Smith-PID在空气源热泵热水供应系统中的应用

刘畅，王志刚，云泽荣（天津理工大学机械工程学院，天津，300384）

Smith-PID在空气源热泵热水供应系统中的应用

刘畅，王志刚，云泽荣
（天津理工大学机械工程学院，天津，300384）

热水供热过程具有大惯性、纯滞后和非线性的特性。Smith预估算法能有效克服纯滞后的问题，而PID控制能提高系统的稳定性和精度性。针对它的这些特点，本文把Smith补偿原理和PID控制方法结合起来，提出一种应用在空气源热泵热水供应系统的Smith- PID控制方法。通过编程仿真结果表明，新的控制方案与传统的PID控制相比，本算法具有良好的控制品质，它不仅具有满意的控制性能，而且响应速度得到了提高，缩小了超调。在实际的工程中有一定的应用价值。

空气源热泵；热水供应系统；Smith预估控制；Smith- PID控制器

0 引言

节能不仅成为全球可持续发展一个重要的讨论课题，而且成为了世界范围内温室气体减排的重要课题。美国能源部最近报道[1]，根据目前的趋势，预计到达2020年，全球能源消耗量将是目前水平的两倍多。这种日益增长的能源需求将加剧能源短缺和环境污染。不管在工业上还是人们的平时住宅中，夏季都需要一个凉爽的环境，冬季需要不断的供暖。空气源热泵技术在加热或者制冷方面已经成为一种高效的应用技术了。因此，如何有效的控制空气源热泵热水供应系统的运行，是一个值得考虑的关键技术。如果控制方面设计得当，它们在减少能源消耗和有害气体的排放上将会有重要的作用和意义。由于空气源热泵作为一种高效节能的可再生能源设备，可以显著降低能源消耗，因而它在中国以及世界各地将会有一个广阔的应用前景[2-3]。

空气源热泵热水机组是一种高效节能、安全环保、使用方便的热水设备，只需消耗少量电能，就能将空气中的热量转移到水中，产生热水，机组全年的平均能效比高达400%[4-7]。集中供热主要由热源，换热站，热网和热用户组成。用合适的控制方法去控制调节它们，不仅对用户的采暖质量有重要的作用，而且能影响到能源的消耗和节约。热水供热系统中被控量温度和流量的特性决定了此系统具有工业过程控制中存在的大惯性，纯滞后，非线性等特性。经典PID控制技术在许多实际控制领域中仍存在着广泛的应用，只要有精确的数学模型，PID控制技术就能把人们的预想变成实实在在的现实结果。热水供热系统具有大惯性，时变性，滞后性等特性，而Smith预估计控制算法能有效克服纯滞后和时变模型的影响，所以，根据热水供热系统的这些特性去设计一个Smith- PID控制器。它综合了传统PID控制和Smith预估计控制的优点，然后采用编程仿真的方法进行研究，结果表明，该控制方法能有效提高控制质量和精度，减小超调量，缩短调整时间。它在空气源热泵热水供应系统中有着积极的应用价值。

1 系统原理概述

空气源热泵热水机组通常由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀4部分构成，传热工质在机组内封闭运行，并通过冷凝器和蒸发器与外部发生热交换，如图1所示。

传热工质通过蒸发器从空气中吸收热量，由低压汽、液混合态变成低压汽态，进入压缩机压缩后变成高温高压气体；再通过冷凝器向水中释放热量，冷凝后传热工质变成高压液体，经膨胀阀后变成低压汽、液混合态，同时温度降低，回到蒸发器，完成循环。如此周而复始，达到制备热水的目的。

图1 空气源热泵原理图

2 控制系统仿真模型建立

2.1 系统模型

在空气源热泵热水供应系统中，大部分实际控制对象可以用高阶微分方程来描述[8]。然而，为了便于容易分析控制对象的特性，在保证满足控制精度的前提下，控制对象的动态特性常用低阶模型来描述。集中供热系统不仅受自身工况的影响，而且还受外界温度、太阳辐射等的影响，所以，它往往表现出多重干扰。考虑到它的滞后，非线性和大惯性等特性，可以用更合理的一阶传递函数来表示。本文结合课题组的实际情况，通过调节二次网循环泵变频器的频率来改变流量，每隔一段时间采集二次网回水温度值，使用传递函数的参数辩识方法—近似法(切线法)来辨识建立被控对象的数学模型为：

