基于抗积分饱和PID算法的地暖控制方法研究

基于抗积分饱和PID算法的地暖控制方法研究
王磊
【摘要】地暖系统对室温控制的低效性与滞后性是当前存在的主要问题,PID控制算法的引入对这一现象起到了一定的改善作用,然而传统的PID算法在进行温度调节时超调量过大,效果不够理想.针对这一问题,引入了抗积分饱和来进一步抑制超调量,利用单片机系统搭建起地暖控制平台进行试验.试验结果表明,引入抗积分饱和的PID算法比传统PID算法在控制精度与稳定性方面均有所提高.%Inefficiency and delay of controlling temperature by radiant floor heating are chief problems currently. The algorithm of conventional PID was introduced and it worked partly , But the overshoot of conventional PID is much. So we brought the method of anti-integral saturation into PID algorithm , in order to reduce the overshoot. Build a platform controlling temperature with SCM for experiment , the result shows that improved PID algorithm is better than conventional PID algorithm in precision and stability.
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2017(025)004
【总页数】4页(P181-184)
【关键词】无水地暖;抗积分饱和;膨胀阀;DS18B20
【作者】王磊
【作者单位】河南科技大学国际教育学院,河南洛阳 471023
【正文语种】中文
【中图分类】TN609
地暖是以整个地面为散热器，通过地板辐射层中的热媒，均匀加热整个地面，利用地面自身的蓄热和热量向上辐射的原理由下至上进行传导，来达到取暖的目的。

由于地暖是通过对地板的加热使热量逐渐向空气中散发，因而室内空气温度的变化表现出非线性与滞后性的特点，如果单纯使用传统PID（比例（proportion）、积
分（integral）、导数（derivative））算法[1-2]进行温度控制，则会出现温度变化不稳定，用户舒适度降低，能源浪费等问题。

前人也对PID算法进行了部分改进，如文献[3-5]在控制过程中引入了模糊PID算法，文献[6]在控制过程中引入了神经网络与PID结合的算法等等，这些算法对地暖的工作效率都有一定提升。

文
中在无水地暖（顾名思义，制热剂不是水而是氟氯昂之类的媒介）系统中引入了抗积分饱和PID算法[7-8]对膨胀阀的开度进行控制，从而达到合理控制室温的目的。

通过软硬件设计，构建出地暖测试系统，该系统使用温度传感器DS18B20[9]实时读取室内温度并利用相关算法进行电子膨胀阀控制[10]。

利用该系统对改进前后的两种PID算法进行试验，结果表明基于抗积分饱和的PID算法比传统PID算法控
制的地暖在精确度与稳定性方面均有显著提升。

1.1 PID基本算法
PID控制器按照偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制。

它是目前应用非常广泛的一种自动控制器。

PID控制器适合用于对“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象进行过程控制，是一种最优控制。

它具有多种参数整定[11]方式，结构改变灵活。

PID基本算法为：将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，如图1所示。

PID控制器的微分方程
1）比例环节：对偏差信号进行比例控制，如果产生偏差信号e（t），则自动进行控制，不断减小偏差。

2）积分环节：目的是消除静差，提高系统的无差度。

积分时间常数与积分作用成反比例关系，时间越短则积分作用越强，否则越弱。

3）微分环节：用于防止偏差信号值变的太大，从而造成调节时间过长，调节动作太慢的问题。

通过引入有效的早期修正信号，来实现微分调节的目的。

1.2 抗积分饱和PID算法
积分作用虽能消除控制系统的静差，但是也有弊端，即在调节过程中可能造成积分饱和[12]的问题。

在偏差还未完全消除时，出现积分过量的现象。

积分过量就是在饱和区这段时间执行器仍停留在极限位置而不能随偏差的反向立即做出相应的改变，那么系统退出饱和区的时间就会相应延长，系统性能就会下降。

这种由积分项引起的过积分作用称为积分饱和现象。

抗积分饱和法的思路就是在计算u（n）时，首先判断上一时刻控制器的输出量u （n-1）是否已经超出限制范围，若u（n-1）＞=u（n）max，则只累加负偏差，正偏差则去掉积分作用；若u（n-1）＜=u（n）min，则只累加正偏差，负偏差
则去掉积分作用，其算法流程如图2所示。

该系统通过DS18B20温度传感器采集温度，将直接采集到的信号以数字形式送入单片机STC89C52RC中，并能够与PC通过485转232进行通讯，从而对各部分的温度值进行分析[13]，同时经单片机程序处理后，可实时显示于液晶显示器中。

