乙二醇機(jī)組的溫度模糊控制器設(shè)計(jì)與仿真

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(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著我國通信行業(yè)和計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，大型通信設(shè)備和計(jì)算機(jī)的需求量急劇增加。這些設(shè)備通常需要工作在恒溫恒濕的條件下，目前我國主要通過機(jī)房專用空調(diào)來滿足這一要求，空調(diào)的用電量很大，占到了機(jī)房總用電量的50%以上，因而存在較大的節(jié)能潛力[1-2]?？茖W(xué)地降低空調(diào)用電，減少資源浪費(fèi)成為節(jié)能的主要手段。

將乙二醇節(jié)能機(jī)組應(yīng)用于機(jī)房的溫度濕度控制可大大降低電能消耗。乙二醇節(jié)能機(jī)組是一種可充分利用自然冷資源降溫節(jié)能的設(shè)備，它利用冬季室外冷源，通過乙二醇泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，將室內(nèi)的熱量傳送到室外[3]。由于它采用乙二醇泵的循環(huán)工作制冷，取代了空調(diào)的壓縮機(jī)制冷，從而大大降低了電能消耗。

目前，我國有一部分企業(yè)已將乙二醇制冷裝置應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)中。如大慶油田在2007年開發(fā)了乙二醇再生系統(tǒng)技術(shù)，內(nèi)蒙古移動(dòng)在機(jī)房使用乙二醇空調(diào)系統(tǒng)，在生產(chǎn)中創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，劉進(jìn)志等以PLC為基礎(chǔ)開發(fā)了乙二醇空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)[4]。在此基礎(chǔ)上，采用模糊PID控制技術(shù)研究了乙二醇機(jī)組的控制策略，取得了良好的控制效果。

1 乙二醇機(jī)組控制系統(tǒng)方案

液體的沸點(diǎn)與兩個(gè)因素有關(guān)：溫度和壓力。故本控制系統(tǒng)包括溫度控制和壓力控制兩部分。

壓力控制方案如圖1所示。在該方案中，壓力傳感器測到的乙二醇管道的壓力值與給定的壓力值的差值輸入到控制器，控制器通過特定的算法用電壓控制變頻器的輸出頻率值，而交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源的頻率成正比，從而變頻器通過改變頻率來改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，交流電機(jī)通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)乙二醇管道中液體的壓力。壓力傳感器檢測到的壓力值與給定的壓力值之間的誤差重新傳送到控制器中，通過改變變頻器的參數(shù)調(diào)整交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終使得檢測到的壓力值與給定壓力值匹配。

溫度控制方案如圖2所示。在該方案中，溫度傳感器測到的室內(nèi)溫度值與給定的溫度值的差值輸入到控制器，控制器通過特定的算法用脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)與電動(dòng)閥連接，通過轉(zhuǎn)動(dòng)控制電動(dòng)閥閥門的開度，進(jìn)而控制管道內(nèi)液體的流量，最終改變室內(nèi)的溫度。溫度傳感器將檢測到的實(shí)時(shí)溫度與給定溫度進(jìn)行比較，差值再次送入控制器，控制器通過步進(jìn)電機(jī)改變管道液體流量，使溫度降低的速度加快或減慢，最終使室內(nèi)溫度與給定溫度匹配。

圖1 壓力控制方案 圖2 溫度控制方案

2 溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)

由于乙二醇機(jī)組的溫度控制存在較大的非線性、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性等因素，普通PID控制器難以獲得很好的控制效果，所以決定采用模糊PID控制來解決這個(gè)問題。

在本次設(shè)計(jì)中，把室溫標(biāo)準(zhǔn)值與當(dāng)前室溫值的差值e和差值變化率ec作為輸入值，輸出值取PID控制器的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd的偏移量，其中Kp控制器的比例系數(shù)，Ki為控制器的積分系數(shù)，Kd為控制器的微分系數(shù)。系統(tǒng)模糊PID控制圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

