恒温燃气热水器的模糊推理算法
即热式电热水器模糊温度控制器的研制
一、引言
一、引言
即热式电热水器具有加热速度快、节能环保、安全可靠等优点，因此在家庭、 商用等领域得到广泛应用。然而，由于即热式电热水器没有储水箱，因此对于温 度的控制要求较高。传统的温度控制器多采用PID控制算法，这种算法对于一些 非线性、时变性的系统控制效果不佳。因此，本次演示提出了一种基于模糊控制 理论的即热式电热水器模糊温度控制器，以提高控制精度和稳定性。
五、结论与展望
展望未来，随着智能家居和物联网技术的快速发展，模糊温度控制器将有更 大的应用空间。例如，可以通过无线网络与智能设备连接，实现远程控制和监测； 也可以与其他家用电器进行联动，优化家庭能源的使用效率。此外，随着技术的 发展，可以进一步优化模糊控制算法，提高控制精度和自适应性。
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二、相关技术综述
二、相关技术综述
模糊控制理论是一种基于模糊集合论和模糊逻辑的控制方法，适用于一些非 线性、时变性的系统。在电热水器领域，模糊控制理论的应用也日益广泛。例如， 一些研究者将模糊控制应用于电热水器的水位控制，取得了良好的控制效果。在 温度控制方面，模糊控制理论也可以通过适当的控制算法实现对温度的精确控制。
2、软件设计：编写适用于模糊温度控制器的软件程序，实现温度信号采集、 模糊逻辑运算、控制指令输出等功能。
三、模糊温度控制器原理与设计
3、人机交互：为了方便用户操作，可以设计可视化的人机交互界面，以实现 加热开关机、温度设定等功能。
四、模糊温度控制器性能测试
四、模糊温度控制器性能测试
为了验证模糊温度控制器的性能，需要进行以下测试：
四、模糊温度控制器性能测试
通过以上测试，可以得出模糊温度控制器在各方面的性能表现，以验证其有 效性。
五、结论与展望
基于数学模型的燃气热水器恒温控制研究
以即使改变温度设置，燃气热水器的功率调节能力也不会有 太大的变化。
中国新技术新产品 2023 NO.6（下）
高新技术
基于数学模型的燃气热水器恒温控制研究
麦海湛 （广东金美达实业有限公司，广东 佛山 528000）
摘 要 ：随着先进计量、现代控制和通信技术的快速发展，需求方响应技术大幅提高。作为一种高弹性和系数的
需求响应资源，恒温控制已成为研究的重点。该文涉及各种因素对燃气热水器调节能力的影响。首先，详细了解
可以得出以下观察结果 ：燃气热水器单元的参数（R、C、 Q）对功率调节能力有很大的影响。这说明即使燃气热水器的 数量相同，它们的性能也可能存在很大差异。因此，在燃气热 水器的选择过程中，必须考虑这些参数。
燃气热水器数量增加会提高可控性。这是因为多个燃气 热水器单元可以平均分配，使功率曲线更平滑，从而更容易调 节功率 [3]。
（5）所示。
T
n+1 in
=f（T
nin，Tex，R，C，Q，mn，tn，un）
（5）
式中 ：Tinn 为时间 tn（℃）时水箱中的水温 ；Tn+1in 为时间 tn+1
（℃）时水箱中的水温；Tex 为环境温度或冷水入口温度（℃）；
Tnow 为当前水温（℃）；mn 为 tn（gal）时冷水入口的水量 ；un
总之，考虑甩功率时，应考虑环境温度对燃气热水器的调 节能力和寿命的影响。当环境温度较低时，燃气热水器的功率 调节能力更强，但寿命可能更短。当环境温度较高时，燃气热 水器的功率调节能力较弱，但寿命可能更长。因此，需要在环 境温度和用户需求之间进行权衡，以选择最合适的甩功率策略。
基于模糊控制的热水器
Ｃ根据输 入变量（ ． 模糊量） 及模糊控制规则 ， 按模糊推理合成规 则计算 控制量（ 模糊置 ） ， ｄ 由上述得到的控制量（ ． 模糊量） 计算精确的控制量。 模糊控制的 应用设想 以改进简单的模糊 电热水器为例。 ２１ ． 采用二维模糊控制器 ，输入置为测得温度 与设定温度的 ； 弹 ｝ ｝｝ ｝ ； ｝ ． ． ｝ ≥｝ ｝ 偏差 Ｅ （＝０ ｔｔ 为设定的水温 ，ｔ Ｅ ｔ－ 。 Ｏ 为测得的水温。 ）以及偏差 的变化量 ｃ（ ＝ｔ 一 本， ｃ 前 ｔ 其中ｔ 前为前次测得的温度 ， 本为 ｔ 本次测得的温度 ） ，输 出量 为 电热丝加热量 Ｕ。 ２ ２ 域 Ｅ 的模糊 集 合是 ｛ Ｂ（ 大 ） Ｍ （ 中 ） ．论 Ｐ 正 、Ｐ 正 、 Ｐ （ 小） 正 、Ｎ （ ） ， 负 ｝ 对应 温度 的偏差 为 ：ｔ 一ｔ ０ ＞ＴＭ ． 、 ℃
的 控制 问题 。 智能控制相对于模型论可称之为控制论 ， 智能控制的核心是 控制决策 ， 采用夷活机动 的决 策方式迫 使控制朝 着期 望的 目 逼 标 它
的
核
心
近。智能控制研究的对象特点是不确定性模型或高度非线性模 型， 适合于复杂任务要求， 具有自主规划和决策能力， 故障 自 动诊
换为电信号的一类装置。它的精度往往直接影响整个控制系统 传统控制、智能控制和模糊控制各 自的特点 ， 传统控制是基于被控对象精确模型的控制方式 ，为了控制 的 精 度 。 必须建模，而利用不精确的模型及采用某个固定控制算法，使 整个控制系统置于模型框架下，缺乏应变性，因此很难胜任对 ２ 模糊控制算法 ． 复杂系统的控制。传统控制适于解决线性、时不变等相对简单 模糊 控制的原理框 图如下
量Ｉ
ｂ． 将输入变量的精确值变为模糊量 。
基于前馈模糊自抗扰的燃气热水器温度控制
基于前馈模糊自抗扰的燃气热水器温度控制
