CN112783233A - 基于模糊pid算法的电能表端子座温控方法及装置 - Google Patents
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- G05D23/22—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element being a thermocouple
Abstract
本发明公开了一种基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法和装置，涉及电能表端子座温控领域，所述电能表端子座温控方法包括：采集每次采样时刻电能表端子座的实际温度；计算所述电能表端子座的实际温度与预设温度的偏差值和偏差值增量；模糊化处理所述偏差值和所述偏差值增量，确定PID参数与所述偏差值和所述偏差值增量的模糊关系，建立模糊规则表；根据模糊规则在线对所述PID参数进行修改，调整PWM控制参数；根据调整的所述PWM控制参数控制加热模块进行加热。本方法实现了对PID参数的模糊自整定，提高了电能表端子座温度控制的控制精度和稳定性，加热时间得到了有效控制，避免加热模块温度过高，提高加热模块的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电能表端子座温控领域，尤其涉及基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法及装置。
背景技术
在现代工业仪器仪表领域，温度成为制约仪器、设备能否长期稳定可靠运行的一个非常重要的指标。电力计量作为电力营销的基础与关键，需要随着电力行业的进步而加以改造，进而更加精准地计量电力，为电力营销工作提供科学依据，促进电力营销水平的显著提升。不过在实际改造过程中，还存在不少问题，导致实际改造效果难达预期，其中电能表在长时间运行中，可能因为窃电、故障、老化或失效造成幅值和相位误差变化，或者存在由于长时间过电流运行造成电能表端子座温度过高而烧毁的情况。
电能表端子座温控装置是一种模拟电能表端子座温度变化的装置，通过模拟电能表工作时可能出现的各种故障场景，检测电能表的功能指标，对电能表报警、拉闸保护、事件记录、主动上报等功能进行综合分析。由于装置采用的加热棒是一个具有大滞后、大惯性、非线性的时变系统，端子座的温控系统也是一种相对复杂的热工状态，在整个控温过程中，存在热传导、热对流、热辐射等热工状态，因此，很难对端子座控温系统建立明确的数学模型。
鉴于此，本领域亟需一种新的电能表端子座温控方法和装置来解决上述问题，以更准确地控制温度。
发明内容
本发明实施例提供一种基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法及装置，以解决难以准确控制电能表端子座温度的问题。
一种基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法，所述电能表端子座温控方法包括：
S10、采集每次采样时刻电能表端子座的实际温度；
S20、计算所述电能表端子座的实际温度与预设温度的偏差值和偏差值增量；
S30、模糊化处理所述偏差值和所述偏差值增量，确定PID参数与所述偏差值和所述偏差值增量的模糊关系，建立模糊规则表；
S40、根据模糊规则在线对所述PID参数进行修改，调整PWM控制参数；
S50、根据调整的所述PWM控制参数控制加热模块进行加热。
优选地，所述S20步骤包括：计算第k次采样时刻所述电能表端子座的实际温度与所述预设温度的偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)；
其中，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)。
优选地，所述S30步骤包括：
S31、模糊化处理所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)，变换到各自的论域范围；
S32、确定所述PID参数Kp、Ki、Kd与所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)之间的模糊关系，其中，Kp为比例系数、Ki积分系数、Kd微分系数；
S33、根据所述模糊关系建立Kp、Ki、Kd的模糊规则表。
优选地，所述S40步骤包括：
S41、根据模糊规则在线对所述PID参数进行修改，其中所述模糊规则包括：根据所述偏差值e(k)和所述偏差值e(k)大小和乘积，调整第k次采样时刻PID控制器的输出增量Δu(k)，所述输出增量Δu(k)计算公式为：
Δu(k)＝p×Kp×Δe(k)+i×Ki×e(k)+d×Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]，
其中，p、i、d分别为PID控制器的比例调整系数、积分调整系数、微分调整系数；
S42、根据所述输出增量Δu(k)调整PWM控制参数。
