對于房屋太陽能自動加熱系統(tǒng)溫控模糊自調皿串行控制算法的研究

1、對于房屋太陽能自動加熱系統(tǒng)溫控模糊自調皿串行控制算法的研究?應用研究?對于房屋太陽能自動加熱系統(tǒng)溫控模糊自調PID串行控制算法的研究戴江濤邸韜(蘭州交通大學甘肅蘭州730070)摘要】對于房屋自動加熱系統(tǒng)的溫度控制,由于其具有時滯,時變和模型的不確定性,模糊自適應PID串行控制算法更加具有優(yōu)勢.這種算法利用串行控制算法,克服了控制參數(shù)的動態(tài)性,從而達到更好的控制效果.通過仿真可以發(fā)現(xiàn),該算法優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制,具有更好的動態(tài)跟蹤,更低的超調量和更強的抗干擾能力.【關鍵詞】溫度自動加熱太陽房模糊串聯(lián)算法加熱系統(tǒng)【中圖分類號TM205文獻標識碼A文章編號】10079416(2010)070l010

2、21介紹主動式太陽房采暖系統(tǒng)通過太陽能集熱器收集太陽能,通過散熱器釋放熱量.目前,水被視為是最有效的介質.太陽能集熱器安放在屋頂,由循環(huán)泵,儲熱器,變頻加熱泵,輔助加熱系統(tǒng)和散熱器等構成.熱水由變頻泵輸送至散熱器,加熱整個房屋后,然后返回到儲熱器底部實現(xiàn)再利用.在陽光不足的陰雨天或者晚上,輔助加熱系統(tǒng)會啟動,并入主動式太陽房供暖系統(tǒng),保證供暖和生活用水.房屋內部溫度會保持在最適宜的狀態(tài),不僅使人們感到舒適,而且也能有效地利用太陽能.經測算,100m的房屋面積,溫度升高1,大概需要73760KJ的熱量,所以保持溫度恒定對于節(jié)省能源是非常重要的.2模糊自整定PID串級控制(FS-PIDC)算法的設

3、計2.1FS-PIDC的結構設計串級控制系統(tǒng)的設計主要是參數(shù)的選擇,副回路設計和主,副回路之間的關系41.主回路的參數(shù)有較長的時間延遲,主控制器根據設定加熱溫度計算子回路的給定值.子回路具有較小的時間延遲,它可以在水壓或者加熱溫度影響主回路的設定加熱溫度前克服干擾,從而提高控制精度.模糊控制器能夠自動實時調整控制參數(shù).FS-PIDC的系統(tǒng)結構圖如圖l所示.2.2數(shù)學模型2.2.1房屋加熱模型主動式太陽房供暖系統(tǒng)是一項利用太陽能和可持續(xù)發(fā)展的新技術.房屋的溫度控制可以說是一個熱傳導問題,無論是輻射,傳導還是對流.對加熱房屋進行適當?shù)丶僭O:因為管狀散熱器的相位沒有發(fā)生改變,所以對象參數(shù)是一般分布的

4、.由于這是一個關于時間和空問的函數(shù),因此它的變化規(guī)律是由差分方程描述.如公式(1)所示.GtctTl(1,f)一G】clf)+OlKAdlr2(t,f)一(,f)】=MlcIdl(1)Ol其中,f_z/三表示散熱器的總長度;表示內圓的周長;表示表面面積微元;M單位長度的流體流量.公式(1)是散熱器的動力學方程,很難精確分析.根據散熱器的動力學方程和經驗公式,我們得到了如下的數(shù)學模型:G:ef71,(s+1)(+1)表示靜態(tài)放大常數(shù)rl=半(3),G1和C分別表示加熱液體的儲存,流體和空氣比熱容.2.2.2變頻泵模型散熱器的入口流量與管道橫截面積(不變)和離心泵的速度有關.據Pan定理,對管道流

5、動速度的控制可以轉化為對離心泵速度的控制,實際上是對變頻器輸出頻率的控制.根據流量控制系統(tǒng)得原理和特征,我們得到該動態(tài)過程近似符合一階時滯系統(tǒng)的模型,傳遞函數(shù)如公式(4)所示.Gf()=麗K8(4)2.3FS-PIDE控制器設計通kt使用階躍響應處理和工程經驗,我們確定了如下的模型參數(shù).叫e2(5)G)一s(1+65.32s)(1+53_3)(6)等式(5)是主回路的傳遞函數(shù),等式(6)是子回路的傳遞函數(shù).主回路的時滯常數(shù)是73.519s,同時子回路的時滯常數(shù)是I3.15s,滿足串聯(lián)控制的設計原則.由于傳遞函數(shù)的放大增益K1>0,K2>0,相應的.,:,應該滿足&a