2.2 控制系统Simulink仿真框图设计

在工业控制中，被控对象常常表现出一定的纯滞后特性，针对这一特性，Smith提出了出了一种纯滞后补偿模型，其原理为：与PID接一补偿环节，该补偿环节即为Smith预估器[9]。实际上是利用人造模型的方法将Smith预估器反向并联在PID控制器上，实现将纯延迟的环节转移到控制回路之外从而改善控制效果。采用MATLAB的Simulink建立传统PID控制算法和Smith-PID控制算法的仿真模型。其中二次网基于温度的流量调节结构框图如下图2所示。

3 仿真实验研究

该部分根据上部分的控制对象的数学模型，采用编程和Simulink的方法对Smith- PID和常规PID控制进行仿真，然后仿真结果用来进行比较和分析，以获得空气源热泵热水供应系统在各方面的控制性能。

3.1 系统是否带有Smith预估计补偿

仿真结果表明，当有Smith控制方法作为补偿时，系统较稳定，并且无振幅，常规的PID控制带有周期的跳动，很难达到稳定。

3.2 系统抗干扰能力

为了研究Smith- PID控制的抗干扰性能，可在系统运行到360秒时，给系统加入一个脉冲干扰。

在没加入脉冲干扰时，Smith- PID控制到达稳态的时间是110s左右，而传统PID要用高于200s；此外，Smith- PID控制没有上升时间和峰值时间，并且调节时间比常规PID控制的调节时间短，当控制对象进入稳定状态时，始终保持稳定，中途没有震荡和超调，明显Smith- PID控制策略的调节速度更优于常规PID控制，Smith- PID控制方法动态特性稳定，控制效果较为理想。

在加入脉冲干扰信号后，使用Smith- PID控制的系统与使用常规控制的系统相比，虽然在超调上没有改善，但是其波动范围小，波动的持续时间也比较短，调节时间也有一定程度的缩短，也就是说其消除扰动的时间更短，说明其抑制干扰的能力更好，鲁棒性更优。

4 结论

通过对常规的PID控制方法和本文提出的Smith- PID控制方法进行仿真分析，证明了采用Smith- PID控制方法可以改善系统的控制品质，提高其动态性能指标。PID控制与Smith预估补偿控制的结合兼顾了两者的优点，有效地解决空气源热泵热水供应系统中的时滞问题，使整个系统的鲁棒性得到极大的提高，为解决集中供热的时延与大惯性化问题提供了一条有效的途径。

[1] Omer AM. Energy environment and sustainable development. Renew Sustain Energy Rev 2007.

[2] A. Zarrella and M. D. Carli, “Heat transfer analysis of short helical borehole heat exchangers,” Applied Energy, vol. 102, p. 1477″U1491,2013.

[3] 王芳，范晓伟.我国空气源热泵的技术进展[J].能源工程,2004，(4):1一5.

[4] 刘亮，付冰.浅谈空气源热泵热水技术[J].给水排水，2008，(34):87-89.

[5] 巨永平，张永铨，吕灿仁，刘耀浩.空气源热泵的节能效果及经济可行性分析[J].天津大学学报，1996,(5);750-757.

The application of Smith Predictive PID Control in air source heat pump hot water supply system

Liu Chang,Wang Zhigang,Yun Zerong
（Tianjin University of Technology College of Electrical and Electronic Engineering, Tianjin 300384）

The hot-water heat-supply system characteristics are a combination of great inertia, pure timedelay, nonlinear. Smith predictor algorithm can overcome effectively the pure time-delay, and the PID control is equipped with the characteristic of high steady-state precise. So aiming at the characteristic of the controlled object is proposed a Smith - PID controller method , which is applied to the system of the hot-water heat-supply system, in the paper. By programming simulation results show that the new control scheme compared with the traditional PID controller, it not only has satisfactory control performance, but also can guarantee a quick response speed and a little overshoot. A satisfactory dominate result is obtained in practice.

air source heat pump; hot-water heat-supply system; Smith predictive control; Smith–PID controller

图2 基于温度流量调节框图

1.受“大学生创新创业训练计划项目”资助。2.受天津市科技支撑重大计划（16YFZCGX00090）支持。