基于變結構參數自整定模糊PID的節能控制系統

陸仲達 刁洪帥 王士力 石 林

(齊齊哈爾大學計算機與控制工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

基于變結構參數自整定模糊PID的節能控制系統

陸仲達 刁洪帥 王士力 石 林

(齊齊哈爾大學計算機與控制工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

設計基于變結構參數自整定模糊PID和空氣源熱泵的節能控制系統，分析模糊運算規則，實現風量溫度的高精度控制。用力控組態軟件對整個節能控制系統進行組態。實際生產運行結果表明：該系統的節能效果明顯，操作界面友好。

節能控制系統 變結構參數自整定模糊PID 能量回收 空氣源熱泵 組態

以往的高污染、高消耗、高浪費工業發展模式造成了能源的巨大浪費，引發了全球能源危機。因此，企業生產的節能減排降耗成為重中之重。針對轉印及糧倉干燥等系統，提出基于變結構參數自整定模糊PID的節能控制系統，并采用力控組態軟件對整個節能控制系統進行組態，對環境溫度進行實時監控。

印刷機干燥室節能控制系統結構框圖如圖1所示，該系統由控制器、調功器、變頻器、空氣源熱泵、干燥室及傳感器等組成。節能控制系統采用工控機作為控制器，可控硅調功器調整加熱管輸出作為加熱單元，變頻器調整風機頻率改變風量，空氣源熱泵系統完成回收熱量循環，此3部分配合完成干燥室溫度的調控。印刷干燥節能設備主要需控制3個量：風量、溫度和熱泵開關。風量和溫度采用同時控制，風經熱泵和電加熱同時作用，達到需要的溫度后，進入干燥箱對印刷品進行干燥，完成干燥任務。

圖1 干燥室節能控制系統結構

控制器用于調節調功器與風機變頻器的輸出，風機變頻器的輸出控制風機往干燥室吹風，調功器的輸出作用于加熱管加熱風機吹出來的風。同時，空氣源熱泵循環系統吸收從干燥室中出來的熱風的熱量，然后對進入干燥室的空氣進行加熱，從而實現能量的回收利用。

熱泵系統由壓縮機、蒸發器、節流閥和冷凝器組成，低溫低壓的液態制冷劑首先在蒸發器里從低溫空氣中吸收熱量并汽化成低溫低壓氣態制冷劑。然后低溫低壓的氣態制冷劑被壓縮機壓縮成高溫高壓的蒸氣，該高溫高壓氣態制冷劑在冷凝器內被低溫空氣冷卻凝結成高壓液體。再經節流閥節流成低溫低壓液態制冷劑，完成一個制冷循環。

2 能量回收估算

空氣源熱泵是先進節能技術的產物，其工作原理不同于太陽能和地源熱泵，但同屬免費能源。空氣源熱泵在運行中，蒸發器從空氣環境熱能中吸取熱量給蒸發傳熱工質，工質汽化經熱泵壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體時，釋放出的大量熱量傳遞給需要加熱的冷風；冷凝后的傳熱工質通過膨脹閥返回蒸發器，然后再被蒸發，如此循環往復。空氣源熱泵循環系統結構簡圖如圖2所示。

系統中，干燥設備中的空氣源熱泵循環系統用來吸收利用從干燥室排出的風的熱量，從而達到能量的回收利用，進而實現節能的目標。回收熱量計算式為：

Q=CMΔT

(1)

圖2 空氣源熱泵循環系統結構

式中C——氣體比熱容，J/(kg·℃)；

M——氣體質量，kg；

Q——氣體從一種溫度變為另一種溫度所吸收或釋放的熱量，J；

ΔT——溫度變化量，℃。

通過式(1)計算系統的節能效率，同時配合大量實驗測試。設定溫度65℃，風量1 800m3/h，測得單臺節能設備達到要求時的耗能約6kW/h，在相同的外部條件下，普通設備的耗能約為12kW/h。

3 控制系統

節能控制系統的結構框圖如圖3所示，T1為溫度設定值，T2為檢測的進入干燥室的熱風溫度，T3為從干燥室出來的風的溫度，e為T1與T2的差值。在本系統中，通過判斷差值e的范圍來選擇不同的控制方法。然后與空氣源熱泵系統共同作用，完成對干燥室內溫度的調控。

圖3 節能控制系統結構框圖

為了滿足工業生產高精度的需要，同時實現節能減排，提出以下控制方案。當溫度誤差值e大于6℃時，系統選擇PID控制與熱泵循環系統共同作用，使溫度誤差快速減小；當溫度誤差值e小于6℃時，系統選擇參數自整定模糊PID控制與熱泵循環系統共同作用，使誤差小于±1℃，同時實現能源的回收利用。當系統開機啟動時，溫差e一般比較大，假設室溫25℃，設定溫度65℃，溫差40℃，此時系統選擇PID控制與熱泵循環系統共同作用，使溫度快速上升；當溫度達到59℃時，系統進入變結構參數自整定模糊PID控制與熱泵循環系統的共同作用。

