趙星凱 靳趙鈺 楊東潤 張 迎 孫 梅 劉忠晨
(山東建筑大學(xué),山東 濟(jì)南 250000)
2020 年9 月22 日,第75 屆聯(lián)合國大會上中國提出將力爭于2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。低碳、高能源利用率逐漸成為研究熱點(diǎn)問題。吸收式熱泵是一種利用低品位熱源,實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩幢盟偷南到y(tǒng),但其具有穩(wěn)定性差、易受天氣情況影響等缺點(diǎn)。在系統(tǒng)開始運(yùn)行到趨于穩(wěn)定這段時間,受管道內(nèi)溫度改變和壓力變化的影響,吸收器罐和發(fā)生器罐兩邊的流量易發(fā)生波動,產(chǎn)生流量差,致使吸收器罐和發(fā)生器罐可能產(chǎn)生滿溢的情況,甚至發(fā)生危險。本文針對這種情況,設(shè)計一種基于改進(jìn)的模糊PID 雙模復(fù)合控制器,通過控制電子膨脹閥的開度,來實(shí)時控制各種溫度、壓力變化下通道內(nèi)的流量,從而實(shí)現(xiàn)了對吸收式熱泵控制策略的優(yōu)化。
吸收式熱泵是一種利用低品位熱源,實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩幢盟偷南到y(tǒng),繼續(xù)改進(jìn)吸收式熱泵是國家實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的有力手段。吸收式熱泵系統(tǒng)組成為:吸收器、溶液循環(huán)泵、質(zhì)量流量計1,2,3、熱回收換熱器、發(fā)生器、冷凝器、電子膨脹閥1、2(EEv1、2)、蒸發(fā)器等主要部件。
其工作原理為自吸收器出來的低溫DMF 溶液在溶液循環(huán)泵的控制下進(jìn)入熱交換器進(jìn)行換熱,后進(jìn)入發(fā)生器板換,溫度持續(xù)升高。進(jìn)入發(fā)生器后DMF 溶液中的R134a 蒸發(fā),與溶液分離進(jìn)入冷凝器,剩余的DMF 溶液進(jìn)入熱交換器后經(jīng)吸收器風(fēng)冷機(jī)進(jìn)入吸收器,溫度持續(xù)降低;進(jìn)入冷凝器后的R134a 蒸汽在風(fēng)冷作用下降溫液化成R134s 溶液后,經(jīng)EEV1 進(jìn)入板式蒸發(fā)器,吸收熱量后蒸發(fā),最終進(jìn)入吸收器罐與氣態(tài)DMF 溶液結(jié)合,至此結(jié)束循環(huán)。吸收式熱泵系統(tǒng)原理圖如圖1。
圖1 吸收式熱泵系統(tǒng)原理圖
但在實(shí)際操作中,系統(tǒng)開始運(yùn)行到趨于穩(wěn)定這段時間,受管道內(nèi)外溫度改變和壓力變化的影響,吸收器罐和發(fā)生器罐兩邊的流量易發(fā)生上下浮動,產(chǎn)生流量差,致使吸收器罐或發(fā)生器罐可能產(chǎn)生滿溢的情況,甚至發(fā)生危險。利用傳統(tǒng)的PID 控制無法應(yīng)對實(shí)時變化的各種干擾,其缺乏自適應(yīng)能力的缺點(diǎn)被放大,因此在實(shí)操中可能需要專人注意液位變化以避免發(fā)生危險?;诖?,筆者將陳猛等人提出的將模糊PID 雙模復(fù)合控制器的方法改進(jìn)后應(yīng)用到本系統(tǒng)對液位的控制中。對比質(zhì)量流量計1的流量和質(zhì)量流量計2、3 的流量和的差值為系統(tǒng)輸入信號E,并將差值求導(dǎo)后作為模糊控制器的另一個輸入Ec。
根據(jù)熱泵系統(tǒng)實(shí)際情況,模糊控制器采用兩輸入一輸出的二維控制。模糊模塊輸入分別為誤差E 和誤差變化率Ec。設(shè)定誤差E 和誤差變化率Ec的模糊論語均為[-3,3],7 個量化語言集合為{PB(正大),PM(正中)、PS(正?。(零)、NS(負(fù)?。?、NM(負(fù)中)、NB(負(fù)大)}。為了便于工程的實(shí)現(xiàn),其二者的隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù)。
模糊控制器的輸出變量Uf為電子膨脹閥EEV2 的開度,并設(shè)定其模糊論域?yàn)閇-3,3]。7 個量化語言集合為{PB(正大),PM(正中)、PS(正?。?、Z(零)、NS(負(fù)?。M(負(fù)中)、NB(負(fù)大)}。為了便于工程的實(shí)現(xiàn),Uf的隸屬度函數(shù)也采用三角形函數(shù)。
模糊控制器的規(guī)則規(guī)定著模糊控制器的控制效果,其規(guī)則庫的制定是根據(jù)大量的實(shí)踐操作或?qū)<腋鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)試、推敲得出的。模糊規(guī)則如表1 所示。
表1 模糊控制規(guī)則
