基于新型PID 算法的整流罩空調(diào)控制系統(tǒng)研究

劉雪飛 ，蘇師師 ，蒯亮 ，王帥 ，閔曉霜

(1.中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 102209；2.中軟信息系統(tǒng)工程有限公司，北京 102209)

0 引言

控制算法的研究一直是整流罩空調(diào)機(jī)組控制的核心。李佳杰結(jié)合Smith 預(yù)估器及模糊PID 控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)估模糊PID 控制器[1]；王偉提出用細(xì)菌覓食最優(yōu)化策略對(duì)模糊PID 控制器參數(shù)尋優(yōu)的方法，用于動(dòng)態(tài)控制中央空調(diào)冷卻水控制系統(tǒng)[2]；王長(zhǎng)濤提出粒子群優(yōu)化PID[3]；喻鍇提出遺傳蟻群算法優(yōu)化控制[4]?？刂扑惴ㄖ校瑐鹘y(tǒng)PID 算法[5-6]、專家PID 算法[7-9]、模糊自適應(yīng)PID 算法[10-13]應(yīng)用較為廣泛。常用算法中，專家PID 算法控制的實(shí)質(zhì)是，基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，利用專家經(jīng)驗(yàn)在考慮參數(shù)之間的互聯(lián)關(guān)系后設(shè)計(jì)PID 算法的10 個(gè)參數(shù)。模糊自適應(yīng)整定PID 控制算法是以模糊集合論、模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表達(dá)和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)的新型計(jì)算機(jī)控制方法。

優(yōu)化后算法的共同點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn)、暖通空調(diào)知識(shí)、控制理論知識(shí)依賴性太強(qiáng)，且調(diào)試難度系數(shù)高。為克服專家PID 算法、模糊自適應(yīng)整定PID 算法、蟻群算法的不足之處，本文提出一種新型PID 算法。

1 整流罩空調(diào)機(jī)組

整流罩空調(diào)控制系統(tǒng)的核心任務(wù)是將回風(fēng)口和新風(fēng)口混合后的進(jìn)風(fēng)處理到所要求的送風(fēng)狀態(tài)，送入整流罩，使整流罩內(nèi)空氣的溫度、相對(duì)濕度、潔凈度等參數(shù)控制在任務(wù)保障需求范圍內(nèi)。機(jī)組控制原理如圖1 所示，主要有制冷系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)。涉及的執(zhí)行 設(shè)備包括：6 臺(tái)壓縮機(jī)、8個(gè)風(fēng)閥、4 組前級(jí)電加熱器、4 組再生電加熱器、3 組后級(jí)電加熱器、進(jìn)風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、再生風(fēng)機(jī)、8 個(gè)溫濕度傳感器、1 臺(tái)電熱加濕器、轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)。

圖1 整流罩空調(diào)機(jī)組控制原理圖

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

空氣處理后送風(fēng)參數(shù)：溫度10 ℃～20 ℃可調(diào)(控制精度±2 ℃)，相對(duì)濕度35%～55%(控制精度±5%），送風(fēng)量1 000～4 000 m3/h(可調(diào))。

1.2 空氣調(diào)節(jié)過(guò)程

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，室外空氣W和大廳空氣N′混合后狀態(tài)點(diǎn)為C，狀態(tài)點(diǎn)C 的混合風(fēng)經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器后，進(jìn)入表冷器冷卻減濕系統(tǒng)，達(dá)到機(jī)器露點(diǎn)狀態(tài)L。L 狀態(tài)點(diǎn)的空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，控制轉(zhuǎn)輪后含濕量比目標(biāo)送風(fēng)狀態(tài)含濕量小2，空氣狀態(tài)到達(dá)P 點(diǎn)。P 點(diǎn)空氣經(jīng)后級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行減濕降溫處理，到達(dá)O 點(diǎn)。然后經(jīng)過(guò)加熱器加熱至所需的送風(fēng)狀態(tài)Q。Q 點(diǎn)進(jìn)行等焓加濕處理，達(dá)到用戶送風(fēng)狀態(tài)N，送入整流罩內(nèi)。整個(gè)處理過(guò)程如圖2 所示。

圖2 空氣調(diào)節(jié)過(guò)程

1.3 熱濕交換過(guò)程

空氣調(diào)節(jié)過(guò)程實(shí)質(zhì)是電動(dòng)熱備、電熱設(shè)備、制冷設(shè)備與空氣熱濕交換的過(guò)程。

(1)電動(dòng)設(shè)備

電動(dòng)機(jī)在帶動(dòng)工藝設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程中向機(jī)組內(nèi)空氣散發(fā)的熱量為：

