Smith-PID在空氣源熱泵熱水供應系統中的應用

劉暢，王志剛，云澤榮（天津理工大學機械工程學院，天津，300384）

Smith-PID在空氣源熱泵熱水供應系統中的應用

劉暢，王志剛，云澤榮
（天津理工大學機械工程學院，天津，300384）

熱水供熱過程具有大慣性、純滯后和非線性的特性。Smith預估算法能有效克服純滯后的問題，而PID控制能提高系統的穩定性和精度性。針對它的這些特點，本文把Smith補償原理和PID控制方法結合起來，提出一種應用在空氣源熱泵熱水供應系統的Smith- PID控制方法。通過編程仿真結果表明，新的控制方案與傳統的PID控制相比，本算法具有良好的控制品質，它不僅具有滿意的控制性能，而且響應速度得到了提高，縮小了超調。在實際的工程中有一定的應用價值。

空氣源熱泵；熱水供應系統；Smith預估控制；Smith- PID控制器

0 引言

節能不僅成為全球可持續發展一個重要的討論課題，而且成為了世界范圍內溫室氣體減排的重要課題。美國能源部最近報道[1]，根據目前的趨勢，預計到達2020年，全球能源消耗量將是目前水平的兩倍多。這種日益增長的能源需求將加劇能源短缺和環境污染。不管在工業上還是人們的平時住宅中，夏季都需要一個涼爽的環境，冬季需要不斷的供暖。空氣源熱泵技術在加熱或者制冷方面已經成為一種高效的應用技術了。因此，如何有效的控制空氣源熱泵熱水供應系統的運行，是一個值得考慮的關鍵技術。如果控制方面設計得當，它們在減少能源消耗和有害氣體的排放上將會有重要的作用和意義。由于空氣源熱泵作為一種高效節能的可再生能源設備，可以顯著降低能源消耗，因而它在中國以及世界各地將會有一個廣闊的應用前景[2-3]。

空氣源熱泵熱水機組是一種高效節能、安全環保、使用方便的熱水設備，只需消耗少量電能，就能將空氣中的熱量轉移到水中，產生熱水，機組全年的平均能效比高達400%[4-7]。集中供熱主要由熱源，換熱站，熱網和熱用戶組成。用合適的控制方法去控制調節它們，不僅對用戶的采暖質量有重要的作用，而且能影響到能源的消耗和節約。熱水供熱系統中被控量溫度和流量的特性決定了此系統具有工業過程控制中存在的大慣性，純滯后，非線性等特性。經典PID控制技術在許多實際控制領域中仍存在著廣泛的應用，只要有精確的數學模型，PID控制技術就能把人們的預想變成實實在在的現實結果。熱水供熱系統具有大慣性，時變性，滯后性等特性，而Smith預估計控制算法能有效克服純滯后和時變模型的影響，所以，根據熱水供熱系統的這些特性去設計一個Smith- PID控制器。它綜合了傳統PID控制和Smith預估計控制的優點，然后采用編程仿真的方法進行研究，結果表明，該控制方法能有效提高控制質量和精度，減小超調量，縮短調整時間。它在空氣源熱泵熱水供應系統中有著積極的應用價值。

1 系統原理概述

空氣源熱泵熱水機組通常由壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥4部分構成，傳熱工質在機組內封閉運行，并通過冷凝器和蒸發器與外部發生熱交換，如圖1所示。

傳熱工質通過蒸發器從空氣中吸收熱量，由低壓汽、液混合態變成低壓汽態，進入壓縮機壓縮后變成高溫高壓氣體；再通過冷凝器向水中釋放熱量，冷凝后傳熱工質變成高壓液體，經膨脹閥后變成低壓汽、液混合態，同時溫度降低，回到蒸發器，完成循環。如此周而復始，達到制備熱水的目的。

圖1 空氣源熱泵原理圖

2 控制系統仿真模型建立

2.1 系統模型

在空氣源熱泵熱水供應系統中，大部分實際控制對象可以用高階微分方程來描述[8]。然而，為了便于容易分析控制對象的特性，在保證滿足控制精度的前提下，控制對象的動態特性常用低階模型來描述。集中供熱系統不僅受自身工況的影響，而且還受外界溫度、太陽輻射等的影響，所以，它往往表現出多重干擾。考慮到它的滯后，非線性和大慣性等特性，可以用更合理的一階傳遞函數來表示。本文結合課題組的實際情況，通過調節二次網循環泵變頻器的頻率來改變流量，每隔一段時間采集二次網回水溫度值，使用傳遞函數的參數辯識方法—近似法(切線法)來辨識建立被控對象的數學模型為：