当检测到输入的室温高于单片机程序设定温度+3时，则从单片机发出控制信号停止压缩机与风机的工作，暂停制热功能，系统处于待机状态；反之，则正常进入制热程序。

通过实时控制膨胀阀的开度来限制制热媒介的流量从而实现地暖制热量的控制。

图3为空调控制系统的总框图。

将系统控制板安装在地暖的压缩机附近，按照设定好的规则直接控制地暖中各种组件的运行。

系统利用4个DS18B20分别测量压缩机的排气温度、回气温度，以及盘管温度和室内温度，通过对各部分温度值的监测与处理，来控制膨胀阀的开合，并使用SN74LS125AN缓冲器来控制压缩机与风机的开关并实时与用户进行相关
数据的反馈。

图4为系统控制板电路图。

2.1 控制算法设计
本系统以地暖中制热剂实际流动一周的时间30秒作为控制周期T，每个周期实施
一次膨胀阀控制，控制过程如下：
STEP1：读取盘管温度T1，回气温度 T2，室温T3，排气温度T4并显示于显示屏中；
STEP2：判断室温T3与系统设定温度T5，若T3＞T5+3则停止制热，进入待机
状态，否则进入下一步；
STEP3：采样得到此刻的室温T3作为c（t），读取系统设定温度T5作为r（t），通过计算可得到此刻的误差值e（t）；
STEP4：利用临界比例法[14-15]整定出 PID参数Kp、Ki、Kd值；
STEP5：引入抗积分饱和PID算法进行自适应运算，计算出此刻的u（t）；STEP6：分析u（t）值，通过设定膨胀阀动作域值，来控制电子膨胀阀的开度；STEP7：令t=t+1，设置定时器，一个周期T后，重新进入STEP1。

2.2 算法实现
抗积分饱和PID算法子程序如下：
本次实验在一个铺设了地暖的民房中进行，选取一个面积约为10 m2的空旷小房间，将门窗关闭，对室内进行升温实验，通过实时记录室内温度来观测温控效率与稳定性。

现对两种算法进行实验对比，在室外温度为10℃时利用临界比例法整定
出PID参数Kp、Ki、Kd的值分别为：Kp=1.52，Ki=0.35，Kd=1.56，分别使用
常规PID控制算法和抗积分饱和PID算法对屋内进行升温实验，将室温提升至20℃，室内温度变化趋势如图5所示，对两种PID控制算法的试验结果进行分析，下边的曲线为抗积分饱和PID算法对室温的控制过程，上边的曲线是传统PID算
法的控制过程，在相同的实验环境中利用地暖运行平台进行试验，通过对室温6
个小时的实时监测，清晰的反映出抗积分饱和PID算法在稳定性与控制精度方面
的优势。

基于地暖的特点，在前半小时内，室温几乎没有变化，到30 min左右抗积分法开始显现效果，而传统方法需要的时间更久，直到快50 min时才显现出效果；抗积分法利用80 min左右达到目标温度并开始小幅回调，而传统方法则需要110 min才能达到目标温度且振幅较大，回调时间长；抗积分法到190 min左右趋于稳定，而传统方法需用时300 min，稳定速度慢。

第二步，验证环境对室温
的干扰情况，当室温稳定到20℃时，将房门和窗户打开，记录300 min内室温的变化情况，两种算法对室温的调节如图6所示，在最初的10 min内，室温快速下降，到20 min时抗积分法作用开始显现，逐步稳定并进行回调，而传统方法大约到45 min时才开始发挥作用，反应较为迟钝；在整个调整过程中，抗积分法超调量能够维持在3℃以内，到240 min时趋于稳定，符合用户温度设定要求，而传
统方法超调量最高达到6℃，直到300 min左右才达到设定温度要求且仍有小幅
波动。

从而充分显示出抗积分法控制精度高、稳定性强的特点。

基于用户体验的角度，抗积分饱和PID控制算法更加符合要求，使用更加舒适，用户体验更好。

该系统对传统的PID控制算法进行了改进，引入了抗积分饱和来实现 PID算法的
优化，利用DS18B20来实时采集温度，使用STC89C52RC单片机构建地暖控制
系统，通过对改进前后两种PID算法的试验，结果表明基于抗积分饱和的PID控
制算法明显降低了温度控制的超调量，提升了温度控制效率，对室温控制的精确度与稳定性均有较大改善。

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