CN102998971B

CN102998971B - 温室机械通风pid参数整定方法及其控制方法和控制系统

Info

Publication number: CN102998971B
Application number: CN201210337979.2A
Authority: CN
Inventors: 赵云; 赵杰强; 王斌; 吴伟雄; 黄全丰; 孙德发
Original assignee: Jiaxing University
Current assignee: Jiaxing University
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN102998971A

Abstract

一种温室机械通风PID参数整定方法及其控制方法和控制系统，其中，该方法包括如下步骤：获取温室的环境参数，该环境参数包括温室外的太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度；将所述温室的环境参数输入计算流体动力学模型而获得表示温度与通风率相互关系的飞升曲线；从所述飞升曲线获得PID控制的K_p、K_i和K_d。本发明由于根据计算流体动力学计算温度与通风率关系的飞升曲线，根据该飞升曲线而获得所述参数K_p、K_i和K_d，这样，可以实时且根据温室的实际环境来调节风机的转速，所以，本发明能够很好的解决温室机械通风的问题，节能能量。

Description

温室机械通风PID参数整定方法及其控制方法和控制系统

技术领域

本发明涉及温室的控制方法，尤其涉及用风机对温室进行机械通风时，机械通风PID参数整定方法。

背景技术

通风在农业建筑物的气候环境调控中起到非常重要的作用。通风被分成三种基本的类型：自然通风、机械通风和混合通风。自然通风是由自然风压和热压驱动的通风，是一种低维护、低能耗的方法，但缺点是影响其通风率的因素很多，尚不能做到精确控制。机械通风的优点是通风率的可控性好、降温效果明显、可靠性高，但缺点是运行过程中电能能耗高。

现有技术的PID控制方法是一种技术成熟的控制方法，它能满足一般工业过程控制的要求。连续时间PID控制器方程的标准形式为：

μ(t)＝K_pe(t)+K_i∫e(t)dt+K_dde(t)/dt

采用PID算法的控制系统其控制品质的优劣在很大程度依赖于PID的上述三参数K_p、K_i和K_d的整定。常规PID控制器的参数K_p、K_i和K_d都是经过现场经验并反复调试而确定的。参数K_p、K_i和K_d确定之后通常不会更改，所以，现有技术采用的PID控制方法不能很好的解决耗能的问题。

发明内容

本发明解决的问题是现有的PID控制方法不能很好的解决温室机械通风耗能的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种基于计算流体动力学的温室机械通风PID参数整定方法，该方法包括如下步骤：获取温室的环境参数，该环境参数包括温室外的太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度；将所述温室的环境参数输入计算流体动力学模型而获得表示温度与通风率相互关系的飞升曲线；根据下述公式从所述飞升曲线获得PID控制的K_p、K_i和K_d，式中，K表示响应的变化，式中，T表示响应达到稳定态所需的时间，式中，T_d表示响应滞后时间。

本发明还公开一种温室机械通风控制方法，该方法根据前述参数整定方法获得PID参数，将PID参数输入至PID控制器，通过该PID控制器控制温室的风机。

可选地，还包括比较所述环境参数与设定参数，在环境参数与设定值之差的绝对值大于预设值时，将所述整定参数用于控制温室的风机；反之，风机维持当前状态。

本发明还公开一种温室机械通风控制系统，该系统包括多个传感器、处理器和PID控制器，其中，所述多个传感器获取温室的环境参数，该环境参数包括温室外的太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度；所述处理器基于计算流体动力学模型处理所述太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度而获得表示温度与通风率相互关系的飞升曲线，根据

K_{p} = \frac{1}{K + 1},

K_{i} = \frac{K_{p}}{T},

K_{d} = \frac{K_{p}}{K} \times T_{d}

计算获得PID参数，公式中，K表示响应的变化、T表示响应达到稳定态所需的时间、T_d表示响应滞后时间；所述PID控制器接收所述K_p、K_i和K_d而输出控制信号至温室的风机。

本发明还公开另一种温室机械通风控制系统，该系统包括多个传感器、处理器、比较器和PID控制器，其中，所述多个传感器获取温室的环境参数，该环境参数包括温室外的太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度；所述处理器基于计算流体动力学模型处理所述太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度而获得表示温度与通风率相互关系的飞升曲线，根据