左海强;陈磊;张忠岩;陆亚彪;王宗明;曹冠忠;王荣迪
【期刊名称】《中国石油大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(46)6
【摘要】燃气热水器系统是一个复杂的控制系统,具有大时滞、惯性大、抗干扰能力弱的特点,其控制性能的好坏直接影响用户的使用体验和对产品的评价。
针对现有燃气热水器在温度控制中存在的大时滞和惯性大现象造成的温度控制效果不佳等问题,提出一种由前馈控制、模糊控制和自抗扰控制相结合的前馈模糊自抗扰复合控制算法;对其开机恒温性能进行仿真分析,并对热水器开机恒温、调温恒温、水流量波动恒温以及切阀恒温性能进行试验研究。
结果表明:基于前馈Fuzzy-LADRC 控制算法的燃气热水器相较于原机开机恒温调节时间减少了38.3%,调温恒温调节时间减少了33.7%,水流量波动恒温调节改善了45.7%,切阀恒温调节时间减少了55.3%;新控制算法调节时间短,抗干扰能力强,大大提高了燃气热水器的恒温性能。
【总页数】7页(P184-190)
【作者】左海强;陈磊;张忠岩;陆亚彪;王宗明;曹冠忠;王荣迪
【作者单位】中国石油大学(华东)新能源学院;陕西省天然气股份有限公司;青岛杰瑞工控技术有限公司;中国船舶重工集团公司七五○试验场;青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TB27
【相关文献】
1.基于前馈自抗扰控制方法的蓄电池储能控制策略
2.基于前馈补偿的永磁同步电机自抗扰控制
3.基于自抗扰和负载功率前馈的高速磁悬浮系统PWM整流器控制策略
4.基于模糊自抗扰的质子交换膜燃料电池温度控制
5.基于前馈补偿的永磁同步电机自抗扰控制
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模糊控制在燃气热水器中的应用分析
模糊控制在燃气热水器中的应用分析燃气热水器在使用过程中就有良好的保温稳定性，而且在升温阶段和降温阶段中速度较快，更好的满足人们的使用需求。
而模糊控制的加入，让燃气热水器变得更加智能化。
本文根据模糊控制的原理和组成，说明了模糊控制在燃气热水器中的实际应用，为燃气热水器未来发展提供理论基础。
标签：模糊控制；燃气热水器；应用前言近年来，随着热水器进一步推广到千家万户，逐渐成为人们家庭中不可或缺的一部分，为人们生活提供了方便。
与此同时，在热水器快速发展过程中，为了保证人们生活安全，我国相关部门也出台了一系列政策来控制热水器的设计指标，确保热水器在设计过程中更加规范。
目前，市面上的热水器主要种类有恒温和非恒温两种，对于燃气热水器来说，逐渐由非恒温向恒温方向转变。
1、模糊控制技术1.1模糊控制系统的组成在模糊技术研究过程中，运用了计算机数字控制技术，因此，模糊系统的组成与其他数字控制系统的组成具有很强的相似性。
一般来说，模糊系统有以下几部分组成：第一，模糊控制器：模糊控制器实际上就是一个微型处理器，根据主控制系统的需要，可以在单片机和微机中进行合理选择。
第二，输送输出接口装置：模糊控制器通过输入和输出接口来获取数字信号源，并通过控制器制造决策信号，利用信号转变，来获得模拟信号，从而实现执行机构对相关对象的控制。
第三，传感器：传感器的使用实现了将被控制对象或者各种被控制变量均转换为电信号。
传感器在模糊控制系统中占有重要地位，传感器的精度往往可以影响整个系统的精度[1]。
1.2模糊控制器的基本原理模糊控制的实现，得益于微机采样中的被控制量的精确数值，随后通过定值获得误差信号，随后将误差信号当做输入量，经过一些列作用，此误差信号最终得到模糊量，实现模糊控制。
2、模糊控制在燃气热水器中的实际应用2.1在恒温控制中的应用恒温燃气热水器的设计要求是：在第一启动过程中默认温度为42℃，而且需要在通电后的30秒之内达到默认设定温度，而且前后相差不可以超过四度，在运行过程中也不可以出现震荡情况。
电热水器模糊温度控制
.. . .电热水器模糊温度控制摘要电热水器温度自动控制系统，通过采用PID控制技术调节加热功率针对上述控制不理想的问题对使用的影响比较大的情况，使用仿真软件对系统进行仿真得到响应曲线，实现了热水器模糊温度控制。
关键词：模糊控制器热电偶偏差1.引言模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。
因为引入了人类的逻辑思维方式，使得模糊控制器具有一定的自适应控制能力，有很强的鲁棒性和稳定性，因而特别适用于没有精确数学模型的实际系统。
本文将模糊控制的基本思想应用到温度控制系统中。
通过热电偶测量烤箱实际温度，与给定值比较。
当测量温度与设定温度之间存在较大的偏差时，定时器产生占空比较大的脉冲序列，全力加热。
当系统温度与设定温度之间偏差小，采用模糊控制算法。
模糊控制器根据误差和误差变化率，经过模糊推理输出脉冲序列的占空比的大小,经过固态继电器控制电源的通断, 从而实现对温度的控制。
一设计目的及要求利用模糊控制方法，对控制论域进行了划分，使控制论域更加精细：并且结合了模糊控制具有鲁棒性、稳定性好的优点，较好的解决原控制系统的不足之处，进一步提高了原控制系统的稳定性、鲁棒性和控制精度。
设计一个温度模糊控制系统，被控对象为电热水器，输入控制信号电压为0～5V，输出相电压为0～220V，输出最大功率为1500W。
