過程控制的重要模型，對溫度控制系統的研究具有顯著的理論和實際意義。但是由于恒溫控制系統中的溫度具有大滯后、非線性、數學模型難于準確建立等特點，所以采用傳統的增量式PID控制算法難以獲得滿意的控制效果。為了滿足在工業控制中的運用，人們紛紛對傳統的PID控制算法進行了改進。論述了在進行恒溫控制系統設計時，采用復合智能控制算法進行優化設計。系統可以根據實時監測到的進水溫度和環境溫度變化，根據不同的環境溫度自動切換到不同的PID參數的工作模式下，然后通過PID算法調節閥門開度，控制冷水的進水流量，進而控制水溫。為了快速且穩定的達到目標溫度，該系統引入了首次閥門開度技術；為了控制溫度的快速上升和超調量過大，該系統引入了溫度斜率參與控制；為了防止閥門關死導致壓力過大致使機組保護停機，該系統引入了閥門跟蹤技術。最終，系統能在規定的時間范圍內到達目標溫度且恒溫出水。

2 復合智能控制系統設計

下面表述的是一種復合智能控制系統，具體運用在直熱式空氣源熱泵恒溫調節控制系統中。本空氣源熱泵恒溫系統具有4個溫度傳感器，分別檢測出水溫度T1，水箱溫度T2，環境溫度T3和入水溫度T4這4種溫度。將采集到的4種溫度信號送到主控單元中進行分析與處理，然后采用復合智能控制算法來控制步進電機的轉動速度大小以及正反轉的方向，從而控制閥門的開度，進而控制冷水的進水流量，最終控制水溫。當水溫高于用戶的設定值時，增大閥門開度，使冷水大量進入，從而降低水溫；而當水溫低于用戶的設定溫度時，則減小閥門開度，減小冷水的流入量，使水溫上升。

復合智能控制系統是基于出水溫度、閥門開度以及環境條件等因素的數學分析模型，開發一種參數自整定、自調整的快速預測溫度控制軟件，為直熱式空氣能熱水器恒溫控制技術提供理論分析、核心技術，并應用于空氣能熱泵熱水器恒溫控制系統。溫度傳感器通過對恒溫控制系統中溫度信號的離散采樣，運用復合智能控制算法控制執行機構輸出，從而實現對恒溫系統的恒定溫度控制。

在工業控制對象中，恒溫控制系統是典型的一階系統，溫度是一個大慣性、純滯后的對象，由于干擾眾多，恒溫控制系統的精確模型難于建立，因此傳統的溫度控制方法難以滿足要求。由于本系統是通過控制閥門開度來控制冷水的進水流量，進而控制水溫，而水溫的上升和下降都需要一定的緩沖時間，單純的數字PID無法滿足控制要求，因此采用復合智能控制策略，改善系統的動態響應過程。

圖1為復合智能控制算法結構框圖，系統采用閉環控制方案。系統中的A/D采集將出水前的溫度離散采樣處理，反饋到輸入端。輸入的離散控制信號經過D/A發送采用保持，轉換成模擬控制電平信號，以控制執行機構（電機、熱泵和閥門）輸出，被控對象（水溫）在執行機構的控制下改變閥門轉動角度，從而控制冷水的水流量。同時經過A/D轉換后得到的偏差量反饋到主控單元進行趨勢判定，然后選擇合適的PID控制參數，當出水前的溫度與設定溫度有偏差時，數字調節單元就會對整個系統進行調節處理，直到出水溫度與設定溫度一致，這個調節過程就到此完成。

圖1 復合智能控制算法結構框圖

3 復合智能控制算法

在恒溫控制系統中，由于溫度具有大滯后、閥口出水的非線性、數學模型難以準確建立等特點，而常規的PID控制算法容易出現較大的超調，系統動態性能也較差，難以獲得滿意的控制效果［1］。因此，本復合智能控制算法由智能PID算法＋首次閥門開度技術＋溫度斜率參與控制技術＋閥門跟蹤技術＋自適應計算參數以構成本系統優化的調節算法。

