基于改進PID的供暖閥門直流電機控制系統設計

徐 濤, 劉新宇, 王學鵬

(沈陽航空航天大學 自動化學院，遼寧 沈陽 110136)

0 引 言

隨著經濟的發(fā)展，熱電聯網供暖系統的應用前景引起廣泛關注。用戶按照房屋面積定期向供暖公司交付費用，實現分戶供暖[1-2]。然而這種集中供暖的方式下，用戶不能按照自身期望來設定屋內所需溫度，而且無法實時監(jiān)測當前室內溫度以及累計使用的熱力費用[3-4]。不僅如此，傳統的供暖系統缺乏閉環(huán)，供熱公司也無法及時得到用戶的反饋，控制存在滯后現象。

智能化的溫度控制引起了學者們的廣泛研究[5-7]。針對供暖公司無法根據溫度控制閥門的問題，馬靜等[5]提出了單片機結合SIM卡模塊共同作為供暖閥門的控制端，用戶需要通過使用移動端發(fā)送短消息的方式來獲取屋內的當前溫度，并根據當前溫度，以短消息的方式控制家中的電子閥門。魯添祎等[6]提出利用單片機控制無線傳輸模塊nRF905，并由上位機接收并處理數據。然而隨著通信次數的增加，若采用短消息獲取信息的方式，用戶需要承擔高額的通信費用，且移動端短消息不方便老人使用。

物聯網的出現給供暖行業(yè)提供了一種新的解決思路，即每戶獨立并可以一對一控制，最終實現高效、智能化的自動控制。

傳統的PID控制[8](即比例、積分、微分控制)具有操作簡便、可使用性強、應用范圍廣等優(yōu)點。然而在實際的工程應用中，由于經驗不足，其耗時較長。近年來，研究人員提出了很多改進PID整定參數的方法[9-13]，如模糊PID、神經元網絡PID等。蔡滿軍等[12]針對電機受到擾動影響的問題，提出了神經元網絡PID的控制方法，定義具有PID參數的神經元，提高了系統的跟蹤性。然而此類算法需要充足的先驗知識，很難應用于實際控制。

為解決以上傳統供暖控制存在的問題，本文提出了一種基于改進PID的供暖閥門直流電機控制系統。電機控制性能指標的高低會影響整個控制系統的實際應用能力，將遺傳算法引入控制器參數整定，提高參數優(yōu)化效果，同時結合遠距離無線電(LoRa)模塊建立用戶室內的插座、供暖戶閥門以及供熱公司三者之間的信息交互。最終用戶可以監(jiān)測到屋內的實時溫度并設定期望值，同時供熱公司也可以隨時獲取用戶屋內溫度等信息，并根據用戶的需求進行控制。試驗表明，此套控制系統可以對戶閥旋轉的角度進行精確控制，提高系統的整體工作效率，有利于推動新型供暖控制系統在工業(yè)領域的發(fā)展。

1 系統總體設計

用戶室內溫度、累計熱力費用等數據通過LoRa傳輸至戶閥處，戶閥在接收到數據后通過485總線發(fā)送至數據傳輸單元(DTU)。同時供熱公司也可以根據ModBus協議通過云平臺發(fā)送控制指令控制戶閥進而控制用戶屋內的溫度。供暖閥門采用直流電機進行控制，利用改進的PID算法使電機控制精度更加準確。新型供暖控制系統如圖1所示。

圖1 新型供暖系統系統

1.1 系統硬件設計

整個控制系統硬件部分分為測溫插座系統和供暖閥門系統。

測溫插座系統包括一個微控制器(STC8A8K64D4)，一個溫度傳感器(SHT30)，一塊LCD顯示屏(ST7539)，一個存儲芯片(BL24C256)，一個物聯網收發(fā)器(LoRa)以及三個按鈕，并由220 V供電電壓經過變壓器(LS03-13B03R3)降壓供電使用。

供暖閥門系統包括一個微控制器(STC8A8K64D4)，一個溫度傳感器(PT1000)，一個角度傳感器(SV03A103)，一個電機驅動芯片(HR9110S)，一個存儲芯片(BL24C256)，一個物聯網收發(fā)器(LoRa)，一個485通信接口(SIT3485)，三個LED指示燈，并由24 V電源經過降壓芯片(MP1584EN)降為5 V與3.3 V供電使用。