1.控制系统性能指标（1）温度调节围：（0ºC～90ºC）（2）系统无静差（即系统误差为零）2.控制方案的确定该系统的被控对象为电热水器，通过改变加热电阻上的电压调节水的温度。
从控制信号u(t)到水的温度c(t)可以看作是广义被控对象。
当控制信号u(t)=4V 时，水的温度最高为100ºC。
被控对象具有惯性特性，故可以采用PID控制设计。
设计被控对象的模糊控制系统，写出模糊规则与PID控制相结合实现对热水器进行控制。
二模糊控制器的设计1.变量及隶属度函数选择以温度偏差e和温度偏差变化率ec为模糊控制量的输入量，以u为输出控制量。
关于电热水器模糊PID水温控制系统的设计
４ ．模 糊 控 制 系 统 的 设 计 在确定 了控制系统 为两输 入三输 出的二维 结构形 式后 ，根 据模糊 控制系统 的设计 步骤具体 设计
实际出水温度 卜 Ｉ ＿ １
— —
＋ 模
出 水 阀旋 转 角度 控
Ｉ 定水度 设出温
化 Ｅ 算 Ｃ 制 控 法
糊
制Ｒ 量
图 ｌ 模糊控制 系统 的原理框 图
基 金 项 目 ：贵州 大 学研 究 生 创新 基 金 资 助 （ 目编 号 ：校 研 人 文 ２ １ ０ ５ 。 项 ０ １０ ）
收 稿 日期 ：２ １ — ０ — １ ０１ ４ ４
作 者 简 介 ：夏 世 英 （９ ５ ） 女 ，湖南 常 德 人 ，贵 州 大 学 在 读 硕 士 ，研 究 方 向 为 现 代 逻 辑 及 １７ 一
其应用 。
・
７ ・ ７
楚 雄 师范学 院 学报 ２ １ ０ １年 第 ６ 期
楚 雄 师 范 学 院 学 报
２ １年 第 ６ 期 ０１
３ ．模 糊 Ｐ Ｄ 控 制 系 统 的 组 成 Ｉ 在模糊控制 中 ，当 Ｅ和 Ｅ ｃ偏小时 ，作为粗调 的传统模糊控制方法将 失去作 用 ，若将其 与作 为细 调的数字 ＰＤ控制方法相结合 ，就 可以使两 者形成互 补 ，取 得较好 的控制效果 。图 ２为 模糊 自整 Ｉ 定 ＰＤ控制 系统 的组成框 图 。 Ｉ
恒温控 制。
关键 词 ：模 糊 Ｐ Ｄ控 制 ；普 通 电 热 水 器 ；水 温 控 制 Ｉ 中 图分 类 号 ：Ｔ ２ ３ 文 章 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ７ — ７ ０ （ ０ １ ６ — ０ ７ — ０ Ｐ７ ６１ ４ ６ ２ １ ）０ ０７ ３
模糊控制器设计过程
模糊关系及模糊推理 – If A1, and B1, Then C1； – If A2, and B2, Then C2
– ......
– If An, and Bn, Then Cn
已知A*,B*,求C*
C* ( A* B*) oR % %% %
R%i A%i B%i C%i
对象的控制。
人类专家的控制经验是如何转化为数字控制器的 ？
控制思想：
如果水温偏高，就把燃气阀关小； 如果水温偏低，就把燃气阀开大。
人类对热水器水温的调节
3.1
模糊控制的工作原理
模糊值
规则库R
模糊值
模糊化
输入e
输出u
模糊推理
精确值
期望值 ＋
e A/D
－
温度 传感器
热水器
热水器水温模糊控制系统结构
去模糊化 u 精确值 D/A
电磁阀
模3糊.控2制模器的糊基本控结构制通常器由的四个结部分构组成和：设计
模糊化接口
规则库
模糊推理 清晰化接口
规则库
模
清
糊
晰
化
模糊推理
化
接
接
口
口
3.23.1.2模模糊化糊接控口制器的结构和设计
模糊化就是通过在控制器的输入、输出论域上定义语言变量，来将精确的输入、 输出值转换为模糊的语言值。
z的论域为{0.1,0.2,0.3}，语言值为Z：* （略小 略高）o R
“长”={0, 0.5, 1}；“短”={1, 0.5, 0}
%
则1）试求规则：
如果 x 是 “大” 并且 y 是“高” 那么 z是“长”；
如果 x 是“小” 并且 y 是 “中” 那么 z是“短”。
一种分段PI参数自整定的燃气热水器控制方法
24一种分段PI参数自整定的燃气热水器控制方法一种分段PI参数自整定的燃气热水器控制方法Method of Adapt i v e Segment PI ControI in Gas Water Heater蒋彦炜陈从颜(东南大学自动化学院，江苏南京210096)摘要:针对燃气热水器的恒温控制问题，提出了一种分段PI参数自整定的燃气热水器控制方法。
首先根据热力学定律推导出燃气热水器的传递函数模型；然后根据模型设计了分段PI参数自整定控制器来提高恒温控制性能，并在Matlab上进行仿真；最后在测试平台上验证了上述控制方法的有效性。
关键词：燃气热水器；恒温控制；分段PID；PID参数自整定Abstract:A i m i ng at the thermostat control of gas water heaters,th i s paper proposes an adapt i v e PI segment control method for gas water heaters.F i rstly,based on the the law of thermodynam i cs,transfer funct i o n model of the water heater is der i v ed.Then an adapt ive segment PI controllers des igned accord ing to the model to improve the performance of gas water heaters system,and s i m ulated the system on Matlab.F i nally,the effect i v eness of the proposed control methods ver i f i e d by the exper i ments.Keywords:gas water heater,thermostat control,segmented PI,adapt i v e PI第一台燃气热水器诞生于19世纪末［1］遥目前燃气热水器普遍采用的是PID控制方法⑵，此方法实现简单，但在水流变化时难以取得满意的控制效果。