优选地，所述S41步骤包括：
设定第一偏差阈值E1；
若|e(k)|≥E1，则PID控制器按最大或者最小输出，此时p＝k1，i＝0，d＝k′1，k1为PID调节器比例系数，0＜k′1＜1，则
Δu(k)＝k1×Kp×Δe(k)+k′1×Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]；
若|e(k)|＜E1，判断所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)的乘积以及所述偏差值e(k)的大小，调整第k次采样时刻PID控制器的输出增量Δu(k)。
优选地，所述“若|e(k)|＜E1，判断所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)的乘积以及所述偏差值e(k)的大小，调整第k次采样时刻PID控制器的输出增量Δu(k)”步骤包括：
设定第二偏差阈值E2，其中E2＜E1；
若e(k)×Δe(k)＞0且|e(k)|＜E2，此时p＝i＝d＝1，则
Δu(k)＝Kp×Δe(k)+Ki×e(k)+Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]；
若e(k)×Δe(k)＞0且E2≤|e(k)|＜E1，此时p＝k2，i＝d＝1，k2为PID调节器比例放大倍数，则
Δu(k)＝k2×Kp×Δe(k)+i×Ki×e(k)+d×Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]；
若e(k)＝0，或者e(k)×Δe(k)＜0且e(k)×Δe(k-1)＞0，则
u(k)＝u(k-1)；
若e(k)×Δe(k)＜0、e(k)×Δe(k-1)＜0且E2≤|e(k)|＜E1，此时p＝k3，i＝d＝0，k3＞1，则Δu(k)＝k3×Kp×Δe(k)；
若e(k)×Δe(k)＜0、e(k)×Δe(k-1)＜0且|e(k)|＜E2，此时p＝k4，i＝d＝0，0＜k4＜1，则Δu(k)＝k4×Kp×Δe(k)。
本发明还提供一种基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置，包括：
温度采样模块：用于采集电能表端子座和加热模块的实际温度；
数据处理模块：用于计算所述电能表端子座的实际温度与预设温度的偏差值和偏差值增量，确定PID参数与所述偏差值和所述偏差值增量的模糊关系，建立模糊规则表；
调整模块：用于根据模糊规则在线对所述PID参数进行修改，调整PWM控制参数；
加热模块：用于根据所述PWM控制参数对所述电能表端子座进行加热。
优选地，所述数据处理模块包括：
计算单元：用于计算第k次采样时刻所述电能表端子座的实际温度与所述预设温度的偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)；
模糊化处理单元：用于模糊化处理所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)，变换到各自的论域范围，确定所述PID参数Kp、Ki、Kd与所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)之间的模糊关系，根据所述模糊关系建立Kp、Ki、Kd的模糊规则表。
优选地，所述电能表端子座温控装置还包括显示模块和交互模块，所述显示模块用于读取温度采样值、加热效率参数，所述交互模块用于设置加热策略、预设温度。
优选地，所述电能表端子座温控装置还包括检测模块，所述检测模块用于检测所述电能表端子座温度异常时电能表是否准确上报和处理异常。
本发明的有益效果在于：提供一种基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法及装置，本发明实现了对PID参数的模糊自整定，能实时修改PID控制器的输出增量，既提高了温度控制的控制精度和稳定性，又保留了单片机控制系统的可靠性和灵活性。同时由于加热方式采用PWM控制，加热时间短，避免加热模块温度过高，提高加热模块的使用寿命，同时也有效避免了由于加热模块温度过高导致对电能表的损坏。
附图说明
图1为本发明基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法实施例流程图；
图2为本发明基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法的建立模糊规则实施例流程图；
图3是本发明基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法的调整PWM控制参数实施例流程图；
图4为本发明基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置第一个实施例的功能模块示意图；
图5为本发明基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置的温度采样模块的功能模块示意图；
