CN102889671A - 自校正Smith预估控制的室温控制装置以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自校正Smith预估控制的室温控制装置及其控制方法，包括：温度传感器，控制装置，用于接收所述温度传感器采集的温度信号，并对该温度信号进行分析计算，分别对应发出信号控制变频器和送风风机，通过对测试室的空调对象模型的输入和输出参数进行在线监测，能够实时辨识出时变的空调对象的纯延迟时间，弥补传统的Smith预估控制系统需要预先了解对象纯滞后时间的缺陷，在保持了传统的Smith预估控制系统针对精确模型具有优异控制性能的同时，在空调对象特性参数尤其是纯延迟时间时变的情况下也能获得良好的控制效果。

Description

自校正Smith预估控制的室温控制装置以及控制方法

技术领域

本发明涉及一种室温控制装置，特别是涉及一种自校正Smith预估控制的室温控制装置以及控制方法。

背景技术

目前空调系统所存在的长期运行效率低下、能耗偏高的问题，其根本原因除了不正确运行方式之外，传统控制方法无法获得令人满意的回路控制性能也是其关键所在。其中暖通空调系统所具备的时滞、时变和强耦合等非线性特性是导致传统PID控制方法无论从工程实践还是理论上都无法获得良好控制性能的根本原因。研究能够克服暖通空调被控对象时滞和时变等非线性的控制算法，是提高暖通空调控制系统控制回路性能的重要途径之一。时滞特性在空调系统的控制环节中广泛存在，其形成机理除了和空调系统中水和空气流速及管道长度有关，还和执行器特性、换热器参数及房间容积密切相关，很难精确评估，而且时滞参数在变流量空调系统中带有明显的时变特性。时滞特性使得控制信号的作用在一定的时滞时间过后才能反映到被控量，因此调节效果不能被适时反映；此外，对象受干扰时控制器作用不能及时对干扰产生抑制作用。暖通空调系统控制难度和时滞程度有密切关系，时滞程度由系统纯滞后时间T与时间常数T的比值θ来反映，当θ>0.5时，称为大时滞系统，θ越大，控制难度越高，此时PID控制已经无法获得良好的控制性能；而且暖通系统具有时变的特性，也就是说暖通空调对象模型参数随着负荷工况的变化相应发生变化，因此使得经过良好整定的控制器也仅仅是能在一定的负荷范围内保持满意的控制效果。

由此可见，上述现有的空调系统控制系统以及方法在使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决空调系统控制系统以及方法存在的问题，相关领域技术人员费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般控制系统以及控制方法又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。

有鉴于上述现有的空调系统控制系统以及方法存在的缺陷，本发明人基于从事此领域多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的自校正Smith预估控制的室温控制装置以及控制方法，能够改进一般现有的空调系统控制系统以及方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的空调系统控制系统存在的缺陷，而提供一种新型结构的自校正Smith预估控制的室温控制装置以及控制方法，所要解决的技术问题是使其实时的辨识出空调对象模型的纯迟延时间和空调对象模型，然后再将空调对象的纯迟延时间和空调对象模型传送给Smith预估控制补偿器，通过Smith预估控制补偿器的控制对整个控制系统进行精确的控制，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种自校正Smith预估控制的室温控制系统，包括：

温度传感器，用于实时采集室内温度信号；

控制装置，用于接收所述温度传感器采集的温度信号，并对该温度信号进行分析计算，分别对应发出信号控制变频器和送风风机；

所述控制装置，包括计算机、可编程控制器、PI控制器和Smith预估补偿器，所述计算机用于通过带遗忘因子的联合辨识算法对室内的空调对象模型的输入和输出参数进行在线监测，实时的辨识出空调对象模型的纯迟延时间和空调对象模型，然后再将空调对象的纯迟延时间和空调对象模型传送给所述Smith预估控制补偿器；所述计算机用于将实时辨识出的空调对象模型传递给PI控制器，通过辨识出的模型进行相应的PI参数设置，同时所述Smith预估控制器将迟延时间的控制传给PI控制器，所述PI控制器通过设定温度和实际温度进行负反馈运算对整个室内进行控制。

