摘要：文中在研究主動(dòng)式太陽房采暖系統(tǒng)基礎(chǔ)上，針對(duì)其中的溫度控制，提出了一種蟻群—PID的復(fù)合控制算法。該算法利用蟻群算法在線優(yōu)化PID控制器的三個(gè)參數(shù)，達(dá)到改善整個(gè)控制系統(tǒng)性能、取得最佳控制效果的目的。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，該復(fù)合控制算法的控制性能優(yōu)于常規(guī)的控制器，對(duì)主動(dòng)式太陽房中的溫度調(diào)節(jié)取得了良好的控制精度，以及調(diào)節(jié)的平滑性、可靠性，提高了太陽能這種可再生能源的使用效率，發(fā)揮了其在建筑節(jié)能中的作用，突出了信息技術(shù)在節(jié)能降耗中的功效。
　　關(guān)鍵詞：主動(dòng)式太陽房；集熱設(shè)備；PID；蟻群算法
　　中圖分類號(hào)：[TU111.4+5]
　　
　　0引言
　　隨著我國能源需求的與日俱增，對(duì)太陽能這種可再生能源的使用愈加受到人們關(guān)注。尤其在建筑節(jié)能中，關(guān)于太陽能的應(yīng)用成為熱點(diǎn)。在以往主動(dòng)式太陽房的控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)采用常規(guī)的PID溫度控制算法。該算法使得系統(tǒng)的可靠性及魯棒性都得不到最大的滿足，而本文針對(duì)“主動(dòng)式太陽房”這種新型的太陽能應(yīng)用模式，提出了其中的溫度控制算法。如圖1所示，主動(dòng)式太陽房主要是由太陽能集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)水泵、散熱器、輔助熱源、溫度傳感器、控制系統(tǒng)等組成，太陽房中的控制系統(tǒng)是恒溫控制系統(tǒng)，而太陽房的采暖及供熱系統(tǒng)主要是針對(duì)溫度的控制。在控制系統(tǒng)策略的選擇方面，一般采用PID控制算法，若其三參數(shù)、、（¬——比例系數(shù)；——微分系數(shù)；——積分系數(shù)）選擇恰當(dāng)，控制算法就有良好的魯棒性及可靠性。因此，針對(duì)不同被控對(duì)象的PID三參數(shù)的整定問題，一直是該算法應(yīng)用的“瓶頸”。本文正是根據(jù)太陽房溫度控制的特點(diǎn)，提出蟻群—PID控制算法。
　　1主動(dòng)式太陽房采暖系統(tǒng)[1][2][5]
　　主動(dòng)式太陽房采暖系統(tǒng)（如圖1所示），可分為三個(gè)回路，主要包括集熱器、蓄熱水池、循環(huán)水泵、散熱器、輔助熱源、溫度傳感器，控制器等設(shè)備。
　　第一個(gè)回路為集熱回路。安裝在集熱器底部的溫度傳感器采集到的溫度高于設(shè)定的溫度值時(shí)，控制器對(duì)循環(huán)水泵操作，水泵開啟，此時(shí)水從補(bǔ)水箱經(jīng)循環(huán)泵進(jìn)入集熱器，然后經(jīng)由補(bǔ)水泵到達(dá)蓄熱水箱，完成熱量的交換和儲(chǔ)存。從散熱設(shè)備出來的熱水再次經(jīng)由熱交換器回到蓄熱水箱。當(dāng)蓄熱水箱的熱量不足以負(fù)荷供暖要求的熱量，蓄熱水箱停止供暖。當(dāng)?shù)诙�個(gè)回路停止運(yùn)行時(shí)，循環(huán)泵來開啟輔助熱源來給系統(tǒng)供暖，此為第三個(gè)回路。
　　在太陽房采暖系統(tǒng)中，對(duì)控制系統(tǒng)的要求如下：
　　1、當(dāng)?shù)谝粋�(gè)溫度傳感器采集到的溫度高于設(shè)定的溫度值時(shí)（每個(gè)地區(qū)根據(jù)每個(gè)季節(jié)的太陽輻射強(qiáng)度的平均值來設(shè)定），把模擬量信號(hào)傳輸?shù)娇刂破髦�，�?zhí)行器對(duì)循環(huán)水泵操作，水泵開啟。
　　2、安裝在蓄熱水箱的第二個(gè)溫度傳感器檢測(cè)溫度與第一個(gè)溫度傳感器的溫度差值在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)時(shí)，循環(huán)水泵關(guān)閉，完成熱量的交換和儲(chǔ)存。
　　3、當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到從熱交換器出來的溫度大于用戶設(shè)定的供暖溫度時(shí)，控制器控制三通閥分流掉一部分熱水。
　　4、當(dāng)水從散熱設(shè)備出來時(shí)，第一個(gè)溫度傳感器檢測(cè)到的值小于等于第二個(gè)溫度傳感器的值時(shí)，即蓄熱水箱的熱量不足以負(fù)荷供暖要求的熱量，此時(shí)把差值傳遞到控制器，蓄熱水箱停止供暖。