模糊控制屬于非線性控制,是智能控制算法的一類。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)作為模糊規(guī)則的制定原則,對實(shí)際控制有良好的效果。但是,模糊控制由于存在取整運(yùn)算這一環(huán)節(jié),所以在控制精度方面可能有所欠缺,可以看做缺少積分作用的PD 控制器,可能會引起系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。將PID 算法與Fuzzy 算法結(jié)合,可以綜合雙方的優(yōu)點(diǎn),組成一種模糊PID 復(fù)合控制系統(tǒng)。陳猛等人提出了一種的模糊PID 雙模復(fù)合控制器解決了控制器切換過程中出現(xiàn)的抖動問題,筆者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),對兩個控制器的配比關(guān)系通過函數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),解決了原復(fù)合控制器過度控制的情況。
在流量設(shè)定值與實(shí)際流量反饋值相差較大時通過Fuzzy 模塊迅速控制,當(dāng)相差較小時,為提高控制精度使用PID 模塊控制。并通過函數(shù)控制,根據(jù)差值的大小分配給兩個控制模塊不同的輸出配比,既能迅速對誤差信號進(jìn)行響應(yīng),又能對微小誤差精準(zhǔn)消除。復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 改進(jìn)的模糊PID 雙模復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)
流量設(shè)定值R(t)與系統(tǒng)實(shí)際流量Y(t)的差值E 及其導(dǎo)數(shù)Ec均輸入到模糊模塊進(jìn)行決策判斷,偏差E 單獨(dú)輸入PID 控制器,兩個控制器分別運(yùn)行并輸出控制信號。根據(jù)模糊模塊輸出值的大小調(diào)整PID 控制器的系數(shù)α 的大小,通過改變α 和γ的值調(diào)整模糊控制器和PID 控制器的輸出在總輸出信號中的比例。
模糊模塊首先對輸出進(jìn)行歸一操作,將輸出比例縮小到[-1,1]的范圍內(nèi),取絕對值后在α 函數(shù)和γ 函數(shù)的作用下,對兩個模塊的輸出進(jìn)行配比。為消除復(fù)合控制器過度控制的情況,在復(fù)合控制的基礎(chǔ)上增加限制條件,令α +γ =1,成功解決這種誤差狀態(tài),使α 和γ 能夠平滑的實(shí)現(xiàn)兩個切換和輸出配比。
模糊PID 雙??刂频妮敵鲂问饺缦率龉剿荆?/p>
上式中,α 和γ 的值是以模糊模塊的輸出為基礎(chǔ)的。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際過熱度與設(shè)定值相差較大時模糊模塊在模糊規(guī)則的判斷下,會輸出一個較大的校正值,相應(yīng)的α 就會變小γ 變大,此時復(fù)合控制器中模糊模塊輸出的比重就變大了,輸出主要取決于模糊控制器;反之,則輸出主要取決于PID 模塊。
在Simulink 仿真軟件中分別建立Fuzzy-PID 復(fù)合控制器以及傳統(tǒng)PID 控制的模型,F(xiàn)uzzy-PID 復(fù)合控制器見圖3。隨機(jī)變化的流量致使液位發(fā)生隨機(jī)的變化,模糊控制器根據(jù)系統(tǒng)中質(zhì)量流量計的差值E 和Ec進(jìn)入模糊控制器,誤差E 單獨(dú)進(jìn)入PID 控制器兩部分成比例求和后輸出電子膨脹閥的開度控制信號,實(shí)現(xiàn)控制器控制效果的優(yōu)化。其控制效果如圖4,由圖可知,改進(jìn)后的模糊PID 雙模復(fù)合控制器較傳統(tǒng)PID 控制器有更快的響應(yīng)速度且超調(diào)更小,具有更優(yōu)的控制效果。應(yīng)用于本系統(tǒng)中后,應(yīng)對隨機(jī)時變的流量變化,能夠更快速且平滑的控制電子膨脹閥的開度,從而平滑快速的控制液位。在實(shí)驗(yàn)開始到系統(tǒng)平衡的這段時間,能夠有效控制吸收器罐和發(fā)生器罐的液位,保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。其仿真效果如圖4 所示。
圖3 雙模復(fù)合控制器Simulink 仿真模型
圖4 中,實(shí)線為模擬液位控制系統(tǒng)給定信號, 點(diǎn)狀線為傳統(tǒng)PID 控制器的控制效果曲線,虛線為改進(jìn)后的模糊PID 雙模復(fù)合控制器的控制效果曲線。
圖4 模糊PID 雙模復(fù)合控制器與傳統(tǒng)PID 控制器的控制效果圖
本文將模糊PID 雙模復(fù)合控制器應(yīng)用到吸收式熱泵系統(tǒng)中,并對原雙模復(fù)合控制器中模糊控制器和PID 控制器同時控制時易出現(xiàn)過度控制的情況進(jìn)行了改進(jìn)。該控制器具有結(jié)構(gòu)簡單,易于工程實(shí)現(xiàn),且解決了兩個控制器切換時的抖動問題,對比原復(fù)合控制器與傳統(tǒng)PID 控制器,改進(jìn)后的雙模復(fù)合控制器在控制效果仿真曲線上有更優(yōu)的控制效果。