一种基于模糊控制和PID控制的焓差实验室温度切换控制的方法与流程

本发明涉及一种基于模糊控制和pid控制相结合的焓差实验室温度切换控制。

背景技术：

焓差实验室是一种能够测量空调的制冷量和制热量的实验装置，主要分为室外侧和室内侧两部分环境，而室外侧温度的控制是整个焓差实验室的核心部分。室外侧温度控制的稳定性和准确性直接影响了被测空调制冷量和制热量的准确性。因此，焓差实验室的温度控制极为重要。

但是，焓差实验室室外侧的温度控制具有很大的非线性、滞后性和时变性，而且具有极强的干扰量。简单的pid控制单一参数很难满足系统的要求，当加快调节速度时，稳定性和稳态误差就会变差；当加强稳定和减小稳态误差时，调节速度就会变慢。采用模糊控制虽然能够加快调节时间，但是稳定性和稳态误差并不好。

此系统的被控对象是加热器，当加热器动作之后一段时间，温度才会用相应的变化，具有较大的滞后性，要想选择一个合适的控制方式，使系统达到期望输出，是很难的。对于一般滞后系统，可以采用建模方法去预测输出，但是由于此系统具有较大不确定干扰量，建模会有误差，使其最终结果有较大误差。

设计内容

为了解决以上问题，本发明提出一种基于模糊控制和pid控制相结合的焓差实验室温度切换控制方法，本发明运用模糊控制和pid控制，模糊控制可以加快调节时间，合适参数的pid控制可以消除静态误差，增强系统的稳定性。两者相互结合能够很好的达到系统的要求。

一种基于模糊控制和pid控制相结合的焓差实验室温度切换控制方法，包括以下步骤：

(1)选取多个温度传感器放置室外侧，测得室外侧平均温度记为x2，加热器功率记为y，并能够根据期望温度x1和测量温度x2之间的温度误差e，根据所设定的控制方法控制加热器功率的增量δu，使测量温度x2达到期望指标；

(2)设计其模糊控制器，确定输入输出的论域，输入的隶属度函数，确定模糊规则表，然后解模糊，得出相应的输出加热器功率的增量δu；

(3)设计pid控制器；

(4)选择合适的切换策略，进行模糊控制和pid控制之间的切换；

所述步骤(1)中，具体步骤为：输入期望温度x1为25℃，对室外侧多个位置的温度传感器检测的温度进行平均，算得测量温度x2，通过两者之差得到温度误差e，根据误差e去确定每一时刻的加热器功率y。通过改变加热器功率y，来改变焓差实验室室外侧温度，使室外侧温度达到所要求的指标。其中，

e＝x1-x2(1)

所述步骤(2)中，具体步骤为：

设计其模糊控制器，具体步骤为：压差δf和温度误差e作为模糊控制器的增量δu作为模糊控制器的输出。然后对三个变量进行量化，根据焓差实验室实际数值确定δf和温度误差e的量化因子为kf和ke，和输出的比例因子ku，确定压差δf和误差e的论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，增量δu的论域为{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3-4}，压差δf和误差e的模糊子集{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}，增量δu的模糊子集{nb,nm,ns,nz,zo,pz,ps,pm,pb}。

其中，f为被测机组的外机风机压差；为多种被测机组外机风机压差平均值；

其中，n1为δf论域的最大值，此系统中为3。；

其中，n2为e论域的最大值，此系统中为3；在此焓差实验室系统中温度误差一般都是±10℃，因此取量化因子ke为3/10。

根据实际系统和反复的实验得出以下模糊规则表：

根据模糊控制规则表和隶属度函数，能够确定

δu1(k)＝g(k)·δu(k)(5)

其中，k为当前时刻，g(k)为当前输出隶属度，g(k)是根据两个输入的隶属度函数和模糊控制规则表得出：

u(k)＝u(k-1)+ku·δu1(k)(6)

