乙二醇機組的溫度模糊控制器設計與仿真

第26卷第4期石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol. 26 No 42013 4F 12 A JOURNAL OF SHIJIAZHUANG TIEDAO UNIVERSITY( NATURAL SCIENCE)Dec.2013乙二醇機組的溫度模糊控制器設計與仿真劉進(jìn)志,白美靜,智效龍(石家莊鐵道大學(xué)機械工程學(xué)院,河北石家莊050043摘要:針對我國通信行業(yè)和計算機行業(yè)大型機房耗電量大的現狀,提出了一種乙二醇機組控制系統。介紹了它的工作原理,闡述了它的總體控制方案,并重點(diǎn)闡述了采用溫度模糊PID控制器對室內溫度進(jìn)行調節。仿真和實(shí)驗結果表明:采用溫度模糊控制器的系統運行穩定、可靠性高、節能效果明顯,具有廣闊的應用前景。關(guān)鍵詞:溫度模糊PD控制;節能;乙二醇機組中圖分類(lèi)號:TP2734文獻標識碼:A文章編號:2095-0373(2013)04-0063-050引言隨著(zhù)我國通信行業(yè)和計算機行業(yè)的快速發(fā)展,大型通信設備和計算機的需求量急劇增加。這些設備通常需要工作在恒溫恒濕的條件下,目前我國主要通過(guò)機房專(zhuān)用空調來(lái)滿(mǎn)足這一要求,空調的用電量很大,占到了機房總用電量的50%以上因而存在較大的節能潛力2?？茖W(xué)地降低空調用電減少資源浪費成為節能的主要手段。將乙二醇節能機組應用于機房的溫度濕度控制可大大降低電能消耗。乙二醇節能機組是一種可充分利用自然冷資源降溫節能的設備,它利用冬季室外冷源,通過(guò)乙二醇泵的運轉將室內的熱量傳送到室外。由于它采用乙二醇泵的循環(huán)工作制冷,取代了空調的壓縮機制冷,從而大大降低了電能消耗。目前,我國有一部分企業(yè)已將乙二醇制冷裝置應用于實(shí)際的生產(chǎn)中。如大慶油田在2007年開(kāi)發(fā)了乙二醇再生系統技術(shù),內蒙古移動(dòng)在機房使用乙二醇空調系統,在生產(chǎn)中創(chuàng )造了可觀(guān)的經(jīng)濟效益,劉進(jìn)志等以PLC為基礎開(kāi)發(fā)了乙二醇空調節能控制系統4。在此基礎上,采用模糊PID控制技術(shù)研究了乙二醇機組的控制策略,取得了良好的控制效果。乙二醇機組控制系統方案液體的沸點(diǎn)與兩個(gè)因素有關(guān)溫度和壓力。故本控制系統包括溫度控制和壓力控制兩部分。壓力控制方案如圖1所示。在該方案中,壓力傳感器測到的乙二醇管道的壓力值與給定的壓力值的差值輸入到控制器,控制器通過(guò)特定的算法用電壓控制變頻器的輸出頻率值,而交流電機的轉速與電源的頻率成正比,從而變頻器通過(guò)改變頻率來(lái)改變交流電機的轉速,交流電機通過(guò)轉速調節乙二醇管道中液體的壓力。壓力傳感器檢測到的壓力值與給定的壓力值之間的誤差重新傳送到控制器中,通過(guò)改變變頻器的參數調整交流電機的轉速,最終使得檢測到的壓力值與給定壓力值匹配。溫度控制方案如圖2所示。在該方案中,溫度傳感器測到的室內溫度值與給定的溫度值的差值輸人到控制器,控制器通過(guò)特定的算法用脈沖控制步進(jìn)電機,步進(jìn)電機與電動(dòng)閥連接,通過(guò)轉動(dòng)控制電動(dòng)閥閥門(mén)的開(kāi)度,進(jìn)而控制管道內液體的流量,最終改變室內的溫度。溫度傳感器將檢測到的實(shí)時(shí)溫度與給定溫度進(jìn)行比較,差值再次送入控制器,控制器通過(guò)步進(jìn)電機改變管道液體流量使溫度降低的速度加快或減慢,最終使室內溫度與給定溫度匹配。收稿日期:201301-14中國煤化工作者簡(jiǎn)介:劉進(jìn)志男1972年出生副教授CNMHG基金項目:河北省教育廳項目(Z2010300石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第26卷流量給定壓力值⑧翅H頻H電H醇溫度值制器∏器機|泵器/電鬥動(dòng)閥壓力傳感器溫度傳感器圖1壓力控制方案圖2溫度控制方案2溫度模糊控制器的設計由于乙二醇機組的溫度控制存在較大的非線(xiàn)性、參數時(shí)變性和模型不確定性等因素,普通PD控制器難以獲得很好的控制效果,所以決定采用模糊PD控制來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在本次設計中,把室溫標準值與當前室溫值的差值e和差值變化率e作為輸入值,輸出值取PID控制器的三個(gè)參數K2、K、K4的偏移量其中K控制器的比例系數為控制器的積分系數,K為控制器的微分系數。系統模糊PD控制圖如圖3所示。以誤差變化量e為例,基本論域[-e,e中e表征誤差大小的精確量,n是0~e范圍K。KKd內連續變化的誤差離散化后分成的檔數。它是構成基本論域的元素,一般情況下,檔數定模糊PID分的越精細控制效果就會(huì )越好但是檔數越控制器(0受控對象高,計算量就越繁瑣,通常取n=6或7。本設計選取正大,正中,正小,零,負小,負中,負大|等7個(gè)值來(lái)描述輸入變量e圖3系統模糊PD控制結構圖和ec以及輸出變量K2、K、K4的校正量,并簡(jiǎn)記為{PB,PM,PS,Z,NS,M,NB。