燃?xì)鈾C(jī)熱泵變?nèi)萘靠刂品抡?/h1>

2011-05-10 06:27:36王明濤

天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)訂閱 2011年3期 收藏

關(guān)鍵詞：階躍模糊控制熱泵

王明濤，楊 昭

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

燃?xì)鈾C(jī)熱泵變?nèi)萘靠刂品抡?/p>

王明濤，楊 昭

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

為了設(shè)計燃?xì)鈾C(jī)熱泵的變?nèi)萘靠刂破鳎媒⒌姆抡婺Ｐ?，通過仿真實驗對串級模糊控制和串級 PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)過程進(jìn)行了研究.串級控制系統(tǒng)的主回路分別采用模糊控制和PID控制，比較分析了兩種控制策略在不同工況下的控制效果，以及它們克服干擾的效果.仿真結(jié)果表明：同串級 PID 控制相比，串級模糊控制具有超調(diào)量少、系統(tǒng)輸出比較平緩及達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間短的優(yōu)點；串級控制可以有效地克服系統(tǒng)的干擾，提高控制質(zhì)量.

燃?xì)鈾C(jī)熱泵；變?nèi)萘浚淮壙刂?；模糊控?/p>

燃?xì)鈾C(jī)熱泵是一種節(jié)能環(huán)保的新型熱泵空調(diào)裝置[1-2].燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)可以通過變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行變?nèi)萘空{(diào)節(jié)[3].實現(xiàn)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)需要與其相對應(yīng)的控制策略來實現(xiàn)燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行.隨著控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)很多的控制策略[4]，如PID控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等.每種策略有其自身的特點，適應(yīng)于不同的場合.燃?xì)鈾C(jī)熱泵是一個非線性、大延遲、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，很難獲得系統(tǒng)的精確模型[5].模糊控制的優(yōu)點是可以在不清楚系統(tǒng)精確模型的情況下進(jìn)行有效控制[6].

筆者提出串級模糊控制策略來實現(xiàn)燃?xì)鈾C(jī)熱泵的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)，主回路控制系統(tǒng)的出水溫度，副回路控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速.采用串級控制，可以有效地克服干擾，提高燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的控制質(zhì)量.

1 串級控制器的設(shè)計

圖 1是燃?xì)鈾C(jī)熱泵供熱系統(tǒng)示意.本系統(tǒng)由一個燃?xì)獍l(fā)動機(jī)帶動一套壓縮式熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)可以供熱或供冷，收集發(fā)動機(jī)的廢熱可以提供生活熱水或者防止蒸發(fā)器結(jié)霜.通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)節(jié)氣門調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變熱泵系統(tǒng)的供熱負(fù)荷.制冷工況和熱泵工況類似，筆者以熱泵工況為例，介紹燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的變?nèi)萘靠刂?

圖1 燃?xì)鈾C(jī)熱泵供熱系統(tǒng)示意Fig.1 Heating system diagram of heat pump of gas engine

圖2 燃?xì)鈾C(jī)熱泵串級控制原理示意Fig.2 Cascade control schematic diagram of heat pump of gas engine

單回路反饋控制系統(tǒng)一般情況下都能滿足正常生產(chǎn)的要求[7].燃?xì)鈾C(jī)熱泵是一個非線性、大延遲、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，對像燃?xì)鈾C(jī)熱泵這樣的大容量滯后系統(tǒng)，負(fù)荷和干擾比較頻繁，這種方法就不太有效.筆者試圖采用串級控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量.

對燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)而言，發(fā)動機(jī)的反應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的供水溫度的變化速度[8].當(dāng)由于制冷劑流量、燃?xì)鈮毫Φ犬a(chǎn)生擾動時，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)常發(fā)生變化，末端的供水溫度系統(tǒng)不能立即感知，直到經(jīng)過較大的容量滯后供水溫度改變時，系統(tǒng)控制作用才開始反應(yīng)，而為時已晚，從而造成末端供水溫度的波動.為此可以增設(shè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速作為另一個被控參量，構(gòu)成一個串級控制系統(tǒng)，主控制器的輸出為副控制器的設(shè)定值，由副控制器的輸出去控制發(fā)動機(jī)節(jié)氣門.系統(tǒng)的控制原理如圖2所示.

