CN115390604B - 基于增量pid控制算法的冷热水箱水位平衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液体流量计量技术领域，具体的涉及一种基于增量PID控制算法的冷热水箱水位平衡方法，通过高精度液位计采集冷水箱和热水箱的液位，将采集的液位数据进行滤波比较两个水箱的液位差，并利用增量PID算法计算控制冷水管道和热水管道出水和回水阀门之间的开启关闭时间，使得冷水或者热水能够充分回到对应的水箱，实现冷热水箱水位的平衡和温度的平衡稳定，避免液位和温度振荡，防止试验过程液体溢出，具有节能减耗、控制精确、自动化程度高、安全性好、操作方便等优点，两个水箱的温度波动更小。
Description
技术领域
本发明涉及液体流量计量技术领域，具体的涉及一种基于增量PID控制算法的冷热水箱水位平衡方法。
背景技术
根据与疲劳导致金属断裂的巴斯昆原理相近，液体流量仪表的疲劳也会随着使用时间的延续导致示值误差的增大，直到出现故障。通过机械能与热能进行交换，将负荷变化的次数替代实际运行时间的冲击试验方法，作为流量传感器的标准量度，实现流量仪表的长期可靠性测试。在液体流量仪表的耐久性和寿命试验中，经常会采取液体冷热冲击循环试验的方法来分析仪表的长期可靠性和使用寿命。
在实际的冷热循环冲击耐久性试验中，由于热水与冷水周期性循环冲击试验管道后试验水再回到对应的热水箱或冷水箱。在回水的过程中，由于管道内存在热水与冷水，使得不可避免使冷水回到热水箱或者热水回到冷水箱，使得两个水箱的水位发生偏移，多次累积作用下，热水箱和冷水箱可能一个水溢出，另一个则处于缺水状态；如果大量补水将导致试验温度无法满足试验的要求，使得试验数据可靠性降低，不能够体现试验的连续运行要求，并造成能源的损失，影响试验数据的有效性、可靠性，造成时间、人力的浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于增量PID控制算法的冷热水箱水位平衡方法，解决现有技术中冷热水箱水位不能保持平衡的问题。
本发明为实现上述目的技术方案为：
一种基于增量PID控制算法的冷热水箱水位平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在第i次冷热循环周期内，分别对恒温冷水箱的液位与恒温热水箱的液位连续采样，将采样得到的恒温冷水箱的液位数据与恒温热水箱的液位数据从小到大或者从大到小依次排序，其中i为正整数；
(2)分别对排序后恒温冷水箱的液位数据与恒温热水箱的液位数据进行中值滤波和平滑滤波，得到第i次冷热循环周期内恒温冷水箱的液位值Lcold(i)和恒温热水箱的液位值Lhot(i)；
(3)计算第i次冷热循环周期内恒温冷水箱液位值与恒温热水箱液位值之间的采样液位偏差值e(i)＝Lcold(i)-Lhot(i)；
(4)记e0为最小偏差值或为死区，若|e(i)|≤|e0|，则执行步骤(7)；若|e(i)|>|e0|并且i≥3，则执行步骤(5)，若|e(i)|>|e0|且1≤i≤2时，执行步骤(7)；
(5)计算第i次冷热循环周期下的加权平滑滤波偏差：
E(i)＝e(i)*P1+E(i-1)*P2+E(i-2)*P3
E(1)＝e(1)，E(2)＝e(2)
其中，E(i-1)为第i-1次冷热循环周期下的加权平滑滤波偏差，E(i-2)为第i-2次冷热循环周期下的加权平滑滤波偏差，P1为第i次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重，P2为第i-1次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重，P3为第i-2次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重；
(6)计算第i次冷热循环周期中液位控制输出值u(i)：
其中，A为比例控制系数，B为积分控制系数，C为微分控制系数，E(m)为数据集E＝{E(1)，E(2)，……，E(i)}中的一个数据，1≤m≤i；