　　5、當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到輔助熱源的溫度足夠規(guī)定的供熱溫度時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)，控制輔助熱源循環(huán)泵來開啟輔助熱源來給系統(tǒng)供暖，來協(xié)助主動(dòng)太陽房完成采暖的需求。
　　
　　圖1主動(dòng)式太陽房采暖系統(tǒng)原理圖
　　　2主動(dòng)式太陽房蟻群PID控制器的設(shè)計(jì)
　　多數(shù)情況下PID控制器參數(shù)多采用試驗(yàn)加試湊的方式由人工進(jìn)行優(yōu)化，PID控制器沒有自適應(yīng)能力,只能依靠人工重新優(yōu)化參數(shù).甚至最為經(jīng)典的Z-N算法整定的PID參數(shù)也不是最佳的。
　　當(dāng)常規(guī)的PID控制器在被控對(duì)象模型和T已知的情況下,只有3個(gè)參數(shù)、、需要確定及優(yōu)化。本文基于太陽房控制系統(tǒng)性能的考慮，為了使PID控制器三個(gè)參數(shù)達(dá)到更好的優(yōu)化效果的前提下，系統(tǒng)采用了蟻群—PID控制算法。本系統(tǒng)將蟻群算法和PID控制算法相結(jié)合，利用蟻群算法的全局尋優(yōu)能力來優(yōu)化PID控制器的三個(gè)參數(shù)使其達(dá)到最佳的組合。
　　在設(shè)計(jì)蟻群算法的PID控制系統(tǒng)前，先介紹常用的PID控制系統(tǒng)原理框圖，如圖2所示[3]。

　　圖2主動(dòng)式太陽房溫度控制原理框圖
　　Fig.2controlprincipleofthesystem
　　在上圖中，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度信號(hào)后與給定值比較得出溫差值，后把溫差值送入PID控制器，PID控制器發(fā)出控制信號(hào)，控制執(zhí)行器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作。
　　針對(duì)本文的溫度控制的特點(diǎn)，基于蟻群—PID算法的控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。
　　
　　圖3基于蟻群算法的PID控制原理
　　此結(jié)構(gòu)圖在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上引入了蟻群算法，當(dāng)溫差信號(hào)送入控制器，經(jīng)由蟻群算法優(yōu)化，后送出優(yōu)化后的控制信號(hào)來控制被控對(duì)象。
　　針對(duì)太陽房控制系統(tǒng)，基于蟻群算法的PID控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)如下：
　　一般來說，在蟻群尋優(yōu)之前得先確定算法的數(shù)學(xué)模型，在確定一個(gè)模型以后，其搜索算法通常使用以下兩步迭代來解決優(yōu)化問題：
　　1)可行解通過在解空間參數(shù)化概率分布模型上的搜索產(chǎn)生；
　　2)用搜索產(chǎn)生的解來更新參數(shù)化概率模型，即更新解空間參數(shù)化概率分布的參數(shù)，使得在新模型上的搜索能集中在高質(zhì)量的解搜索空間內(nèi)。
　　以最常見的Ant-Cycle模型為例，模型如下：
　　（2）
　　其中，Q為正常數(shù)，表示第k只螞蟻在本次周游中所走過路徑的長度[4]。
　　利用蟻群算法尋優(yōu)的過程如下[6]：
　　設(shè)蟻群中螞蟻的數(shù)量為m,在問題的求解過程中將螞蟻看成商人在城市間移動(dòng)。螞蟻的移動(dòng)策略由兩個(gè)原因決定,城市間的距離和該路線上由其它螞蟻留下的信息素的強(qiáng)度。在城市r螞蟻k移動(dòng)到城市s的概率由下式?jīng)Q定：
　　
　　其中為信息素，=1/δ為兩城市間距離，表示螞蟻k在城市r時(shí)尚沒訪問的城市的集合（亦即可行解的集合)是期望啟發(fā)式因子，表示能見度的相對(duì)重要性，越大，螞蟻越傾向于選擇局部最短路徑。（）0）
　　為了使用蟻群算法優(yōu)化PID控制參數(shù),首先,必須確定PID控制參數(shù)的取值空間,以避免在整個(gè)空間域上尋優(yōu)導(dǎo)致收斂過于緩慢的問題。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
　�。�4）
　　式中,為[0,1]內(nèi)選定的某一個(gè)數(shù)值,這樣就可以充分利用Z-N法的內(nèi)核,獲得PID控制參數(shù)的可行解空間,提高蟻群算法的性能。文中分別選擇=0.5,=1,然后將其確定的可行解空間100等分,獲得3個(gè)離散的數(shù)列集合。PID控制優(yōu)化問題就轉(zhuǎn)化為如何分別在這3個(gè)數(shù)列集合中選取一個(gè)數(shù)值使得其組合滿足PID控制的最優(yōu)條件。
