基于智能控制技术的换热器控制系统研究Word格式文档下载.docx
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关键词:
热交换器;
模糊控制;
智能积分;
Smith预估控制;
仿真
中图分类号:
TP273+.4文献标识码:
B文章编号:
1001?
5531(2007)24?
0005?
05夏远(1981!
),男,硕士研究生,研究方向为智能建筑。
ResearchonHeatExchangerControlSystemBasedon
IntelligentControlTechnology
XIAYuan,CHENGDazhang
(CollegeofElectronicandInformationEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:
Heatexchangersarewidelyappliedinthefieldofarchitecturalengineeringandindustrialprocess.Effectivecontroloftheoutputmediumtemperatureisanimportantconditionofensuringhighquality,energysavingandsafetyintheprocesscontrolsystemofheatexchanger.Therefore,thecontrolofoutputwatertemperatureofheatexchangerisakeyissueinindustrialprocesscontro.lThemainpartsoftheoutputwatertemperaturecontrollerofheatexchangerswereimproved,andanintelligentintegralfuzzycontrollerbasedonself?
adjustmentandweightedfactorwasproposed.Inaddition,theSmithpredictedcontroltechnologywasintroducedinthecontrolsystem.Thesimulatedexperimentdemonstratedthatthiscontrolsystemnotonlyimplementedthecontrolofoutputwatertemper?
atureofheatexchangersuccessfully,butalsoachievedanexcellentstaticanddynamicperformanceofthecontrolsystem.
Keywords:
heatexchanger;
fuzzycontro;
lintelligentintegra;
lsmithpredictedcontro;
lsimulation
0引言
换热器是一种用来进行热量交换的工艺设
备,其介质的出口温度是最主要的控制对象,也是
关系工艺产品质量的重要因素之一。
目前,对温
度的控制大都采用传统的PID调节器。
但是,由
于换热系统的被控对象具有纯滞后、大惯性的特
点,而且整个控制过程与环境条件及换热系统本
身等因素密切相关,是一个典型的非线性系统,传
统的PID控制往往不能满足其静态、动态特性的要求,因此,采用一种先进的控制方法对其进行控制显得尤为重要。
本文将智能模糊控制应用于换热器过程控制,并针对换热器系统具有的大时滞特性,引入Smith预估控制技术,取得了令人满意的控制效果。
1换热器的特性本文讨论的换热器其两侧介质(工艺介质和载热体)在换热过程中都没有相变化。
图1所示为一个逆流单程的换热器,其中G1为工艺介质的
程大章(1951!
),男,教授,从事智能控制与城市信息化领域的研究教学和工程实践。
!
5!
低压电器(2007?
24)现代建筑电气篇
楼宇自动化
性的内在性质。
2基于修正因子自调整的智能积分模糊控制器的设计
图1换热器模型
常规的模糊控制器有很多不完善的地方,为了提高模糊控制器的适应能力,本文对模糊控制器做了以下改进,设计了基于自调整修正因子的智能积分模糊控制器。
2.1归一模糊量化
该控制器采用归一模糊量化的方法。
采用归一化模糊量化的主要步骤可分为归一化处理和分挡模糊化。
设e(n)和ec(n)分别为nT时刻系统的误差及误差变化,T为采样周期。
通过计算e/r及ec/r可实现误差e及变化率ec归一化,其中r为系统的设定值,将比值e/r和ec/r在[0,1]闭区间内分成若干等级,则成为分挡模糊化。
通过分挡模糊化操作可以获得误差E和误差变化EC的模糊化值。
该系统中,误差集合E(e)、误差变化率集合EC(ec)均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}
取归一模糊量化得到的E和EC为
6sign(e)|e/r|#0.75sign(e)|e/r|#0.4
4sign(e)|e/r|#0.2E=
3sign(e)|e/r|#0.12sign(e)|e/r|#0.051sign(e)|e/r|#0.020|e/r|&
lt;
0.
026sign(ec)5sign(ec)4sign(ec)
EC=
3sign(ec)2sign(ec)
|ec/r|#0.3|ec/r|#0.2|ec/r|#0.12|ec/r|#0.08|ec/r|#0.05
流量,G2为载热体的流量。
T1、iT2i分别为工艺介质及载热体的入口温度,T1o、T2o分别为工艺介质及载热体的出口温度,c1、c2分别为工艺介质与载热体的比热容。
当换热器两侧介质都不发生相变化,尤其是流速较慢时,液相传热一般均为分布参数对象。
分布参数对象中的变量既是时间的函数,又是空间的函数,其变化规律需用偏微分方程来描述。
有时为了能说明传热对象的动态特性的基本规律,也可近似应用一些经验公式来加以描述。
对于换热器的动态特性,可以用下面的近似关系式来表示。
(1)工艺介质入口温度对其出口温度的影响,即?
T1i?
T1o通道特性。
如用传递函数来描述,可表示为
G(s)=K1e
-WsG1
=K1e
-?
s
(1)
=W1/G1
式中K1!
