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专家算法在热水器恒温控制中的研究

更新时间：2020-01-01 14:59:08 大小：2M 上传用户：songhuahua查看TA发布的资源 标签：热水器恒温控制 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

燃气热水器在水温恒温控制中存在输出温度波动或超调,控制不理想问题,本文结合现实提出一种复合控制器:专家PID控制器。通过对燃气热水器进行理论分析和数学建模,获得其模型是带滞后的一阶惯性系统。专家智能控制是实际控制经验与理论相结合的一种控制算法,通过对控制对象的特征等的提取,经过学习和推理等获取一个较好的控制算法,将其与PID相互结合得到一个复合控制器,此复合控制器能对滞后现象进行消除或削弱,达到快速稳定温度的目的。将控制算法和控制对象模型用Python进行仿真,节约在实机上进行试验的时间,加快算法的调优速度。


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Articles  
家电系统控制技术专题  
论文  
专家算法在热水器恒温控制中的研究  
Study on expert algorithm in temperature control of water heater  
李迅  吴恩豪  谢海军  史运光  潘献化  
LI Xun WU Enhao XIE Haijun SHI Yunguang PAN Xianhua  
青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司  山东青岛  266590  
Qingdao Economic and Technological Development Zone Haier Water Heater Co., Ltd. Qingdao 266590  
地方较远，管道中冷水可能存在浪费；燃气热水器是个大时  
滞惯性系统，其温度变化较慢，温度不恒定。  
摘要  
燃气热水器在水温恒温控制中存在输出温度波动或超调，控制不理想问题，本文结合现实提出一种复  
合 控 制 器 ：专 家 PID控制器。通过对燃气热水器进行理论分析和数学建模，获得其模型是带滞后的一  
阶惯性系统。专家智能控制是实际控制经验与理论相结合的一种控制算法，通过对控制对象的特征等  
的提取，经过学习和推理等获取一个较好的控制算法，将其与PID相互结合得到一个复合控制器，此  
复合控制器能对滞后现象进行消除或削弱，达到快速稳定温度的目的。将控制算法和控制对象模型用  
Python进行仿真，节约在实机上进行试验的时间，加快算法的调优速度。  
现在燃气热水器上采用的控制器大多还是纯PID控制，  
其控制效果受外部扰动的影响较大，并且不能自身调节器参  
数来适应实际扰动等，且其想要得到理想的控制效果需要  
进行大量的实验验证，并且在实验验证的过程中很少参考  
实际的燃气热水器数学控制模型，仅仅是通过经验进行参  
数调节，来得到较为理想的控制效果。  
关键词  
专家算法；PID算 法 ；数 学 模 型 ；Python  
Abstract  
本文提出了另一种控制方法，就是将专家控制和经典  
PID相结合而得到专家PID控制器，此控制器可认为是智能  
控制器，其能够根据专家或工程师的检验将其参数训练到  
实机中，在有了外部扰动等其他情况时，控制器能够快速的  
根据之前的经验进行参数调节从而达到对参数快速调优的  
目的。本文还对热水器的数学模型进行了理论推导，从而得  
到其对应的控制对象模型；将专家PID控制算法和热水器控  
制对象模型进行软件仿真，通过仿真的手段得到初步的控  
制参数，从而节省调节参数的时间和减少在实机上调参的  
耗能；在得到仿真控制参数后将其再移植到实机上进行验  
证，加快了参数调节，且能够更好地调优。  
In the water temperature constant temperature control of gas water heaters, there is output temperature  
fluctuation or overshoot, and the control is not ideal. This paper proposes a composite controller based  
on reality: expert PID controller. Through the theoretical analysis and mathematical modeling of the  
gas water heater, the first-order inertial system with hysteresis is obtained. Expert intelligent control  
is a kind of control algorithm combining practical control experience and theory. By extracting the  
characteristics of control objects, learning and reasoning, etc., a better control algorithm is obtained,  
which is combined with PID to obtain a composite control. The composite controller can eliminate or  
weaken the hysteresis to achieve a fast and stable temperature. The control algorithm and the control  
object model are simulated in Python, which saves the time for experimenting on the real machine and  
speeds up the tuning of the algorithm.  
Keywords  
Expert algorithm; PID algorithm; Mathematical model; Python  
本文通过智能控制算法来控制燃气热水器的恒温，比  
仅仅采用PID控制的效果更优；通过将控制算法和控制模型  
在Python上的仿真，进行控制算法的快速调优，得到较优控  
制算法后再上实机验证节省时间和能源。  
1 引言  
2 燃气热水器数学模型  
2.1 燃气热水器简介  
燃气热水器产品符合国家倡导的节能减排的总方针，  
在人们的生活中使用的也越来越多。燃气热水器达到了即开  
即用、无需等待的目的；并且其占地很小，对于现在人们家  
里空间的占用还是存在很大优势；其加热方式是用燃气进行  
燃气热水器以家用天然气或其他燃气作为燃料，通过不  
断燃烧燃气进行加热将燃烧热量传递到热交换器的冷水中，  
从而将冷水加热到设定温度的热水，达到制备热水的目的。  
从物理构造上讲，燃气热水器的基本结构主要是由燃气燃烧  
装置、热交换器、阀体总成、风机、传感器等组成。传感器通  
如果您对本文内容感兴趣  
加热，不存在漏电的风险，安全性较高。燃气热水器同样也  
请联系作者李迅  
存在缺点，其要装在离燃气近的地方，这就导致其离洗澡的  
 
家电科技  
70  
Articles  
论文  
常包括：进水流量传感器和出水（进水）温度传感器。  
2.2 燃气热水器数学模型建立  
图1  
专家控制基本结构  
燃气热水器是一个多输入单输出的加热系统，依据能  
量守恒第一性原理，可建立燃气热水器数学模型[4]。  
图2  
直接型专家控制器结构图  
（1）  
Q
η
t
m
c
t
d
式中， g、 、、 、 和 分别表示燃气热水器热负荷  
J/s  
s
（输入热量）（ ）、燃气热水器热效率、时间（ ）、可 蓄 水  
J/ Kg K  
质 量 、水 比 热 容（ （ • ）和系统滞后环节时间常数。对式  
（1）进行拉氏变换后可得[5]：  
（2）  
则 式（ 2）进 一 步 改 写 ，可 以 得 出 ，热 水 器 水 体 温 度 控 制  
的模型是一个带纯滞后环节的一阶惯性环节，输出是出水温  
度，输入是可控制的燃气所产生的热量[9]，可 进 一 步 简 化 为 ：  
（3）  
其 中 ：燃 气 热 水 器 对 象 的 比 例 系 数  
时间常数  
燃气热水器的广义传递函数 （ ）如 下 ：  
，系 统  
。
G
s
（4）  
其中：  
为零阶保持器的传递函数[4]，  
为燃气热水器不考虑滞后环节  
图3  
的传递函数。  
间接型专家控制器结构图  
[5]  
对 式（ 4）进 行 Z变换得脉冲传递函数如下 ：  
图4  
典型系统响应误差曲线图  
图5  
（5）  
PID控制原理图  
对 式（ 5）推导得差分方程及递推算式：  
（6）  
[8]  
τ
若系统存在滞后时间 则差分方程可写为如下形式 ：  
（7）  
3 燃气热水器控制算法  
燃气热水器恒温控制系统的控制器主要采用了增量式  
PID控制[1]、专 家 PID控制[3][8]两种控制算法，每种控制算法分别  
在最合适的参数下完成恒温控制并最终观察各个控制结果。  
71  

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