　　再者，要先定義蟻群算法尋優(yōu)的準(zhǔn)則函數(shù)，在此我們以誤差性能的目標(biāo)函數(shù)作為蟻群算法的準(zhǔn)則函數(shù)，根據(jù)偏差的大小利用蟻群算法尋優(yōu)，最終得到優(yōu)化后的PID參數(shù)，其準(zhǔn)則函數(shù)為：
　�。�5）
　　依照系統(tǒng)的準(zhǔn)則函數(shù)，Ant-Cycle模型中的信息素更新計(jì)算公式為:
　�。�6）
　�。�7）其中，是第ｋ只螞蟻在本次循環(huán)中走過的路徑的總距離；是信息素的揮發(fā)系數(shù)，0＜＜１；是信息素強(qiáng)度。可以看出，路徑上的信息素一邊隨時(shí)間揮發(fā)，一邊根據(jù)螞蟻的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行累加。而從（3）式可以看到，路徑上的信息素越大，該路徑被選擇的幾率就越大，從而形成了一個(gè)信息的正反饋效應(yīng)，最后幾乎所有的螞蟻都選擇了最短路徑，即蟻群找到問題的最優(yōu)解。
　　由上得，蟻群算法優(yōu)化PID控制參數(shù)問題的基本過程為:首先根據(jù)式（4）確定可行解空間域,然后將其離散化。在根據(jù)式(2),(3)決定的偽隨機(jī)概率進(jìn)行路徑的選擇。然后各螞蟻在路經(jīng)上釋放信息素,當(dāng)走完所有的路徑后據(jù)式(5)計(jì)算準(zhǔn)則函數(shù)的值,并根據(jù)式(6),(7)更新信息素濃度。然后開始新的一次尋優(yōu),算法的終止條件可以設(shè)置為準(zhǔn)則函數(shù)滿足一定條件,或是事先確定算法的迭代次數(shù)。
　　3仿真應(yīng)用
　　本部分主要針對(duì)第二部分蟻群—PID控制算法通過Matlab仿真，與普通的PID控制器進(jìn)行比較，從而對(duì)比其控制性能。
　　由于水溫控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有熱存儲(chǔ)能力大，慣性也較大的特點(diǎn)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，它對(duì)任何信號(hào)的響應(yīng)都會(huì)推遲一段時(shí)間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。因水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，據(jù)于此，我們可近似的選擇被控對(duì)象傳遞函數(shù)為
　　(9)
　　按Z-N設(shè)計(jì)法得出=8.4，=2.7，=3.2，在文中設(shè)置人工螞蟻數(shù)為10，迭代次數(shù)為100，取=0.5，=1，得到蟻群算法優(yōu)化后的=6.5，=6.8，=4.6，現(xiàn)與普通的PID算法作比較，其仿真比較圖如下：
　　
　　圖4基于Z-N算法整定的PID控制階躍響應(yīng)曲線

　　圖5基于蟻群算法的PID階躍響應(yīng)曲線
　　
　　圖6控制器在擾動(dòng)下的性能曲線
　　Fig.6Theresponseofcontrollerwithaddingstir
　　其中圖4表示基于Z-N算法整定的PID控制階躍響應(yīng)曲線，圖5表示基于蟻群算法的PID階躍響應(yīng)曲線，由仿真結(jié)果可見,PID控制蟻群算法參數(shù)尋優(yōu)后的控制系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的超調(diào)量較小,控制精度較高,魯棒性好。優(yōu)化后的PID控制性能明顯優(yōu)越于一般的PID算法的控制性能，用蟻群算法實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化大大提高了PID控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)效率。
　　4結(jié)論
　　本文采用了基于蟻群—PID控制算法，優(yōu)化了普通PID控制算法的三個(gè)參數(shù)，經(jīng)過仿真比較，此控制算法比一般的PID控制具有控制性能高，控制系統(tǒng)超調(diào)較小,控制精度高,魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)并使太陽能的使用效率大大提高，節(jié)省了常規(guī)能源的消耗，減少了系統(tǒng)的造價(jià)。此控制算法在主動(dòng)式太陽房的應(yīng)用中具有廣闊的前景。
　　
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