系統中插座和閥門分別安裝了一個溫度傳感器。其中插座上配的是SHT30溫度傳感器，該傳感器的測溫范圍能達到-40～+125 ℃，精度為0.2 ℃。該種溫度傳感器體積小,便于安裝在插座模具中，用來采集屋內的實時溫度。閥門上配的是PT1000溫度傳感器，該種傳感器可將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號，主要用于工業(yè)過程中溫度參數的測量和控制。本系統選取PT1000b型溫度傳感器，其測溫范圍為-50～+300 ℃，精度為0.2 ℃。用于采集供暖閥門中的回水溫度，便于供熱公司進行監(jiān)測。新型供暖控制系統結構框圖如圖2所示。

圖2 新型供暖系統結構框圖

1.2 系統軟件設計

根據新型供暖控制系統各部分功能來設計子程序，并通過C語言編程實現。各模塊程序初始化后，將默認值保留在存儲芯片，用戶屋內插座的數據每隔一天會通過LoRa更新到戶閥處。供熱公司可以通過ModBus協議發(fā)送讀寫指令，通過讀寫指令，供熱公司可以獲取所需信息并進行控制，控制過程引入遺傳算法對控制器參數進行整定。系統主程序流程如圖3所示。

圖3 系統主程序流程圖

2 PID控制器

2.1 傳統PID

傳統的PID控制具有算法簡單、可靠性強等特點。PID控制本質上是一種偏差控制，其中比例控制可以加快系統響應，但是存在穩(wěn)態(tài)誤差；積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差；微分控制可以減小尖峰[8]。本文中供暖系統結構如圖4所示。

圖4 供暖系統結構圖

具體PID公式為

r=KP*e(k)+KI*∑e(k)+

KD*[e(k)-e(k-1)]

(1)

其中：

e(k)=θset_value-θcurrent_value

(2)

式中：θset_value為設定角度值；θcurrent_value為當前實際角度值;e(k)為本次偏差；e(k-1)為上一次偏差；∑e(k)為e(k)以及之前的偏差累計和(k=1,2,3,…,k)；KP、KI、KD分別為比例、積分及微分控制調節(jié)系數；r為輸出。

2.2 遺傳算法改進PID

遺傳算法通過編碼技術構造一個可尋找最優(yōu)化的目標函數，并建立一個適應度函數[13]。隨機生成自定義大小的初始種群，接著對目標種群進行復制、交叉、變異、篩選。通過數據多次的迭代，最終得到數據當中的最優(yōu)參數值作為目標問題的結果。

在實際供暖閥門里，傳統PID控制往往存在系統超調量大、調節(jié)時間長等問題，這使得系統耗電增加。因此選用遺傳算法對PID進行改進。通過遺傳算法整定PID參數的具體流程圖如圖5所示，具體步驟如下。

圖5 遺傳算法流程圖

步驟1：確定待整定參數以及種群的參數和約束范圍。根據參數的物理意義、實際應用環(huán)境的考量以及試驗的經驗確定PID控制的系數KP、KI、KD取值范圍。根據實際情況確定群體大小M、遺傳代數Kg、交叉概率PC、變異概率Pm和權值w1、w2、w3、w4的大小。

步驟2：確定編碼和解碼方法。遺傳算法對PID參數尋優(yōu)，需要對其進行編碼。本文選擇無符號的二進制數進行編碼，每一個PID參數對應10位二進制數，共 30 位，依次為KP、KI、KD。

步驟3：建立優(yōu)化模型，得到個體評價方法，即確定個體適應度函數。采用誤差絕對值時間積分性能指標作為參數，選擇最小目標函數。利用該目標函數獲取期望過渡過程較好的動態(tài)特性。同時，為了設置控制量閾值，在目標函數中加入控制輸入的平方項。最后的指標公式為

(3)

式中：e(t)為系統誤差；u(t)為系統輸出；tu為上升時間。

不僅如此，為防止系統出現超調現象，將超調量作為最優(yōu)指標的一項，通過采取遺傳算法內的懲處功能來解決。如果e(t)<0，則最優(yōu)指標為

(4)

