傅強(qiáng)生，董帥帥，任永鵬，黃澤楓，高曉紅

（吉林建筑大學(xué)，吉林長(zhǎng)春，130000）

0 引言

集熱控制系統(tǒng)是一個(gè)值得深入研究的課題，但是傳統(tǒng)集熱控制系統(tǒng)消耗能源更多且工作效率低。在當(dāng)前礦物資源嚴(yán)重缺乏的今天，更加高效且節(jié)能的集熱控制系統(tǒng)的研究具有急迫性和重要性。傳統(tǒng)集熱控制系統(tǒng)的被控對(duì)象都具有時(shí)變性、大滯后、多干擾、非線性、數(shù)學(xué)模型不確定等特點(diǎn)。因此，我們采用一種新型控制算法—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID 控制算法相結(jié)合以彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID 控制算法的不足之處，通過(guò)PLC 控制整個(gè)系統(tǒng)?？刂品绞絾?wèn)題的解決，可以改善傳統(tǒng)集熱控制系統(tǒng)能耗問(wèn)題的現(xiàn)狀，進(jìn)一步提高工作效率，達(dá)到集熱和節(jié)能的作用。

首先，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法的研究相對(duì)比較活躍，發(fā)表的文章也累積了一定的數(shù)量，本文主要講解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID 控制算法相結(jié)合，這樣在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上將對(duì)傳統(tǒng)PID 控制算法依賴(lài)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題進(jìn)行了更加深化的研究。其次，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID 控制算法相結(jié)合是本研究很重要的觀念，在一定程度上彌補(bǔ)了對(duì)該問(wèn)題研究的不足，豐富了集熱控制系統(tǒng)的研究的內(nèi)容。

1 研究路線

系統(tǒng)采用PID 控制器，它是一種使用傳統(tǒng)PID 算法的控制器，它在很多的工業(yè)控制領(lǐng)域都有著廣泛的涉及，它適用在條件復(fù)雜且在容易出現(xiàn)異常以及故障的情況下進(jìn)行控制，具有很優(yōu)良的魯棒性，于是廣泛運(yùn)用在工業(yè)的控制需求中。盡管傳統(tǒng)PID 從最開(kāi)始到現(xiàn)在以及很長(zhǎng)一段時(shí)間了，但經(jīng)過(guò)許多學(xué)者的調(diào)整使PID 控制器在工業(yè)控制應(yīng)用中一直沿用。

早在1942 年，國(guó)外就有人提出了新的PID 控制法，(ZN)參數(shù)整定法，并且在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用[1]，但是它也有明顯的缺點(diǎn)，并不能很好的解決PID 控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)問(wèn)題。接著Cohen 和Coon 為了增強(qiáng)抗干擾性，提出了基于帶有時(shí)間延遲的一階模型(FOLPD)的方法[2]。但是缺點(diǎn)也很明顯，比如他的響應(yīng)速度較慢。在此之后，Kim和Chu 等對(duì)PID 控制進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化[3]。時(shí)間來(lái)到2002 年，KimDH 和Hong 等提出一種搜索算法，利用免疫算法與傳統(tǒng)的PID 控制器結(jié)合，進(jìn)行控制器的自動(dòng)調(diào)節(jié)[4]。它模仿于螞蟻群體工作的優(yōu)化方式，以此找到控制器調(diào)節(jié)的最佳解決方案[5]。Chiha 與Liouane 等對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最小化，最終其控制效果相較于參數(shù)整定法有了明顯改善。而隨著遺傳算法的提出發(fā)展，一些人如Kumar和Jain等想到把遺傳算法與傳統(tǒng)PID控制器結(jié)合，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)合的控制效果在各個(gè)方面都得到了顯著提高[6]。