(7)根据增量PID控制算式计算第i次冷热循环周期水箱液位控制量增量Δu(i)：
Δu(i)＝u(i)-u(i-1)＝A[E(i)-E(i-1)]+BE(i)+C[E(i)-2E(i-1)+E(i-2)]
当1≤i≤2或|e(i)|≤|e0|时，令Δu(i)＝0；
(8)根据Δu(i)以及恒温冷水箱与恒温热水箱的尺寸，利用增量PID控制算式确定控制时间Tk，根据恒温冷水箱与恒温热水箱之间连接的管道尺寸确定出恒温热水箱上的热水出水控制阀Fhot-out与热水回水控制阀Fhot-back的开关时间差或者恒温冷水箱上的冷水出水控制阀Fcold-out与冷水回水控制阀Fcold-back的固有时间差Td；
(9)根据控制时间Tk与固有时间差Td，调整冷水出水控制阀Fcold-out、冷水回水控制阀Fcold-back、热水出水控制阀Fhot-out和热水回水控制阀Fhot-back的开关时间，使冷热水箱的液位达到平衡。
进一步限定，所述P1、P2与P3满足关系：P1＞P2＞P3，P1+P2+P3＝100％，P1＞50％。
进一步限定，所述步骤(9)具体为：
初始状态下冷水出水控制阀Fcold-out、冷水回水控制阀Fcold-back、热水出水控制阀Fhot-out和热水回水控制阀Fhot-back在数据采集控制模块的控制下均为关闭状态；
启动运行，通过数据采集控制模块分别打开冷水出水控制阀Fcold-out和恒温冷水回水控制阀Fcold-back，使冷水经过试验对象回到恒温冷水箱；管道内冷水的流量Q迅速达到设定值，进入冷水冲击循环阶段；
运行T1时间后，通过数据采集控制模块打开热水出水控制阀Fhot-out，同时关闭冷水出水控制阀Fcold-out，使热水流量Q迅速达到设定值；
运行Td-c时间后，关闭冷水回水控制阀Fcold-back，同时打开热水回水控制阀Fhot-back，进入热水冲击循环阶段；
再次运行T1时间后，打开冷水出水控制阀Fcold-out，同时关闭热水出水控制阀Fhot-out，使冷水流量Q迅速达到设定值；
再次运行Td-h时间后，打开冷水回水控制阀Fcold-back，同时关闭热水回水控制阀Fhot-back；进入冷水冲击循环阶段；
如此循环直至完成第i个周期的冷热循环；
当液位偏差|e(i)|≤|e0|时，Td-c＝Td-h＝Td；
当液位偏差|e(i)|>|e0|且Lcold(i)>Lhot(i)时，Td-h＝Td+Tk，Td-c＝Td；
当液位偏差|e(i)|>|e0|且Lcold(i)<Lhot(i)时，Td-c＝Td+Tk，Td-h＝Td；
其中，冷水出水控制阀Fcold-out和热水出水控制阀Fhot-out为互锁状态。
进一步限定，所述Tk是利用增量PID确定出，具体计算方法为：
且Tk≤5Td
其中，Ll为水箱长度，Lw为水箱宽度，Δu(i)为第i次冷热循环周期水箱液位控制量增量。
本发明的有益效果：
通过高精度液位计采集冷水箱和热水箱的液位，将采集的液位数据进行滤波比较两个水箱的液位差，并利用增量PID算法计算控制冷水管道和热水管道出水和回水阀门之间的开启关闭时间，使得冷水或者热水能够充分回到对应的水箱，实现冷热水箱水位的平衡和温度的平衡稳定，避免液位和温度振荡，防止试验过程液体溢出，具有节能减耗、控制精确、自动化程度高、安全性好、操作方便等优点，两个水箱的温度波动更小。
附图说明
图1为冷热冲击试验中冷热水箱平衡方法流程图；
图2为冷热冲击循环试验单周期切换示意图；
图3为冷热冲击试验控制阀的开关逻辑时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细说明。
液体流量仪表的耐久性和寿命试验中，经常会采取液体冷热冲击循环试验的方法来分析仪表的长期可靠性和使用寿命，液体冷热冲击循环试验装置主要由一个恒温冷水箱和一个恒温热水箱组成，待检测仪表通过管道分别与恒温冷水箱和恒温热水箱连通，在管道上分别安装有冷水出水控制阀Fcold-out、冷水回水控制阀Fcold-back、热水出水控制阀Fhot-out和热水回水控制阀Fhot-back四个控制阀，四个控制阀均通过数据采集控制模块进行开关控制，通过本方法计算得出控制时间与恒温热水箱上的热水出水控制阀Fhot-out和与热水回水控制阀Fhot-back或者恒温冷水箱上的冷水出水控制阀Fcold-out与冷水回水控制阀Fcold-back的开关时间差，四个控制阀用来控制管道内的试验水流回冷水箱或者热水箱，使得恒温冷水箱与恒温热水箱内的液位保持平衡。
