基于模糊PID的供暖设备控制系统设计_李泽豪.pdf

电 子 测 量 技 术E L E C T RON I CME A S U R EME N TT E CHNO L O G Y第4 5卷 第2 3期2 0 2 2年1 2月 D O I:1 0.1 9 6 5 1/j.c n k i.e m t.2 2 0 9 9 8 2基于模糊P I D的供暖设备控制系统设计*李泽豪 冯寿廷(华南师范大学物理与电信工程学院 广州 5 1 0 0 0 6)摘 要:针对目前市场上销售的供暖设备安全性低、恒温调节缓慢且效果差、智能化程度低的问题,设计了一款基于模糊P I D的供暖设备控制系统。该系统通过传感器阵列和功率调节模块,完成了对温湿度的采集、智能交互控制功能。同时,系统利用模糊P I D控制算法,实现了对环境温度的精准控制,并能对一些造成安全隐患的行为做出及时的预判和处理。经过MA T L A B系统仿真和实际测试,该模糊P I D控制系统可基本实现无超调,且震荡周期和调节时间较传统P I D分别缩短了4 6%和2 5%,并兼具较高的鲁棒性。此外,系统还能出色地对各类安全隐患行为进行处理,较大地提升了供暖时的安全性,具有良好的市场前景。关键词:模糊P I D;智能供暖设备;自动控制;传感器阵列中图分类号:T P 2 7 3;TU 8 3 2 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:5 1 0.8 0 6 0D e s i g n o f h e a t i n g e q u i p m e n t c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n f u z z y P I DL i Z e h a o F e n g S h o u t i n g(S c h o o l o f P h y s i c s a n d T e l e c o mm u n i c a t i o n E n g i n e e r i n g,S o u t h C h i n a N o r m a l U n i v e r s i t y,G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e p r o b l e m s o f l o w s a f e t y,s l o w t h e r m o s t a t a d j u s t m e n t,p o o r e f f e c t a n d l o w i n t e l l i g e n c e o f t h e h e a t i n g e q u i p m e n t c u r r e n t l y o n t h e m a r k e t,a h e a t i n g e q u i p m e n t c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n f u z z y P I D w a s d e s i g n e d.T h e s y s t e m c o m p l e t e s t h e a c q u i s i t i o n o f t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y a s w e l l a s i n t e l l i g e n t i n t e r a c t i v e c o n t r o l f u n c t i o n s t h r o u g h s e n s o r a r r a y s a n d p o w e r a d j u s t m e n t m o d u l e s.A t t h e s a m e t i m e,t h e s y s t e m u s e s t h e f u z z y P I D c o n t r o l a l g o r i t h m t o a c h i e v e p r e c i s e c o n t r o l o f t h e a m b i e n t t e m p e r a t u r e,w h i c h c a n m a k e t i m e l y p r e d i c t i o n a n d p r o c e s s i n g o f s o m e b e h a v i o r s t h a t c a u s e p o t e n t i a l s a f e t y h a z a r d s.A f t e r MA T L A B s y s t e m s i m u l a t i o n a n d a c t u a l t e s t,t h e f u z z y P I D c o n t r o l s y s t e m c a n n o t o n l y a c h i e v e n o o v e r s h o o t b a s i c a l l y,b u t a l s o h a v e h i g h r o b u s t n e s s.Wh e n c o m p a r e d w i t h t h e t r a d i t i o n a l P I D,b o t h t h e o s c i l l a t i o n p e r i o d a n d a d j u s t m e n t t i m e a r e s h o r t e n e d b y 4 6%a n d 2 5%r e s p e c t i v e l y.I n a d d i t i o n,t h e s y s t e m c a n a l s o h a n d l e a l l