K_{p} = \frac{1}{K + 1},

K_{i} = \frac{K_{p}}{T},

K_{d} = \frac{K_{p}}{K} \times T_{d}

计算获得PID参数，公式中，K表示响应的变化、T表示响应达到稳定态所需的时间、T_d表示响应滞后时间；所述比较器比较采集的环境参数与设定的环境参数，将比较结果传输至所述PID控制器；所述PID控制器在环境参数与设定值之差的绝对值大于预设值时，将所述整定参数K_p、K_i和K_d而用于控制温室的风机；反之，风机维持当前状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明由于根据计算流体动力学计算温度与通风率关系的飞升曲线，根据该飞升曲线而获得所述参数K_p、K_i和K_d，这样，可以实时且根据温室的实际环境来调节风机的转速，所以，本发明能够很好的解决温室机械通风的问题，节能能量。

附图说明

图1是本发明温室机械通风控制方法的流程图；

图2是本发明温室机械通风控制系统的飞升曲线的示意图；

图3是本发明温室机械通风控制系统第一实施例的结构示意图；

图4是本发明温室机械通风控制系统第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1，本发明温室机械通风控制方法包括如下步骤：

A：获取温室的环境参数，该环境参数包括温室外的太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度。

该步骤如图1的步骤S5所示，获取温室的环境参数通过设置于温室的传感器获得，温度通过温度传感器获得，湿度通过湿度传感器获得，太阳全辐射通过气象参数传感器获得。

B：将所述温室的环境参数输入计算流体动力学模型而获得表示温度与通风率相互关系的飞升曲线。

该步骤如图1的步骤S6至步骤S8所示，但是，在计算之前，还需要对计算流体动力学做初步设置，这样的处理如步骤S1至S4，对步骤S1至步骤S4以及步骤S6至步骤S8详细说明如下：

步骤S1：所述整定周期是指所有传感器采集环境参数的周期，比如整定周期是5分钟的情况下，每一个传感器每隔5分钟采集温室的环境参数。

步骤S2：判定温室CFD模型参数是否调整，在该步骤中，是为温室的温度场模拟计算建立模型，或者是在运行过程随着系统状态的变化，对CFD模型的相关参数诸如边界条件等进行调整的过程。

步骤S3：建立新的CFD模型，该模型是相对于未调整参数而言的，CFD模型依靠通用的CFD软件来完成。

步骤S4：确定特征点，该步骤中，特征点可以理解为温室内的区域，温室内任一需要被控制的空间均可以作为特征点，这样，本发明可以对任一区域进行控制。

步骤S6：CFD温度场计算，判断计算结果是否收敛，该步骤中，温度场计算是CFD软件对在当前环境条件下的温室内部温度场进行模拟计算。收敛是为了在CFD计算是稳定的前提下，才将计算结果应用到下面的参数整定过程。

步骤S7：该步骤就是通过CFD软件的接口，为模型模拟一个通风率的突变，来考察特征点的温度响应。

步骤S8：请参阅图1并结合图2，该步骤先完成对特征点温度的模拟计算，也就是模拟计算在当前气候条件下，特征点温度对通风率变化的响应，接着，从CFD软件中自动输出已经计算出的特征点温度对通风率变化的响应曲线；最后，对从CFD软件中获得的特征点温度响应进行数据处理，具体的，因为获得的响应曲线不能直接用来当作飞升曲线，需通过分段裁减后拟合的办法将响应曲线所包含的飞升曲线分离出来而获得飞升曲线。

C：请参阅图1并结合图2，根据下述公式从所述飞升曲线获得PID控制的K_p、K_i和K_d，式中，K表示响应的变化，式中，T表示响应达到稳定态所需的时间，式中，T_d表示响应滞后时间。具体的如图1所示的步骤S9所示。

D：将PID参数输入至PID控制器，通过该PID控制器控制温室的风机。传输完成之后，本发明会每间隔所述设定周期采集所述温室的环境参数，然后，重复上述过程。

按照上述技术思路，会每间隔设定周期的间隔时间对温室的风机做出控制，但是，在实际的应用中，并不需要这样处理，比如，温室的环境参数在很长时间未变化，或者说这种变化对农作物生长影响很小的情况下，为了解决这个问题，本发明的温室机械通风控制方法还包括比较环境参数与设定参数，在环境参数与设定值之差的绝对值大于预设值时，将所述整定参数用于控制温室的风机；反之，风机维持当前状态，具体的，所述设定参数可以是温度、湿度或者太阳总辐射，以设定参数是温度为例详细说明上述过程如下：设定参数是25度，预设值是3度，实际中当温度26度、27度、28度、25度、24度、23度或者22度时，对农作物生长无影响，则，上述控制方法不会输出按照26度、27度、28度、25度、24度或23度产生的PID的参数，风机维持当前状态；当温度是29度时，29-25＞3，则，上述控制方法输出根据29度产生的PID参数，风机运行状态被更改；当温度是21度时，21-25＜-3，则，上述控制方法输出根据21度产生的PID参数，机运行状态被更改。