图6为本发明基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置的数据处理模块的功能模块示意图；
图7为本发明基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置与电能表连接的功能模块示意图；
图8为本发明基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置第二个实施例的功能模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法的流程图，包括以下步骤：
S10、采集每次采样时刻电能表端子座201的实际温度；具体地，采集第k次采样时刻电能表端子座201的实际温度。
S20、计算电能表端子座201的实际温度与预设温度的偏差值和偏差值增量。
具体地，在S20步骤中，计算第k次采样时刻电能表端子座201的实际温度与预设温度的偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)；
其中，e(k)＝预设温度-第k次采样时刻端子座实际温度；Δe(k)＝e(k)-e(k-1)。
S30、模糊化处理偏差值和偏差值增量，确定PID参数与偏差值和偏差值增量的模糊关系，建立模糊规则表。
具体地，请参见图2，在S30步骤中，包括：
S31、模糊化处理偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)，变换到各自的论域范围，因其输入量为精确量，必须先对其模糊量化；
S32、确定PID参数Kp、Ki、Kd与偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)之间的模糊关系，其中，Kp为比例系数、Ki积分系数、Kd微分系数；
S33、根据模糊关系建立Kp、Ki、Kd的模糊规则表。
S40、根据模糊规则在线对PID参数进行修改，调整PWM控制参数；
具体地，请参见图3，在S40步骤中，包括：
S41、根据模糊规则在线对PID参数进行修改，其中模糊规则包括：根据偏差值e(k)和偏差值e(k)大小和乘积，调整第k次采样时刻PID控制器的输出增量Δu(k)，其中输出增量Δu(k)计算公式为：
Δu(k)＝p×Kp×Δe(k)+i×Ki×e(k)+d×Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]，
其中，p、i、d分别为PID控制器的比例调整系数、积分调整系数、微分调整系数；
进一步地，S41步骤包括：
设定第一偏差阈值E1、第二偏差阈值E2，其中E2＜E1则会有以下情况：
若|e(k)|≥E1，说明温度误差很大，则PID控制器按最大或者最小输出，同时匹配较小的微分输出和无积分输出，以达到迅速调整误差，同时避免超调过大的目的。此时p＝k1，i＝0，d＝k′1，k1为PID调节器比例系数，0＜k′1＜1，则
Δu(k)＝k1×Kp×Δe(k)+k′1×Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]；
若|e(k)|＜E1，则需要进一步判断偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)的乘积以及偏差值e(k)的大小，调整第k次采样时刻PID控制器的输出增量Δu(k)。
若e(k)×Δe(k)＞0且|e(k)|＜E2，说明温度误差朝绝对值增大的方向变化，但是偏差值小，经典PID控制即能满足控制效果，此时p＝i＝d＝1，则
Δu(k)＝Kp×Δe(k)+Ki×e(k)+Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]；
若e(k)×Δe(k)＞0且E2≤|e(k)|＜E1，说明此时温度误差朝绝对值增大的方向变化，且偏差值大，此时p＝k2，i＝d＝1，k2为PID调节器比例放大倍数，以达到并迅速减小误差绝对值的目的，则
Δu(k)＝k2×Kp×Δe(k)+i×Ki×e(k)+d×Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]；
若e(k)＝0，或者e(k)×Δe(k)＜0且e(k)×Δe(k-1)＞0，则u(k)＝u(k-1)；
若e(k)×Δe(k)＜0、e(k)×Δe(k-1)＜0且E2≤|e(k)|＜E1，实施较强的抑制作用，此时p＝k3，i＝d＝0，k3＞1，k3为PID调节器比例抑制系数，则Δu(k)＝k3×Kp×Δe(k)；
若e(k)×Δe(k)＜0、e(k)×Δe(k-1)＜0且|e(k)|＜E2，实施较弱的抑制作用，此时p＝k4，i＝d＝0，0＜k4＜1，k4为PID调节器比例抑制系数，则Δu(k)＝k4×Kp×Δe(k)。
S42、根据输出增量Δu(k)调整PWM控制参数。