k i n d s o f p o t e n t i a l s a f e t y h a z a r d s w e l l,w h i c h g r e a t l y i m p r o v e s t h e s a f e t y d u r i n g h e a t i n g a n d h a s a g o o d m a r k e t p r o s p e c t.K e y w o r d s:f u z z y P I D;i n t e l l i g e n t h e a t i n g e q u i p m e n t;a u t o m a t i c c o n t r o l;s e n s o r a r r a y 收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 7*基金项目:广东省基础与应用基础研究基金(2 0 1 9 B 1 5 1 5 1 2 0 0 2 5)项目资助0 引 言 供暖设备作为一种御寒取暖的工具,已被广泛运用于家庭、公共场所和生产车间等场所1。以暖风机为代表的循环空气供暖设备,因其简单的生产过程和良好的供暖效果,在供暖设备中占据着重要地位,因而本文研究的控制系统将重点围绕该类型的供暖设备进行。众所周知,目前供暖设备普遍存在的安全隐患便是:当设备被其他易燃物品遮挡覆盖时不能自动停止运行,容易造成安全事故2。不仅如此,它们所采用的控制逻辑大都较为简单,如文献3 利用继电器进行控制,电路系统虽简单,但恒温效果较差;少 数 则 使 用P I D算 法 来 改 进 温 度 控 制 效 果,如文献4 加入了P I D算法,但该P I D算法是在特定环境下调试的,通用性较低,且缺乏一定的智能控制手段。现今无论哪一种控制逻辑,由于环境系统的大惯性和测量滞后的影响,供暖时都容易出现恒温调节缓慢、温度忽高忽低的现象。此外,传统供暖设备控制系统的单一传感器测量方法,会导致测量温度时存在空间局限性,进而影响P I D控制效果,最终使得供暖舒适性下降。针对以上的问题,本文设计了一款模糊控制与P I D控制融合的供暖设备控制系统,使得P I D的参数可根据当前环境温度及时调整。另外,系统借助传感器阵列技术,既能解决7 第4 5卷电 子 测 量 技 术单一传感器存在的空间局限性问题5,还能消除传统供暖设备存在的安全隐患和无人使用却持续运转的能源浪费。1 硬件系统的设计方案 控制系统的硬件主要由3 2位MC U主控制器、传感器阵列和功率调节模块构成,如图1所示。图1 控制系统的构成框图图中的3 2位MC U负责对采集到的数据进行分析处理,并根据当前的温度值与期望值的偏差,按照一定的模糊规则对P I D的参数进行实时整定。整定后的参数值,通过PWM波的方式输出到可控硅构成的功率调节模块,进而线性调节交流电压的大小,从而改变金属发热管或P T C陶瓷发热片的热功率和供暖设备的风量,实现模糊P I D控制供暖设备的功率的功能6。图中的传感器阵列由部署在不同位置的传感器模块构成,以便于实现多维度对人员有无的判断及空间整体温湿度的采集,有利于克服数据采集过程中的不稳定并减少误判的情况发生7。得益于这些传感器采集的数据,系统便可实现“人走关机,人来启动”的节能减排与智能控制目的;并避免了因长期供暖使得环境干燥而对人体皮肤造成的伤害。各传感器的具体参数如表1所示。表1 传感器的参数传感器型号与名称分辨率测量范围功能数量K-0 1型热电偶-0 6 0 0 供暖设备内部温度的测量1AHT 2 1 B温湿度传感器0.0 2 4%RH0.0 1 01 0 0%RH-4 0+1 2 0 环境温湿度的测量4HC-S R 5 0 5红外人体感应模块-05 m人员有无的监测42 模糊P I D温度控制器的设计2.1 传统 P I D温度控制器的不足 传统P I D温度控制系统的3个参数Kp、Ki、Kd,往往是在特定环境下调试的最优结果。对于环境温度这类非线性的惯性系统而言,当供暖设备所处的环境改变时,P I D的输出将不再是最优解,使得P I D控制效果下降,严重时会使温度反复跳变无法收敛。因此,在供暖设备控制系统中,有必要实现P I D参数的自整定,本文利用的是模糊控制理论对传统P I D温度控制器加以改进。2.2 模糊P I D温度控制器的原理 本文设计的模糊P I D温度控制器主要由P I D控制器、二维模糊控制器、被控对象和反馈支路构成,如图2所示。图2 模糊P I D温度控制器的原理 图2中的e为实际温度值t与期望温度值r的偏差,即e=r-t;Ee为偏差的变化率,Kp、Ki、Kd为P I D控制器的三个参数的增量。二维模糊控制器将在偏差e及其变化率Ee的共同作用下,根据一定的模糊规则,完成对P I D的3个参数自动整定功能8,以确保P I D控制器能最优地调整供暖设备热功率和风量,从而改善供暖性能和效果。2.3 模糊化 结合实际需要,将温度偏差e和偏差的变化率Ee的实际论域设定为-9,9;Kp、Ki、Kd的实际论域设定为-0.3,0.3、-0.0 6,0.0 6 和-2,2。根据实际论域的模糊规则9,将e和Ee的模糊论域都选为-9,9,则它们的量化因子均为1;而Kp、Ki、Kd的模糊论域都选为-3,3,则它们的比例因子分别为0.1、0.1 8 3、0.6 7。8 李泽豪 等:基于模糊P I D的供暖设备控制系统设计第2 3期同时,该二维模糊控制器使用7个语言变量,以便能精确描述其模糊子集:N B 负大、NM 负中、N S 负小、Z O 零、P S 正小、PM 正中、P B 正大,因此二维模糊规则库中将有773=1 4 7条规则。模糊论域上的模糊子集选用三角形函数作为隶属度函数1 0,在MAT L A B中e和Ee的隶属度函数如图3所示。图3 模糊控制器中e和Ee的隶属度函数2.4 模糊规则 模糊规则是进行模糊推理的基础,它直接决定了模糊控制器的控制性能。因此在制定模糊规则时,需要充分考虑二维模糊控制器的输入端的各种情况,按照一定的方法设计。