本发明的具体的基于增量PID控制算法的冷热水箱水位平衡方法，参见图1，包括以下步骤：
(1)在第i次冷热循环周期内，分别对恒温冷水箱的液位与恒温热水箱的液位连续采样，将采样得到的恒温冷水箱的液位数据与恒温热水箱的液位数据从小到大或者从大到小依次排序，其中i为正整数；
(2)分别对排序后恒温冷水箱的液位数据与恒温热水箱的液位数据进行中值滤波和平滑滤波，得到第i次冷热循环周期内恒温冷水箱的液位值Lcold(i)和恒温热水箱的液位值Lhot(i)；
(3)计算第i次冷热循环周期内恒温冷水箱液位值与恒温热水箱液位值之间的采样液位偏差值e(i)＝Lcold(i)-Lhot(i)；
(4)记e0为最小偏差值或为死区，若|e(i)|≤|e0|，则执行步骤(7)；若|e(i)|>|e0|并且i≥3，则执行步骤(5)，若|e(i)|>|e0|且1≤i≤2时，执行步骤(7)；
(5)计算第i次冷热循环周期下的加权平滑滤波偏差：
E(i)＝e(i)*P1+E(i-1)*P2+E(i-2)*P3
E(1)＝e(1)，E(2)＝e(2)
其中，E(i-1)为第i-1次冷热循环周期下的加权平滑滤波偏差，E(i-2)为第i-2次冷热循环周期下的加权平滑滤波偏差，P1为第i次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重，P2为第i-1次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重，P3为第i-2次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重；
(6)计算第i次冷热循环周期中液位控制输出值u(i)：
其中，A为比例控制系数，B为积分控制系数，C为微分控制系数，E(m)为数据集E＝{E(1)，E(2)，……，E(i)}中的一个数据，1≤m≤i；
(7)根据增量PID控制算式计算第i次冷热循环周期水箱液位控制量增量Δu(i)：
Δu(i)＝u(i)-u(i-1)＝A[E(i)-E(i-1)]+BE(i)+C[E(i)-2E(i-1)+E(i-2)]
当1≤i≤2或|e(i)|≤|e0|时，令Δu(i)＝0；
(8)根据Δu(i)以及恒温冷水箱与恒温热水箱的尺寸，利用增量PID控制算式确定控制时间Tk，根据恒温冷水箱与恒温热水箱之间连接的管道尺寸确定出恒温热水箱上的热水出水控制阀Fhot-out与热水回水控制阀Fhot-back的开关时间差或者恒温冷水箱上的冷水出水控制阀Fcold-out与冷水回水控制阀Fcold-back的固有时间差Td；
(9)根据控制时间Tk与固有时间差Td，调整冷水出水控制阀Fcold-out、冷水回水控制阀Fcold-back、热水出水控制阀Fhot-out和热水回水控制阀Fhot-back的开关时间；
其中，步骤(9)具体为：
初始状态下冷水出水控制阀Fcold-out、冷水回水控制阀Fcold-back、热水出水控制阀Fhot-out和热水回水控制阀Fhot-back在数据采集控制模块的控制下均为关闭状态；
启动运行，通过数据采集控制模块分别打开冷水出水控制阀Fcold-out和恒温冷水回水控制阀Fcold-back，使冷水经过试验对象回到恒温冷水箱；管道内冷水的流量Q迅速达到设定值，进入冷水冲击循环阶段；
运行T1时间后，通过数据采集控制模块打开热水出水控制阀Fhot-out，同时关闭冷水出水控制阀Fcold-out，使热水流量Q迅速达到设定值；
运行Td-c时间后，关闭冷水回水控制阀Fcold-back，同时打开热水回水控制阀Fhot-back，进入热水冲击循环阶段；