式中：w4>w1。

步驟4：交叉和變異，最終擇優(yōu)選擇。

3 角度控制算法設計與實現

3.1 電機角度控制模型

采用大減速水泵直流電機，便于克服供暖系統中的水流沖擊，通常其轉矩與電樞繞組通過的電流大小和磁場強度成正比。磁場強度一定時，轉子和軸可以默認是不變的[14]。由牛頓第二定律和基爾霍夫電壓定律，可以得到：

(5)

參數的具體值如表1所示。

表1 直流電機參數值

通過拉普拉斯變換在零初始條件下可以得到控制系統的傳遞函數：

(6)

根據系統的傳遞函數在Simulink軟件里搭建直流電機角度控制模型，并通過示波器觀察調節(jié)后的曲線，模型如圖6所示。

圖6 Simulink搭建直流電機角度控制模型

3.2 角度控制流程

閥門系統中安裝了SV03角度采集模塊，用于采集電機旋轉中的實時角度。閥門上電的初始角度值存儲在片外帶電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)內，供熱公司可以通過ModBus讀寫指令進行角度的讀取與控制。具體控制過程如下：

(1) 獲取期望角度目標值，由DTU通過485總線根據ModBus協議下發(fā)得到；

(2) 經由角度傳感器采集實際的角度；比較目標值與測量值并得到偏差，送入PID子程序進行計算；

(3) PID控制器計算輸出，根據輸出值控制輸出給驅動的信號；

(4) 驅動放大控制信號然后輸出給電機，實現電機的控制。

角度控制算法流程圖如圖7所示。

圖7 角度控制算法流程圖

4 仿真與實物

4.1 仿真結果

將遺傳算法改進PID控制器應用于電機控制系統，選取目標群體值M=50，遺傳代數Kg=200, 交叉概率PC=0.9，權值分別為w1=0.999、w2=0.001、w3=2、w4=100,編寫遺傳算法程序，并進行仿真，從而得到優(yōu)化后的PID參數，比例系數KP=0.607、積分系數KI=0.04、微分環(huán)節(jié)KD=1，性能指標的優(yōu)化過程如圖8所示。

圖8 性能指標優(yōu)化仿真結果

采用改進PID整定參數后，電機從0°經過目標角度為30°、90°時的仿真圖如圖9和圖10所示。結果表明，本文所提系統控制速度快，調節(jié)時間較短，可以對電機位置達到良好的控制效果。

圖9 目標角度為30°時PID仿真結果

圖10 目標角度為90°時PID仿真結果

同時，將傳統PID整定方法應用到直流電機控制模型中,與遺傳算法改進PID整定參數方法進行對比，將目標角度設為30°，結果如圖11所示。從圖11可以看出，相比于傳統PID，本文通過引進遺傳算法改進的PID算法減小了系統帶來的超調量，明顯縮短了調節(jié)時間，電機可以更快達到目標角度，使系統節(jié)能并提高了整個系統的實用性與快速性。

圖11 仿真對比結果

4.2 測溫插座裝置

測溫插座裝置上設有加、減以及翻頁等三個功能按鍵，通過按鍵可以顯示如下四個信息：當前屋內實時溫度值、用戶設定的溫度值、用戶累計使用的費用值、以及當前的LoRa地址。插座裝置外部實物圖如圖12所示。

圖12 插座裝置外部實物圖

4.3 供暖閥門裝置

供暖閥門內部由電源板、主控板和電機三者構成，裝配到模具后帶動閥門進行轉動。供暖閥門內部結構圖如圖13(a)所示,供暖閥門整體結構圖如圖13(b)所示。

圖13 供暖閥門裝置

4.4 云端DTU界面

供熱公司按照協議下發(fā)標準ModBus指令來實現控制作用。操作人員可以通過讀取指令實時監(jiān)測到閥門開度、用戶屋內溫度等信息，并可以通過寫指令來進行控制。

5 結 語

本文提出了一個基于遺傳算法的改進PID控制器，將其應用到供暖閥門直流電機控制系統，并結合LoRa模塊與485總線成功地實現了用戶、閥門、供熱公司之間的信息交互。試驗表明，本文改進的PID控制器在供暖閥門電機控制系統的應用中響應時間快且超調量小，系統工作穩(wěn)定可靠，可以有效保證閥門開度的快速性，減小功耗，具有一定的使用價值。