基于变结构参数自整定模糊PID的节能控制系统

陆仲达 刁洪帅 王士力 石 林

(齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

基于变结构参数自整定模糊PID的节能控制系统

陆仲达 刁洪帅 王士力 石 林

(齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

设计基于变结构参数自整定模糊PID和空气源热泵的节能控制系统，分析模糊运算规则，实现风量温度的高精度控制。用力控组态软件对整个节能控制系统进行组态。实际生产运行结果表明：该系统的节能效果明显，操作界面友好。

节能控制系统 变结构参数自整定模糊PID 能量回收 空气源热泵 组态

以往的高污染、高消耗、高浪费工业发展模式造成了能源的巨大浪费，引发了全球能源危机。因此，企业生产的节能减排降耗成为重中之重。针对转印及粮仓干燥等系统，提出基于变结构参数自整定模糊PID的节能控制系统，并采用力控组态软件对整个节能控制系统进行组态，对环境温度进行实时监控。

印刷机干燥室节能控制系统结构框图如图1所示，该系统由控制器、调功器、变频器、空气源热泵、干燥室及传感器等组成。节能控制系统采用工控机作为控制器，可控硅调功器调整加热管输出作为加热单元，变频器调整风机频率改变风量，空气源热泵系统完成回收热量循环，此3部分配合完成干燥室温度的调控。印刷干燥节能设备主要需控制3个量：风量、温度和热泵开关。风量和温度采用同时控制，风经热泵和电加热同时作用，达到需要的温度后，进入干燥箱对印刷品进行干燥，完成干燥任务。

图1 干燥室节能控制系统结构

控制器用于调节调功器与风机变频器的输出，风机变频器的输出控制风机往干燥室吹风，调功器的输出作用于加热管加热风机吹出来的风。同时，空气源热泵循环系统吸收从干燥室中出来的热风的热量，然后对进入干燥室的空气进行加热，从而实现能量的回收利用。

热泵系统由压缩机、蒸发器、节流阀和冷凝器组成，低温低压的液态制冷剂首先在蒸发器里从低温空气中吸收热量并汽化成低温低压气态制冷剂。然后低温低压的气态制冷剂被压缩机压缩成高温高压的蒸气，该高温高压气态制冷剂在冷凝器内被低温空气冷却凝结成高压液体。再经节流阀节流成低温低压液态制冷剂，完成一个制冷循环。

2 能量回收估算

空气源热泵是先进节能技术的产物，其工作原理不同于太阳能和地源热泵，但同属免费能源。空气源热泵在运行中，蒸发器从空气环境热能中吸取热量给蒸发传热工质，工质汽化经热泵压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的大量热量传递给需要加热的冷风；冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。空气源热泵循环系统结构简图如图2所示。

系统中，干燥设备中的空气源热泵循环系统用来吸收利用从干燥室排出的风的热量，从而达到能量的回收利用，进而实现节能的目标。回收热量计算式为：

Q=CMΔT

(1)

图2 空气源热泵循环系统结构

式中C——气体比热容，J/(kg·℃)；

M——气体质量，kg；

Q——气体从一种温度变为另一种温度所吸收或释放的热量，J；

ΔT——温度变化量，℃。

通过式(1)计算系统的节能效率，同时配合大量实验测试。设定温度65℃，风量1 800m3/h，测得单台节能设备达到要求时的耗能约6kW/h，在相同的外部条件下，普通设备的耗能约为12kW/h。

3 控制系统

节能控制系统的结构框图如图3所示，T1为温度设定值，T2为检测的进入干燥室的热风温度，T3为从干燥室出来的风的温度，e为T1与T2的差值。在本系统中，通过判断差值e的范围来选择不同的控制方法。然后与空气源热泵系统共同作用，完成对干燥室内温度的调控。

图3 节能控制系统结构框图

为了满足工业生产高精度的需要，同时实现节能减排，提出以下控制方案。当温度误差值e大于6℃时，系统选择PID控制与热泵循环系统共同作用，使温度误差快速减小；当温度误差值e小于6℃时，系统选择参数自整定模糊PID控制与热泵循环系统共同作用，使误差小于±1℃，同时实现能源的回收利用。当系统开机启动时，温差e一般比较大，假设室温25℃，设定温度65℃，温差40℃，此时系统选择PID控制与热泵循环系统共同作用，使温度快速上升；当温度达到59℃时，系统进入变结构参数自整定模糊PID控制与热泵循环系统的共同作用。

