主动式太阳房采暖控制系统设计(上)
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主动式太阳房采暖控制系统设计及研究
专 学 导 业： 生： 师： zhanghaitao
答辩目录
• • • • • • • 1对工艺进行分析，归纳控制要求 2对被控对象进行特性分析，建模 3根据分析结果，提出控制策略 4仿真分析验证 5根据仿真结果，进行控制系统方案设计 6控制系统硬件选型，及硬件接线设计 7软件设计，控制箱面板设计，内部布置设计，
1 主动式太阳房工艺流程及控制要求
2 被控对象特性分析及建模
• 采暖被控对象可以分为开关量和过程量， 开关量主要包括集热泵、换热泵、散热泵 和辅助加热器 ；防冻阀、自动补水阀、 取水阀、供暖选择阀和辅助加热切换阀实 现开启和停止，控制相对容易实现。
• 采暖房间温度（过程量），房间温度调节方式一般 采用定温变流量和定流量变温度进行调节，采用定 温变流量控制。 • 采暖温度控制模型建立：由于受到太阳周期性变化 、 集热器效率，限制了采暖供水温不超过70摄氏度， 受房间被动接受太阳辐射和散热影响，可得到房间 温度是逐渐上升到某个值附近波动，可以近似的认 为被控对象采暖房间温度是具有自衡能力，因此近 似为太阳房数学模型是一阶或者二阶加滞后处理。
G( s) 15 e260.19 s 1 6.3s 1 9.7s
• 被控对象干扰来源分析：回路水垢、回路补水及辅助加热 器；房间热负荷的变化。
• 末端散热回路
3 采暖温度模糊自整定串级控制策略
• 串级控制设计原则 ：
• 副回路应包括尽可能多的扰动； • 主、副被控对象的时间常数应匹配，3到10之间 ； • 控制器正反作用选择，即构成负反馈系统；
扰动
给定温度 PID调节器 P调节器 调节阀
扰动
回水流量
地板盘管散器
采暖房间
采暖房间温度
实测温度
副检测变送器 主检测变送器
太阳房采暖温度串级控制系统框图
de/dt
模糊 调节器 Δ P ΔKIΔK D K 扰动 P调节器 调节阀 副检测变送器 主检测变送器 回水流量
地板盘管散热器
扰动 采暖房间 采暖房间温度
PID 串级控制 改进串级控制
1
幅 0.8 值
0.6
0.4
0.2
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
时间（S）
三种控制策略稳态时间响应
回路加干扰分析比较
串级控制策略副回路加入持续随机干扰
• 副回路加入持续随机干扰改进串级控制仿真策略框图
1.5
1.4
串级控制
控制策略适应模型适应性仿真分析
1.4
1.4
1.2
T=10 T=6.3 T=10
K=25
1.2
K=25
1
1
T=6.3 幅 0.8 值 T=10
0.6
幅 值 0.8
T=6.3
0.6
K=25
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000
域特性（包括动态性能指标和稳态性能指标分析比较）； 抗干扰特性（对副回路及主回路加干扰进行分析比较）； 对模型的适应性（改变模型的时间常数进行分析比较）。 • 仿真系统搭建及时间响应
太阳房采暖温度模糊自整定PID串级控制系统仿真框图
fuzzyPIDOUT
PIDcontrol
时域特性分析比较
1.4 1.2
2500
3000
时间（S）
时间（S）
•
副回路时间常数变化响应比较
主回路时间常数变化响应比较
PID
改进串级控制
1.2
PID
PID
1
1
串级控制
串级控制
0.8
改进串级控制
幅 值
0.5
0.6
改进串级控制
0.4
0.2
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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
160wenku.baidu.com 1800
2000
时间（S）
主回路加干扰
副回路加干扰
给定温度 PID调节器 实测温度
模糊自整定PID串级控制系统框图
• 模糊自整定PID串级控制系统主控制器设计
PID控制器
KP KI KD
u
e(k ) e( k )
模糊化 输入隶 属度
模糊控制 模糊规 则库
解模糊化 输出隶 属度
4 仿真分析比较
• 对PID、串级控制系统和改进串级系统，分别从时
W s
k e s Ts 1
W s
k e s T1 s 1T2 s 1
• 机理建模。即太阳房热工建模对假定的模型进行验 证；验证结果与假定模型基本符合。 • 被控对象特性。分析大量同类资料及机理建模得到 的模型结构，可知被控对象存在以下特性：大惯性、 纯滞后和时变的特性。
专 学 导 业： 生： 师： zhanghaitao
答辩目录