基于大林算法的燃气热水器温度Fuzzy-PID控制方法
大林算法 的设计 目标是将 期望的 闭环 响应设 计成一 阶惯性 加纯滞后 ，然后 反过来得到能满足这 种闭环 响应
的控 制器 。
冷 ＿ ＿ ＿ （ Ｊ
燃气
— — — —
Ｉ 热元 ＿ 敏件 Ｉ ｆ 、
器
” …
比
— — — —
方法 ］ 。
在 温度控制技术领域 中， 普遍采用 ＰＤ控 制算法 。 Ｉ 但
是在 一些具有纯滞后环节 的系统 中，ＰＤ 控 制很难 兼顾 Ｉ 动 、静两方面 的性 能，而且多参数整定也很难 实现最佳
控制 。若采用大林算法 ，可做 到无或者小超调 ，无或小
稳态误 差，控 制效果 比较理想 。大林算法是 由美 国 ＩＭ Ｂ
法 的燃气供应量控制律式 （ ） ８。
３２ 基 于模糊 －Ｉ 控制律 的 目标燃 气供应 量 的控 制 ． ＰＤ
式 （）是基于大林 算法使得 期望温度 时的现场燃气 ８
供 应量得 以确定 ，但 目标燃气供应量是需要 控制燃气 比 例 阀开 口大小来实现 ，同样 比例 阀开 口大小在 燃气供应
参考文献 ：
【］陈庭根，管志川．钻井工程理论与技术 ［ 。东营 ：中国石 １ Ｍ１
探讨 ［ ．海洋石油 ，２ ０ ，２ ２：８ 一３ Ｊ ］ ０６ ６（） Ｏ８ ．
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工 业 出版 社 ， ２ ０ ： ６４ ００ ３．
模糊控制理论在即热式热水器中的应用
ｏ ｊｃ．Ｗｈ ｎ ｉ ｉ ｕ ｅ ｎ ｉ ｒｓｗｉ ｏ ｌｘ ａ ｄ ｎ ｎ—ｉｅ ｒｄ ｌｙ ｓ ｃ ｓ ｉｓａ ｔｎ ｏ ｓｗ ｔｒ ｂｅ ｔ ｅ ｔ Ｓ ｓｄ ｉ ｔｎ ｔ ｃ ｍｐ ｅ ｎ ｏ ｌ ａ ｅａ ｕ ｈ ａ ｎ ｔｎａ ｅ ｕ ａｅ ｅ ｈ ｎ
Ｋｅ ｒ ｓ： ｉｓａ ｔｎ ｏ ｓｗａｅ ｅ ｔｒ ｆｚｙ ｃ ｎｒｌ ｔａ ｉ ｏ ａ Ｉ ｃ ｎｒｉｓａ ｔｎ ｏ ｓｗ ｔｒ ｙ ｗｏ ｄ ｎ ｔｎａ ｅ ｕ ｔｒｈ ａｅ； ｕ ｚ ｏ ｔ ； ｒｄｔ ｎ ｌＰ Ｄ ｏ ｔ ｎｔｎａ ｅ ｕ ａｅ ｏ ｉ
ｈ ａｅ ；ｆ ｚ ｙ ｃ ｎ ｒ ｌ ｔａ ｔｏ ａ Ｄ ｏ ｔｏ ；ｓｍ ｕ ａｉ ｎ ｌ ｉ ｌ ｔ ｎ ｅ ｔ ｒ ｕ ｚ ｏ ｔｏ ； ｒ ｄｉ ｎ ｌＰＩ ｃ ｎ ｒ ｌ ｉ ｌｔｏ ｏ；ｓｍｕ ａ ｉ ｉ ｏ
控 制 技术 调 节 加 热 功率 控 制 温 度 ，但 是 ＰＤ控 制 Ｉ 只对 于单输 人单输 出的线 性非 时变 系统能达 到好 的 控制效 果 ，而 即热 式 热水 器 是 非线形 的 、时变 的 、
水 器 比传 统热 水器 节省 ４ ％的能 耗 ，用 多少热 水 ０
加 热 多少 ，没 有用 不 完 带 来 的浪 费 和 使用 中途 热
关键词 ：即热式热水器 ； 模糊控制；传统 ＰＤ控制；仿真 Ｉ
中图分类号 ：Ｔ ２ ． Ｍ９ ５ ２ ３
文献标识码 ：Ｂ
文章编 号 ：１７＂ ４８ （０ １Ｏ ．－４ ６２ ５６ ２ １）Ｏ 一ｏ ２ｏ １ ４
Ａｐｐ ｉ ａｔｏ ｆＦｕｚ ｙ Ｆｏห้องสมุดไป่ตู้ｒ ｌＴｈｅ ｒ ｎ ｎｓａ ａ ｅ ｕｓ ｌｃ ｉ ｎ ｏ ｚ ｎｔ ｏ ｏ ｙ ｉ Ｉ ｔ ｎｔ ｎ ｏ Ｗ ａ ｅ ａｅ ｔ ｒ Ｈｅ ｔ ｒ
智能控制03-模糊关系和模糊推理
~
R(x2, yn)
S (y1, z1)
~
S (y2, z1)
~
S ~
~
R(xm,
~
yn)
S~ (yn, z1)
S (y1, z2)
~
S (y2, z2)
~
S (yn, z2)
~
S(y1,zl )
~
S(y2,zl )
~
S
~
(yn,
zl
)
则R和S可以合成为论域U×W上的一个新的模糊关系C，记做
的模糊关系R为： R(AB)(AV)
~ ~~ ~
式中，A×B称作A和B的笛卡儿乘积，其隶属度运算法则为：
A B(u,v)A(u)B(v)
~~
~
~
所以，R的运算法则为：
R ( u ,v ) [A ( u ) B ( v ) ] { 1 [A ( u ) ] 1 }
~
~
~
~
[A(u)B(v) ][1A(u)]}
在 ， 也 不 会 那么纠 缠不清 呢？ 18、 荏 苒 岁 月覆盖
0.8
0.3
0.3
0.6
R
~ (子，父 (子） ，母 (女） ，父 (女） ，母
模糊关系的表示
a1 a2 a3 a4
R
b1
b2
b3
RR R((b b1 2,,a a1 1))
R(b1,a2) R(b2,a2)
R(b1,a3) R(b2,a3)
S ~
s s
11
21
:
s 12
s 22 :
... ...