前述的自校正Smith预估控制的室温控制装置，其中，所述计算机与所述可编程控制器通过通信模块相联接。

前述的自校正Smith预估控制的室温控制装置，其中，所述计算机通过RS232串口及串行通信总线与通信模块连接，所述通信模块再与可编程逻辑控制器连接。

前述的自校正Smith预估控制的室温控制装置，其中，所述变频器的输入端与可编程控制器的模拟量输出和数字量输出的输出端相连，变频器的输出端与数字量输入模块的输入端以及送风风机的输入端相连。

前述的自校正Smith预估控制的室温控制装置，其中，所述可编程逻辑控制器内置有比例、积分和微分控制器。

自校正Smith预估控制的室温控制方法，包括如下步骤：

采用温度传感器采集室内温度信号，将采集到的温度信号通过计算机采用带遗忘因子的联合辨识算法进行分析，实时辨识出的空调对象模型传递给PI控制器，通过辨识出的空调对象模型进行相应的PI参数设置，同时Smith预估控制器将迟延时间的控制传给PI控制器，然后PI控制器通过设定温度和实际温度进行负反馈运算对整个空调对象进行精确的控制。

借由上述技术方案，本发明自校正Smith预估控制的室温控制装置以及控制方法至少具有下列优点：

通过对测试室的空调对象模型的输入和输出参数进行在线监测，能够实时辨识出时变的空调对象的纯延迟时间，弥补传统的Smith预估控制系统需要预先了解对象纯滞后时间的缺陷，在保持了传统的Smith预估控制系统针对精确模型具有优异控制性能的同时，在空调对象特性参数尤其是纯延迟时间时变的情况下也能获得良好的控制效果。

综上所述，本发明自校正Smith预估控制的室温控制装置以及控制方法，其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类控制装置中未见有类似的结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在结构上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的空调系统控制系统具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1为自校正Smith预估控制的室温控制系统的示意图；

图2为自校正Smith预估控制的室温控制系统的控制流程图；

图3为联合辨识算法参数辨识结构框图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的自校正Smith预估控制的室温控制装置以及控制方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

一种自校正Smith预估控制的室温控制系统，包括：温度传感器，用于实时采集室内温度信号；控制装置，用于接收所述温度传感器采集的温度信号，并对该温度信号进行分析计算，分别对应发出信号控制变频器和送风风机；所述控制装置，包括计算机、可编程控制器、PI控制器和Smith预估补偿器，所述计算机用于通过带遗忘因子的联合辨识算法对室内的空调对象模型的输入和输出参数进行在线监测，实时的辨识出空调对象模型的纯迟延时间和空调对象模型，然后再将空调对象的纯迟延时间和空调对象模型传送给所述Smi th预估控制补偿器；所述计算机用于将实时辨识出的空调对象模型传递给PI控制器，通过辨识出的模型进行相应的PI参数设置，同时所述Smith预估控制器将迟延时间的控制传给PI控制器，所述PI控制器通过设定温度和实际温度进行负反馈运算对整个室内进行控制。计算机与所述可编程控制器通过通信模块相联接，计算机通过RS232串口及串行通信总线与通信模块连接，通信模块再与可编程逻辑控制器连接。变频器的输入端与可编程控制器的模拟量输出和数字量输出的输出端相连，变频器的输出端与数字量输入模块的输入端以及送风风机的输入端相连，可编程逻辑控制器内置有比例、积分和微分控制器。

自校正Smith预估控制的室温控制方法，包括如下步骤：

采用温度传感器采集室内温度信号，将采集到的温度信号通过计算机采用带遗忘因子的联合辨识算法进行分析，实时辨识出的空调对象模型传递给PI控制器，通过辨识出的空调对象模型进行相应的PI参数设置，同时Smith预估控制器将迟延时间的控制传给PI控制器，然后PI控制器通过设定温度和实际温度进行负反馈运算对整个空调对象进行精确的控制。

其中联合辨识算法为本控制装置的核心算法，其为带遗忘因子的递推最小二乘和零频率模型匹配的联合辨识算法参数辨识结构框图见图3，其辨识过程步骤如下

1)给定初始条件：

(为起始估计值，

为下式也就是参考模型中传递函数

$G_m\left(z\right)=\frac{B\left(z^{-1}\right)}{A\left(z^{-1}\right)}{z}^{-d}=\frac{B_m\left(z^{-1}\right)}{A\left(z^{-1}\right)}==\frac{\widehat{b_1}{z}^{-1}+\widehat{b_2}{z}^{-2}+...+{\widehat{b_m}{z}_m}^{-m}}{1-\hat{a}{z}^{-1}}$ 中的

