CN110647190A - 柴油机冷却水温度控制器pid参数设定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柴油机冷却水温度控制器PID参数设定方法，柴油机冷却水温度控制器包括PLC通过线缆连接伺服放大器以及与伺服放大器连接的伺服单元，来控制三通阀的开度来调节冷却水温度，控制三台海水泵的运行调节了海水流量从而提高冷却水温度调节的速度。本发明提出的线性递减策略动态调整惯性权重的改进粒子群优化算法来对冷却水温度控制器的PID参数进行优化整定，完成精确地控制冷却水温度的工作，提高柴油机工作性能的同时实现节能环保的目的。本发明可用于柴油机技术领域中冷却水温度控制系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种柴油机冷却水温度控制器PID参数设定方法，属于柴油机技术领域。
背景技术
船用柴油机中燃油燃烧释放出的部分热量要经过气缸、气缸盖和活塞等部件散发出去。柴油机冷却水系统负责带走这些热量，来保证受热部件处在常温状态。冷却水温度的变化对柴油机的工作性能、运行寿命等有着重要影响。对冷却水温度的精准控制，能够提高柴油机的动力性能、减少废气排放量、降低能耗等。
冷却水系统的温度控制一般采用PID控制技术，传统PID控制器的参数在设定之后计划不变，控制器所设定的参数很有可能不是最佳的，无法达到最好的控制效果。传统PID参数整定方法过程复杂、整定不佳，性能较差、对运行工况的适应性较差，易发生超调量大和震荡等情况，无法满足现代工业发展对控制过程的高要求。采用合适的优化算法对PID参数进行整定就尤为关键。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种应用在船用柴油机中央冷却水系统中的柴油机冷却水温度控制器PID参数设定方法，采用改进粒子群算法优化PID参数，实现精确地控制冷却水温度的工作，提高柴油机工作性能的同时实现节能环保的目的。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种柴油机冷却水温度控制器PID参数设定方法，包括以下步骤：
(1)对粒子群中粒子的位置、速度、学习因子及最大迭代次数进行初始化；粒子的位置矢量由PID的3个参数kp、ki、kd构成，维数为3，确定3个参数的取值范围；将粒子群中的粒子依次赋值给PID参数kp、ki、kd，系统仿真后得到该组参数所对应的性能指标，即粒子的适应度值；
(2)将个体历史最佳位置pbest和全局历史最佳位置gbest分别与个体和全局的当前适应度值进行比较，取优者；
(3)确定惯性权重ω，并对新粒子的速度和位置进行更新；
惯性权重表达式为：
ω＝ωmax-(ωmax-ωmin)*t/tmax (1)
式(1)中，ωmax为最大惯性权重，ωmin为最小惯性权重，t为当前迭代次数，tmax为最大迭代次数；
新粒子的速度和位置公式为：
vi(t+1)＝ωvi(t)+c1r1((pbesti(t)+gbest(t))/2-xi(t))+c2r2((pbesti(t)-gbest(t))/2-xi(t)) (2)
xi(t+1)＝xi(t)+vi(t+1) (3)
上式(2)、(3)中t是当前迭代次数，ω为惯性权重，c1和c2是学习因子，r1和r2是在[0,1]中的随机数，vi(t)为粒子i在t时刻的速度，xi(t)为粒子i在t时刻的位置，pbesti(t)为个体最优位置，gbesti(t)为全局最优位置；
(4)将新的粒子依次赋值给PID控制参数kp、ki、kd，仿真得到新的性能指标，将其与原来的个体极值和全局极值的适应度值做比较，取优者；
(5)接着判断是否满足终止条件，若满足则执行下一步否则进行粒子群更新工作；
(6)最后输出全局最优位置，也就是PID最优参数，算法结束，采用PID最优参数对三通阀的开度进行控制，从而改变出机高温冷却水进入冷却器的旁通量，对高温冷却水的进机温度进行调节,最终保持高温冷却水的出机温度稳定。
前述柴油机冷却水温度控制器PID参数设定方法，其中ωmax取值0.9，ωmin取值0.2，c1和c2取2。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