s s
1n 2n
: :
s m1 s m2 ... s mn
基于STC单片机的恒温热水器模糊控制
基于STC单片机的恒温热水器模糊控制作者：莫树培来源：《价值工程》2013年第23期摘要：模糊控制是基于规则的智能控制方式，特别适合对具有多输入—多输出的强耦合性、参数的时变性、严重非线性与不确定性的复杂系统或过程的控制，且控制方法简单。
将模糊控制技术应用于一般的电子产品已是很普遍的现象，单片机常用的控制器件，把二者结合起来，可使控制器的性能指标达到最优的目的。
本文提出了一种模糊控制在恒温热水器中的实现算法，该算法对于热水器的控制系统具有自调整的智能特征，同时还给出了该算法在STC单片机中实现的软件设计思路。
Abstract： Rule-based fuzzy control is intelligent control， it is particularly suitable for a multi-input-multi-output strong coupling， time-varying parameters， serious nonlinearity and uncertainty of complex or a process control system， and the control method is simple. The fuzzy control technology in general electronic products is a very common phenomenon， microcontroller used to control the device， put the two together， can achieve optimal performance controllers purposes.This paper introduces the algorithms of fuzzy control that to be used in constant temperature water heaters. The control system of water heaters have intelligent characteristics， and the paper discusses the method of software designing in the STC-MCU.关键词：模糊控制；智能；单片机Key words： Fuzzy Control；intelligent；MCU中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）23-0049-020 引言本文就是通过利用单片机作为平台，围绕模糊控制规则，以模糊推理算法作为控制系统核心，开发出具有自校正能力的通用的模糊控制器，以恒温热水器为例。
模糊控制算法简介
1
NB NM NS
ZO
PS
PM PB
Ai ( x) e
~
其中，ai为函数的中心值，bi为函数的宽度。 假设与{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}对应的高斯基函数的中心值分别 为{6，4，2，0，-2，-4，-6}，宽度均为2。隶属函数的形状和分布如图所示。
Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)
因而，通常在输入较大的区域内采用低分辨率曲线（形状较缓），在输 入较小的区域内采用较高分辨率曲线（形状较尖），当输入接近零则选 用高分辨率曲线（形状尖）。
Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)
14
3.2 模糊控制器的结构和设计
x
③ 梯型
x a b a , a x b 1, bxc Ai ( x) d x ~ d c , c x d 0, else
NB NM 1 NS ZO PS PM PB
0 -6
-4
-2
0
2
4
6
x
Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)
模糊推理
Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)
6
3.2 模糊控制器的结构和设计
3.2.1 模糊化接口
模糊化就是通过在控制器的输入、输出论域上定义语言变量，来将精确的输入、 输出值转换为模糊的语言值。
基于SOA_与模糊PID_的恒温差热式流量计
◀油气田开发工程▶基于SOA 与模糊PID 的恒温差热式流量计∗谈聪1㊀杨旭辉1㊀刘平2㊀李冰2㊀吕品歧2㊀霍东凯2㊀杨启聪3(1.长江大学电子信息学院㊀2.中国石油集团测井有限公司㊀3.西安威尔格德能源技术有限公司)谈聪,杨旭辉,刘平,等.基于SOA 与模糊PID 的恒温差热式流量计[J ].石油机械,2023,51(7):113-120.Tan Cong ,Yang Xuhui ,Liu Ping ,et al.Constant temperature difference thermal flowmeter based on SOA and fuzzyPID [J ].China Petroleum Machinery ,2023,51(7):113-120.摘要:传统流量计在低流量检测中存在启动排量不足㊁易受外界干扰㊁分辨率低等缺陷,无法满足低产液井检测需求㊂热式流量计以其结构简单㊁灵敏度高㊁适应性强等优势被应用于小流量检测中㊂设计了一种恒温差热式流量计的整体结构,从理论上分析了影响其测量的关键因素,并根据井下测量环境的变化,在常规热式流量计的基础上利用系统在线辨识确定了数学模型㊂采用人群搜索算法改进了模糊自适应PID ,在不同持水率下进行了恒温差控制试验㊂测量结果表明,该算法不仅扩展了热式流量计的应用范围,而且提升了系统的稳定性㊂与常规PID 算法相比,全水环境下系统的调节时间缩短了23%;全油环境下超调减小了78%,且稳态误差减小了21%㊂仪器在不同持水率下的检测效果良好,在井下低流量测量领域具有较强的实用性㊂所得结论可为低流量井下长置式产层动态监测提供新的测量方式㊂关键词:热式流量计;系统辨识;人群搜索算法;模糊PID ;井下仪器中图分类号:TE937㊀文献标识码:A㊀DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.07.015Constant Temperature Difference Thermal FlowmeterBased on SOA and Fuzzy PIDTan Cong 1㊀Yang Xuhui 1㊀Liu Ping 2㊀Li Bing 2㊀LüPinqi 2㊀Huo Dongkai 2㊀Yang Qicong 3(1.Electronics &Information School ,Yangtze University ;2.China National Logging Corporation ;3.Xi a n Well-Good EnergyTechnology Co.,Ltd.)Abstract :Traditional