再次运行T1时间后，打开冷水出水控制阀Fcold-out，同时关闭热水出水控制阀Fhot-out，使冷水流量Q迅速达到设定值；
再次运行Td-h时间后，打开冷水回水控制阀Fcold-back，同时关闭热水回水控制阀Fhot-back；进入冷水冲击循环阶段；
如此循环直至完成第i个周期的冷热循环；
当液位偏差|e(i)|≤|e0|时，Td-c＝Td-h＝Td；
当液位偏差|e(i)|>|e0|且Lcold(i)>Lhot(i)时，Td-h＝Td+Tk，Td-c＝Td；
当液位偏差|e(i)|>|e0|且Lcold(i)<Lhot(i)时，Td-c＝Td+Tk，Td-h＝Td；
其中，冷水出水控制阀Fcold-out和热水出水控制阀Fhot-out为互锁状态。
当Lcold(i)≤Lhot(i)时，表示计算出的控制增量应附加到冷水回水控制阀Fcold-back，通过延长冷水回水控制阀Fcold-back的关闭时间，使得管道内的水流入恒温冷水箱的水增加，从而提高恒温冷水箱的液位；
当Lcold(i)>Lhot(i)时，表示计算出的控制增量应附加到热水回水控制阀Fhot-back，通过延长冷水出水控制阀Fcold-out的关闭时间，使得管道内的水流入恒温热水箱的水增加，从而提高恒温热水箱的液位；
其中，冷水出水控制阀Fcold-out和热水出水控制阀Fhot-out为互锁状态，当冷水出水控制阀Fcold-out开启时，热水出水控制阀Fhot-out关闭，反之亦然。
实施例1
参考图1，本实施例的基于增量PID控制算法的冷热水箱水位平衡方法具体为：
为了对一个热量表进行冷热冲击试验实现其性能测试，通常需要按每日4次负载变化×每年供热200天×5年检定周期＝4000执行4000次冷热冲击循环试验，即通常1≤i≤4000，每一次冷热冲击循环试验持续5min，即一个冷热冲击循环试验周期的时间为5min，通常在前半个试验周期内需要执行2.5min冷水冲击循环试验，在后半个试验周期内需要执行2.5min热水循环冲击试验，从而完成一次冷热冲击循环试验。
通常在进行冷热冲击循环试验前，需要进行实验准备工作，其中就包括检查冷/热水箱在静态状态下的液位是否满足试验开始的要求，即恒温冷水箱的液位是否在恒温冷水箱最高液位Lcold-max与恒温冷水箱最低液位Lcold-min之间，若是，则满足要求，若恒温冷水箱的液位大于恒温冷水箱最高液位Lcold-max，则排水使其满足要求，若恒温冷水箱的液位小于恒温冷水箱最低液位Lcold-min则补水使其满足要求；同样，判断恒温热水箱的液位值是否在恒温热水箱最高液位Lhot-max与恒温热水箱最低液位Lhot-min之间，若是，则满足要求，若恒温热水箱的液位大于恒温热水箱最高液位Lhot-max，则进行排水使其满足要求，若恒温热水箱的液位小于恒温热水箱最低液位Lhot-min，则进行补水使其满足要求，在完成冷热水箱液位判断后直至满足实验要求后在开始进行试验。
在前半个试验周期内执行冷水冲击循环试验时，可以利用液位传感器连续多次采集恒温冷水箱中的液位，通常会进行1～20次，由于采集次数越多，计算成本与采集成本均会提高，但是采集次数过低又会导致数据不够精确，所以优选采集11次，得到对应的11个恒温冷水箱液位数据，随后利用液位传感器连续11次采集恒温热射水箱中的液位得到对应的11个恒温热水箱液位数据，接着计算机对采集到的恒温冷水箱液位数据按照大小进行排列，并对排列后的恒温冷水箱液位数据进行平滑滤波得到本次冷热水冲击循环试验中的恒温冷水箱液位值Lcold(i)，同样地对恒温热水箱液位数据进行处理得到本次冷热水冲击循环试验中的恒温热水箱的液位值Lhot(i)，例如i＝1时，Lcold(1)与Lhot(1)分别代表第一次冷热水冲击循环试验时计算得到的对应冷热水箱液位值，i＝2时，Lcold(2)与Lhot(2)分别代表第二次冷热水冲击循环试验时计算得到的对应冷热水箱液位值。