请参阅图3，本发明还公开一种温室机械通风控制系统，该控制系统包括多个传感器1、处理器2和PID控制器3，其中，所述多个传感器1获取温室的环境参数，该环境参数包括温室外的太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度；所述处理器2基于计算流体动力学模型处理所述太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度而获得表示温度与通风率相互关系的飞升曲线，根据

K_{p} = \frac{1}{K + 1},

K_{i} = \frac{K_{p}}{T},

K_{d} = \frac{K_{p}}{K} \times T_{d}

计算获得PID参数，公式中，K表示响应的变化、T表示响应达到稳定态所需的时间、T_d表示响应滞后时间。所述PID控制器3接收所述K_p、K_i和K_d而输出控制信号至温室的风机。

请参阅图4，本发明还公开另一种温室机械通风控制系统，该控制系统包括多个传感器1、处理器2、PID控制器3和比较器4，其中，所述多个传感器1包括气象传感器、温度传感器和湿度传感器，分别获取温室的环境参数，该环境参数包括温室外的太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度；所述处理器2基于计算流体动力学模型处理所述太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度而获得表示温度与通风率相互关系的飞升曲线，根据

K_{p} = \frac{1}{K + 1},

K_{i} = \frac{K_{p}}{T},

K_{d} = \frac{K_{p}}{K} \times T_{d}

计算获得PID参数，公式中，K表示响应的变化、T表示响应达到稳定态所需的时间、T_d表示响应滞后时间；所述比较器4比较采集的环境参数与设定的环境参数，将比较结果传输至所述PID控制器；所述PID控制器3在环境参数与设定值之差的绝对值大于预设值时，将所述整定参数K_p、K_i和K_d而用于控制温室的风机；反之，风机维持当前状态。

另外，基于上述思路，本发明也公开基于计算流体动力学的温室机械通风PID参数整定方法，该方法包括：(a)、获取温室的环境参数，该环境参数包括温室外的太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度；(b)、将所述温室的环境参数输入计算流体动力学模型而获得表示温度与通风率相互关系的飞升曲线；(c)、根据下述公式从所述飞升曲线获得PID控制的K_p、K_i和K_d，式中，K表示响应的变化，式中，T表示响应达到稳定态所需的时间，式中，T_d表示响应滞后时间。

综上所述，本发明由于根据计算流体动力学计算温度与通风率关系的飞升曲线，根据该飞升曲线而获得所述参数K_p、K_i和K_d，这样，可以实时且根据温室的实际环境来调节风机的转速，所以，本发明能够很好的解决温室机械通风的问题，节能能量。

Claims

1.一种基于计算流体动力学的温室机械通风PID参数整定方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

获取温室的环境参数，该环境参数包括温室外的太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度；

将所述温室的环境参数输入计算流体动力学模型而获得表示温度与通风率相互关系的飞升曲线；

根据下述公式从所述飞升曲线获得PID控制的K_p、K_i和K_d

式中，K表示响应的变化

式中，T表示响应达到稳定态所需的时间

式中，T_d表示响应滞后时间。

2.温室机械通风控制方法，其特征是：根据权利要求1所述的方法获得PID参数，将PID参数输入至PID控制器，通过该PID控制器控制温室的风机。

3.如权利要求2所述的温室机械通风控制方法，其特征是：还包括比较所述环境参数与设定参数，在环境参数与设定值之差的绝对值大于预设值时，将最新获得的整定参数输入给控制器以控制温室风机；在环境参数与设定值之差的绝对值小于预设值时，风机继续在上一次输入整定参数的控制器控制下工作。

4.温室机械通风控制系统，其特征是：包括多个传感器、处理器和PID控制器，其中，

所述多个传感器获取温室的环境参数，该环境参数包括温室外的太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度；

所述处理器基于计算流体动力学模型处理所述太阳全辐射、温室内的温度、温室外的温度和温室外的湿度而获得表示温度与通风率相互关系的飞升曲线，根据计算获得PID参数，公式中，K表示响应的变化、T表示响应达到稳定态所需的时间、T_d表示响应滞后时间；

所述PID控制器接收所述K_p、K_i和K_d而输出控制信号至温室的风机。

5.温室机械通风控制系统，其特征是：包括多个传感器、处理器、比较器和PID控制器，其中，

所述比较器比较采集的环境参数与设定的环境参数，将比较结果传输至所述PID控制器；

所述PID控制器在环境参数与设定值之差的绝对值大于预设值时，将整定参数K_p、K_i和K_d用于控制温室的风机；反之，风机维持当前状态。