以誤差變化量e為例，基本論域[-e，e] 中e表征誤差大小的精確量，n是0～e范圍內(nèi)連續(xù)變化的誤差離散化后分成的檔數(shù)。它是構(gòu)成基本論域的元素，一般情況下，檔數(shù)分的越精細(xì)控制效果就會(huì)越好，但是檔數(shù)越高，計(jì)算量就越繁瑣，通常取n=6或7。

本設(shè)計(jì)選取{正大，正中，正小，零，負(fù)小，負(fù)中，負(fù)大}等7個(gè)值來描述輸入變量e和ec以及輸出變量Kp、Ki、Kd的校正量，并簡記為{PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB}。定義誤差變化量e、誤差變化率ec、控制量Kp、Ki、Kd所取的模糊子集的論域?yàn)?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}。選擇Kp、Ki、Kd的論域均也為7級(jí)，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}。

為方便計(jì)算，偏差和偏差變化率的模糊集合采用三角隸屬函數(shù)，由于輸出量的變化范圍較小，為了取得更佳的精確度，選用正態(tài)函數(shù)作為輸出的隸屬度函數(shù)。輸入輸出變量的語言賦值表見表1、表2。

表1 變量系統(tǒng)的偏差e、ec隸屬度表

本設(shè)計(jì)選用Mamdain模糊控制規(guī)則，根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)得出相應(yīng)的控制規(guī)則。本設(shè)計(jì)采用的控制規(guī)則舉例如下：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輸入模糊控制規(guī)則以后，可以通過FIS輸出量曲面觀測窗看到對(duì)應(yīng)于每組輸入量的輸出值。所觀測到的曲面越光滑，說明控制規(guī)則設(shè)計(jì)的越合理，控制效果也就越好。圖4、圖5、圖6為Kp、Ki、Kd對(duì)應(yīng)的曲面圖形。通過圖形可以看出，本設(shè)計(jì)的控制規(guī)則還是比較合理的。

經(jīng)過解模糊算法得到控制系統(tǒng)的控制規(guī)則表3。

表2 變量系統(tǒng)的偏差Kp、Ki、Kd隸屬度表

表3 Kp、Ki、Kd模糊控制規(guī)則表

圖4 系統(tǒng)Kp曲面觀測圖 圖5 系統(tǒng)Ki曲面觀測圖 圖6 系統(tǒng)Kd曲面觀測圖

通過以上建立的模糊控制器，在MATLAB中的Simulink模塊中建立如圖7所示的模糊PID仿真框圖，并把Fuzzy Logic Controller模塊名稱設(shè)置為mhpid，實(shí)現(xiàn)了FIS與SIMULINK的連接。

圖7 系統(tǒng)模糊PID仿真框圖

圖8 模糊PID控制的階躍響應(yīng)圖

對(duì)所建立的模糊PID系統(tǒng)進(jìn)行仿真，取輸入信號(hào)(設(shè)定溫度)為階躍信號(hào)時(shí)，經(jīng)過模糊PID控制器調(diào)試以后得到的響應(yīng)圖如圖8所示。觀察圖形可知，系統(tǒng)上升時(shí)間為0.1 s，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.2 s，沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，無超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)時(shí)沒有靜差，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間短，動(dòng)態(tài)性能比較好。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要以系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量、上升時(shí)間、穩(wěn)態(tài)靜差等幾個(gè)參數(shù)為依據(jù)，分析了溫度模糊PID控制器對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)表明：采用溫度模糊PID控制器后，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能得到了明顯改善，采用乙二醇機(jī)組的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、節(jié)能效果明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]孫研.通信機(jī)房節(jié)能綜合解決方案[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2006(6)：2-7.

[2]楊茂光. 乙二醇空調(diào)在內(nèi)蒙古移動(dòng)節(jié)能改造中的應(yīng)用[J]. 電信技術(shù), 2008(8)：50-51.

[3]黃益?zhèn)? 乙二醇熱回收系統(tǒng)節(jié)能初探[J]. 制冷空調(diào)與電力機(jī)械, 2006,21：51-53.

[4]劉進(jìn)志，智小慧，白美靜. 基于PLC的乙二醇空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械，2011(6): 64-65.