flowmeters have some defects in low-flow-rate detection,such as insufficient thresholdflow rate,proneness to external interference and low resolutions,making them inapplicable to the testing of wellswith low liquid production.Thermal flowmeters are used for low-flow-rate detection,owing to their simple struc-ture,high sensitivity and strong adaptability.An overall structure of the constant temperature difference thermal flowmeter was designed,and the key factors affecting its measurement were theoretically investigated.Moreover,according to the changes in the downhole measurement environment,the mathematical model was built for the con-ventional thermal flowmeter equipped with the system online identification.The fuzzy adaptive proportional-inte-gral-derivative (PID)algorithm was improved using the seeker optimization algorithm (SOA),and tested for con-stant temperature difference control with different water holdups.The test results show that the fuzzy PID algorithm expands the application range of the thermal flowmeter and also improves the system pared with theconventional PID algorithm,the fuzzy PID algorithm reduces the settling time of the system in water by 23%,and311 ㊀2023年㊀第51卷㊀第7期石㊀油㊀机㊀械CHINA PETROLEUM MACHINERY㊀㊀㊀∗基金项目:中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目 井下长置式产层动态监测与控制关键技术研究 (2021DJ404)㊂reduces the overshoot in oil by 78%,with the steady-state error lowered by 21%.The proposed constant tempera-ture difference thermal flowmeter delivers good detection performance with different water holdups and has high practicability for downhole low-flow-rate measurement.The research conclusions provide a new long-term-mounted tool for reservoir performance surveillance of low-production wells.Keywords :thermal flowmeter;system identification;SOA;fuzzy PID;downhole instrument0㊀引㊀言为了提高采收率,国内油田通常采用注水驱油的开发措施,目前大部分油田已进入高含水开发阶段[1]㊂为了降本增效,油田公司运用注产剖面多参数测井手段掌握注入和产出动态关系,并及时调整开发策略,实现稳油控水㊂其中井筒流量是重要的参数之一㊂传统的流量测井仪器如涡街流量计㊁叶轮流量计㊁示踪流量计及超声流量计等存在启动排量高或环境污染等问题[2-4],无法满足低渗透油田小流量检测的需求㊂研究发现,恒温差热式流量计十分适用于低流量场景,且具有机械结构简单㊁无可动部件的特点[5-7]㊂该流量计通过调整加热功率以维持不同流速下探头的温差恒定,其核心部分表现为一个典型的温度控制系统[8]㊂贾惠芹等[9]利用常规PID 算法实现全水环境下的低流量检测;张夷非等[10]通过分析数学模型并采用分段PID 算法缩短流量计的响应时间,提高测量精度㊂然而随着开采时间的延长,温度㊁含水体积分数等参数发生变化[11],造成自身数学模型发生改变,导致原有算法难以实现有效控制,增加了流量检测难度㊂恒温差流量计采用常规PID 算法时,通常依靠现场工作经验进行参数凑试,不能实时调整,应用效果较差[12];模糊PID 可以提高常规PID 的自适应能力[13],但其初值㊁论域等参数确定后便无法更改,影响算法效果㊂基于上述原因,本文从控制系统数学模型入手,通过在线系统辨识与控制算法相结合的方式,提高流量计的井下自适应能力,以期为低流量井下长置式产层动态监测提供新的测量方式㊂1㊀测量原理与方法恒温差热式流量计在热传导原理基础上[14],通过计算不同流速下加热功率反映流量㊂仪器设计制造完成后主要参数如下:外径为38mm,最高工作温度为155ħ,最高承压为80MPa,测量范围为1~30m 3/d,分辨率为1m 3/d㊂恒温差热式流量计结构如图1所示㊂冷端探头在管道上游,用于检测流体温度;热端探头与冷端探头保持一定距离,放在管道下游,检测流速㊂使用高精度差分检测模块测量两探头电压差并控制其稳定㊂1 上接头;2㊁5㊁7㊁9 导线;3 外壳;4 电路仓;6 热端探头;8 冷端探头;10 下接头㊂图1㊀恒温差热式流量计结构Fig.1㊀Structure of the thermal flowmeter㊀㊀图1中加热电阻提供的热量H 主要通过探头与流体之间的对流换热散发出去[15],单位为W㊂当温差稳定时,管道内探头与流体处于热力学平衡状态㊂根据金氏定律和Kramers 换热公式[16],探头散失的热量与流体的流量存在确定关系:H =Q c =U 2rms /R(1)H =hS ΔT(2)U 2rmsR =0.42ηC pλ()0.2+0.57ηC pλ()0.33ˑéëêêρu Dη()0.5ùûúúπλl ΔT (3)式中:Q c 为对流散失热量,W;h 为对流换热系数,W /(m 2㊃K);S 为加热器表面积,m 2;D 为圆柱体直径,m ;l 为圆柱体长度,m;ΔT 为热端探头与冷端探头之间温差,K;λ为流体的导热率,W /(m㊃K);η为被测液体的动力黏度,Pa㊃s ;C p 为流体的定压比热容,J /(kg㊃K);ρ为液体密度,kg /m 3;u 为液体流速,m /s;R 为加热电阻,Ω;U rms 为有效电压值,V㊂在R 已知情况下,可通过调整占空比驱动加热电路,从而控制热量H 的增加或减少以维持温差恒定㊂411 ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第7期加热电阻由方波信号驱动,σ为其占空比,常数;方波峰值为U p,单位为V㊂有效电压值为:U rms=U pσ(4)㊀㊀令冷端探头温度为T c,K;热端探头温度为T h,K;则温差表示为ΔT=T h-T c㊂代入式(3)并推导可得:u=Aσ-B(5)其中:A=U p2η0.170.57C p0.33λ0.67ρ0.5D0.5Rπl(T h-T c)(6) B=0.42C0.2pη0.37λ0.80.57C p0.33λ0.67ρ0.5D0.5(7)㊀㊀式(6)和式(7)说明探头尺寸确定且环境物性稳定时,A和B都是常数;由式(5)可知平衡状态下,流速u与占空比σ存在函数关系㊂2㊀控制算法井下测量环境的变化造成流量计热交换过程缓慢,为保证温差控制的快速性㊁准确性和稳定性,需要误差小㊁响应快和抗扰动能力强的控制算法㊂2.1㊀实时辨识生产井进行石油开采时有以下特点:①井下不同储层的油藏由于其形成的历史时期存在一定的差异,导致不同油层的密度㊁压力㊁组成和厚度等各不相同;②为了测得不同储层的实时数据,需要将测量传感器长期放置在井下各个储层,随着开采时间的延长,储层的温度㊁流量和含水体积分数等参数发生变化[17-18]㊂以上2点是热式流量计数学模型发生较大改变的主要原因,PID离线整定所得参数也随之失效㊂为了实现井下探头的精确控制,经过反复实践,引入理论与试验相结合的方式计算系统控制参数,首先通过在线辨识获取传递函数,再使用响应曲线法(Ziegler-Nichols法)及时更改PID参数㊂系统辨识是将被控对象的输入和输出数据,通过一系列的模型假设,来寻找最能拟合被控对象行为的数学模型,并通过对该模型的分析处理从而实现控制器的优化[19-21]㊂恒温差热式流量计数学模型可近似为1阶时滞系统㊂因此本文采集阶跃响应数据作为辨识输入,系统增益㊁时间常数㊁滞后时间为输出,并采用两点法[19]进行系统在线辨识㊂1阶时滞系统数学模型为:G(s)=kTs+1e-τs(8)式中:k为系统增益,常数;T为时间常数,无量纲;τ为滞后时间,s;s为复变量㊂通过拉普拉斯反变换得阶跃响应为:y(t)=L-1(k Ts+1e-τsˑεs)=kε(1-e t-τT)(9)式中:ε为阶跃输入信号,V;t为时间,s㊂㊀㊀由式(9)可知系统在稳态时:k=y(ɕ)ε(10)㊀㊀在阶跃响应曲线上取两点t1,y(t1)[], 2t1,y(2t1)[],将其代入式(9),并求解方程组可得如下:T=t1ln(1-h1)-ln(1-h1ᶄ)(11)τ=t1ln(1-h1ᶄ)-2t1ln(1-h1)ln(1-h1ᶄ)-ln(1-h1)(12)其中:h1=y(t1)y(ɕ)(13)h1ᶄ=y(2t1)y(ɕ)(14)㊀㊀为了确保计算的准确性,系统参数取平均值: T =ð3j=1t jln(1-h j)-ln(1-h jᶄ)3(15)τ =ð3j=1t j ln(1-h jᶄ)-2t j ln(1-h j)ln(1-h jᶄ)-ln(1-h j)3(16)㊀㊀根据系统辨识结果获取到传递函数模型,进而通过Ziegler-Nichols法(Z-N法)进行PID参数整定,结果如表1所示㊂表1㊀参数计算公式2.2㊀参数寻优由现场调试经验可知,在使用Z-N法进行参数整定时,易陷入局部最优解[22]㊂而人群搜索算法(Seeker Optimization Algorithm,SOA)通过模拟人的智能搜索行为和不确定推理实现位置数据的更新,使得参数获取更为高效,能够完成对问题的最优求解[23]㊂然而,在进行SOA寻优时,参数范5112023年㊀第51卷㊀第7期谈聪,等:基于SOA与模糊PID的恒温差热式流量计㊀㊀㊀围无法更改㊂如果测量环境发生变化,将造成当前寻优范围内的调节时间延长,甚至无法找到最优解㊂针对这一问题,本文将系统实时辨识和SOA 相结合,根据当前环境及时调整SOA寻优范围,进而求取PID参数㊂SOA流程如下:(1)种群的初始化㊂根据系统辨识结果,修改SOA参数范围并确定初始值,以表示对种群位置的初始化操作㊂在控制算法中,种群P u包含3个个体,由3个PID控制参数K p㊁K i㊁K d组成,即有:P u=K1p㊀㊀K1i㊀㊀K1dK2p㊀㊀K2i㊀㊀K2d㊀㊀ ㊀㊀K m p㊀㊀K m i㊀㊀K m déëêêêêêùûúúúúú(17)㊀㊀然后选取适应度函数,通过适应度值判断个体解的优劣,最后达到满意的动态特性㊂F=ʏɕ0[ω1e(t)+ω2u2(t)]d t(18)式中:e(t)为系统误差值;u(t)为控制器输出;权值ω1和ω2常取0.999和0.001㊂为了避免系统超调,对式(18)做如下处理,可变为:F=ʏɕ0[ω1e(t)+ω2u2(t)+ω3e(t)]d t(19)式中:权值ω3取100㊂㊀㊀(2)通过3组参数确定个体所处的位置㊁方向和搜寻步长,并将每个搜寻者当前位置与历史最佳位置相比较,实现最佳位置更新㊂(3)对每个搜寻者个体位置与其种群历史最佳位置相比较,记录种群历史最佳位置,并进行位置更新:K p(t+1)=K p(t)+αp(t)d p(t)(20)K i(t+1)=K i(t)+αi(t)d i(t)(21)K d(t+1)=K d(t)+αd(t)d d(t)(22)式中:时刻t时参数搜索步长分别为αp(t)㊁αi(t)以及αd(t),搜索方向为d p(t)㊁d i(t)以及d d(t)㊂(4)如果满足结束条件,结束循环并输出对应参数;否则重新计算适应度值㊂2.3㊀控制系统设计考虑到流量计的使用环境和测量效率,为确保算法在环境发生变化后能及时更改控制参数并实现流量跟踪,应该减少系统辨识和SOA寻优的频率㊂因此本文采用模糊PID进行后续控制㊂模糊控制指利用模糊数学对不确定的系统进行建模㊁分析和推理,并输出控制策略来实现对系统的优化控制[24]㊂本文算法是在模糊控制的基础上,对系统进行辨识并采用SOA实现参数寻优;然后将其作为模糊PID初值,控制过程中根据模糊规则推导并调整参数以达到最佳控制效果㊂图2所示为基于SOA的模糊自适应PID控制系统原理图㊂图2㊀基于SOA的模糊自适应PID控制系统原理图Fig.2㊀Schematic diagram of the fuzzy adaptive PID control system based on SOA㊀㊀根据图2制定算法流程如下㊂离线部分:首先对不同持水率下的热式流量计进行系统辨识,并使用SOA整定PID参数;根据整定结果及经验确定模糊PID的参数范围,并设计模糊规则,如表2所示㊂在线部分:(1)下井后静置一段时间以适应井下环境㊂在探头温差稳定后,通过系统辨识获取控制对象的传递函数模型㊂(2)利用响应曲线法确定PID参数,调整SOA寻优范围和初始位置,通过SOA实现参数整定,将结果作为模糊PID的初始值㊂(3)进行模糊PID控制,根据调节时间㊁超调量及稳态误差等指标判断控制效果是否满足预期㊂(4)若控制效果符合预期,则输出当前结果;否则返回步骤(1)㊂611 ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第7期表2㊀模糊推理规则表㊀㊀本文使用差分AD模块计算热端探头与冷端探头之间的实时温差电压,并将其与设定的模拟温差电压值进行比较得到偏差e,其变化率记为e c;经过模糊运算得到的ΔK p㊁ΔK i㊁ΔK d为PID控制器的参数增量,将其与初值K p0㊁K i0㊁K d0对应相加得PID参数K p㊁K i㊁K d[25]㊂执行机构通过调节占空比来维持探头温差的恒定㊂K p=ΔK p+K p0(23)K i=ΔK i+K i0(24)K d=ΔK d+K d0(25)3㊀试验结果与分析提高流量测量精度和速度的关键在于被测流量发生变化时,探头的温度控制部分能够通过快速调整加热功率维持温差恒定㊂在常温常压封闭井筒中,分别对恒温差热式流量计在全水和全油环境下进行了阶跃响应试验并进行系统辨识㊂试验时,输入信号为占空比100%的加热电压12V,输出信号为检测模块获取的探头电压差㊂根据试验结果取得传递函数模型,使用Z-N法进行初步参数整定㊂并据此确定了SOA的参数寻优范围和初值,随着算法迭代次数的不断增加,PID参数值与适应度值逐渐趋于稳定㊂最终,全水㊁全油环境下的系统辨识结果及PID参数值如表3所示㊂表3㊀系统辨识和参数寻优结果㊀㊀不同环境下用Z-N法确定的PID参数差异,导致SOA的寻优范围和初始值也不同㊂根据表3,在不同环境下进行了常规PID系统响应试验,结果如图3所示㊂然而,系统辨识和SOA寻优需要较长时间,无法及时跟踪流量变化㊂因此,设计了模糊自适应PID控制器,并编写了相应算法来验证其有效性㊂图3㊀不同控制方式的温差曲线Fig.3㊀Temperature difference variationunder different control modes为验证算法可靠性,进行了水/油流体的仪器恒温差控制试验,通过恒温差控制系统记录200s的温差电压随时间变化曲线㊂系统由12V加热模块㊁恒温差控制模块㊁检测模块和上位机组成㊂试验使用了模拟井筒,其通径为124.0mm;设定温差电压为2mV㊂在其他条件相同情况下,进行了全水和全油试验,表4和表5分别为全水和全油下动态响应参数㊂试验旨在比较常规PID㊁SOA-PID和改进模糊PID的温差响应曲线㊂711 2023年㊀第51卷㊀第7期谈聪,等:基于SOA与模糊PID的恒温差热式流量计㊀㊀㊀表4㊀全水环境下动态响应参数Table 4㊀Dynamic response parameters in表5㊀全油环境下动态响应参数Table 5㊀Dynamic response parameters in㊀㊀图3展示了全水和全油环境下使用不同控制方法时,温差探头响应情况㊂表4㊁表5显示,SOA-PID 和改进模糊PID 相对于常规PID 具有更短的调节时间和更小的超调量㊂特别地,与常规PID 相比,在全水环境下,SOA-PID 调节时间缩短了41%,在全油环境下缩短了55%㊂不同环境下SOA-PID 显著减少了超调量,动态性能得到了明显改善㊂为了避免数据丢失,采用了基于SOA 改进的模糊PID 控制方法,这种方法牺牲了时间长度以换取更好的测量精度和流量跟踪的及时性㊂为了更深入地了解恒温差热式流量计的性能,在其他试验条件相同的情况下,通过恒温差控制系统记录了不同持水率下的温差电压相应曲线㊂采用改进的模糊PID 算法进行控制,不同持水率下的温差曲线如图4所示㊂表6是其对应的动态响应参数㊂图4㊀不同持水率下温差曲线Fig.4㊀Temperature difference variationwith different water holdups随着持水率的增加,温差响应曲线的上升时间变长,超调量减小,维持温差所用占空比升高㊂在高持水率的流体中,水的含量较高,相同时间内带走的热量较多,导致温差探头的温度上升速度较慢,系统的超调量较小;相反,在低持水率的流体中,油的含量较高,导致温差探头的温度上升速度较快,系统的超调量较大㊂同时,在不同持水率的流体中,控制对象能在60s 内保持稳定,并且稳态误差小于0.3%㊂这表明该算法能够在不同流体特性下实现较好的温差控制,确保恒温差热式流量计的测量精度和稳定性㊂表6㊀不同持水率下动态响应参数Table 6㊀Dynamic response parameters㊀㊀从1m 3/d 的流量开始,以1m 3/d 为间隔逐步增加流量至10m 3/d,随后调整间隔为2m 3/d,再逐步增加至30m 3/d㊂在不同持水率下进行了3次测量试验,统计仪器输出的占空比㊂图5为仪器测量曲线㊂图5㊀试验测量曲线Fig.5㊀Measurement curves由图5可知,在10m 3/d 以下的低流量测量范围内,曲线斜率较高,有较好的分辨率;流量到达10~30m 3/d 时,系统的分辨率降低㊂高流量时,达到热力学平衡状态需要输出较大占空比,说明高流量下探头散发热量较快,符合热式流量计测量原理㊂仪器在不同持水率下流量检测结果表明,该算法能够提高系统自适应能力,即使环境物性发生改变,也可以快速到达稳定状态,实现流量的有效测量,缩短了调节时间,减小了稳态误差,大大提高了系统性能㊂811 ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第7期4㊀结论与建议(1)井下热式流量计的工作环境发生改变后,常规PID控制器难以适应新工况,需要重新调校PID参数,给现场施工带来不便的同时也增加了仪器的不确定性㊂使用系统在线辨识并与人群搜索算法和模糊PID相结合,相较于常规PID,这种复合控制器在不损失控制精度的基础上将调节时间缩短了30%以上,超调量减小78%,显著改善了系统的动态性能,提高了系统自适应能力㊂(2)根据流量监测结果,该测量方法具有出色的稳定性和高度可靠性,且在环境适应性方面优于常规PID控制㊂该方法不受启动排量限制,可准确测量1~30m3/d的油水井流量,且可在不同持水率下区分1m3/d的变化,具有广泛的应用前景㊂该方法为低流量检测提供了一种可行的技术手段㊂(3)流体的持水率增加,会导致控制器在热平衡状态下需要输出更大的占空比㊂因此在对仪器流量标定时,应在实际应用场景中获取更详细的数据,并通过分析不同持水率下流量计的测量曲线进行流量校正,保证流量计在工业生产中具备一定的测量精度㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀胡改星,刘延青,张天杰,等.基于压力波通信的注水井分层调控系统研究[J].石油机械,2022,50(11):104-110.HU G X,LIU Y Q,ZHANG T J,et al.Study onseparate allocation system for water injection well basedon pressure wave communication[J].China PetroleumMachinery,2022,50(11):104-110. 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