基于Smith的模糊PID控制器对热泵系统过热度的控制

来源:用户上传      作者:赵星凯　张迎

　　摘 要： 蒸发器过热度系统存在大惯性、纯滞后，与制冷循环其他控制回路相互耦合等特点，简单的PID算法并不适合过热度的控制。探讨将模糊智能算法应用于蒸发器过热度的控制中，将模糊控制器与传统PID控制器以并联方式结合，按照一定方法相互配合，实现两个控制器之间的平滑切换;并引入Smith预估补偿机制，消除r滞环节对控制精度的影响，共同对过热度进行控制。通过Simulink仿真对比传统PID和模糊PID控制，其有响应迅速，超调小等明显优势。
　　关键词： 模糊控制; PID; 过热度; Smith预估补偿机制
　　中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2022）10-112-05
　　Fuzzy PID controller based on Smith for heat pump system superheat control
　　Zhao Xingkai， Zhang Ying
　　（College ofinformation and electrical engineering，Shandong Jianzhu University， Jinan， Shandong 250000， China）
　　Abstract： The evaporator superheat system has large inertia， pure lag， and is coupled with other control loops of refrigeration cycle. The simple PID algorithm is not suitable for the control of superheat. The fuzzy intelligent algorithm is applied to the control of evaporator superheat， the fuzzy controller and the traditional PID controller are combined in parallel， and cooperate with each other according to certain methods to realize smooth switching between the two controllers. The Smith prediction compensation mechanism is introduced to eliminate the influence of time lag on the control accuracy and control the superheat together. Compared with the traditional PID and fuzzy PID control by Simulink simulation， it has obvious advantages such as rapid response and small overshoot.
　　Key words： fuzzy control; PID; superheat; Smith prediction compensation mechanism
　　0 引言
　　热泵系统是具有大时滞，强耦合的非线性系统，特别是在温度控制这方面，温度反馈惯性大的特点尤为突出。目前在电子膨胀阀控制器的选择上使用最为广泛的是PID控制器，但由于热泵系统过热度控制大时滞的特点，传统PID难以达到预期的控制效果。太长的响应时间容易引起系统失控，甚至造成系统的损坏，因此，对热泵系统过热度的控制方法做出改进，成为很多学者现阶段研究的重点。
　　基于模糊算法不需要精确数学模型这一特点，陈芝久等人[1]认为把PID算法与模糊算法结合起来，更适合对热泵系统过热度进行控制，此后，许多学者针对模糊算法与PID算法的结合做了大量研究。
　　目前的研究中，模糊算法与传统PID算法按照结合方式不同，大抵分为两类，一类是通过模糊算法直接修正PID控制器各项参数的串联控制;另一类是将模糊控制器与PID控制器并联，共同输出控制信号的并联控制。
　　朱瑞琪[2]分析了对蒸发器过热度进行自适应控制的必要性，以模糊算法与PID控制器串联的方式，实现目标过热度值得自适应控制。张皓[3]等人提出了基于模糊神经网络的PID控制器，很大程度上降低了大时滞、强耦合系统对控制性能指标的影响。
　　基于PID控制器与模糊控制器各自的特点，刘红波等人[4]提出一种模糊PID并联控制器的设计方法。在该结构下，模糊控制器和PID控制器独立作用，能够分别结合模糊控制和PID控制各自的优点，但直接相加两个控制器的输出，会产生过度控制，降低复合控制器的控制精度。针对常规模糊PID双模控制切换时存在的问题 ，李祖欣等人[5]提出了一种根据输入的偏差量和偏差变化率来实现模糊切换的双模控制器。陈猛等人[6]提出了一种改进的模糊 PID双模复合控制器，解决了在两种控制模式之间切换时的阈值选取以及抖动问题。
　　以上各学者对模糊控制与PID的研究各有其优势与特点，但并没有解决热泵系统大时滞等特点造成的响应不及时的问题。时滞的存在会使控制信号必须经历一定是时间的延迟后才能到达目标被控对象，这很可能会引起控制器控制性能的劣化甚至引起输出信号的发散或震荡。
　　Smith预估补偿机制是一种广泛应用于时滞系统的控制方法。其基本原理是预测和补偿时滞系统或被控对象的时滞效应[7-8]。彭章杰等人[9]引入基于空气能热泵的模糊PID算法和Smith滞后补偿互补的控制方式，实验结果证明，引入Smith预估补偿机制后控制器灵敏度大大提高。