S50、根据调整的PWM控制参数控制加热模块40进行加热，使电能表端子座201达到预设温度。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本方法实现了对PID参数的模糊自整定，能实时修改PID控制器的输出增量，既提高了温度控制的控制精度和稳定性，又保留了单片机控制系统的可靠性和灵活性。同时由于加热方式采用PWM控制，所以加热时间得到了有效控制，避免加热模块温度过高，提高加热模块的使用寿命，同时也有效避免了由于加热模块温度过高导致对电能表的损坏。
进一步地，请参见图4，本发明实施例的基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置100，用于实现上述基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法，包括：温度采样模块10、数据处理模块20、调整模块30、加热模块40。
其中，请参见图5，温度采样模块10包括电能表端子座温度采样单元11和加热模块温度采样单元12，分别用于采集电能表端子座201和加热模块40的实际温度，温度采样模块10采用高精度、带线性冷端补偿的热电偶数字转换器，进一步提高温度测量的准确度。
数据处理模块20计算电能表端子座201的实际温度与预设温度的偏差值和偏差值增量，确定PID参数与偏差值和偏差值增量的模糊关系，建立模糊规则表。请参见图6至图7，数据处理模块20包括计算单元21和模糊化处理单元22，温度采样模块10采集计算第k次采样时刻电能表端子座201的实际温度，计算单元21计算第k次采样时刻电能表端子座201的实际温度与预设温度的偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)；通过模糊化处理单元22模糊化处理偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)，变换到各自的论域范围，确定PID参数Kp、Ki、Kd与偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)之间的模糊关系，根据模糊关系建立Kp、Ki、Kd的模糊规则表。
调整模块30再根据模糊规则在线对PID参数进行修改，调整PWM控制参数，实现PWM占空比可调的PWM波形。上述的基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法已经详细描述，在此不重复描述。
加热模块40根据PWM控制参数对电能表端子座201进行加热，使电能表端子座201达到预设温度。
进一步地，在上述基础上，请参见图7至图8，本发明实施例的基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置100还包括检测模块50，用于检测电能表端子座201温度异常时电能表200是否准确上报和处理异常。
在一可选实施例，在上述基础上，请参见图8，本发明实施例的基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置100还包括显示模块60和交互模块70，显示模块60用于读取温度采样值、加热效率参数，用户通过交互模块70设置电能表端子座温控装置100的加热策略、预设温度。在另一可选实施例中，显示模块60和交互模块70为上位机。
本发明实施例的基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置，通过模拟电能表工作时可能出现的各种故障场景，给电能表端子座进行精确地控温及测温，检测电能表在预设的故障场景下的功能指标，对电能表报警、拉闸保护、事件记录、主动上报等功能进行综合分析。该装置响应速度快，温度测量与控制精度高，电路设计简单。针对电能表端子座复杂的工作环境，能更快更精确达到预设温度，加热时间短，避免加热模块温度过高，提高加热模块的使用寿命，同时也有效避免了由于加热模块温度过高导致对电能表的损坏。
上述基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于模糊PID算法的电能表端子座温控方法，其特征在于，所述电能表端子座温控方法包括：
S10、采集每次采样时刻电能表端子座的实际温度；
S20、计算所述电能表端子座的实际温度与预设温度的偏差值和偏差值增量；
S30、模糊化处理所述偏差值和所述偏差值增量，确定PID参数与所述偏差值和所述偏差值增量的模糊关系，建立模糊规则表；
S40、根据模糊规则在线对所述PID参数进行修改，调整PWM控制参数；
S50、根据调整的所述PWM控制参数控制加热模块进行加热。
2.根据权利要求1所述的电能表端子座温控方法，其特征在于，所述S20步骤包括：计算第k次采样时刻所述电能表端子座的实际温度与所述预设温度的偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)；
其中，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)。