式中，N為電動(dòng)設(shè)備的安裝功率，單位是kW；η為電動(dòng)機(jī)效率；n1為利用系數(shù)；n2為同時(shí)使用系數(shù)；n3為負(fù)荷系數(shù)。

(2)電熱設(shè)備

對(duì)于機(jī)組內(nèi)的電熱設(shè)備，按下式計(jì)算：

式中，n4為考慮排風(fēng)帶走熱量的系數(shù)。

(3)表面式冷卻器熱濕交換過(guò)程

表面式冷卻器是在整流罩風(fēng)道空氣與緊貼換熱器外表面的邊界層空氣之間的溫差和水蒸氣分壓力差作用下進(jìn)行的。由傳熱學(xué)可知，換熱器的換熱量可以寫成：

式中，K為傳熱系數(shù)，單位是W/(m2·℃)；F為傳熱面積，單位是m2；Δtd為對(duì)數(shù)平均溫差，單位是℃。

在不考慮其他附加熱阻時(shí)，往往把表面式冷卻器的傳熱系數(shù)K 值經(jīng)驗(yàn)式簡(jiǎn)化為[14]：

式中，Vy為空氣迎面風(fēng)速，單位是m/s；w為表冷器管內(nèi)制冷劑流速，單位是m/s；A、B、m、n為由實(shí)驗(yàn)室得出的系數(shù)和指數(shù)。

1.4 控制干擾因素

整流罩機(jī)組的非線性、滯后性、時(shí)變性、強(qiáng)耦合由多種因素造成。對(duì)調(diào)試過(guò)程發(fā)現(xiàn)的主要因素進(jìn)行分析，有助于調(diào)試。

(1)直接干擾因素

在調(diào)試過(guò)程發(fā)現(xiàn)直接干擾因素有漏風(fēng)率、瞬時(shí)冷負(fù)荷、電加熱器熱惰性、轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)工作原理、壓縮機(jī)工作特性、直冷器。其中，①轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)轉(zhuǎn)輪以每小時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)的速度緩慢旋轉(zhuǎn)，潮濕空氣由轉(zhuǎn)輪一側(cè)的3/4 部分進(jìn)入干燥區(qū)。再生空氣從轉(zhuǎn)輪另一側(cè)1/4 部分進(jìn)入再生區(qū)。再生進(jìn)風(fēng)量大小、再生電加熱器制熱量、轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速是影響除濕機(jī)性能的重要因素。②直冷器的結(jié)構(gòu)(光滑繞片、串片、扎片、二次翻邊片)、安裝(豎直、水平、傾斜)直接影響空氣的擾動(dòng)、傳熱性能。③壓縮機(jī)回油管理功能、短周期控制保護(hù)功能、電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能的設(shè)置，會(huì)影響制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)的連續(xù)性。

(2)間接干擾因素

許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或受干擾因素影響，其對(duì)象熱性參數(shù)或結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。

2 PID 控制原理

整流罩機(jī)組控制系統(tǒng)常用的控制算法有傳統(tǒng)PID算法、專家PID 算法、模糊自適應(yīng)PID 控制算法。

2.1 專家PID 控制原理

專家PID 算法需要設(shè)置的參數(shù)如表1 所示。

表1 專家PID 算法參數(shù)

令e(k)表示目標(biāo)溫度值與當(dāng)前采樣時(shí)刻溫度值的差值，Δe(k)表示當(dāng)前誤差和前一個(gè)采樣誤差的差值，u(k)為第k 次控制器的輸出；u(k-1)為第k-1 次控制器的輸出。以單臺(tái)壓縮機(jī)制冷過(guò)程介紹專家PID 控制原理：

當(dāng)|e(k)|＞M1時(shí)，說(shuō)明制冷誤差值很大。此時(shí)應(yīng)考慮開(kāi)環(huán)控制，即壓縮機(jī)以合適的最大頻率fmax運(yùn)行，以最大速度減小當(dāng)前環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度的差值。fmax應(yīng)選擇得合適，過(guò)大會(huì)因機(jī)組滯后性，造成嚴(yán)重超調(diào)。

當(dāng)e(k)Δe(k)＞0 時(shí)，說(shuō)明制冷誤差在朝著增大方向變化，或者制冷誤差為某一常值，未發(fā)生變化。

如果|e(k)|≥M2，說(shuō)明制冷誤差也比較大，可考慮壓縮機(jī)以較大的頻率運(yùn)行，以達(dá)到扭轉(zhuǎn)誤差朝減小方向變化，并迅速減小誤差，控制器對(duì)壓縮機(jī)的輸出為：

