PDF《仿人智能控制在双功能燃气热水器中的应用》

《自动化技术与应用》

2004 年第

23 卷第

8 期 控制理论与应用 Control Theory and Applications 仿人智能控制在双功能燃气热水器中的应用

3 李祖枢

1 ,2 , 曾成2,3 , 张华1,解骁武

1 (1.

重庆工学院人工智能系统研究所 , 重庆

400050 ;

2. 重庆大学智能自动化研究所 , 重庆

400044 3. 中国工程物理研究院电子工程研究所 , 四川 绵阳 621900) 摘要:双功能燃气热水器集洗浴和采暖功能于一体 ,是一种新颖的智能家电.通过对热水器结构原理与工作机制的分析 ,依据工 程模型、 算法设计和仿真分析的结果 ,设计了简洁实用的仿人智能控制算法.利用本文设计的控制算法使非容积式的双功 能燃气热水器 ,用较低的硬件成本和很好的控制效果赢得了市场的青睐.文中的分析与设计方法对解决大时延的难控问题 具有一定的参考意义. 关键词 :仿人智能控制 ;

双功能燃气热水器 ;

温度控制 中图分类号 : TP182 文献标识码 : B 文章编号 : 100327241(2004)

0820004204 Intellige nt Control of the Dual Function Water - Heater LI Zu - shu

1 ,2 , ZENG Cheng

2 ,3 , ZHANG Hua

1 , XIE Xiao - wu

1 (1. Institute of Artificial Intelligence System , Chongqing Institute of Technology , Chongqing

400050 ,China ;

2. Institute of Intelligent Automation , Chongqing University , Chongqing

400044 ,China ;

3. Institute of Electronic Engineering , China Academy of Engineering Physics , Mianyang

621900 ,China ) Abstract :The Dual function water - heater is a novel intelligent household appliance that could supply bath water and heating water. The principle and the design of the water - heater are outlined in the paper. The dual function water - heater now holds a large market share for its lower cost and excellent performance. Key words:Intelligent control ;

Dual function water - heater ;

Temperature control

1 引言 双功能燃气热水器是既能提供生活热水 ,又能提供采暖热 水的新型热水器.我国北方大部分城市居民冬天有取暖的需 求 ,与集中供暖方式相比 ,利用双功能燃气热水器取暖有投资成 本低、 供热方式灵活、 舒适、 经济等优点 ,而且它可以向用户供应 高质量的生活热水.双功能燃气热水器的优点再加上我国能源 结构改善等有利因素 ,推动双功能燃气热水器在我国的普及应 用. 双功能燃气热水器市场潜力巨大 ,对其结构、 节能及水温控 3国家科技型中小企业创新基金 ( 仿人智能锅炉控制系统 , 编号 : 02C26215100119) 收稿日期 :2004 -

03 -

04 制等问题的研究很有现实意义.容积式热水器便于控制 ,但有 本体成本高的致命问题.非容积式双功能燃气热水器成本较 低 ,硬件结构简单 ,要在低成本的硬件基础上获取好的控制效 果 ,这对温度控制算法提出了较高的要求.现今应用在此领域 , 以PID 控制为主的控制算法在实际应用中体现出动态性能不 好 ,鲁棒性差等缺点. 仿人智能控制自创立以来 ,已经应用于广泛的领域 ,被实践 证明是非常成功的智能控制方法 ,尤其是在大滞后过程控制问 题上 ,更体现出其控制的优越性.它可以较好地兼顾稳、 快、 准 的指标 ,且鲁棒性较强.本文运用仿人智能控制理论 ,设计出双 功能燃气热水器温度控制算法 ,实现对生活水与采暖水良好的 温度控制 ,并在实际系统中取得了成功的应用.