其中，u(k)为解模糊输出；

根据u(k)，然后进行数模转换，把模拟信号输给加热器，加热器就会输出一个相应的功率y；

所述步骤(3)中，具体步骤为：

设计其pid控制器，pid控制器输出u，输入是期望温度x1和测量温度x2之间的温度误差e，kp为pid控制器的比例系数，ki为pid控制器的积分系数，kd为pid控制器的微分系数，ti为pid控制器的积分时间，td为pid控制器的微分时间，模拟pid控制器控制规律为：

但是运用于焓差实验室温度控制的一般都是采样控制，系统只能通过采样的偏差值进行判断与控制，设采样周期为t，pid控制器控制规律进行离散处理，得出以下增量式pid公式：

δu(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+ki·e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](8)

u(k)＝u(k-1)+δu(k)(9)

其中，k为当前采样次数：

根据不断的实验的测试，得到当误差e小时，能够使系统稳态误差小于0.05的pid控制器参数。把所得到的参数输入pid控制器中，得出pid控制器的输出u，并且通过数模转换为模拟信号，传输给加热器，最后输出加热器的功率y，从而进行焓差实验室室外侧温度的调节。

所述步骤(3)中，具体步骤为：确定期望温度x1为25℃。通过系统的期望温度x1与测量温度x2的温度误差e进行模糊控制器和pid控制器的切换控制。具体策略如下：

当-0.8≤e≤0.8时，系统选择上文所设计pid控制器，所得到的温度稳定性更强，稳态误差小于0.1℃。

当|e|＞0.8时，系统选择上文所设计的模糊控制器，能够使温度的调节时间缩短，提高焓差实验室工作效率。

本发明的有效收益为：

1.能够缩短控制系统的调节时间，提高焓差实验室的工作效率。

2.能够提高系统的稳定性，减小稳态误差，增强焓差实验室对制冷量和制热量测量的准确度。

3.采用被测机组外机压差作为模糊控制的一个输入量，能够预测一段时刻的温度变化趋势，降低系统的滞后性。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的流程框图。

图3为本发明压差δf的隶属度函数图。

图4为本发明误差e的隶属度函数图。

图5为本发明结果仿真图。

具体实施方式

本发明是基于济南某公司的焓差实验室设计所创造的。

如下，将会结合实际项目和附图对本发明进行进一步说明：

本发明是一种能够在线控制焓差实验室室外侧温度的控制方法，具体操作如下(参照图1和图2)：

步骤1.通过plc从焓差实验室现场采集室外侧温度和空调外机风机的风压，设定焓差实验室室外侧期望温度26℃。算出期望值温度与实际温度误差e，分析误差，得出误差e的范围为[-10,10]℃。用压差传感器测出空调外机风机的压差，根据上述公式(2)得到压差δf。

步骤2.设计模糊控制，通过量化因子ke,kec分别把温度误差e和压差δf量化到{-3，-2，-1,0,1,2,3}的论域中，然后根据上述设计好的隶属度函数(图三为本发明压差δf的隶属度函数图。图四为本发明误差e的隶属度函数图)。和模糊规则表得出相应的模糊控制器输出u1。

步骤3.设计通过测量的误差e，通过上文设计的pid控制器，能得出pid的控制器的输出u2。

步骤4.根据测量的焓差实验室温度误差e，和上述所得出的切换条件，设计出适用于焓差实验室的温度控制的切换控制器(设计的控制器原理框图如图一所示)，当-0.8≤e≤0.8时，系统选择上文所设计pid控制器，所得到的温度稳定性更强，稳态误差小于0.1℃。当|e|＞0.8时，系统选择上文所设计的模糊控制器，能够使温度的调节时间缩短，提高焓差实验室工作效率。得出仿真图(图五为本发明结果仿真图)。

在实际工程中，与普通的pid控制器相比，本控制器的调节时间、稳定性和稳态误差都要优于普通得分pid控制器。