!
通道的静态放大倍数
W1!
换热器内工艺介质存储量
工艺介质在换热器内的停留时间
(2)载热体入口温度T2i、流量G2以及工艺介质流量G1对工艺介质出口温度T1o的影响,即T2i?
T1o、G1?
T1o、G2?
T1o3个通道的特性。
如用传递函数来描述,可近似表示为
sG(s)=e2
(?
1s+1)(?
2s+1)
(2)
W1/G1+W2/G2?
1=
2?
2=
W1/G1+W2/G2
8
1sign(ec)|ec/r|#0.020|ec/r|&
02
2.2基于修正因子自调整的解析模糊控制规则带自调整修正因子的模糊控制规则实质上是
一种规则因子自调整的自适应模糊控制器,根据系统的运行情况连续调整修正因子,实现对被控对象的灵活调整,达到改善系统输出响应的目的。
对于双输入、单输出模糊模型结构所涉及的3
式中K!
通道静态放大倍数
W1、W2!
工艺介质和载热体的存储量式
(2)为一个近似的经验表达式,因为二阶环节的两个时间常数?
1、?
2不仅取决于两侧流体的停留时间,而且与列管的厚度、材质、结构等情
况有关。
但是,式
(2)还是能描述换热器动态特!
6!
现代建筑电气篇
个语言变量是误差E、误差变化率EC和控制量的变化U。
模糊规则模型的解析描述为
U=?
E+(1-)EC%(3)
其中,&
amp;
%?
表示在控制量U的论域中取最相近的整数。
=k|e/r|(4)
式中,([0,1],称为规则因子或修正因子或加权因子,也就是误差的权重系数;
k、p为待定控制参数。
通过设置合理的k、p值,修正函数可以根据偏差e的变化,灵活地调整模糊控制规则。
pk、p值大小的影响:
修正因子=k|e/r|,当
p一定时,如果k值过小,过小,使E的作用减弱,对快速性不利。
当k增大时,一方面,增大,即E的加权值增大,从这个角度来说,对快速性有利;
另一方面,增大,(1-)减小,EC、E的加权值之比(1-)/减小(&
1),即EC的作用相对减弱,对抑制超调量不利。
此时为了兼顾超调量,在控制量的精确值u=u0+?
u中,?
u的比例因子Ku相对于k值较小时要取得小些,Ku减小又使快速性下降,从这个角度上说,k值不宜选择过大。
为使误差初值较大时,加速响应过程,一般取k#1。
当参数p&
1时,修正函数值随偏差递增较快,偏差E的控制作用相对增强;
反之,当p&
gt;
1时,偏差变化EC的控制作用加强,p值越大其作用越强。
通常p([0.5,3]。
2.3智能积分环节
2.3.1智能积分原理
为了消除基本模糊控制器的稳态误差问题,提高模糊控制的性能,常见的解决方法是在模糊控制中引入积分环节。
智能积分(IntelligentInte?
gra,lII)充分考虑系统运行时的不同动态特征,只在某些状态施加积分控制,并且积分的方向根据当前的需要而不同,即根据动态系统的模式特征采取相应的积分策略。
引入智能积分有两个目的:
一是提高控制精度,消除稳态误差;
二是在一定程度上提高系统响应的快速性,改善系统输出响应。
由智能积分的原理结合对典型系统阶跃响应动态过程特征信息的分析,将阶跃响应曲线分成几个不同阶段,分析积分作用对系统的影响,引入智能积分的控制策略归纳如下:
(1)当e?
ec或ec=0且e)0时,对误差进p行积分。
(2)当e?
ec或e=0时,不对误差进行积分。
2.3.2在模糊控制系统中引入智能积分环节的方案在模糊控制系统(FuzzyControlSystem)中引入智能积分控制器(简称II?
Fuzzy控制器)。
根据引入智能积分的条件,控制系统结构框图如图2
所示。
图2II?
Fuzzy控制系统前面提到的引入积分器的条件是在比较理想的情况下分析得到的结果,在模糊控制的实际应用中有可能系统根本就没有超调。
考虑到常规模糊控制虽然有稳态误差,但稳态误差都不是很大的特点,而且引入积分的作用就是减小或消除误差,所以完全可以采用e或者ec作为引入积分的条件,使系统得到简化。
本文采用的积分器靠误差e来控制,条件开关由误差e来控制&
开?
或者&
关?
即当e#a时,积分器关;
当e&
a时,积分器开。
其中a为误差变化的设定值。
关于a值的选取,可总结出一个规律:
在常规模糊控制稳态误差比较小的情况下,若a的值比较大,则引入积分器的时间比较早,反之,引入积分器的时间比较晚。
引入积分器的作用是消除稳态误差,因而,不宜引入积分器的时间过早,以免使得积分饱和。
a的值必须满足?
e?
|a|&
1。
条件|a|#?
e是为了模糊
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- 基于 智能 控制 技术 换热器 控制系统 研究
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