1.1 主回路控制

主回路是一個定值控制系統(tǒng).主回路分別采用增量 PID和模糊控制，并對二者的控制效果進(jìn)行比較.溫度偏差的基本論域為 E[-6，6]，偏差變化率 Ec的基本論域[-6，+6]，外環(huán)轉(zhuǎn)速設(shè)定值的基本論域 Vs為[-10，+10]，語言隸屬函數(shù)選擇三角形.模糊控制利用Matlab的Simulink工具箱實現(xiàn).根據(jù)模糊控制規(guī)則，利用 Mamdina的最大-最小法進(jìn)行推理，清晰化過程使用最大隸屬度法[9-10]，結(jié)果見表1.

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Rules of fuzzy control

1.2 副回路控制

副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，主回路的轉(zhuǎn)速輸出為副回路的轉(zhuǎn)速設(shè)定值輸入.在燃?xì)鈾C(jī)熱泵串級控制系統(tǒng)中，副控制器可以有效克服副回路的擾動.當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速擾動出現(xiàn)時，副控制器通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的節(jié)氣門，使發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，或者變化很小，從而供水溫度也可以保持基本不變.

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速反應(yīng)較快，副回路采用增量PID控制[11]，用步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速.

2 系統(tǒng)控制模型

為比較串級PID控制和串級模糊控制器的控制性能，用Matlab中的 Simulink建立了燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)控制仿真模型[12-13]，對控制對象進(jìn)行仿真研究.

圖3 燃?xì)鈾C(jī)熱泵控制系統(tǒng)模型Fig.3 Control system model of heat pump of gas engine

燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)控制模型見圖3，分別有主回路控制模型、副回路控制模型和發(fā)動機(jī)子系統(tǒng)控制模型；分別建立了PID主控制器模型和模糊主控制器模型，便于對二者的控制效果進(jìn)行比較；發(fā)動機(jī)子系統(tǒng)控制模型的具體內(nèi)容見圖4，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快，副控制采用簡單的PID控制節(jié)氣門開度來控制轉(zhuǎn)速.

通過逐次逼近法，分別整定副回路控制器參數(shù)、主回路控制器參數(shù)，整定過程主要有4個步驟[14].

(1) 主回路開環(huán)，按照單回路控制系統(tǒng)整定方法，整定副控制器參數(shù).

(2) 主回路閉環(huán)，保持整定的副控制器參數(shù)整定主控制器參數(shù).

(3) 在主回路閉環(huán)的條件下，重新整定副控制器的參數(shù).

(4) 與預(yù)定的控制精度做比較，控制效果達(dá)不到要求則重復(fù)上面的步驟，否則結(jié)束參數(shù)整定.

圖4 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型Fig.4 Speed control model of engine

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果與討論

將初始供水溫度設(shè)定為43,℃，目標(biāo)供水溫度設(shè)定為45,℃.單回路和串級控制的階躍響應(yīng)如圖5所示.在1,500,s時，突加一個200,r/min的轉(zhuǎn)速干擾，串級控制可以取得很好的響應(yīng)，經(jīng)過500,s后基本達(dá)到穩(wěn)定.而單回路控制出現(xiàn)很大的超調(diào)，并且經(jīng)過超過2,000,s還達(dá)不到穩(wěn)定值.從圖中可以看出串級控制系統(tǒng)的副控制器可以很好地克服發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的干擾.

圖5 單回路控制與串級控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)Fig.5 Step responses of single-loop control system and cascade control system

串級模糊控制與串級 PID控制的階躍響應(yīng)圖如圖 6所示.初始水溫為 43,℃，當(dāng)出水溫度突然設(shè)置45,℃，串級 PID 控制有較大的超調(diào)，響應(yīng)速度較快；模糊控制出水溫度變化比較緩和，但是存在穩(wěn)態(tài)誤差.在 1,200,s突加一個 200,r/min的干擾，二者都可以有效地克服干擾，沒有出現(xiàn)大的超調(diào)，經(jīng)過400,s又重新回到穩(wěn)態(tài).從圖 6中可以看出串級模糊控制的效果要好一些.