接着，计算第i次冷热循环周期内恒温冷水箱液位值与恒温热水箱液位值的采样液位偏差值e(i)＝Lcold(i)-Lhot(i)，为避免控制作用过于频繁，消除由于频繁动作引起的振荡，通过非线性控制算法确定第i次冷热循环周期内液位控制输出值，当|e(i)|≤|e0|时认为冷热水箱液位的液位偏差较小，不需要进行液位调整，直接执行步骤(7)，令Δu(i)＝0，计算得到的控制时间Tk为0，即第i次液位循环冲击试验中不需要进行冷热水箱液位的平衡，按照现有各水箱进出水阀开关时间进行控制即可，其中e0为最小偏差值或为死区，与液位传感器的精度有关，优选为液位传感器精度的一半，例如可取值e0＝0.005m；
当|e(i)|>|e0|时，认为通过现有的方式控制时冷热水箱中液位不能平衡导致冷热水箱中的液位偏差较大，此时执行步骤(5)，进行辅助控制；但是通常在前两次冷热循环冲击试验中，由于实验开始时冷热水箱的液位差基本调节至一致，在前两次的冷热循环冲击试验中冷热水箱的液位偏差较小，所以前两次冷热循环冲击试验时不进行冷热水箱液位平衡的计算，当|e(i)|>|e0|并且i≥3时才会执行步骤(5)，而当|e(i)|>|e0|且1≤i≤2时，即i＝1或2时，执行步骤(7)，同样此时令Δu(i)＝0，计算得到的控制时间Tk为0。
步骤(6)中，采用加权平滑滤波法对e(i)进行滤波得到滤波值E(i)：
E(i)＝e(i)*P1+E(i-1)*P2+E(i-2)*P3
其中，P1为第i次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重，P2为第i-1次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重，P3为第i-2次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重，并且P1＞P2＞P3，P1+P2+P3＝100％，P1＞50％，此处P1取70％，P2取20％，P3取10％，即得到：
E(i)＝0.7e(i)+0.2E(i-1)+0.1E(i-2)
当i＝1时，E(1)＝e(1)；当i＝2时，E(2)＝e(2)；
随后计算第i次冷热循环周期内液位控制输出值u(i)：
其中，A为比例控制系数，B为积分控制系数，C为微分控制系数，E(m)为数据集E＝{E(1)，E(2)，……，E(i)}中的一个数据，1≤m≤i，此处A范围为0～1，经典值为0.2，B范围为0～1，经典值为0.1，C取值范围为0～1，经典值为0.15；
接着根据增量PID控制算式计算水箱液位控制量增量Δu(i)：
Δu(i)＝u(i)-u(i-1)＝A[E(i)-E(i-1)]+BE(i)+C[E(i)-2E(i-1)+E(i-2)]
当|e(i)|≤e0，表示此时冷热水箱液位处于平衡状态，不需要进行液位平衡调整，则令水箱液位控制量增量Δu(i)＝0，当|e(i)|>|e0|，表示此时冷热水箱液位不平衡，需要进行液位平衡调整。
根据所述管道长度、管道内径和管道流速确定出冷热水箱上的出水控制阀与回水控制阀之间的固有时间差Td，即理想状态下液体从出口流经整套管路回到水箱的时间，具体计算公式为：
其中，管道的长度LP＝15m，管道的半径r＝12.5mm，管道的瞬时流量Q＝2.5m3/h，代入上述公式得到Td＝10.5975s；
根据Δu(i)以及水箱的尺寸，利用增量PID确定出控制时间Tk，具体为：
且0<Tk≤5Td
其中，水箱长度Ll＝1.2m，水箱宽度Lw＝1.2m，代入上述公式得到Tk＝1036.8Δu(i)，单位为S；
在冷热循环冲击耐久性试验中分为0～1/2T、1/2T～1/2T+Td-c、1/2T+Td-c～T和T～T+Td-h四个运行时间段：
0～1/2T时间段内，冷水出水控制阀Fcold-out和恒温冷水回水控制阀Fcold-back均打开，管道内全部为冷水，进行冷水冲击循环；
1/2T时，冷水出水控制阀Fcold-out开始关闭，冷水回水控制阀Fcold-back保持开启，热水出水控制阀Fhot-out开始打开，热水开始流入管道，准备开始进行热水冲击循环，热水回水控制阀Fhot-back保持关闭，使得管道内的冷水保持流入恒温冷水箱；