只是使用PID 控制還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，傳統(tǒng)的PID 控制對(duì)外界的干擾應(yīng)變能力差，很容易因?yàn)橥饨缫蛩馗蓴_產(chǎn)生偏差，PID 對(duì)于自己適應(yīng)自行調(diào)整能力差，于是考慮到以上情況加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID 的缺陷，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是類(lèi)似生物的神經(jīng)系統(tǒng)，類(lèi)似于人類(lèi)身體的神經(jīng)系統(tǒng)，它是一個(gè)可以應(yīng)對(duì)外界干擾及時(shí)做出調(diào)整的算法，它有很好的自適應(yīng)性可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID 的缺陷。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

開(kāi)始小組成員對(duì)項(xiàng)目的理論知識(shí)研究較為薄弱，所以首先我們?cè)诰W(wǎng)上查找相關(guān)文獻(xiàn)，并且鞏固基礎(chǔ)知識(shí)例如PLC和傳感器。通過(guò)文獻(xiàn)查找了解國(guó)內(nèi)外的研究成果和研究情況，總結(jié)了太陽(yáng)能集熱控制研究的主要方法以及優(yōu)劣。定性分析搭建系統(tǒng)，根據(jù)太陽(yáng)能集熱的基本控制原理，結(jié)合相關(guān)的材料、化學(xué)和物理的研究，對(duì)太陽(yáng)能集熱溫度、水量、流速等影響因素進(jìn)行分析，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID 控制的基礎(chǔ)方法搭建系統(tǒng)，并建立PLC 控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器的設(shè)計(jì)

集熱控制整體系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分集熱部分、換熱部分、供熱部分，如圖2 所示；太陽(yáng)能集熱裝置是系統(tǒng)控制過(guò)程中的核心源泉和關(guān)鍵設(shè)備，作為生活用水供暖過(guò)程中的供暖熱源，最主要的反應(yīng)就是在其中進(jìn)行，也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的關(guān)鍵節(jié)。

圖2 集熱控制系統(tǒng)圖

集熱部分是由太陽(yáng)能集熱裝置、光照度傳感器、水泵和閥門(mén)構(gòu)成，其中最主要的太陽(yáng)能集熱裝置主要是由太陽(yáng)能板也叫光伏板組件組成，這是一種在太陽(yáng)光照射下可以將陽(yáng)光聚合并通過(guò)特殊的材料（半導(dǎo)體材料）的光生伏特效應(yīng)從而使得太陽(yáng)能、光能轉(zhuǎn)換為我們所需要的電能。太陽(yáng)能集熱裝置連帶光照傳感器，光照傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)光照強(qiáng)度從而將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓值，再將電壓值送到PLC 控制中心進(jìn)行檢測(cè)和及時(shí)的控制；若光照強(qiáng)度不足以使太陽(yáng)能集熱裝置產(chǎn)生足夠的熱量導(dǎo)致水溫不足以滿(mǎn)足用戶(hù)需要，則需要通過(guò)換熱部分進(jìn)行進(jìn)一步加工處理。

換熱部分是由儲(chǔ)水箱、循環(huán)水泵、閥門(mén)、溫度傳感器、液位傳感器和輔熱設(shè)備構(gòu)成，其中輔熱設(shè)備主要用于在光照不足導(dǎo)致水溫沒(méi)達(dá)到期望進(jìn)行二次加熱的設(shè)備，通過(guò)溫度傳感器以及液位傳感器對(duì)儲(chǔ)水箱實(shí)時(shí)檢測(cè)從而進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，若水箱內(nèi)水溫不夠則通過(guò)PLC 控制中心對(duì)輔熱設(shè)備進(jìn)行控制加熱水箱內(nèi)部使得水溫達(dá)到正常值，若液位傳感器檢測(cè)水箱內(nèi)液位過(guò)低則通過(guò)補(bǔ)水閥補(bǔ)水使儲(chǔ)水箱內(nèi)有充足的水量，再達(dá)到合適的溫度以及液位時(shí)通過(guò)循環(huán)泵和閥門(mén)將熱水輸送到供熱部分供給用戶(hù)。