4 | Techniques of Automation &

Applications 控制理论与应用 Control Theory and Applications 《自动化技术与应用》

2004 年第

23 卷第

8 期2对象分析 本文讨论的非容积式双功能燃气热水器 ,利用气体燃烧释 放的热量使水流加热 ,是一种小型的热力设备.它比普通燃气 热水器增加了取暖功能 ,使得它在结构上有较大的差别 :首先 , 在水路上增加了采暖水路 ,其次 ,在热交换器的结构上更加复 杂.双功能燃气热水器包括控制 ,供水与加热 ,燃气供应与燃 烧 ,供风与排烟等多个组成单元. 这里对本文讨论的双功能燃气热水器的主体结构进行分 析 ,其工作原理如图 1.热交换器采用套管方式 ,大管中通过采 暖用水、 小管中通过生活热水.燃气经过供气管路和气阀进入 燃烧器.在燃烧器火孔处 ,燃气被点燃 ,燃烧生成的高温烟气流 直接对管式热交换器加热 [2] .系统工作在生活水加热模式下 , 冷水经换热器前端预热 ,进入套管式热交换器的小管 ,被大管中 的静止的热水加热.当系统工作在采暖加热模式下 ,采暖回水 直接在套管式热交换器的大管里被加热.生活水和采暖水出水 温度经过温度传感器转换 ,再反馈给控制器 ,控制器控制燃气比 例阀的开度 ,从而实现对两种出水温度的控制. 图1双功能燃气热水器工作原理图

11 风机

21 管式换热器

31 生活水进水

41 生活水出水

51 温度传 感器

61 燃烧器

71 控制器

81 燃烧室

91 燃气比例阀

101 燃气供 应管

111 取暖水回水

121 循环泵

131 取暖水出水

141 散热器 分析燃气热水器的加热过程 ,设输入水的温度为 T0 ,输出 水温度为 T ,水流量为 V1 ,热水器的热负荷 (输入热量) 为Q,根 据热平衡关系有 : η Q = V1 Cp ( T - T0 ) (1) η是热水器热效率 , Gp 是水的热容比. Q = V2 H1 (2) V2 是燃气流量 , H1 是燃气的热值.将(2) 带入(1) 得:T=T0 + η H1 Cp ・ V2 V1 (3) 对生活水而言 , T0 为输入热水器的冷水的温度 ,它基本是 稳定的.对采暖水而言 : T0 为输入热水器的回水的温度 ,它受 负载大小的影响 ,一般而言 ,它随燃烧时间的增加而升高 .分析 式(3) : η H1 Cp 是常数 , T 受T0 ,V2 和V1 影响.要实现恒定温度 T , 可以通过控制 V2 和V1 来实现.基于用水质量及成本的因素 , 双功能燃气热水器不检测 、 控制水流量 V1 ,而是只控制燃气流 量V2 .控制温度的执行器件是燃气比例阀 ,其工作原理是线圈 得到控制电流后 ,产生一个与永磁体相斥的力并推动球阀移动 , 改变阀门开度 ,从而改变 V2 .所以只要通过调整比例阀线圈电 流就可以实现温度控制 . 从过程控制的观点看 ,热水器温度控制过程含有较多的非 线性环节 ,存在较难控制的纯滞后环节 .生活水加热系统与采 暖水加热系统差别很大 .对不同的水流量 V1 ,生活水加热系统 的特性是不同的.对不同的外部负载 ,采暖水加热系统的特性 也是不同的.双功能燃气热水器的精确数学模型是难以建立 的 ,但按工程实践可拟合简化 .通过实际系统的测试 ,建立如下 的数学模型.生活水加热系统 : G( s) = Ke - τ s Ts +

1 , T = 20~25s ,τ=

7 ~9s , K = 0. 1~0.

25 ;

采暖水加热系统 : G( s) = e - τ s T1 s ( T2 s + 1) ,τ = 6~8s , T1 = 520~550s , T2 = 011~012s.

3 温度控制算法分析与设计 经过

20 多年的发展 ,仿人智能控制已经形成了基本理论体 系和比较系统的设计方法 ,仿人智能控制的基本特征为 : (1) 分 层递阶的信息处理和决策机构 ;

(2) 在线的特征辨识和特征记 忆;

(3) 开闭环控制结合和定性决策与定量控制结合的多模态控 制;

(4) 启发式和直觉推理逻辑的应用 [1] . 仿人智能控制器具有多种控制模态 (变结构 ,多参数) 和分 层递阶(运行控制(MC) 、 参数校正 (ST) 、 任务适应 (TA) ) 的控制 结构.仿人智能控制器的设计任务就是以实际轨迹与理想轨迹 的偏差轨迹为依据 ,划分出特征模型 ,并给出对应的控制模态. 为了简化设计 ,将理想轨迹投影到 [ e - e ]平面 ,以该投影曲线 为仿人智能控制器设计的目标轨迹 .下面对控制算法的具体设 计过程进行分析.