定義誤差變化量e誤差變化率e、控制量K2K、K所取的模糊子集的論域為:e={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6};ec=1-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6選擇KK、K4的論域均也為7級即K,={-6,-5,4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6};K1={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6;K={-6,5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。為方便計算,偏差和偏差變化率的模糊集合采用三角隸屬函數由于輸出量的變化范圍較小,為了取得更佳的精確度,選用正態(tài)函數作為輸出的隸屬度函數。輸入輸出變量的語(yǔ)言賦值表見(jiàn)表1、表2。表1變量系統的偏差e、ec隸屬度表046NB10.50050000000.510.5000000000.510.50PS00000.510.5000PM 0000000.5100.5本設計選用 Mardan模糊控制規則,根據實(shí)際操作經(jīng)驗得出相應的控制規則。本設計采用的控制規則舉例如下:①f( e is PB)and( ec is PB)then( Kp is NAnd Ki is PB and Kd is Pb);②if( e is PB)and(ec is PM)then( Kp is NB and Ki is PBand Kd is PB); if(e is PB )and (ec is PS )then( Kp is NM andKi is pb and Kd is z)。在 FIS Editor中的 Rule editor輸入模糊控制規則以后,可以通過(guò)FS輸出量曲面觀(guān)測窗看到對應于每組輸入量的輸出值。所觀(guān)測到的曲面越光滑,說(shuō)明控制規則設計的中國煤化工好。圖4、圖5圖6為、K對應的曲面圖形。通過(guò)圖形可以看出,本設計的CNMH GE第4期劉進(jìn)志等:乙二醇機組的溫度模糊控制器設計與仿真65經(jīng)過(guò)解模糊算法得到控制系統的控制規則表3表2變量系統的偏差K、K1、K隸屬度表K、KK63100.650000000NM00.6510.65000Ns0 03000000.6510.65000040000Z00000.6510.650500000600000PM0 000000.6500000.6510.650.651表3K、K、K模糊控制規則表43-66,-6,26,-6,26,-6,-25,-5,-54,-4,-64,-4,-640432255,-6,26,-6,26,-6,-25,-5,-55,-4,-64,-4,-43,-36,-6,26,-6,16,-6,-25,-5,-55,-4,-64,-4,-43,-2,-424,-6,04,-5,04,-4,-24,-4,3,-4,-42,-214,-5,04,-5,04,-4,-23,-4,-34,-34,-4,-23,-4,-22,-2,-22,-3,-20,0,04,-4,04,-3,-23,-3,-22,-1,-11,-3,-20,0,2-4,02,-3,0-2,01,-2,0,0,2,2,032-3,02,-2,22,-2,0,00,0,1-2.0.1-2,2,02,0,61.0.-24,2,21,0,6-1,1,0-3,2,23.2.3-4,3,30.0.50,0,2-2,1,34.2.44.2.44,4,462,-61,-1,-60,0,-40,0,-10,0,253,-41,-1,-40,0,-30,0,-10,0,10,0,31,-2,-41,-1,-20,0,-2,0,-2-1,0,-22.0.021,-1,-30,0,-2-1,0,-2,2,0-1,0,-2-2,3,-23,3,02,2,-2-2,0,-2-2,4,-2-3,4,-2-4,4,03,3234-3,3,04,4,0-4,4,04,4,0-4,4,04.6.0-4.3,14,4,0-44.04,5,0-5,4,05,6,04,3.24,4,2-4,4,24,6,25,6,4-6.6.64,4,25,6,4-6,6,6-4.4.44.4.2-54,2-6.6,26,66.6.600中國煤化工圖4系統K。曲面觀(guān)測圖圖5系統K曲面觀(guān)測圖CNMHG測圖66石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第26卷通過(guò)以上建立的模糊控制器,在 MATLAB中的 Simulink模塊中建立如圖7所示的模糊PID仿真框圖,并把 Fuzzy Logic Controller模塊名稱(chēng)設置為 mapid,實(shí)現了FS與 SIMULINK的連接。20314SooFuzy LogicContoller圖7系統模糊PD仿真框圖對所建立的模糊PD系統進(jìn)行仿真,取輸入信號(設定溫度)為階躍信號時(shí),經(jīng)過(guò)模糊PD控制器調試以后得到的響應圖如圖8所示。觀(guān)察圖形可知系統上升時(shí)間為0.1s調節時(shí)間為0.2s,沒(méi)有出060.8現振蕩現象,無(wú)超調量穩態(tài)時(shí)沒(méi)有靜差,系統達到04給定線(xiàn)穩定的時(shí)間短,動(dòng)態(tài)性能比較好跟蹤線(xiàn)3結論00.050.100.150.200.25時(shí)間/s本設計主要以系統階躍響應曲線(xiàn)的超調量、上升時(shí)間、穩態(tài)靜差等幾個(gè)參數為依據,分析了溫度模圖8模糊PID控制的階躍響應圖糊PID控制器對控制系統的調節作用,計算機仿真和實(shí)驗表明采用溫度模糊PID控制器后,控制系統的動(dòng)態(tài)性能和穩態(tài)性能得到了明顯改善,采用乙二醇機組的控制系統運行穩定、可靠性高、節能效果明顯,具有廣闊的應用前景。