供熱部分則是由換熱器、水閥、溫度傳感器、流量傳感器組成，通過(guò)換熱器以及循環(huán)泵使用戶(hù)所處環(huán)境溫度達(dá)到合適的溫度，通過(guò)溫度傳感器來(lái)測(cè)量反饋實(shí)時(shí)溫度，流量傳感器用來(lái)檢測(cè)管道內(nèi)水流的流速，通過(guò)控制循環(huán)速度也可以使得溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這一部分雖然設(shè)計(jì)較少，并且做出的檢測(cè)和干預(yù)不能太多，因?yàn)楣崾钦麄€(gè)系統(tǒng)最終的目的，通常處于用戶(hù)的生活環(huán)境中例如家庭等。

集熱控制系統(tǒng)把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力等特點(diǎn)與模糊控制器中的模糊控制規(guī)則相結(jié)合，組成集合雙方優(yōu)點(diǎn)的集熱控制系統(tǒng)。控制器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模糊化處理，然后運(yùn)輸?shù)缴窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷改變隸屬度函數(shù)值和寬度，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值大小，最終將輸出變量解模糊化，進(jìn)行輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)不斷重復(fù)學(xué)習(xí)，記憶模糊控制規(guī)則，達(dá)到最好的控制輸出[7]。

誤差值e、誤差變化率ec作為模糊變量?jī)蓚€(gè)輸入，并且制定合適的模糊規(guī)則，模糊控制規(guī)則如圖3 所示。

圖3 模糊控制規(guī)則

根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到控制系統(tǒng)的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd。輸入變量和輸出變量經(jīng)過(guò)模糊化處理后，都采用7個(gè)模糊子集為｛NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PL｝分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正最大。模糊控制輸出如圖4 所示。

圖4 模糊控制輸出曲面觀測(cè)窗

3 系統(tǒng)搭建

整個(gè)太陽(yáng)能集熱控制系統(tǒng)由集熱、換熱、供熱三個(gè)部分組成，提前準(zhǔn)備好所需的各個(gè)部件如S7-200 PLC、模擬量輸入模塊EMAE08、模擬量輸出模塊EMAQ04、光照度傳感器、一體化溫度變送器、一體化液位變送器、開(kāi)關(guān)電源、MCGS 觸摸屏、變頻器MM440、電磁閥、溫濕度傳感器RS485 等，每個(gè)部件通過(guò)導(dǎo)線進(jìn)行連接，搭建變壓變頻器給CPU 和其余傳感器提供電源和適配的輸入，通過(guò)PLC控制中心對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)控制，觸摸屏可以進(jìn)行人工檢測(cè)，并且對(duì)PLC 進(jìn)行人為操控。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖

集熱控制系統(tǒng)使用CPU 為226 型PLC 進(jìn)行控制。它可以通過(guò)運(yùn)用可編程存儲(chǔ)器來(lái)發(fā)出指令，這些指令信息會(huì)直接傳遞至用戶(hù)層。PLC 的特點(diǎn)有很多，例如較好的穩(wěn)定性，較好的性能，操作也方便簡(jiǎn)單，而且具有抗干擾接口，所以在一些領(lǐng)域，如電氣控制領(lǐng)域、通信領(lǐng)域等都有廣泛的應(yīng)用[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

集熱系統(tǒng)的研究通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID 控制算法結(jié)合，敘述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。使用MCGS 組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并與S7-200 PLC 建立通信鏈接。實(shí)現(xiàn)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法對(duì)集熱控制系統(tǒng)的控制，驗(yàn)證了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。在完成仿真后我們搭建起實(shí)物，在計(jì)算機(jī)上調(diào)試?yán)鐾☉B(tài)顯示屏，通過(guò)顯示屏進(jìn)行調(diào)試控制，在計(jì)算機(jī)上也可以觀察到整體系統(tǒng)的情況和數(shù)值的變化，最終經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試和程序修改實(shí)現(xiàn)了整體系統(tǒng)對(duì)集熱控制和供熱過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。