CN114322321B - 一种燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，属于燃气热水器控制领域。包括控制***以及如下步骤：步骤1，根据灰色理论建立控制对象输出值的微分预测模型；步骤2，计算预测输出值与目标设定值的误差；步骤3，将计算得到的差值送入可拓控制器；步骤4，可拓控制器输出控制量驱动控制对象动作。在本燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法中，利用通过灰色理论建立控制对象输出值的微分预测模型以及可拓控制器，可拓控制器根据其内的测度模式推理出***目前的状态，根据***状态确定控制方案，从而可以加快***的调节速度以及减小超调量，同时提高了对未知外界干扰的预测和补偿可以提高控制***的抗干扰能力。

Description

一种燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法

技术领域

一种燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，属于燃气热水器控制领域。

背景技术

燃气热水器是一种小型的家用热力设备，它是以家用燃气作为燃料，通过燃气的不断燃烧进行加热，通过热传导、热辐射等传热方式将燃烧热量传到热交换器的冷水中，从而达到加热冷水的目的。现有的燃气热水器恒温控制采用的仍以PID控制算法为主，在实际使用中存在升温或者降温阶段的响应时间过长、超调量较大的不足，以及在水流量波动及切阀对***恒温性能的干扰难以克服等问题，因此对于燃气热水器的温度控制仍存在较大不足，严重影响用户体验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设置有可拓控制器以及通过灰色理论建立控制对象输出值的微分预测模型，可拓控制器根据其内的测度模式推理出***目前的状态，根据***状态确定控制方案，从而可以加快***的调节速度以及减小超调量，同时提高了对未知外界干扰的预测和补偿可以提高控制***的抗干扰能力的燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，其特征在于：包括控制***，控制***包括控制对象输出值的微分预测模型、可拓控制器以及步长调整器，步长调整器的输出端与控制对象输出值的微分预测模型输入端相连，控制对象输出值的微分预测模型输出端与可拓控制器输入端相连，可拓控制器的输出端连接燃气热水器中的控制对象，还包括如下步骤：

步骤1，燃气热水器中的传感器根据预设定的时间间隔，连续采集数据，将传感器采集到的数值作为原始数据序列，通过灰色理论建立控制对象输出值的微分预测模型；

步骤2，所述控制对象输出值的微分预测模型根据原始数据序列的数据，将预测得到的下一时刻的出水温度作为水温预测值，并根据设定的目标设定值，计算水温预测值与水温预测值的误差；

步骤3，控制对象输出值的微分预测模型将计算得到的误差送入可拓控制器，可拓控制器根据误差划分为多个测度模式；

步骤4，可拓控制器根据送入的误差选择测度模式，并将相应测度模式下的输出参数作为可拓控制器输出的控制量，并送入控制对象。

优选的，在所述的步骤1中，所述的传感器包括安装在燃气热水器出水管中的热水温度传感器和水流量传感器，安装在燃气热水器进水管中的冷水温度传感器以及安装在燃气热水器空气进气管中的风速传感器。

优选的，在所述步骤2~4中，所述的误差包括温度预测误差值以及温度误差变化率，其中温度预测误差值为水温预测值与目标设定值之间的温度差值，温度误差变化率为温度差值与所述时间间隔的比值。

优选的，在所述的测度模式下，可拓控制器参数至少包括经典域参数、可拓域参数以及非域参数，经典域的控制器采用PID控制器，可拓域的控制器采用可拓控制器输出，非域的控制器输出为燃气比例阀的最大控制量或相应的最小控制量。

优选的，在所述步骤1中，通过灰色理论建立控制对象输出值的微分预测模型之前，对所述原始数据序列进行滑动平均预处理。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

在本燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法中，设置可拓控制器以及通过灰色理论建立控制对象输出值的微分预测模型，可拓控制器根据其内的测度模式推理出***目前的状态，根据***状态确定控制方案，从而可以加快***的调节速度以及减小超调量，同时提高了对未知外界干扰的预测和补偿可以提高控制***的抗干扰能力。

在本申请的燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法中，通过对燃气热水器水加热过程的机理分析推导出燃气热水器的数学控制模型为带有滞后的一阶惯性***，通过遗传算法辨识得到精确的燃气热水器数学控制模型参数。本申请的燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，采用了新的控制器，即灰色自适应可拓恒温控制方法，该控制器是一个复合的控制器。

根据传感器按照设定的采样时间，实时采集燃气热水器出水温度，建立微分预测模型，得到灰色预测控制器结合可拓控制器的矛盾转化机制组合成一个复合的控制器。根据控制对象模型和本发明采用的恒温控制器，在MATLAB/Simulink仿真平台上调试，获取初步最优的控制器参数，使得控制效果达到最优，然后根据实时平台测试微调控制器参数，得到好的控制效果，减少实验成本。