參數自整定模糊PID控制器為二輸入三輸出控制器，以溫度偏差e和溫度偏差變化率ec為輸入，以用于整定 PID 控制器的3個參數為輸出。PID 參數的整定過程是綜合考慮3個參數作用的復雜過程，在模糊參數自整定 PID 控制器設計過程中，只有結合實際的工程經驗和3個參數對控制效果影響的理論基礎，才能建立好準確合適的模糊控制表。

對偏差論域e、偏差變化率論域ec和參數ΔKp、ΔKi、ΔKd分別定義7個模糊子集，相應的語言變量為{負大(NL),負中(NM),負小(NS),零(ZE),正小(PS),正中(PM),正大(PL)},采用歸一化論域。

設輸入語言變量e與ec的論域為{-6，-4，-2,0,2,4,6}，輸出語言變量ΔKp、ΔKi、ΔKd的論域為{-1,-0.6,-0.2,0,0.2,0.6,1}。在實測過程中，設定溫度65℃，當檢測溫度達到59℃時，由大量實驗數據和控制規則可得到ΔKp的模糊規則(表1)。

根據PID控制的規則計算同樣可得到ΔKi、ΔKd的模糊規則表。當溫差e小于6℃時，系統進入參數自整定模糊PID控制，根據ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制規則表，對其進行在線整定，實現溫度的精確控制。實際測試所得溫度曲線如圖4所示。

表1 ΔKp的模糊規則

圖4 變結構參數自整定模糊PID控制溫度曲線

由圖4可知，在室溫30℃，設定溫度70℃，風量1 800m3/h時，參數自整定模糊PID控制結果(實線)明顯優于傳統PID控制，其上升時間短，超調小，控制精度高，可以滿足工業控制的精度要求。

4 軟件組態

系統的人機界面設計和控制算法都是用力控組態軟件完成的。人機界面主要包括主界面(圖5)、變量設置(圖6)、報警(圖7)、歷史報表(圖8)、進風風門(圖9)、趨勢曲線(圖10)及壓縮機管理(圖11)等界面。

圖5 系統主界面

系統主界面用于干燥設備的開啟與關閉，同時顯示檢測溫度與檢測風量。

圖6 變量設置界面

在變量設置界面中可以設置每臺設備的設定風量、設定溫度和電動閥門開關角度。同時顯示每臺設備的監測風量、溫度和進排氣平衡。圖6中第一列為設定風量，運行時方框為綠色，根據設定風量的不同方框內會按相應的比例填充為紅色。其后面為每臺設備的監測風量。溫度和電動閥門的設定與監測風量一樣。

圖7 報警界面

在報警界面會顯示溫度超高限報警和風量低于低限的報警信息。

圖8 歷史報表界面

在歷史報表界面中點擊查詢按鈕可以查詢每臺設備的歷史監測溫度值與風量值。

圖9 進風風門界面

在進風風門界面中長按開關按鈕可以打開或關閉進風閥門。設備運行時必須打開進風閥門。

每臺設備的趨勢曲線提供了各個變量直觀的曲線圖，如設定溫度、檢測溫度和調功器輸出。

在壓縮機管理界面中可以打開或關閉低壓閥和高壓閥，控制制冷劑進入或排出儲液罐。本系統加入壓縮機的主要作用是回收干燥室出口處廢氣的熱量，達到節能減排的目的。

圖10 趨勢曲線界面

圖11 壓縮機管理界面

5 結束語

筆者提出一種干燥節能控制系統，采用變結構參數自整定模糊PID與熱泵循環系統相結合的控制策略，使系統溫度可以穩定在設定溫度，同時達到節能減排的目的，滿足工業生產的需要。采用力控組態軟件，對系統進行檢測，設計出友好的人機界面。某企業的實際應用效果也表明，在相同的工況下，該系統節能效果明顯，節能效率達50%，而且工藝操作簡便，可實現高效控制。

Energy-savingControlSystemBasedonVariableStructureParameterSelf-tuningFuzzyPIDAlgorithm

LU Zhong-da, DIAO Hong-shuai, WANG Shi-li, SHI Lin

(CollegeofComputerandControlEngineering,QiqiharUniversity,Qiqihar161006,China)

Having the variable structure parameter self-tuning fuzzy PID algorithm and the air source heat pump based to design energy-saving control system was implemented, which analyzes the fuzzy operation rules to realize high-precision control over both air volume and temperature and employs the Force Control’s configuration software in the operation. The actual operation proves its obvious energy-saving effect and friendly operation interface.

energy-saving control system, variable structure parameter self-tuning fuzzy PID algorithm, energy recovery, air-source heat pump, configuration

TH862+.6

A

1000-3932(2016)01-0050-04

2014-12-01