3.1 智能PID控制算法

由于被控對象的數學模型難于建立，常規的PID控制無法滿足要求，引入智能控制的概念，提出一種適合本系統的智能PID控制算法［2］。智能PID控制算法是在傳統的增量式PID算法基礎上，根據前人和專家的經驗以及操作人員的實際經驗，針對具有大滯后、時變、非線性系統對象而提出的控制算法。

在該恒溫控制系統中，由于系統通過控制閥門開度來控制進水流量，進而控制水溫，而水溫的上升和下降都需要一定的緩沖時間，所以該系統是一個典型的大滯后系統。加上環境溫度，進水溫度，水壓，水流量［3］的變化影響，出水溫度將滿足下列函數關系式：

其中λ為溫度影響因子，Q為水流量，P為水壓。

在恒溫控制系統中，為了可以減少整個溫控系統的延時性，在系統輸出誤差絕對值較大時，采用飽和輸出的工作方式。同時，為了防止系統過大的超調量，在系統誤差的絕對值在小范圍時，采用增大積分系數的辦法，以提高系統的穩態精度。因此本系統所采用的智能PID算法是一種非線性算法，可以顯著改善恒溫系統的動態響應和穩態精度。

該系統的執行機構為電動流量調節閥，其開度控制是通過接通時間的長短來進行的，因此在引入PID控制時使用增量式［4－7］。

傳統的增量式PID算法［8］形式為：

式中e（k）為偏差量，u（k）為控制量，umak（k）為最大控制量。

智能PID控制規則如下：設定兩個偏差界限E1和E2，并且E1＜E2

規則1：如果｜e（k）｜＜E1，則u（k）＝u（k－1）

規則2：如果｜e（k）＞E2｜，則u（k）＝umak（k）

規則3：如果E1＜｜e（k）｜＜E2，則u（k）＝Δu（k）

由以上3條控制規則可以體現出系統的快速性和穩定性。

3.2 首次閥門開度技術

系統會預先設置好4組PID參數，為了使水溫能夠快速且準確的達到設定溫度，在進行PID調節時，系統會根據3號溫度傳感器采集到的環境溫度T3，與設定溫度T3s（用戶設定，默認值為20℃，參數設定范圍為－15℃～45℃）和設定參數ΔT3s（用戶設定，默認值為15℃，參數設定范圍為5℃～30℃）之間的關系來確定首次閥門的開度。若T3?T3s－ΔT3s，則系統選擇PID1的設定參數；若T3s－ΔT3s＜T3＜T3s，則系統選擇PID2的設定參數；若T3?T3s，則系統選擇PID3的設定參數。這樣可以保證水溫能快速穩定的達到目標溫度。

3.3 溫度斜率參與控制技術

為了提高空氣能熱水器出水溫度達到60℃以上，有效防止溫度超調量過大，采取溫度斜率參與控制來提前控制溫度的快速上升。針對溫度上升階段，當閥門開度逐漸減小時，溫度上升曲線的斜率為遞增趨勢，這樣容易造成溫度超調量大，導致機組溫度過高而保護停機。在溫度上升階段加入斜率參與控制技術，當溫度的上升量大于設定值時，即當每10s溫度上升大于0.6℃時，閥門停止關閥動作，這樣能控制溫度上升的曲線斜率為遞減趨勢，給水溫變化留有合理的緩沖時間，防止超調量過大導致機組保護停機。

3.4 閥門跟蹤技術

在低溫情況下，系統加入了閥門跟蹤技術，即在閥門已經接近處于全關位置，但是水溫還沒有達到設定溫度，這時就啟動閥門跟蹤，使閥門停在現在的位置，等著溫度上升，而不再進行關小閥門繼續調節，這樣既能達到目標溫度，又能防止在水溫接近目標溫度時，閥門頻繁動作［9］。同時在PID調節的同時加入閥門位置跟蹤，也有利于防止閥門關死導致機組壓力過大而停止工作。從首次開閥進入PID調節到T1（出水溫度）達到Tsp（目標溫度）的這一溫度上升時段內參與，即當信號到來時從全開位置開始記錄單片機累計向閥門發出的脈沖個數n。設b為閥門目標開度，其值是一個由W，T3，T4，Tsp四個參數組成的函數f（W，T3，T4，Tsp），其計算公式為：

