乙二醇机组的温度模糊控制器设计与仿真

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(石家庄铁道大学 机械工程学院,河北 石家庄 050043)

0 引言

随着我国通信行业和计算机行业的快速发展，大型通信设备和计算机的需求量急剧增加。这些设备通常需要工作在恒温恒湿的条件下，目前我国主要通过机房专用空调来满足这一要求，空调的用电量很大，占到了机房总用电量的50%以上，因而存在较大的节能潜力[1-2]。科学地降低空调用电，减少资源浪费成为节能的主要手段。

将乙二醇节能机组应用于机房的温度湿度控制可大大降低电能消耗。乙二醇节能机组是一种可充分利用自然冷资源降温节能的设备，它利用冬季室外冷源，通过乙二醇泵的运转，将室内的热量传送到室外[3]。由于它采用乙二醇泵的循环工作制冷，取代了空调的压缩机制冷，从而大大降低了电能消耗。

目前，我国有一部分企业已将乙二醇制冷装置应用于实际的生产中。如大庆油田在2007年开发了乙二醇再生系统技术，内蒙古移动在机房使用乙二醇空调系统，在生产中创造了可观的经济效益，刘进志等以PLC为基础开发了乙二醇空调节能控制系统[4]。在此基础上，采用模糊PID控制技术研究了乙二醇机组的控制策略，取得了良好的控制效果。

1 乙二醇机组控制系统方案

液体的沸点与两个因素有关：温度和压力。故本控制系统包括温度控制和压力控制两部分。

压力控制方案如图1所示。在该方案中，压力传感器测到的乙二醇管道的压力值与给定的压力值的差值输入到控制器，控制器通过特定的算法用电压控制变频器的输出频率值，而交流电机的转速与电源的频率成正比，从而变频器通过改变频率来改变交流电机的转速，交流电机通过转速调节乙二醇管道中液体的压力。压力传感器检测到的压力值与给定的压力值之间的误差重新传送到控制器中，通过改变变频器的参数调整交流电机的转速，最终使得检测到的压力值与给定压力值匹配。

温度控制方案如图2所示。在该方案中，温度传感器测到的室内温度值与给定的温度值的差值输入到控制器，控制器通过特定的算法用脉冲控制步进电机，步进电机与电动阀连接，通过转动控制电动阀阀门的开度，进而控制管道内液体的流量，最终改变室内的温度。温度传感器将检测到的实时温度与给定温度进行比较，差值再次送入控制器，控制器通过步进电机改变管道液体流量，使温度降低的速度加快或减慢，最终使室内温度与给定温度匹配。

图1 压力控制方案 图2 温度控制方案

2 温度模糊控制器的设计

由于乙二醇机组的温度控制存在较大的非线性、参数时变性和模型不确定性等因素，普通PID控制器难以获得很好的控制效果，所以决定采用模糊PID控制来解决这个问题。

在本次设计中，把室温标准值与当前室温值的差值e和差值变化率ec作为输入值，输出值取PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd的偏移量，其中Kp控制器的比例系数，Ki为控制器的积分系数，Kd为控制器的微分系数。系统模糊PID控制图如图3所示。

图3 系统模糊PID控制结构图

以误差变化量e为例，基本论域[-e，e] 中e表征误差大小的精确量，n是0～e范围内连续变化的误差离散化后分成的档数。它是构成基本论域的元素，一般情况下，档数分的越精细控制效果就会越好，但是档数越高，计算量就越繁琐，通常取n=6或7。

本设计选取{正大，正中，正小，零，负小，负中，负大}等7个值来描述输入变量e和ec以及输出变量Kp、Ki、Kd的校正量，并简记为{PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB}。定义误差变化量e、误差变化率ec、控制量Kp、Ki、Kd所取的模糊子集的论域为:e={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；ec={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。选择Kp、Ki、Kd的论域均也为7级，即Kp={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；Ki={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；Kd={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

为方便计算，偏差和偏差变化率的模糊集合采用三角隶属函数，由于输出量的变化范围较小，为了取得更佳的精确度，选用正态函数作为输出的隶属度函数。输入输出变量的语言赋值表见表1、表2。

表1 变量系统的偏差e、ec隶属度表

本设计选用Mamdain模糊控制规则，根据实际操作经验得出相应的控制规则。本设计采用的控制规则举例如下：①if (e is PB ) and (ec is PB) then (Kp is NBand Ki is PB and Kd is PB)；②if (e is PB ) and (ec is PM) then (Kp is NB and Ki is PBand Kd is PB)；③if (e is PB ) and (ec is PS) then (Kp is NM and Ki is PB and Kd is Z)。

在FIS Editor中的Rule Editor输入模糊控制规则以后，可以通过FIS输出量曲面观测窗看到对应于每组输入量的输出值。所观测到的曲面越光滑，说明控制规则设计的越合理，控制效果也就越好。图4、图5、图6为Kp、Ki、Kd对应的曲面图形。通过图形可以看出，本设计的控制规则还是比较合理的。

经过解模糊算法得到控制系统的控制规则表3。

表2 变量系统的偏差Kp、Ki、Kd隶属度表

表3 Kp、Ki、Kd模糊控制规则表

图4 系统Kp曲面观测图 图5 系统Ki曲面观测图 图6 系统Kd曲面观测图

通过以上建立的模糊控制器，在MATLAB中的Simulink模块中建立如图7所示的模糊PID仿真框图，并把Fuzzy Logic Controller模块名称设置为mhpid，实现了FIS与SIMULINK的连接。

图7 系统模糊PID仿真框图

图8 模糊PID控制的阶跃响应图

对所建立的模糊PID系统进行仿真，取输入信号(设定温度)为阶跃信号时，经过模糊PID控制器调试以后得到的响应图如图8所示。观察图形可知，系统上升时间为0.1 s，调节时间为0.2 s，没有出现振荡现象，无超调量，稳态时没有静差，系统达到稳定的时间短，动态性能比较好。

3 结论

本设计主要以系统阶跃响应曲线的超调量、上升时间、稳态静差等几个参数为依据，分析了温度模糊PID控制器对控制系统的调节作用，计算机仿真和实验表明：采用温度模糊PID控制器后，控制系统的动态性能和稳态性能得到了明显改善，采用乙二醇机组的控制系统运行稳定、可靠性高、节能效果明显，具有广阔的应用前景。

参 考 文 献

[1]孙研.通信机房节能综合解决方案[J].电信工程技术与标准化，2006(6)：2-7.

[2]杨茂光. 乙二醇空调在内蒙古移动节能改造中的应用[J]. 电信技术, 2008(8)：50-51.

[3]黄益伟. 乙二醇热回收系统节能初探[J]. 制冷空调与电力机械, 2006,21：51-53.

[4]刘进志，智小慧，白美静. 基于PLC的乙二醇空调节能控制系统设计[J].现代机械，2011(6): 64-65.