在冷却水温度控制系统，其控制器参数的整定从某种程度上来说决定着柴油机冷却水系统温度的控制效果，采用改进的粒子群算法来对传统PID参数进行整定，采用改进的粒子群优化PID控制方法对三通阀的开度进行控制，从而改变出机高温冷却水进入冷却器的旁通量，对高温冷却水的进机温度进行调节,最终保持高温冷却水的出机温度稳定。本发明提出一种线性递减策略动态调整惯性权重的改进粒子群优化算法来整定控制器PID参数。基于改进粒子群优化算法的PID参数整定就是利用粒子群来寻找，得到PID控制器kp、ki、kd参数的最优值，使得冷却水系统温度控制达到最优效果。
附图说明
图1为改进粒子群算法优化PID参数的结构图；
图2为改进粒子群算法优化PID参数的算法流程图；
图3为柴油机高温冷却水温度控制系统结构框图；
图4为基于改进粒子群优化的柴油机冷却水温度闭环PID控制图；
图5为基于改进粒子群优化的柴油机冷却水温度闭环PID控制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示是改进的粒子群算法对PID参数进行优化的结构图，粒子群优化算法的适应度函数所对应的是性能指标函数即为评定PID控制器的标准，所以需要选择最为符合的性能指标函数。
将控制系统的性能评价指标作为粒子群优化算法的评价函数即适应度函数输入，计算出粒子适应值，然后根据函数的适应度值来调节控制器kp、ki、kd参数进行优化整定，提高系统的控制效果。
选用误差绝对值乘时间积分(ITAE)的性能指标函数来作为粒子群优化算法中的适应度函数，即：
式(1)中J为适应度函数，e(t)为系统的误差绝对值，t为时间。
如图2所示是改进粒子群算法优化PID参数的算法流程图。首先对粒子群中粒子的位置、速度、学习因子及最大迭代次数进行初始化；粒子的位置矢量由PID的3个参数构成，维数为3，确定3个参数的取值范围。
接着将粒子群中的粒子依次赋值给kp、ki、kd，完成参数传递过程，PID控制系统模型仿真后可获得该组参数所对应的性能指标，也就是粒子的适应度值。
根据粒子适应度值判断当前位置的优劣，将个体历史最佳位置(pbest)和全局历史最佳位置(gbest)分别与个体和全局的当前适应度值进行比较，取优者。
惯性权重ω用来调节种群全局探测能力与局部开发能力之间的平衡，当ω较大时代表粒子此时的全局寻优能力比较强，而局部寻优能力弱些。反之，当ω较小时粒子具有较强的局部寻优能力，全局搜索能力较弱。因此，本文中惯性权重采取线性递减策略，从而使算法更快速精确收敛到全局最优点。惯性权重表达式为：
ω＝ωmax-(ωmax-ωmin)*t/tmax (2)
其中式(2)中，ωmax为最大惯性权重，一般取值0.9，ωmin为最小惯性权重，一般取值0.2，t为当前迭代次数，tmax为最大迭代次数。
依据以下速度和位置更新公式来对新粒子的速度和位置进行更新。
vi(t+1)＝ωvi(t)+c1r1((pbesti(t)+gbest(t))/2-xi(t))+c2r2((pbesti(t)-gbest(t))/2-xi(t)) (3)
xi(t+1)＝xi(t)+vi(t+1) (4)
上式(3)、(4)中t是当前迭代次数，ω为惯性权重，c1和c2是学习因子，通常取2，r1和r2是在[0,1]中的随机数，vi(t)为粒子i在t时刻的速度，xi(t)为粒子i在t时刻的位置，pbesti(t)为个体最优位置，gbesti(t)为全局最优位置。
将新的粒子依次赋值给PID控制的参数，仿真得到新的性能指标也就是粒子新位置的适应度值，并将其与原来的个体极值和全局极值的适应度值做比较，取优者。
接着判断是否满足终止条件，若满足则执行下一步否则进行粒子群更新工作。
最后输出全局最优位置，也就是PID最优参数，算法结束。