1/2T～1/2T+Td-c时间段内，冷水回水控制阀Fcold-back开始关闭，热水回水控制阀Fhot-back开始打开，当Td-c＝Td时(c代表cold，即进行冷水箱冲击循环试验时对应控制阀的控制时间)，则表示恒温冷水箱的液位正常，管道内的冷水全部流入恒温冷水箱，使得恒温冷水箱的液位一直保持正常，若Td-c＝Td+Tk时，则表示恒温冷水箱的液位偏低；若恒温冷水箱的液位偏低，则Tk为正值，此时管道内的冷水全部流入恒温冷水箱后部分热水也流入恒温冷水箱，使得恒温冷水箱的液位上升；
1/2T+Td-c～T时间段内，冷水出水控制阀Fcold-out完全关闭，热水出水控制阀Fhot-out完全打开，冷水回水控制阀Fcold-back完成关闭，热水回水控制阀Fhot-back完全打开，完成管道内冷热水的交换，使热水流量Q迅速达到设定值，开始进行热水冲击循环；
T时，冷水出水控制阀Fcold-out开始打开，冷水回水控制阀Fcold-back保持关闭，此时准备开始冷水冲击循环，冷水开始流入管道内，热水出水控制阀Fhot-out开始关闭，热水回水控制阀Fhot-back保持开启，管道内的热水保持流入恒温热水箱内；
T～T+Td-h时间段内，热水出水控制阀Fhot-out开始关闭，冷水出水控制阀Fcold-out开始打开，当Td-h＝Td时(h代表hot，即进行热水箱冲击循环试验时对应控制阀的控制时间)，表示恒温热水箱的液位正常，管道内的热水全部流入恒温热水箱，使得恒温热水箱的液位一直保持；若Td-h＝Td+Tk时，则表示恒温热水箱的液位偏低；若恒温热水箱的液位偏低，此时管道内的热水全部流入恒温热水箱后部分冷水也流入恒温热水箱，使得恒温热水箱的液位上升。
其后，热水出水控制阀Fhot-out完全关闭，冷水出水控制阀Fcold-out完全打开，热水回水控制阀Fhot-back完全关闭，冷水回水控制阀Fcold-back完全打开，完成管道内冷热水的交换，使冷水流量Q迅速达到设定值，开始进行冷水冲击循环。
如此进行多次循环，在每次冷水循环冲击和热水循环冲击时对恒温冷水箱的液位和恒温热水箱的液位调整都是持续性的，通过对每次冷热水冲击循环试验中冷热水箱液位进行平衡调节，使两个水箱的水位趋近一致，保证该试验的高效进行。
如图2所示，被检测的液体流量仪表在一小时内完成12次冷热循环冲击试验，一次冷热循环冲击试验为5分钟，一次冷水循环冲击或者一次热水循环冲击时间都为2.5分钟，恒温热水箱的温度为(80～85)℃，恒温冷水箱的温度为(15～20)℃。
如图3所示，虚线1与虚线2之间的时间表示Td-c时间，即冷水出水控制阀开始关闭与冷水回水控制阀开始关闭之间的时间差。
虚线3与虚线4之间的时间表示Td-h时间，即热水出水控制阀开始关闭与热水回水控制阀开始关闭之间的时间差。
虚线0与虚线3之间为一个冷热水冲击循环周期时间，热水冲击试验完成表示第i次冷热水循环冲击试验完成，随后开始第i+1次冷热水循环冲击试验(虚线3与虚线5之间)，此时恒温冷水箱的冷水出水控制阀开始打开，同时热水出水控制阀开始关闭。
如此循环，保证在冷热水冲击循环实验中冷热水箱的液位保持平衡。
Claims (3)
1.一种基于增量PID控制算法的冷热水箱水位平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在第i次冷热循环周期内，分别对恒温冷水箱的液位与恒温热水箱的液位连续采样，将采样得到的恒温冷水箱的液位数据与恒温热水箱的液位数据从小到大或者从大到小依次排序，其中i为正整数；
(2)分别对排序后恒温冷水箱的液位数据与恒温热水箱的液位数据进行中值滤波和平滑滤波，得到第i次冷热循环周期内恒温冷水箱的液位值Lcold(i)和恒温热水箱的液位值Lhot(i)；
(3)计算第i次冷热循环周期内恒温冷水箱液位值与恒温热水箱液位值之间的采样液位偏差值e(i)＝Lcold(i)-Lhot(i)；
(4)记e0为最小偏差值或为死区，若|e(i)|≤|e0|，则执行步骤(7)；若|e(i)|＞|e0|并且i≥3，则执行步骤(5)，若|e(i)|＞|e0|且1≤i≤2时，执行步骤(7)；
(5)计算第i次冷热循环周期下的加权平滑滤波偏差：
E(i)＝e(i)*P1+E(i-1)*P2+E(i-2)*P3