如果|e(k)|＜M2，說(shuō)明盡管制冷誤差朝增大方向變化，但誤差值并不太大，可考慮控制器對(duì)壓縮機(jī)實(shí)施一般的控制作用，扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢(shì)，使誤差朝著減小方向變化，控制器對(duì)壓縮機(jī)輸出為：

當(dāng)e(k)Δe(k)＜0、Δe(k)Δe(k-1)＞0 或者e(k)=0 時(shí)，制冷誤差值向減小趨勢(shì)變化，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此時(shí)，可以考慮采取保持控制器輸出不變。

當(dāng)e(k)Δe(k)＜0、Δe(k)Δe(k-1)＜0，說(shuō)明制冷 誤差處于極值狀態(tài)。如果此時(shí)誤差的絕對(duì)值較大，即|e(k)|≥M2，可考慮實(shí)時(shí)較強(qiáng)的控制作用：

如果此時(shí)誤差的絕對(duì)值較小，即|e(k)|＜M2，可以考慮實(shí)時(shí)較弱的控制作用：

當(dāng)|e(k)|＜ε 時(shí)，說(shuō)明誤差的絕對(duì)值很小，此時(shí)加入積分控制，以減少穩(wěn)態(tài)誤差。

2.2 模糊自適應(yīng)整定PID 控制原理

本文以送風(fēng)蒸發(fā)器后電加熱器控制溫度的過(guò)程，介紹模糊自適應(yīng)PID 控制原理。自適應(yīng)模糊PID 控制器以制熱溫度誤差e和誤差變化ec作為輸入，利用專家總結(jié)的模糊控制規(guī)則在線對(duì)傳統(tǒng)PID 算法參數(shù)kp、ki、kd進(jìn)行實(shí)時(shí)更改，以達(dá)到提高電加熱器的控制效果。核心是找出PID 3 個(gè)參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系。自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)

將蒸發(fā)器后溫度跟蹤誤差和誤差變化量作為前提，第ij 條模糊控制規(guī)則的表達(dá)形式為[15]：

采用乘積推理機(jī)，規(guī)則前部分的隸屬函數(shù)為：

式中，μi(e)和μj(e)分別為e和Δe的隸屬度。

采用重心方法進(jìn)行反模糊化，得到模糊控制器：

式中，uij的值由模糊規(guī)則表確定。

模糊規(guī)則表中每條規(guī)則輸出uij值可由模糊推理或可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。假設(shè)e和Δe 各有3 個(gè)隸屬函數(shù)，則共有9 條規(guī)則，模糊規(guī)則表的形式如表2 所示。

表2 控制規(guī)則表

2.3 新型PID 算法

新型PID 算法沿用了專家PID 算法分階段模式和快速減小誤差原則、模糊PID 自整定適應(yīng)算法簡(jiǎn)化、增量PID計(jì)算量小及實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)。新型PID 算法的核心是：第一階段：應(yīng)用公式計(jì)算得知理論投入量，加載到執(zhí)行設(shè)備，使空氣狀態(tài)以最快的速度達(dá)到設(shè)定狀態(tài)附近，此時(shí)|e(k)|≤M，M為設(shè)定的誤差界限。第二階段：以簡(jiǎn)化模糊自適應(yīng)PID 整定，調(diào)劑空氣狀態(tài)到設(shè)定值，其中PID算法是增量式PID。

下面以前級(jí)壓縮機(jī)的控制方案和后級(jí)電加熱的控制方案闡述新型PID 算法。

(1)壓縮機(jī)控制

本文以整流罩空調(diào)機(jī)組前級(jí)壓縮機(jī)控制為例。第一階段：以空調(diào)器焓值法制冷量計(jì)算公式得理論制冷量，投入壓縮機(jī)，使前級(jí)蒸發(fā)器后空氣狀態(tài)TQJSD以最快的速度達(dá)到設(shè)定狀態(tài)附近TQJSD±2 ℃。第二階段：以簡(jiǎn)化模糊自適應(yīng)PID 整定。

計(jì)算進(jìn)風(fēng)焓值HJF和前級(jí)設(shè)定蒸發(fā)器后焓值HQJZFQ的差值ΔH：

其中，Pq為水蒸氣的壓力，單位是Pa；d為濕空氣的含濕量，單位是kg/kg干；B為大氣壓力，單位是Pa；Cp為空氣定壓比熱，單位是kJ/(kg·℃)。

計(jì)算所需前級(jí)制冷量QL：

(2)電加熱器控制

本文以整流罩空調(diào)機(jī)組后級(jí)電加熱器控制為例。第一階段：以溫差法制熱量計(jì)算公式得知理論制熱量，投入電加熱器，使送風(fēng)空氣狀態(tài)TSFSD以最快的速度達(dá)到設(shè)定狀態(tài)附近TSFSD±2℃。第二階段：以簡(jiǎn)化模糊自適應(yīng)PID整定。