本发明的具体实施例的冷却水温度控制系统，如图3所示，包括：PLC连接模拟量输入输出模块、传感器、压力继电器、触摸屏等，通过电缆连接伺服放大器及伺服电机单元，控制三通阀电机来调节三通阀开度从而控制冷却水温度，控制三个海水泵动作来调节海水流量。其中，选用热电阻传感器PT100对高温淡水以及海水的温度进行测量，通过压力继电器对高温淡水泵吸口压力进行检测。膨胀水箱液位开关用来控制水箱液位，根据液位开关的位置来控制膨胀水箱进水电磁阀的通断，进而使水箱液位维持在一定范围之内。采用浮球式液位开关来控制膨胀水箱的水位，浮球随着液位升降而上下浮动，推动浮球端部的磁钢也跟着上下摆动，在磁力的作用下，推斥着安装在外壳内相同磁极的磁钢上下摆动，其另一端的动触点便在静触头间连通或断开，从而控制水箱补水电磁阀的通断，达到保持水箱液位能够稳定在要求范围内的效果，最终能够保证柴油机冷却水压力稳定。
所述冷却水温度控制系统包括PLC通过PPI通信接口连接伺服控制单元，其包括四个伺服放大器以及与各自伺服放大器连接的伺服电机单元，伺服电机单元包括控制三通阀开度电机以及三个海水泵电机。通过三个海水泵的运行来控制海水流速，从而达到控制冷却水温的作用。
如图4、5所示分别是基于改进粒子群算法的柴油机冷却水温度闭环PID控制简图和控制流程图，将高温冷却水的出机温度与给定值进行比较，接着依据温度的偏差量启动控制基于改进粒子群算法的PID指令，系统依据该指令输出的结果来控制三通阀伺服电机运行。再通过三通阀的开度情况，来控制三台海水泵的运行，酌情增减海水泵使用数量，以达到精准控制及节能目的。
PLC连接报警模块，当高温淡水高低温越限、高温淡水泵吸口压力越限、海水泵电机过载等情况发生时给出报警信号。
上述控制系统中的PLC还连接触摸屏HMI，触摸屏HMI是人机对话接口，通过触摸屏可进行相关参数设定，冷却水温度控制系统的工况等信息可在触摸屏上显示，便于工作人员实时监测。
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，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 (2)
1.一种柴油机冷却水温度控制器PID参数设定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对粒子群中粒子的位置、速度、学习因子及最大迭代次数进行初始化；粒子的位置矢量由PID的3个参数kp、ki、kd构成，维数为3，确定3个参数的取值范围；将粒子群中的粒子依次赋值给PID参数kp、ki、kd，系统仿真后得到该组参数所对应的性能指标，即粒子的适应度值；
(2)将个体历史最佳位置pbest和全局历史最佳位置gbest分别与个体和全局的当前适应度值进行比较，取优者；
(3)确定惯性权重ω，并对新粒子的速度和位置进行更新；
惯性权重表达式为：
ω＝ωmax-(ωmax-ωmin)*t/tmax (1)
式(1)中，ωmax为最大惯性权重，ωmin为最小惯性权重，t为当前迭代次数，tmax为最大迭代次数；
新粒子的速度和位置公式为：
vi(t+1)＝ωvi(t)+c1r1((pbesti(t)+gbest(t))/2-xi(t))+c2r2((pbesti(t)-gbest(t))/2-xi(t)) (2)
xi(t+1)＝xi(t)+vi(t+1) (3)
上式(2)、(3)中t是当前迭代次数，ω为惯性权重，c1和c2是学习因子，r1和r2是在[0,1]中的随机数，vi(t)为粒子i在t时刻的速度，xi(t)为粒子i在t时刻的位置，pbesti(t)为个体最优位置，gbesti(t)为全局最优位置；
(4)将新的粒子依次赋值给PID控制参数kp、ki、kd，仿真得到新的性能指标，将其与原来的个体极值和全局极值的适应度值做比较，取优者；
(5)接着判断是否满足终止条件，若满足则执行下一步否则进行粒子群更新工作；
(6)最后输出全局最优位置，也就是PID最优参数，算法结束，采用PID最优参数对三通阀的开度进行控制，从而改变出机高温冷却水进入冷却器的旁通量，对高温冷却水的进机温度进行调节,最终保持高温冷却水的出机温度稳定。
2.如权利要求1所述的柴油机冷却水温度控制器PID参数设定方法，其特征在于，所述ωmax取值0.9，ωmin取值0.2，c1和c2取2。
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