E(1)＝e(1)，E(2)＝e(2)
其中，E(i-1)为第i-1次冷热循环周期下的加权平滑滤波偏差，E(i-2)为第i-2次冷热循环周期下的加权平滑滤波偏差，P1为第i次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重，P2为第i-1次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重，P3为第i-2次冷热循环周期内采样液位偏差值的权重；
(6)计算第i次冷热循环周期中液位控制输出值u(i)：
其中，A为比例控制系数，B为积分控制系数，C为微分控制系数，E(m)为数据集E＝{E(1)，E(2)，……，E(i)}中的一个数据，1≤m≤i；
(7)根据增量PID控制算式计算第i次冷热循环周期水箱液位控制量增量Δu(i)：
Δu(i)＝u(i)-u(i-1)＝A[E(i)-E(i-1)]+BE(i)+C[E(i)-2E(i-1)+E(i-2)]
当1≤i≤2或|e(i)|≤|e0|时，令Δu(i)＝0；
(8)根据Δu(i)以及恒温冷水箱与恒温热水箱的尺寸，利用增量PID控制算式确定控制时间Tk，根据恒温冷水箱与恒温热水箱之间连接的管道尺寸确定出恒温热水箱上的热水出水控制阀Fhot-out与热水回水控制阀Fhot-back的开关时间差或者恒温冷水箱上的冷水出水控制阀Fcold-out与冷水回水控制阀Fcold-back的固有时间差Td；
(9)根据控制时间Tk与固有时间差Td，调整冷水出水控制阀Fcold-out、冷水回水控制阀Fcold-back、热水出水控制阀Fhot-out和热水回水控制阀Fhot-back的开关时间，使冷热水箱的液位达到平衡；
所述步骤(9)具体为：
初始状态下冷水出水控制阀Fcold-out、冷水回水控制阀Fcold-back、热水出水控制阀Fhot-out和热水回水控制阀Fhot-back在数据采集控制模块的控制下均为关闭状态；
启动运行，通过数据采集控制模块分别打开冷水出水控制阀Fcold-out和恒温冷水回水控制阀Fcold-back，使冷水经过试验对象回到恒温冷水箱；管道内冷水的流量Q迅速达到设定值，进入冷水冲击循环阶段；
运行T1时间后，通过数据采集控制模块打开热水出水控制阀Fhot-out，同时关闭冷水出水控制阀Fcold-out，使热水流量Q迅速达到设定值；
运行Td-c时间后，关闭冷水回水控制阀Fcold-back，同时打开热水回水控制阀Fhot-back，进入热水冲击循环阶段；
再次运行T1时间后，打开冷水出水控制阀Fcold-out，同时关闭热水出水控制阀Fhot-out，使冷水流量Q迅速达到设定值；
再次运行Td-h时间后，打开冷水回水控制阀Fcold-back，同时关闭热水回水控制阀Fhot-back；进入冷水冲击循环阶段；
如此循环直至完成第i个周期的冷热循环；
当液位偏差|e(i)|≤|e0|时，Td-c＝Td-h＝Td；
当液位偏差|e(i)|＞|e0|且Lcold(i)＞Lhot(i)时，Td-h＝Td+Tk，Td-c＝Td；
当液位偏差|e(i)|＞|e0|且Lcold(i)＜Lhot(i)时，Td-c＝Td+Tk，Td-h＝Td；
其中，冷水出水控制阀Fcold-out和热水出水控制阀Fhot-out为互锁状态。
2.根据权利要求1所述的基于增量PID控制算法的冷热水箱水位平衡方法，其特征在于，所述P1、P2与P3满足关系：P1＞P2＞P3，P1+P2+P3＝100％，P1＞50％。
3.根据权利要求1所述的基于增量PID控制算法的冷热水箱水位平衡方法，其特征在于，所述Tk是利用增量PID确定出，具体计算方法为：
且Tk≤5Td
其中，Ll为水箱长度，Lw为水箱宽度，Δu(i)为第i次冷热循环周期水箱液位控制量增量。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03221760A (ja) * | 1990-01-26 | 1991-09-30 | Saginomiya Seisakusho Inc | ヒートポンプ式空調装置における冷媒流量制御方法及びヒートポンプ式空調装置 |