當n＝b時，則暫時屏蔽單片機向步進電機輸出脈沖，此后待T1溫度每10秒鐘上升幅度小于設定值時，并且T1＜Tsp則輸出脈沖屏蔽暫時退出，切入PID調節。此時閥門跟蹤繼續參與，若在T1＜Tsp時，出現了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定值時，則本次閥門位置跟蹤結束。

3.5 自適應計算參數

系統一共有4組PID控制參數，通過3號溫度傳感器采集到的環境溫度可以確定不同的地區和不同的季節。同時將采集到的出水溫度和用戶的設定溫度進行比較計算出偏差，系統可以自動選擇前3種PID控制參數，同時系統還會通過2號溫度傳感器采集到水箱溫度T2。若系統正式進入PID調節15分鐘后，檢測到T2?SP－10℃且T2?60℃時（SP＝T1s－ΔTLs），則系統自動轉入PID4的調節狀態。所以本系統具有一定的自適應能力，可以適應不同地區和季節的恒溫出水。

3.6 復合智能控制系統流程

復合智能控制系統的軟件設計采用模塊化設計結構，具有自適應能力，可以根據環境溫度，進水溫度和水箱溫度自動切換到合適的PID參數組。在智能PID算法的基礎上輔以首次閥門開度技術，溫度斜率參與控制技術，閥門跟蹤技術形成了復合智能控制算法。克服了系統的調節滯后，響應緩慢，難以控制等問題。其流程圖如圖2所示。

圖2 程序主流程

4 測試結果與分析

系統經過前期方案論證和軟硬件設計，在某型號熱泵熱水器上實際運行，獲得了滿足工業控制要求的控制曲線，由此可以證明復合智能控制算法所提出的控制策略和程序實現方法符合實際控制要求。以下分別給出傳統數字PID控制算法和復合智能控制算法的恒溫系統控制曲線。其中環境溫度為20℃，目標溫度為60℃，圖3為采用傳統數字PID測試曲線，圖4為采用復合智能控制算法測試曲線。從圖3可知當設定溫度為60℃時，溫度需要經過13分鐘的時間才能達到穩定輸出狀態，輸出溫度約為58.5℃，溫度的超調量約為6℃。從圖4可知當設定溫度為60℃時，溫度需要經過5分鐘就能達到穩定輸出狀態，輸出溫度約為59.5℃，溫度的超調量約為1.5℃。

圖3 傳統數字PID測試曲線目標溫度60℃

圖4 復合智能控制算法測試曲線目標溫度60℃

比較測試曲線可以看出，這種算法可以獲得滿足工業控制要求的控制曲線，能減小調節時間和超調量，能夠在較短的時間內達到用戶設定的出水溫度。

5 結束語

在恒溫控制系統中，由于系統自身的結構特點，決定了它沒有準確的數學模型，所以采用傳統的PID控制算法并不能兼顧所有工況下的多項性能指標，如調節時間和超調量等。復合智能控制算法是對傳統PID控制算法的優化設計，并在實際控制平臺上運行，系統可以自動對PID參數進行選擇和整定，以達到理想的控制效果。由此可以證明復合智能控制算法具有廣闊的工程應用前景。

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Application of Com plex Intelligent Control Algorithm for Constant Tem perature Control System

Wang Yannian，Li Hao，Liu Chengtao
（School of Electronic Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

Aiming at the problems in the traditional constant temperature control system such as time－consuming regulation，the difficulty of adjusting parameters and failure control effect，the complex intelligent control algorithm is presented in this paper.It is obtained on the basis of optimization for traditional incremental PID algorithm，combining with the technologies of the first valve close，temperature slope control and valve tracking.The system has the function of self－adaptive computing parameters for different regions and climate conditions.It is conducted rapidly and has anti－interference ability，so the set temperature can be got within a very short time and the temperature overshoot can be restrained effectively for constant temperature water.

Complex intelligent control；Constant temperature control system；PID control

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.023

TP273

A

1002－2279（2015）01－0084－04

王延年（1963－），男，吉林長春人，教授，碩士研究生，主研方向：工業控制信息系統。

2014－06－11