311 运行控制级设计 运行控制级的特征模型如图

2 ,虚线为理想误差目标轨迹 , 为了使实际误差轨迹尽量与其一致 ,采用如下控制策略 : (1) 偏差很大时 ,对应区域

1、

2 ,采用磅 - 磅控制.

5 Techniques of Automation &

Applications | 《自动化技术与应用》

2004 年第

23 卷第

8 期 控制理论与应用 Control Theory and Applications (2) 偏差和偏差变化率很小时 ,对应区域

3 ,采用保持控制 . (3) 偏差增大时 ,对应区域

4 ,采用保持 + 比例控制. (4) 偏差减小 ,系统缓慢趋向给定值时 ,对应区域

5 ,采用适 当加大保持控制. (5) 偏差减小 ,系统正常趋向给定值时 ,对应区域

6 ,采用保 持控制. (6) 偏差减小 ,系统快速趋向给定值时 ,对应区域

7 ,采用保 持+微分控制. (7) 系统设定值改变时 ,引入预估控制 ,改变控制量的保持 值. 图2运行控制级特征模型 un = Umax e >

e1 Umin e <

- e1 u0( n - 1) | e| <

e4 ∩ | e| <

e3 u0( n - 1) + Kp・ e e・ e >

0 ∪e =

0 ∩e ≠

0 5・ u0( n - 1) e・ e <

0 ∩ | eΠ e| <

a u0( n - 1) + Kd・ e e・ e <

0 ∩ | eΠ e| >

b u0( n - 1) + Kp・ k・ em・ n e・ e <

0 ∩a <

| eΠ e| <

b ∪e =

0 (4) u0 = u0( n - 1) +β ・ ΔR ΔR ≠

0 式(4) 中符号意义如下 : un 控制器第 n 次输出 e1 、 e4 、 e3 偏差及偏差变化率 阈值 u0( n - 1) 控制器第 n -

1 次输 出保持值 em・ n 偏差第 n 个峰值 e、 e 偏差、 偏差变化率

5、 β 增益系数 Umax 、 Umin 控制器输出最大、 最 小值 ΔR 设定值变化量 Kp 比例系数 k 抑制系数 Kd 微分系数 a 、 b 常数

312 参数校正级设计 : 参数校正级特征模型如图

3 ,虚线为理想误差目标轨迹 ,采 用如下参数校正策略 : (1) 区域

1、

2、

3、

5 不需要参数校正 . (2) 区域

4 偏差变化率低于要求 ,按与偏差变化率成反比增 大保持作用. (3) 区域

6 偏差变化率高于要求 ,按与偏差变化率成反比增 大微分作用. (4) 区域

7 偏差和偏差变化率较小 ,减小比例作用 . (5) 区域

8、

9、

10 ,增大比例作用. (6) 区域

11 ,偏差变化率大 ,减小比例作用 . 图3参数校正级特征模型 (

一、 二象限部分与

三、 四象限类似) 特征模态基元集 : Q2 = { q1 , q2 , …, q0 } q1 ∶ | e| >

e1 q2 ∶ e・ e ≤

0 q3 ∶ | e| <

e4 q4 ∶ | e| <

e3 q5 | e| <

e2 q6 ∶ | e| <

e2 q7 ∶ | e| <

e1 q8 ∶ | eΠ e| <

a q9 ∶ | eΠ e| >

b 特征模型 :Φ2 = {Φ21 , Φ22 , …, Φ27 } Φ21 ∶ q2 ∩q1 ∩q3 ∩q8 Φ22 ∶ q2 ∩q4 ∩q9 Φ23 ∶ q2 ∩q5 ∩q6 ∩q3 ∩q4 Φ24 ∶ q2 ∩q1 ∩q5 ∩q7 Φ25 ∶ q2 ∩q5 ∩q6 ∩q7 Φ26 ∶ q2 ∩q1 ∩q5 ∩q7 Φ27 ∶ q2 ∩q5 ∩q7 参数校正模式集 :Ψ2 = {Ψ21 ,Ψ22 , …,Ψ27 } ,其中 a21 、 a22 、 a23 、 a24 、 a25 、 a26 、 a27 为常量. Ψ21 ∶

5 = 5・ (1 - a21 ・ (eΠ e) ・ | eΠR| ) Ψ22 ∶ Kd = Kd・ (1 + a22 ・ | eΠ e| ・ | eΠR| )........