圖6 串級模糊控制與串級PID控制階躍響應(yīng)Fig.6 Step responses of cascade fuzzy control and cascade PID control system

圖7為主回路采用PID控制時，參數(shù)變化對系統(tǒng)供水溫度的階躍響應(yīng).從圖 7中可以看出串級控制的主回路采用PID控制方式時，比例系數(shù)Kp、積分系數(shù) Ki和微分系數(shù) Kd對系統(tǒng)輸出響應(yīng)過程有著不同的影響.增大 Kp，能加快系統(tǒng)的響應(yīng)，但是過大的 Kp會使系統(tǒng)超調(diào)增加；增大 Ki有利于減少振蕩，但是穩(wěn)定時間變長.

圖8為主回路采用模糊控制時，參數(shù)變化對系統(tǒng)供水溫度的階躍響應(yīng).隨著Ke增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但超調(diào)變大，Ke過大會出現(xiàn)振蕩.由于確定了模糊論域，增大 Ke，基本論域[-x，x]縮小，降低了誤差控制的靈敏度，從而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定.Kec對系統(tǒng)的響應(yīng)過程的影響比 Ke?。辉黾?Ku，增加系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但同時也會產(chǎn)生超調(diào).由圖 8可以看出，Ke和 Ku對系統(tǒng)的影響更大一些.

圖7 主回路PID控制的階躍響應(yīng)Fig.7 Step responses of main loop using PID control

圖8 主回路模糊控制的階躍響應(yīng)Fig.8 Step responses of main loop using fuzzy control

圖 9為主回路使用 PID控制，初始溫度分別為46,℃、42,℃、43,℃、45,℃，目標(biāo)溫度分別為 43,℃、45,℃、46,℃、43,℃，在 1,500,s 突加一個 200,r/min 的干擾，4種不同工況下的階躍響應(yīng)曲線.從圖 9中可以看出，在不同的工況下，均表現(xiàn)出良好的響應(yīng)特性.圖10是主回路使用模糊控制，4種不同工況下的階躍響應(yīng)曲線.同串級 PID控制相比，串級模糊控制具有超調(diào)量少，系統(tǒng)輸出比較平緩，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間短的優(yōu)點；串級控制可以有效地克服系統(tǒng)的干擾，提高控制質(zhì)量.

圖9 不同工況下主回路PID控制的階躍響應(yīng)Fig.9 Step responses of main loop using PID control under Fig.9 different working conditions

圖10 不同工況下主回路模糊控制的階躍響應(yīng)Fig.10 Step responses of main loop using fuzzy control Fig.10 under different working conditions

4 結(jié) 論

(1) 通過比較串級 PID和串級模糊控制應(yīng)用于燃?xì)鈾C(jī)熱泵變?nèi)萘靠刂频捻憫?yīng)曲線發(fā)現(xiàn)串級模糊控制具有更好的響應(yīng)特性.

(2) 由于串級模糊控制同時具有串級控制和模糊控制的優(yōu)點，在燃?xì)鈾C(jī)變?nèi)萘靠刂浦斜憩F(xiàn)出良好的響應(yīng)特征，并且可以有效地克服干擾，提高了燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的控制質(zhì)量.

(3) 在燃?xì)鈾C(jī)熱泵控制系統(tǒng)中，不同的參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響不同，對參數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)不同的系統(tǒng)要求和工況確定.同串級 PID控制相比，串級模糊控制具有超調(diào)量少、系統(tǒng)輸出比較平緩及達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間短的優(yōu)點；串級控制可以有效地克服系統(tǒng)的干擾，提高控制質(zhì)量.

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Simulation on Variable Capacity Controller of Heat Pump of Gas Engine

WANG Ming-tao，YANG Zhao
(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to design the variable capacity controller of the heat pump of gas engine, the dynamic response process to cascade fuzzy control and cascade PID control system has been researched using established simulation model. The performances of the cascade fuzzy control and the cascade PID control under different working conditions were compared and their abilities to overcome the interference were analyzed. It was showed that cascade fuzzy control gave a better performance such as lower overshoots temperature, more stable output and reduced action time than the cascade PID control. The cascade control strategy can suppress the disturbance effectively, and improve the control quality.

heat pump of gas engine；variable volume；cascade control；fuzzy control

TK323

A

0493-2137(2011)03-0272-05

2009-11-12；

2010-05-07.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2007AA05Z223)；教育部博士點基金資助項目(200800560041)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51076112).

王明濤（1983— ），男，博士研究生，wmtwxw2002@yahoo.com.cn.

楊 昭，zhaoyang@tju.edu.cn.

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