基于改進PID的供暖閥門直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計

徐 濤, 劉新宇, 王學(xué)鵬

(沈陽航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，熱電聯(lián)網(wǎng)供暖系統(tǒng)的應(yīng)用前景引起廣泛關(guān)注。用戶按照房屋面積定期向供暖公司交付費用，實現(xiàn)分戶供暖[1-2]。然而這種集中供暖的方式下，用戶不能按照自身期望來設(shè)定屋內(nèi)所需溫度，而且無法實時監(jiān)測當(dāng)前室內(nèi)溫度以及累計使用的熱力費用[3-4]。不僅如此，傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)缺乏閉環(huán)，供熱公司也無法及時得到用戶的反饋，控制存在滯后現(xiàn)象。

智能化的溫度控制引起了學(xué)者們的廣泛研究[5-7]。針對供暖公司無法根據(jù)溫度控制閥門的問題，馬靜等[5]提出了單片機結(jié)合SIM卡模塊共同作為供暖閥門的控制端，用戶需要通過使用移動端發(fā)送短消息的方式來獲取屋內(nèi)的當(dāng)前溫度，并根據(jù)當(dāng)前溫度，以短消息的方式控制家中的電子閥門。魯添祎等[6]提出利用單片機控制無線傳輸模塊nRF905，并由上位機接收并處理數(shù)據(jù)。然而隨著通信次數(shù)的增加，若采用短消息獲取信息的方式，用戶需要承擔(dān)高額的通信費用，且移動端短消息不方便老人使用。

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)給供暖行業(yè)提供了一種新的解決思路，即每戶獨立并可以一對一控制，最終實現(xiàn)高效、智能化的自動控制。

傳統(tǒng)的PID控制[8](即比例、積分、微分控制)具有操作簡便、可使用性強、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。然而在實際的工程應(yīng)用中，由于經(jīng)驗不足，其耗時較長。近年來，研究人員提出了很多改進PID整定參數(shù)的方法[9-13]，如模糊PID、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)PID等。蔡滿軍等[12]針對電機受到擾動影響的問題，提出了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)PID的控制方法，定義具有PID參數(shù)的神經(jīng)元，提高了系統(tǒng)的跟蹤性。然而此類算法需要充足的先驗知識，很難應(yīng)用于實際控制。

為解決以上傳統(tǒng)供暖控制存在的問題，本文提出了一種基于改進PID的供暖閥門直流電機控制系統(tǒng)。電機控制性能指標(biāo)的高低會影響整個控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用能力，將遺傳算法引入控制器參數(shù)整定，提高參數(shù)優(yōu)化效果，同時結(jié)合遠距離無線電(LoRa)模塊建立用戶室內(nèi)的插座、供暖戶閥門以及供熱公司三者之間的信息交互。最終用戶可以監(jiān)測到屋內(nèi)的實時溫度并設(shè)定期望值，同時供熱公司也可以隨時獲取用戶屋內(nèi)溫度等信息，并根據(jù)用戶的需求進行控制。試驗表明，此套控制系統(tǒng)可以對戶閥旋轉(zhuǎn)的角度進行精確控制，提高系統(tǒng)的整體工作效率，有利于推動新型供暖控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

用戶室內(nèi)溫度、累計熱力費用等數(shù)據(jù)通過LoRa傳輸至戶閥處，戶閥在接收到數(shù)據(jù)后通過485總線發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)。同時供熱公司也可以根據(jù)ModBus協(xié)議通過云平臺發(fā)送控制指令控制戶閥進而控制用戶屋內(nèi)的溫度。供暖閥門采用直流電機進行控制，利用改進的PID算法使電機控制精度更加準(zhǔn)確。新型供暖控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 新型供暖系統(tǒng)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個控制系統(tǒng)硬件部分分為測溫插座系統(tǒng)和供暖閥門系統(tǒng)。

測溫插座系統(tǒng)包括一個微控制器(STC8A8K64D4)，一個溫度傳感器(SHT30)，一塊LCD顯示屏(ST7539)，一個存儲芯片(BL24C256)，一個物聯(lián)網(wǎng)收發(fā)器(LoRa)以及三個按鈕，并由220 V供電電壓經(jīng)過變壓器(LS03-13B03R3)降壓供電使用。

供暖閥門系統(tǒng)包括一個微控制器(STC8A8K64D4)，一個溫度傳感器(PT1000)，一個角度傳感器(SV03A103)，一個電機驅(qū)動芯片(HR9110S)，一個存儲芯片(BL24C256)，一個物聯(lián)網(wǎng)收發(fā)器(LoRa)，一個485通信接口(SIT3485)，三個LED指示燈，并由24 V電源經(jīng)過降壓芯片(MP1584EN)降為5 V與3.3 V供電使用。