計(jì)算后級(jí)電加熱將后級(jí)蒸發(fā)器后的控制狀態(tài)調(diào)節(jié)到送風(fēng)設(shè)定溫度時(shí)的制熱量QR：

其中，α為修正系數(shù)；ρ為空氣密 度，單位是kg/m3；T為濕空氣的熱力學(xué)溫度，單位是K。

(3)簡(jiǎn)化模糊自適應(yīng)PID

對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的機(jī)組，根據(jù)式(4)可知，風(fēng)量設(shè)定值的變化是傳統(tǒng)PID 整定困難最大阻礙因素，為了克服調(diào)節(jié)困難，本文提出簡(jiǎn)化模糊自適應(yīng)整定PID 算法。簡(jiǎn)化模糊自適應(yīng)PID 是在傳統(tǒng)自適應(yīng)模糊整定PID 算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合整流罩空調(diào)機(jī)組性能指標(biāo)風(fēng)量，把傳統(tǒng)PID算法的系數(shù)kp、ki、kd組成矩陣，在運(yùn)行過(guò)程中，依據(jù)不同的風(fēng)量選擇適合的PID 整定系數(shù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

整流罩空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)用在某發(fā)射站。由專業(yè)技術(shù)人員對(duì)控制系統(tǒng)開(kāi)機(jī)，依照表3 測(cè)試參數(shù)改變送風(fēng)量、送風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了歷時(shí)8 h 的測(cè)試，并拷機(jī)試驗(yàn)72 h。

表3 測(cè)試參數(shù)

圖4 是電子六所N 系列PLC 的上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件SC-ProView 記錄的歷時(shí)測(cè)試曲線。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

由圖4 分析可知，整流罩空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)1 h 后，空調(diào)機(jī)組將空氣處理到所要求的送風(fēng)狀態(tài)風(fēng)量2 800 m3/h，溫度13 ℃，相對(duì)濕度43%。按照參數(shù)測(cè)試表，對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行了12 組送風(fēng)狀態(tài)的變化，相對(duì)濕度控制精度均小于2%，溫度控制精度小于0.5 ℃。

圖5 是現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組開(kāi)機(jī)后1 h 內(nèi)濕度控制曲線。從圖中可知，在15 min 時(shí)刻，因前級(jí)壓縮機(jī)等焓制冷，進(jìn)風(fēng)轉(zhuǎn)輪前濕度快速上升達(dá)到平衡。后級(jí)蒸發(fā)器后濕度變化平緩。轉(zhuǎn)輪后濕度曲線的變化反映了轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的控制效果，送風(fēng)濕度曲線反映了加濕系統(tǒng)控制效果。測(cè)試結(jié)果為，機(jī)組可以在30 min 中把進(jìn)風(fēng)濕度控制到用戶指定狀態(tài)，超調(diào)現(xiàn)象不明顯。

圖5 機(jī)組濕度控制曲線

圖6 是現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組開(kāi)機(jī)后1 h 內(nèi)溫度控制曲線。進(jìn)風(fēng)溫度曲線表示現(xiàn)場(chǎng)混合后溫度變化曲線。轉(zhuǎn)輪前溫度曲線表示前級(jí)3 臺(tái)壓縮機(jī)控制效果。轉(zhuǎn)輪后溫度反映了轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)對(duì)進(jìn)風(fēng)狀態(tài)的影響程度，后級(jí)蒸發(fā)器后的溫度曲線反映了后級(jí)壓縮機(jī)控制效果，送風(fēng)溫度曲線是后級(jí)3 級(jí)電加熱器控制的效果。測(cè)試結(jié)果為，機(jī)組可以在15 min 中把進(jìn)風(fēng)溫度控制到用戶指定狀態(tài)，無(wú)超調(diào)現(xiàn)象。

圖6 機(jī)組溫度控制曲線

4 結(jié)論

整流罩空調(diào)機(jī)組應(yīng)用新型PID 算法，在一年四季均可具有“快、穩(wěn)、變”三字特性。“快”，指達(dá)到用戶設(shè)定狀態(tài)時(shí)間短?！胺€(wěn)”，指達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，抗擾動(dòng)強(qiáng)?！白儭?，指機(jī)組設(shè)定溫度、濕度、風(fēng)量可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。新型PID 算法結(jié)合了傳統(tǒng)PID、專家PID、自適應(yīng)模糊自整定PID 的優(yōu)點(diǎn)，在滿足功能需求后，具有易理解、易編程、周期短等特點(diǎn)，尤其對(duì)于新學(xué)者具有非常好的指導(dǎo)意義、參考價(jià)值。