3.根据权利要求2所述的电能表端子座温控方法，其特征在于，所述S30步骤包括：
S31、模糊化处理所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)，变换到各自的论域范围；
S32、确定所述PID参数Kp、Ki、Kd与所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)之间的模糊关系，其中，Kp为比例系数、Ki积分系数、Kd微分系数；
S33、根据所述模糊关系建立Kp、Ki、Kd的模糊规则表。
4.根据权利要求3所述的电能表端子座温控方法，其特征在于，所述S40步骤包括：
S41、根据模糊规则在线对所述PID参数进行修改，其中所述模糊规则包括：根据所述偏差值e(k)和所述偏差值e(k)大小和乘积，调整第k次采样时刻PID控制器的输出增量Δu(k)，所述输出增量Δu(k)计算公式为：
Δu(k)＝p×Kp×Δe(k)+i×Ki×e(k)+d×Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]，
其中，p、i、d分别为PID控制器的比例调整系数、积分调整系数、微分调整系数；
S42、根据所述输出增量Δu(k)调整PWM控制参数。
5.根据权利要求4所述的电能表端子座温控方法，其特征在于，所述S41步骤包括：
设定第一偏差阈值E1；
若|e(k)|≥E1，则PID控制器按最大或者最小输出，此时p＝k1，i＝0，d＝k1′，k1为PID调节器比例系数，0＜k1′＜1，则
Δu(k)＝k1×Kp×Δe(k)+k′1×Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]；
若|e(k)|＜E1，判断所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)的乘积以及所述偏差值e(k)的大小，调整第k次采样时刻PID控制器的输出增量Δu(k)。
6.根据权利要求5所述的电能表端子座温控方法，其特征在于，所述“若|e(k)|＜E1，判断所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)的乘积以及所述偏差值e(k)的大小，调整第k次采样时刻PID控制器的输出增量Δu(k)”步骤包括：
设定第二偏差阈值E2，其中E2＜E1；
若e(k)×Δe(k)＞0且|e(k)|＜E2，此时p＝i＝d＝1，则
Δu(k)＝Kp×Δe(k)+Ki×e(k)+Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]；
若e(k)×Δe(k)＞0且E2≤|e(k)|＜E1，此时p＝k2，i＝d＝1，k2为PID调节器比例放大倍数，则
Δu(k)＝k2×Kp×Δe(k)+i×Ki×e(k)+d×Kd×[Δe(k)-Δe(k-1)]；
若e(k)＝0，或者e(k)×Δe(k)＜0且e(k)×Δe(k-1)＞0，则
u(k)＝u(k-1)；
若e(k)×Δe(k)＜0、e(k)×Δe(k-1)＜0且E2≤|e(k)|＜E1，此时p＝k3，i＝d＝0，k3＞1，则Δu(k)＝k3×Kp×Δe(k)；
若e(k)×Δe(k)＜0、e(k)×Δe(k-1)＜0且|e(k)|＜E2，此时p＝k4，i＝d＝0，0＜k4＜1，则Δu(k)＝k4×Kp×Δe(k)。
7.一种基于模糊PID算法的电能表端子座温控装置，其特征在于，包括：
温度采样模块：用于采集电能表端子座和加热模块的实际温度；
数据处理模块：用于计算所述电能表端子座的实际温度与预设温度的偏差值和偏差值增量，确定PID参数与所述偏差值和所述偏差值增量的模糊关系，建立模糊规则表；
调整模块：用于根据模糊规则在线对所述PID参数进行修改，调整PWM控制参数；
加热模块：用于根据所述PWM控制参数对所述电能表端子座进行加热。
8.根据权利要求7所述的电能表端子座温控装置，其特征在于，所述数据处理模块包括：
计算单元：用于计算第k次采样时刻所述电能表端子座的实际温度与所述预设温度的偏差值e(k)和偏差值增量Δe(k)；
模糊化处理单元：用于模糊化处理所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)，变换到各自的论域范围，确定所述PID参数Kp、Ki、Kd与所述偏差值e(k)和所述偏差值增量Δe(k)之间的模糊关系，根据所述模糊关系建立Kp、Ki、Kd的模糊规则表。
9.根据权利要求7所述的电能表端子座温控装置，其特征在于，所述电能表端子座温控装置还包括显示模块和交互模块，所述显示模块用于读取温度采样值、加热效率参数，所述交互模块用于设置加热策略、预设温度。
10.根据权利要求7所述的电能表端子座温控装置，其特征在于，所述电能表端子座温控装置还包括检测模块，所述检测模块用于检测所述电能表端子座温度异常时电能表是否准确上报和处理异常。
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