系統(tǒng)中插座和閥門分別安裝了一個溫度傳感器。其中插座上配的是SHT30溫度傳感器，該傳感器的測溫范圍能達到-40～+125 ℃，精度為0.2 ℃。該種溫度傳感器體積小,便于安裝在插座模具中，用來采集屋內(nèi)的實時溫度。閥門上配的是PT1000溫度傳感器，該種傳感器可將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號，主要用于工業(yè)過程中溫度參數(shù)的測量和控制。本系統(tǒng)選取PT1000b型溫度傳感器，其測溫范圍為-50～+300 ℃，精度為0.2 ℃。用于采集供暖閥門中的回水溫度，便于供熱公司進行監(jiān)測。新型供暖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 新型供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)新型供暖控制系統(tǒng)各部分功能來設(shè)計子程序，并通過C語言編程實現(xiàn)。各模塊程序初始化后，將默認(rèn)值保留在存儲芯片，用戶屋內(nèi)插座的數(shù)據(jù)每隔一天會通過LoRa更新到戶閥處。供熱公司可以通過ModBus協(xié)議發(fā)送讀寫指令，通過讀寫指令，供熱公司可以獲取所需信息并進行控制，控制過程引入遺傳算法對控制器參數(shù)進行整定。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

2 PID控制器

2.1 傳統(tǒng)PID

傳統(tǒng)的PID控制具有算法簡單、可靠性強等特點。PID控制本質(zhì)上是一種偏差控制，其中比例控制可以加快系統(tǒng)響應(yīng)，但是存在穩(wěn)態(tài)誤差；積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差；微分控制可以減小尖峰[8]。本文中供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

具體PID公式為

r=KP*e(k)+KI*∑e(k)+

KD*[e(k)-e(k-1)]

(1)

其中：

e(k)=θset_value-θcurrent_value

(2)

式中：θset_value為設(shè)定角度值；θcurrent_value為當(dāng)前實際角度值;e(k)為本次偏差；e(k-1)為上一次偏差；∑e(k)為e(k)以及之前的偏差累計和(k=1,2,3,…,k)；KP、KI、KD分別為比例、積分及微分控制調(diào)節(jié)系數(shù)；r為輸出。

2.2 遺傳算法改進PID

遺傳算法通過編碼技術(shù)構(gòu)造一個可尋找最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，并建立一個適應(yīng)度函數(shù)[13]。隨機生成自定義大小的初始種群，接著對目標(biāo)種群進行復(fù)制、交叉、變異、篩選。通過數(shù)據(jù)多次的迭代，最終得到數(shù)據(jù)當(dāng)中的最優(yōu)參數(shù)值作為目標(biāo)問題的結(jié)果。

在實際供暖閥門里，傳統(tǒng)PID控制往往存在系統(tǒng)超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長等問題，這使得系統(tǒng)耗電增加。因此選用遺傳算法對PID進行改進。通過遺傳算法整定PID參數(shù)的具體流程圖如圖5所示，具體步驟如下。

圖5 遺傳算法流程圖

步驟1：確定待整定參數(shù)以及種群的參數(shù)和約束范圍。根據(jù)參數(shù)的物理意義、實際應(yīng)用環(huán)境的考量以及試驗的經(jīng)驗確定PID控制的系數(shù)KP、KI、KD取值范圍。根據(jù)實際情況確定群體大小M、遺傳代數(shù)Kg、交叉概率PC、變異概率Pm和權(quán)值w1、w2、w3、w4的大小。

步驟2：確定編碼和解碼方法。遺傳算法對PID參數(shù)尋優(yōu)，需要對其進行編碼。本文選擇無符號的二進制數(shù)進行編碼，每一個PID參數(shù)對應(yīng)10位二進制數(shù)，共 30 位，依次為KP、KI、KD。

步驟3：建立優(yōu)化模型，得到個體評價方法，即確定個體適應(yīng)度函數(shù)。采用誤差絕對值時間積分性能指標(biāo)作為參數(shù)，選擇最小目標(biāo)函數(shù)。利用該目標(biāo)函數(shù)獲取期望過渡過程較好的動態(tài)特性。同時，為了設(shè)置控制量閾值，在目標(biāo)函數(shù)中加入控制輸入的平方項。最后的指標(biāo)公式為

(3)

式中：e(t)為系統(tǒng)誤差；u(t)為系統(tǒng)輸出；tu為上升時間。

不僅如此，為防止系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，將超調(diào)量作為最優(yōu)指標(biāo)的一項，通過采取遺傳算法內(nèi)的懲處功能來解決。如果e(t)<0，則最優(yōu)指標(biāo)為

(4)

式中：w4>w1。

步驟4：交叉和變異，最終擇優(yōu)選擇。

3 角度控制算法設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 電機角度控制模型

采用大減速水泵直流電機，便于克服供暖系統(tǒng)中的水流沖擊，通常其轉(zhuǎn)矩與電樞繞組通過的電流大小和磁場強度成正比。磁場強度一定時，轉(zhuǎn)子和軸可以默認(rèn)是不變的[14]。由牛頓第二定律和基爾霍夫電壓定律，可以得到：