| CN106123110A (zh) * | 2016-08-16 | 2016-11-16 | 河南柴油机重工有限责任公司 | 一种换热站自动控制系统及方法 |
| CN106123111A (zh) * | 2016-08-16 | 2016-11-16 | 河南柴油机重工有限责任公司 | 一种换热站自动控制系统的补水调节控制回路及方法 |
| CN113149174A (zh) * | 2021-05-12 | 2021-07-23 | 成都安信德环保设备有限公司 | 一种炉水的磷酸盐控制系统、方法及乙烯装置 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA1152759A (en) * | 1980-03-26 | 1983-08-30 | Tokunori Matsushima | Method of and system for controlling drain water level of feed-water heater |
| CN103697568B (zh) * | 2014-01-09 | 2016-08-17 | 烟台荏原空调设备有限公司 | 一种空调控制方法、装置及应用其的空调机组 |
| CN106556480B (zh) * | 2016-10-27 | 2017-12-05 | 陕西省计量科学研究院 | 一种热量表耐久性冷热冲击试验异常点检测方法 |
| CN207832352U (zh) * | 2017-11-20 | 2018-09-07 | 泉州七洋机电有限公司 | 热量表温度冲击试验装置 |
| CN108645542B (zh) * | 2018-04-28 | 2019-12-31 | 陕西省计量科学研究院 | 一种热量表耐久性冷热冲击试验冷热水位平衡方法 |
| US20210063053A1 (en) * | 2018-07-20 | 2021-03-04 | Stiebel Eltron Gmbh & Co. Kg | Method for Monitoring the Energy Content of a Water Storage Tank System |
-
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-
2022
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03221760A (ja) * | 1990-01-26 | 1991-09-30 | Saginomiya Seisakusho Inc | ヒートポンプ式空調装置における冷媒流量制御方法及びヒートポンプ式空調装置 |
| CN106123110A (zh) * | 2016-08-16 | 2016-11-16 | 河南柴油机重工有限责任公司 | 一种换热站自动控制系统及方法 |
| CN106123111A (zh) * | 2016-08-16 | 2016-11-16 | 河南柴油机重工有限责任公司 | 一种换热站自动控制系统的补水调节控制回路及方法 |
| CN113149174A (zh) * | 2021-05-12 | 2021-07-23 | 成都安信德环保设备有限公司 | 一种炉水的磷酸盐控制系统、方法及乙烯装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 热量表耐久性试验装置中冷热冲击试验的实现;韩婉婷;李锋;周秉直;张俊亮;计量与测试技术;20200229;第 2020, 47卷(第02期);全文 * |
| 锅炉改造燃烧过程的自动控制;李振国, 王亚利, 卫国爱;上海大学学报(自然科学版);20011030(第05期);全文 * |
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