参数自整定模糊PID控制器为二输入三输出控制器，以温度偏差e和温度偏差变化率ec为输入，以用于整定 PID 控制器的3个参数为输出。PID 参数的整定过程是综合考虑3个参数作用的复杂过程，在模糊参数自整定 PID 控制器设计过程中，只有结合实际的工程经验和3个参数对控制效果影响的理论基础，才能建立好准确合适的模糊控制表。

对偏差论域e、偏差变化率论域ec和参数ΔKp、ΔKi、ΔKd分别定义7个模糊子集，相应的语言变量为{负大(NL),负中(NM),负小(NS),零(ZE),正小(PS),正中(PM),正大(PL)},采用归一化论域。

设输入语言变量e与ec的论域为{-6，-4，-2,0,2,4,6}，输出语言变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的论域为{-1,-0.6,-0.2,0,0.2,0.6,1}。在实测过程中，设定温度65℃，当检测温度达到59℃时，由大量实验数据和控制规则可得到ΔKp的模糊规则(表1)。

根据PID控制的规则计算同样可得到ΔKi、ΔKd的模糊规则表。当温差e小于6℃时，系统进入参数自整定模糊PID控制，根据ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制规则表，对其进行在线整定，实现温度的精确控制。实际测试所得温度曲线如图4所示。

表1 ΔKp的模糊规则

图4 变结构参数自整定模糊PID控制温度曲线

由图4可知，在室温30℃，设定温度70℃，风量1 800m3/h时，参数自整定模糊PID控制结果(实线)明显优于传统PID控制，其上升时间短，超调小，控制精度高，可以满足工业控制的精度要求。

4 软件组态

系统的人机界面设计和控制算法都是用力控组态软件完成的。人机界面主要包括主界面(图5)、变量设置(图6)、报警(图7)、历史报表(图8)、进风风门(图9)、趋势曲线(图10)及压缩机管理(图11)等界面。

图5 系统主界面

系统主界面用于干燥设备的开启与关闭，同时显示检测温度与检测风量。

图6 变量设置界面

在变量设置界面中可以设置每台设备的设定风量、设定温度和电动阀门开关角度。同时显示每台设备的监测风量、温度和进排气平衡。图6中第一列为设定风量，运行时方框为绿色，根据设定风量的不同方框内会按相应的比例填充为红色。其后面为每台设备的监测风量。温度和电动阀门的设定与监测风量一样。

图7 报警界面

在报警界面会显示温度超高限报警和风量低于低限的报警信息。

图8 历史报表界面

在历史报表界面中点击查询按钮可以查询每台设备的历史监测温度值与风量值。

图9 进风风门界面

在进风风门界面中长按开关按钮可以打开或关闭进风阀门。设备运行时必须打开进风阀门。

每台设备的趋势曲线提供了各个变量直观的曲线图，如设定温度、检测温度和调功器输出。

在压缩机管理界面中可以打开或关闭低压阀和高压阀，控制制冷剂进入或排出储液罐。本系统加入压缩机的主要作用是回收干燥室出口处废气的热量，达到节能减排的目的。

图10 趋势曲线界面

图11 压缩机管理界面

5 结束语

笔者提出一种干燥节能控制系统，采用变结构参数自整定模糊PID与热泵循环系统相结合的控制策略，使系统温度可以稳定在设定温度，同时达到节能减排的目的，满足工业生产的需要。采用力控组态软件，对系统进行检测，设计出友好的人机界面。某企业的实际应用效果也表明，在相同的工况下，该系统节能效果明显，节能效率达50%，而且工艺操作简便，可实现高效控制。

Energy-savingControlSystemBasedonVariableStructureParameterSelf-tuningFuzzyPIDAlgorithm

LU Zhong-da, DIAO Hong-shuai, WANG Shi-li, SHI Lin

(CollegeofComputerandControlEngineering,QiqiharUniversity,Qiqihar161006,China)

Having the variable structure parameter self-tuning fuzzy PID algorithm and the air source heat pump based to design energy-saving control system was implemented, which analyzes the fuzzy operation rules to realize high-precision control over both air volume and temperature and employs the Force Control’s configuration software in the operation. The actual operation proves its obvious energy-saving effect and friendly operation interface.

energy-saving control system, variable structure parameter self-tuning fuzzy PID algorithm, energy recovery, air-source heat pump, configuration

TH862+.6

A

1000-3932(2016)01-0050-04

2014-12-01