(5)

參數(shù)的具體值如表1所示。

表1 直流電機參數(shù)值

通過拉普拉斯變換在零初始條件下可以得到控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

(6)

根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在Simulink軟件里搭建直流電機角度控制模型，并通過示波器觀察調(diào)節(jié)后的曲線，模型如圖6所示。

圖6 Simulink搭建直流電機角度控制模型

3.2 角度控制流程

閥門系統(tǒng)中安裝了SV03角度采集模塊，用于采集電機旋轉(zhuǎn)中的實時角度。閥門上電的初始角度值存儲在片外帶電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)內(nèi)，供熱公司可以通過ModBus讀寫指令進行角度的讀取與控制。具體控制過程如下：

(1) 獲取期望角度目標(biāo)值，由DTU通過485總線根據(jù)ModBus協(xié)議下發(fā)得到；

(2) 經(jīng)由角度傳感器采集實際的角度；比較目標(biāo)值與測量值并得到偏差，送入PID子程序進行計算；

(3) PID控制器計算輸出，根據(jù)輸出值控制輸出給驅(qū)動的信號；

(4) 驅(qū)動放大控制信號然后輸出給電機，實現(xiàn)電機的控制。

角度控制算法流程圖如圖7所示。

圖7 角度控制算法流程圖

4 仿真與實物

4.1 仿真結(jié)果

將遺傳算法改進PID控制器應(yīng)用于電機控制系統(tǒng)，選取目標(biāo)群體值M=50，遺傳代數(shù)Kg=200, 交叉概率PC=0.9，權(quán)值分別為w1=0.999、w2=0.001、w3=2、w4=100,編寫遺傳算法程序，并進行仿真，從而得到優(yōu)化后的PID參數(shù)，比例系數(shù)KP=0.607、積分系數(shù)KI=0.04、微分環(huán)節(jié)KD=1，性能指標(biāo)的優(yōu)化過程如圖8所示。

圖8 性能指標(biāo)優(yōu)化仿真結(jié)果

采用改進PID整定參數(shù)后，電機從0°經(jīng)過目標(biāo)角度為30°、90°時的仿真圖如圖9和圖10所示。結(jié)果表明，本文所提系統(tǒng)控制速度快，調(diào)節(jié)時間較短，可以對電機位置達到良好的控制效果。

圖9 目標(biāo)角度為30°時PID仿真結(jié)果

圖10 目標(biāo)角度為90°時PID仿真結(jié)果

同時，將傳統(tǒng)PID整定方法應(yīng)用到直流電機控制模型中,與遺傳算法改進PID整定參數(shù)方法進行對比，將目標(biāo)角度設(shè)為30°，結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，相比于傳統(tǒng)PID，本文通過引進遺傳算法改進的PID算法減小了系統(tǒng)帶來的超調(diào)量，明顯縮短了調(diào)節(jié)時間，電機可以更快達到目標(biāo)角度，使系統(tǒng)節(jié)能并提高了整個系統(tǒng)的實用性與快速性。

圖11 仿真對比結(jié)果

4.2 測溫插座裝置

測溫插座裝置上設(shè)有加、減以及翻頁等三個功能按鍵，通過按鍵可以顯示如下四個信息：當(dāng)前屋內(nèi)實時溫度值、用戶設(shè)定的溫度值、用戶累計使用的費用值、以及當(dāng)前的LoRa地址。插座裝置外部實物圖如圖12所示。

圖12 插座裝置外部實物圖

4.3 供暖閥門裝置

供暖閥門內(nèi)部由電源板、主控板和電機三者構(gòu)成，裝配到模具后帶動閥門進行轉(zhuǎn)動。供暖閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖13(a)所示,供暖閥門整體結(jié)構(gòu)圖如圖13(b)所示。

圖13 供暖閥門裝置

4.4 云端DTU界面

供熱公司按照協(xié)議下發(fā)標(biāo)準(zhǔn)ModBus指令來實現(xiàn)控制作用。操作人員可以通過讀取指令實時監(jiān)測到閥門開度、用戶屋內(nèi)溫度等信息，并可以通過寫指令來進行控制。

5 結(jié) 語

本文提出了一個基于遺傳算法的改進PID控制器，將其應(yīng)用到供暖閥門直流電機控制系統(tǒng)，并結(jié)合LoRa模塊與485總線成功地實現(xiàn)了用戶、閥門、供熱公司之間的信息交互。試驗表明，本文改進的PID控制器在供暖閥門電機控制系統(tǒng)的應(yīng)用中響應(yīng)時間快且超調(diào)量小，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可以有效保證閥門開度的快速性，減小功耗，具有一定的使用價值。