• • • • • • • 1对工艺进行分析，归纳控制要求 2对被控对象进行特性分析，建模 3根据分析结果，提出控制策略 4仿真分析验证 5根据仿真结果，进行控制系统方案设计 6控制系统硬件选型，及硬件接线设计 7软件设计，控制箱面板设计，内部布置设计，
1 主动式太阳房工艺流程及控制要求
2 被控对象特性分析及建模
• 采暖被控对象可以分为开关量和过程量， 开关量主要包括集热泵、换热泵、散热泵 和辅助加热器 ；防冻阀、自动补水阀、 取水阀、供暖选择阀和辅助加热切换阀实 现开启和停止，控制相对容易实现。
• 采暖房间温度（过程量），房间温度调节方式一般 采用定温变流量和定流量变温度进行调节，采用定 温变流量控制。 • 采暖温度控制模型建立：由于受到太阳周期性变化 、 集热器效率，限制了采暖供水温不超过70摄氏度， 受房间被动接受太阳辐射和散热影响，可得到房间 温度是逐渐上升到某个值附近波动，可以近似的认 为被控对象采暖房间温度是具有自衡能力，因此近 似为太阳房数学模型是一阶或者二阶加滞后处理。
G( s) 15 e260.19 s 1 6.3s 1 9.7s
• 被控对象干扰来源分析：回路水垢、回路补水及辅助加热 器；房间热负荷的变化。
• 末端散热回路
3 采暖温度模糊自整定串级控制策略
• 串级控制设计原则 ：
• 副回路应包括尽可能多的扰动； • 主、副被控对象的时间常数应匹配，3到10之间 ； • 控制器正反作用选择，即构成负反馈系统；
扰动
给定温度 PID调节器 P调节器 调节阀
扰动
回水流量
地板盘管散器
采暖房间
采暖房间温度
实测温度
副检测变送器 主检测变送器
太阳房采暖温度串级控制系统框图
de/dt
模糊 调节器 Δ P ΔKIΔK D K 扰动 P调节器 调节阀 副检测变送器 主检测变送器 回水流量
地板盘管散热器
扰动 采暖房间 采暖房间温度
PID 串级控制 改进串级控制
1
幅 0.8 值
0.6
0.4
0.2
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800
1000
1200
1400
1600
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2000
时间（S）
三种控制策略稳态时间响应
回路加干扰分析比较
串级控制策略副回路加入持续随机干扰
• 副回路加入持续随机干扰改进串级控制仿真策略框图
1.5
1.4
串级控制
控制策略适应模型适应性仿真分析
1.4
1.4
1.2
T=10 T=6.3 T=10
K=25
1.2
K=25
1
1
T=6.3 幅 0.8 值 T=10
0.6
幅 值 0.8
T=6.3
0.6
K=25
0.4
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0 500 1000 1500 2000 2500 3000
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域特性（包括动态性能指标和稳态性能指标分析比较）； 抗干扰特性（对副回路及主回路加干扰进行分析比较）； 对模型的适应性（改变模型的时间常数进行分析比较）。 • 仿真系统搭建及时间响应
太阳房采暖温度模糊自整定PID串级控制系统仿真框图
fuzzyPIDOUT
PIDcontrol
时域特性分析比较
1.4 1.2
2500
3000
时间（S）
时间（S）
•
副回路时间常数变化响应比较
主回路时间常数变化响应比较
PID
改进串级控制
1.2
PID
PID
1
1
串级控制
串级控制
0.8
改进串级控制
幅 值
0.5
0.6
改进串级控制
0.4
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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
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时间（S）
主回路加干扰
副回路加干扰
给定温度 PID调节器 实测温度
模糊自整定PID串级控制系统框图
• 模糊自整定PID串级控制系统主控制器设计
PID控制器
KP KI KD
u
e(k ) e( k )
模糊化 输入隶 属度
模糊控制 模糊规 则库
解模糊化 输出隶 属度
4 仿真分析比较
• 对PID、串级控制系统和改进串级系统，分别从时
W s
k e s Ts 1
W s
k e s T1 s 1T2 s 1
• 机理建模。即太阳房热工建模对假定的模型进行验 证；验证结果与假定模型基本符合。 • 被控对象特性。分析大量同类资料及机理建模得到 的模型结构，可知被控对象存在以下特性：大惯性、 纯滞后和时变的特性。