和

)，P(0)＝a²I(a为充分大的数，P(0)实际是一个中间变量，代表整个系统的维数）

2)建立在u(k)、y(k)空调系统输入和输出数据的基础上（u(k)为输入，y(k)为输出），根据式

$\left\{\begin{array}{c}h\left(k\right)={[-y(k-1),u(k-1),u(k-2),...u(k-m)]}^T\\ \mathrm{\θ}={[a,b_1,b_{2,}...,b_m]}^T\end{array}\right.$

构造h(k)；

3)每获得一组新的数据y(k)、h(k)，根据式

$P\left(k\right)=[I-\frac{P(k-1)h\left(k\right)h^T\left(k\right)}{h^T\left(k\right)P(k-1)h\left(k\right)+{\mathrm{\Λ}}^{-1}\left(k\right)}]P(k-1)$ 和

$K\left(k\right)=P(k-1)h\left(k\right){[h^T\left(k\right)P(k-1)h\left(k\right)+\frac{1}{\mathrm{\Λ}\left(k\right)}]}^{-1}$

构造K(k)和P(k)；

4)根据式

估算出新的参数向量a_k和b_1k，b_2k，…,b_mk；

5)根据式 $\hat{b}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\widehat{b_i},$ $\hat{d}=[(\stackrel{i=1}{\mathrm{\Σ}}i\×\widehat{b_i})/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\widehat{b_i}]-1$ 和 $\hat{d}=\mathrm{INT}(\hat{d}+0.5)$ 估算出新的b_k和d_k；

6)k=k+1时，返回步骤(2)继续进行迭代计算，直到迭代到满意结果。

7)根据迭代出的a，b，d即可得出空调系统的延迟时间和传递函数。其中a，b为系统传递函数分子分母的系数，d即为传递函数的延迟时间。

上述的本发明自校正Smith预估控制的室温控制装置以及控制方法，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种自校正Smith预估控制的室温控制装置，其特征在于：包括：

温度传感器，用于实时采集室内温度信号；

控制装置，用于接收所述温度传感器采集的温度信号，并对该温度信号进行分析计算，分别对应发出信号控制变频器和送风风机；

所述控制装置，包括计算机、可编程控制器、PI控制器和Smith预估补偿器，所述计算机用于通过带遗忘因子的联合辨识算法对室内的空调对象模型的输入和输出参数进行在线监测，实时的辨识出空调对象模型的纯迟延时间和空调对象模型，然后再将空调对象的纯迟延时间和空调对象模型传送给所述Smith预估控制补偿器；所述计算机用于将实时辨识出的空调对象模型传递给PI控制器，通过辨识出的模型进行相应的PI参数设置，同时所述Smith预估控制器将迟延时间的控制传给PI控制器，所述PI控制器通过设定温度和实际温度进行负反馈运算对整个室内进行控制。

2.根据权利要求1所述的自校正Smith预估控制的室温控制装置，其特征在于：所述计算机与所述可编程控制器通过通信模块相联接。

3.根据权利要求1所述的自校正Smith预估控制的室温控制装置，其特征在于：所述计算机通过RS232串口及串行通信总线与通信模块连接，所述通信模块再与可编程逻辑控制器连接。

4.根据权利要求1所述的自校正Smith预估控制的室温控制装置，其特征在于：所述变频器的输入端与可编程控制器的模拟量输出和数字量输出的输出端相连，该变频器的输出端与数字量输入模块的输入端以及送风风机的输入端相连。

5.根据权利要求1所述的自校正Smith预估控制的室温控制装置，其特征在于：所述可编程逻辑控制器内置有比例、积分和微分控制器。

6.自校正Smith预估控制的室温控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用温度传感器采集室内温度信号，将采集到的温度信号通过计算机采用带遗忘因子的联合辨识算法进行分析，实时辨识出的空调对象模型传递给PI控制器，通过辨识出的空调对象模型进行相应的PI参数设置，同时Smith预估控制器将迟延时间的控制传给PI控制器，然后PI控制器通过设定温度和实际温度进行负反馈运算对整个空调对象进行精确的控制。

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