參考文獻[]孫研通信機房節能綜合解決方案[J]電信工程技術(shù)與標準化,2006(6):27[2]楊茂光.乙二醇空調在內蒙古移動(dòng)節能改造中的應用[J].電信技術(shù),200(8):5051[3]黃益偉.乙二醇熱回收系統節能初探[].制冷空調與電力機械,2006,21:51-53[4】]劉進(jìn)志,智小慧,白美靜.基于PC的乙二醇空調節能控制系統設計[J]現代機械2011(6):6465The design and Simulation of tYHa中國煤化工Fuzzy PID Controller of GlydCNMHG第4期劉進(jìn)志等:乙二醇機組的溫度模糊控制器設計與仿真Liu Jinzhi, Bai Meijing, Zhi Xiaolong( School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)Abstract: Aiming at the current situation that large computer room for communication industry and the comouter industry has been consuming a large quantity of power, the control system of glycol unit is put forward inthis paper. Its working principle and overall control scheme is introduced, besides, temperature fuzzy PID controller is adopted to adjust the indoor temperature The computer simulation and experiment results show that thecontrol system which adopt temperature fuzzy PID controller has an extensive application prospects because of itsstable performance, high reliability, and remarkable energy saving effectKey words: temprature fuzzy PID control; energy saving: glycol unit(責任編輯車(chē)軒玉)∽心s(上接第56頁(yè))本次仿真采用了不同于以往的全新的仿真方法,主要通過(guò)各仿真軟件之間的協(xié)調,將仿真巧妙地分為4個(gè)階段,每個(gè)階段都采用最擅長(cháng)的軟件來(lái)進(jìn)行處理,各軟件的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮,同時(shí)也使本仿真得以順利進(jìn)行。事實(shí)證明,這種仿真手段的應用可以極大的提高設計效率,節省人力物力,為今后同行進(jìn)行類(lèi)似的仿真提供了有利的參考。參考文獻[1]鐘自峰基于 Workbench的全液壓鑿巖鉆機有限元分析[J]煤礦機械,2012,33(11):8486[2]國家標準化管理委員會(huì )CB150-2011壓力容器[S].北京:中國質(zhì)檢出版社,2011[3]張洪才何波有限元分析—ANYS13.0從人門(mén)到實(shí)戰[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011:267278.[4]馬睿胡曉兵,萬(wàn)曉東.基于 ANSYS的小型機器人小臂的有限元靜態(tài)分析[.機械設計與制造,2012(9):46[5]高健峰某電子產(chǎn)品仿真架 ANSYS有限元分析[J蘭州交通大學(xué)學(xué)報,2012,31(3):146-148[6]白金澤. 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The dynamic impacting stress response of vehicle framepressure vessel, combined supports and other auxiliary components is obtained at the speed of 60 km/h. the re-sults show that though vehicle frame and connecting bolts are destroyed, the impact to pressure vessel is effec-tively decreased. The safety of pressure vessel is guaranteed and these analyses provide theoretical supports for future optimization deKey words: ANSYS-LSDYNA; pressure vessel; nonlinear; dynamic impact; FEAV凵中國煤化工輯車(chē)軒玉)CNMHG