6、mp;gt;0.Fig.1FSPIDCSystemStructure根據對控制系統(tǒng)的分析,當供,回水水溫上升時,主控制器的輸出量應該增加.二級控制器設有更高的水流值,所以二級控制器的輸出量也要增加,同時,輸出頻率的增加提高泵的速度.所以,主回路和子回路均為正,同時構成負反饋系統(tǒng).2.3.1FSPIDC子控制系統(tǒng)設計在模糊串聯(lián)控制系統(tǒng)中,子控制器能夠迅速消除水在加溫過程中水溫和電壓的振動.但是,它不能做到零錯誤,所以,還應選用比例控制.2.3.2FS-PIDC主控制系統(tǒng)設計主控制系統(tǒng)根據需要維持房屋氣溫,不允許出現(xiàn)偏差.同時,要求更高的適應性.(1)模糊設計FS-PIDC主控制系統(tǒng)的輸入量是偏差

7、和偏差變化率,(尼)表示設定溫度,r(七)表示實際溫度.偏差:P()=T(k)一t(k)(7).e(/c)一e(k一1)偏差變化率:P【(8)P()的取值范圍是maxmax=-2,2,單位:c.;(尼)的取值范圍是卜max,一max1=卜l,11,單位:C.偏差的量化因子:K:3.模糊控制的量化等級為:g(),()=一3,-2,一1,0,1,2,3,有七個子集,分別是NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB.輸入量的隸屬度函數(shù)是三角形函數(shù).(2)模糊控制規(guī)則設計根據選擇PID控制系統(tǒng)的參數(shù),的工程經驗,e(尼)和(的模糊規(guī)則如下:規(guī)則1:為了提高系統(tǒng)的反應速度,當le(后)較大時,應該讓較大,

8、讓.較小,同時讓來K,=0降低超調量.規(guī)則2:為了保持系統(tǒng)較小的超調量,當JP()l是中等大時,應該讓較小,同時讓和,保持適中.特別是,因為對系統(tǒng)的影響更強.一般的經驗是,當1(七)l很大時,讓較大;當較小時,讓D較大.規(guī)則3:為了使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性,當Ie()l較小時,應該讓和,較大,從而避免在穩(wěn)態(tài)的振蕩.在模糊推理過程中,規(guī)則條件和蘊含算子均采用最小原則,如式(9)所示.“=min(a(g(),口(|i)=Pc(“)(9)(3)清晰化設計清晰化是將模糊控制規(guī)則庫中的參數(shù)等效為清晰值.模糊輸出量是,D,P和的模糊集合是一3,一2,一1,數(shù)字技術與應用100,l,2,3),的模糊集合是一O.

9、06,一0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06j,共有七個模糊子集,分別是NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB,輸出數(shù)據如式(10)所示.(10)其中,e(),(庀),P(),(),和P(七),垂(.j).是模糊推理的結果,而群,和則是常規(guī)PID的設定值.3FS-PIDC的Simulink仿真3.1建立控制系統(tǒng)仿真模型通過MATLAB和SIMULINK建立仿真模型,輸入,輸出量的模糊變量子集和隸屬度函數(shù).模糊規(guī)則,推理過程和清晰化過程見上述推導.FS-PIDC輸出參數(shù)封裝為模糊PID輸出,如圖2所示.常規(guī)PID封裝為PID控制,如圖3所示.上述模型其內部的設定值分別為K=1

10、.5,=0.1,K=0.03,K=1.5,K=3.3.2sIMULINK仿真模型分析Fig.2OutputofFSPIDCparametersCDFig.3StructureofPIDRegulatorFig.4Outputofsimulationo2數(shù)字技術與應用OuL1?應用研究?在自主式太陽能房屋的模糊自整定PID串行控制中,對于超調量,抗干擾和適應性都進行了分析.串行PID如上述設定,當模型參數(shù)不變,階躍信號按照給定溫度設定為18,仿真響應曲線如圖4所示.可以看到,串行PID的振動明顯比模糊自整定PID控制系統(tǒng)要高,從而使得太陽能房屋不穩(wěn)定.由于太陽的周期性變化,主動式太陽能房屋會受到

11、干擾,熱環(huán)境和控制對象的變化使得參數(shù)變化,而主動式太陽能房屋的控制參數(shù)能夠適應這種變化.SWICH的設置可以簡化分析.當?shù)竭_指定時間,仿真模型會加入高斯白噪聲或者改變模型參數(shù).仿真響應曲線如圖5所示.可以看到,串行PID控制的振動和超調量明顯高于模糊自整定PID控制系統(tǒng).4結語從仿真的結果可以看出主動式太陽能房屋的溫度得到了很好的恒定模糊自整定PID串行控制能夠很好地克服時變特性并降低大慣性造成的振動.當加入干擾后,具有很強的抗干擾能力和更好的適應性.所以,這種算法提高了主動式太陽能房屋的加熱效率并達到節(jié)能效果,具有很好的應用價值.【參考文獻】lllLiJuan,DesignandSimula

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