2.2 控制系統Simulink仿真框圖設計

在工業控制中，被控對象常常表現出一定的純滯后特性，針對這一特性，Smith提出了出了一種純滯后補償模型，其原理為：與PID接一補償環節，該補償環節即為Smith預估器[9]。實際上是利用人造模型的方法將Smith預估器反向并聯在PID控制器上，實現將純延遲的環節轉移到控制回路之外從而改善控制效果。采用MATLAB的Simulink建立傳統PID控制算法和Smith-PID控制算法的仿真模型。其中二次網基于溫度的流量調節結構框圖如下圖2所示。

3 仿真實驗研究

該部分根據上部分的控制對象的數學模型，采用編程和Simulink的方法對Smith- PID和常規PID控制進行仿真，然后仿真結果用來進行比較和分析，以獲得空氣源熱泵熱水供應系統在各方面的控制性能。

3.1 系統是否帶有Smith預估計補償

仿真結果表明，當有Smith控制方法作為補償時，系統較穩定，并且無振幅，常規的PID控制帶有周期的跳動，很難達到穩定。

3.2 系統抗干擾能力

為了研究Smith- PID控制的抗干擾性能，可在系統運行到360秒時，給系統加入一個脈沖干擾。

在沒加入脈沖干擾時，Smith- PID控制到達穩態的時間是110s左右，而傳統PID要用高于200s；此外，Smith- PID控制沒有上升時間和峰值時間，并且調節時間比常規PID控制的調節時間短，當控制對象進入穩定狀態時，始終保持穩定，中途沒有震蕩和超調，明顯Smith- PID控制策略的調節速度更優于常規PID控制，Smith- PID控制方法動態特性穩定，控制效果較為理想。

在加入脈沖干擾信號后，使用Smith- PID控制的系統與使用常規控制的系統相比，雖然在超調上沒有改善，但是其波動范圍小，波動的持續時間也比較短，調節時間也有一定程度的縮短，也就是說其消除擾動的時間更短，說明其抑制干擾的能力更好，魯棒性更優。

4 結論

通過對常規的PID控制方法和本文提出的Smith- PID控制方法進行仿真分析，證明了采用Smith- PID控制方法可以改善系統的控制品質，提高其動態性能指標。PID控制與Smith預估補償控制的結合兼顧了兩者的優點，有效地解決空氣源熱泵熱水供應系統中的時滯問題，使整個系統的魯棒性得到極大的提高，為解決集中供熱的時延與大慣性化問題提供了一條有效的途徑。

[1] Omer AM. Energy environment and sustainable development. Renew Sustain Energy Rev 2007.

[2] A. Zarrella and M. D. Carli, “Heat transfer analysis of short helical borehole heat exchangers,” Applied Energy, vol. 102, p. 1477″U1491,2013.

[3] 王芳，范曉偉.我國空氣源熱泵的技術進展[J].能源工程,2004，(4):1一5.

[4] 劉亮，付冰.淺談空氣源熱泵熱水技術[J].給水排水，2008，(34):87-89.

[5] 巨永平，張永銓，呂燦仁，劉耀浩.空氣源熱泵的節能效果及經濟可行性分析[J].天津大學學報，1996,(5);750-757.

The application of Smith Predictive PID Control in air source heat pump hot water supply system

Liu Chang,Wang Zhigang,Yun Zerong
（Tianjin University of Technology College of Electrical and Electronic Engineering, Tianjin 300384）

The hot-water heat-supply system characteristics are a combination of great inertia, pure timedelay, nonlinear. Smith predictor algorithm can overcome effectively the pure time-delay, and the PID control is equipped with the characteristic of high steady-state precise. So aiming at the characteristic of the controlled object is proposed a Smith - PID controller method , which is applied to the system of the hot-water heat-supply system, in the paper. By programming simulation results show that the new control scheme compared with the traditional PID controller, it not only has satisfactory control performance, but also can guarantee a quick response speed and a little overshoot. A satisfactory dominate result is obtained in practice.

air source heat pump; hot-water heat-supply system; Smith predictive control; Smith–PID controller

圖2 基于溫度流量調節框圖

1.受“大學生創新創業訓練計劃項目”資助。2.受天津市科技支撐重大計劃（16YFZCGX00090）支持。