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　　在众多学者研究的基础上，笔者通过大量实验数据总结出较为准确的模糊规则，将模糊算法与传统PID算法并联结合，将Smith预估补偿机制引入控制器结构中，大大增强复合控制器迅速响应信号的能力;通过添加部分函数计算，在不同情况下按不同的比例混合模糊控制和PID控制的输出，在保证控制效果的前提下，提升复合控制器的控制精度，加快响应速度实现了两个控制器之间的平滑切换。
　　1 系统分析
　　压缩式热泵系统由压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器等核心部件组成的，其通过电能驱动压缩机将工质蒸汽压缩到与冷凝温度相对应的冷凝压力，是广泛采用的制冷＼热方式。
　　过热度，是指蒸发器膨胀阀的低压侧与出口蒸气之间的温度差。通常将系统调节在5.6℃过热度下工作。
　　在蒸发器出口处制冷剂的过热度等于出口处制冷剂的实际温度与蒸发温度的差值，对蒸发器出口处制冷剂的过热度进行控制的目的主要是：使蒸发器管内制冷剂蒸干点的位置在蒸发器的出口处。如果在蒸发器出口处的制冷剂过热度过高，则表明蒸发器内部的传热面积并没有进行充分的利用，而且使热泵系y的工作效率下降;如果在蒸发器出口处的制冷剂过热度太低，则说明管内的部分液态的制冷剂还没有完全汽化，那么当压缩机吸制冷剂蒸汽时，可能会是液态制冷剂进入压缩机内部，这有损坏压缩机的危险。过热度原理如图1所示。
　　2 控制策略及实现
　　2.1 PID控制原理
　　2.2 PID参数整定
　　2.3 模糊控制器的设计
　　2.3.1 模糊模块的基础参数
　　2.3.2 控制规则与模糊推理
　　3 模糊PID并联控制器的设计与改进
　　3.1 模糊PID并联控制器结构
　　3.2 Smith预估补偿机制
　　4 Matlab仿真及应用
　　5 结束语
　　为了改善和解决由于热泵系统过热度控制的滞后性、强耦合等特点造成的难以精确控制这类问题，本文将模糊控制、Smith预估补偿机制及PID控制三种思想结合，提出了一种基于Smith预估补偿机制的模糊PID控制方法，对热泵系统蒸发器的过热度进行控制。该控制器相较于传统PID控制器和模糊PID控制器，具有响应迅速且超调量小的优势，更适用于过热度控制这类大迟滞的复杂系统。
　　参考文献（References）：
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　　[2] 朱瑞琪，孟建军.蒸发器过热度的自适应控制[J].流体机械，1997（3）：28-30
　　[3] 张皓，高瑜翔，唐军，等.基于T-S型模糊神经网络的内模自适应PID算法研究[J].工业仪表与自动化装置，2021（6）：118-124
　　[4] 刘红波，李少远，柴天佑.一种基于模糊切换的模糊复合控制器及其应用[J].控制与决策，2003，18（5）：615-618
　　[5] 李祖欣，张榆锋，施心陵.一种基于模糊规则切换的双模控制器[C].中国自动化学会西南地区自动化学会年会.中国自动化学会，2002
　　[6] 陈猛，于东.改进的模糊PID双模复合控制器[J].组合机床与自动化加工技术，2020（7）：102-103，108
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　　[8] SALEHIOMRAN A， MODIRNIA R， BOULET B， et al.Optical parametric oscillator longitudinal modes suppression based on smith predictor control scheme. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2014，22（5）：2064-2072
　　[9] 彭章杰，周国鹏，张明，余明.基于Smith-模糊PID的空气能热泵控制系统研究[J].工业控制计算机，2019，32（10）：30-31，34
　　[10] 王卫国，张锁，冯浩.基于PID控制算法的烧结炉温度控制[J].电工技术，2021（8）：1-6
　　[11] 丁晓迪.基于史密斯预估器的时滞系统控制研究[D].江南大学，2016
　　[12] 王静.基于机理和数据单效吸收式制冷系统混合建模方法[D].山东建筑大学，2018

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