附图说明

图1为燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法流程图。

图2为燃气热水器结构示意图。

图3为燃气热水器灰色预测可拓恒温控制方框图。

图4~5是燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法控制效果对比图。

其中：1、水流量传感器  2、热水温度传感器  3、换热器  4、燃烧器  5、冷水温度传感器  6、进水管  7、空气进气管  8、风速传感器  9、风机  10、燃气进气阀  11、燃气比例阀  12、燃气进气管。

具体实施方式

图1~5是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~5对本发明做进一步说明。

燃气热水器主要结构如图2所示，包括换热器3以及对换热器3进行加热的燃烧器4。在换热器3的入口处和出口处分别连接有进水管6和出水管，在进水管6中安装有冷水温度传感器5，在出水管中依次安装有热水温度传感器2和水流量传感器1。在燃烧器4的燃气入口处连接有燃气进气管12，燃气进气管12依次连接燃气进气阀10和燃气比例阀11，在燃烧器4的空气入口处连接有空气进气管7，在空气进气管7中安装有风速传感器8，在空气进气管7的入口处设置有用于向燃烧器6送入空气的风机9。

在本燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法中，包括如图3所示的控制***，包括控制对象输出值的微分预测模型（以下简称微分预测模型）、可拓控制器以及步长调整器。在本燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法中，控制对象为燃气热水器，具体的执行机构为燃气比例阀11。微分预测模型采集控制对象的当前参量，步长调整器向微分预测模型输入步长信号，根据补偿信号，结合控制对象的参数，预测下一时刻燃气热水器的出水温度，水温的预测值以及水温的测量值被送入可拓控制器，由可拓控制器对控制对象进行控制，如此往复。其中步长调整器的预测步长根据水流量变化以及未知干扰带来的***的变化自适应调节，预测步长自适应调整规律模型参数采用梯度下降方法得到，动态的建立微分预测模型以及预测步长，达到对滞后时间以及未知干扰的准确预测。

如图1所示，一种燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，包括如下步骤：

步骤1，根据灰色理论建立控制对象输出值的微分预测模型；

设定采集时间间隔，上述的热水温度传感器2、水流量传感器1、冷水温度传感器5以及风速传感器8按照预定的时间间隔采集相应的温度以及风速数值，将上述传感器连续采集的数据组成四维的原始数据序列。对原始数据序列进行滑动平均预处理后，通过灰色理论建立控制对象输出值的微分预测模型。在利用灰色理论建立微分预测模型的过程中，灰色预测模型预测和补偿外界未知扰动信息以及模型参数不确定性带来的影响，同时预测***滞后时间。

在利用灰色理论建立微分预测模型之后，利用本领域所公知的新陈代谢原理，将上述的热水温度传感器2、水流量传感器1、冷水温度传感器5以及风速传感器8新采集得到的数据加入原始数据序列中，替换原始数据序列中存在时间最长的数据，建立基于灰色理论的等维新息微分预测模型。

步骤2，计算预测输出值与目标设定值的误差；

微分预测模型根据原始数据序列的数据，预测燃气热水器（控制对象）下一时刻的出水温度（记为水温预测值），并根据用户设定的出水温度（记为目标设定值），计算水温预测值与目标设定值的误差，水温预测值与目标设定值的误差包括温度预测误差值以及温度误差变化率。其中温度预测误差值即为水温预测值与目标设定值之间的温度差值，温度误差变化率为温度差值与上述时间间隔的比值。在计算水温预测值与目标设定值的误差时，包括对未知干扰的预估和不确定性参数的预估以及不同水流下的滞后时间的预估，通过温度误差进行补偿，起到***控制作用。

步骤3，将计算得到的差值送入可拓控制器；

微分预测模型将计算得到的温度预测误差值以及温度误差变化率送入可拓控制器。

在可拓控制器中，可拓控制器根据温度预测误差值以及温度误差变化率划分经典域、可拓域以及非域，并在可拓控制器内划分不同的测度模式。

当可拓控制器接收到微分预测模型送入的温度预测误差值以及温度误差变化率，将温度误差和温度误差变化率作为特征量，利用关联函数计算相应的关联度，同时把关联度划分为若干个测度模式，在不同的测度模式内采用不同的控制输出，即采用if<测度模式Mi>then<控制模式>的推理机制。

步骤4，可拓控制器输出控制量驱动控制对象动作；

当接收到微分预测模型送入的温度预测误差值以及温度误差变化率，可拓控制器选择相应的测度模式，在每种测度模式下，可拓控制器参数至少包括经典域参数、可拓域参数以及非域参数。其中经典域的参数包括偏差和偏差的导数，可拓域的参数包括***误差的允许范围和***误差变化率允许的范围以及非域中执行性最大的执行能力。经典域的控制器采用PID控制器，可拓域的控制器采用可拓控制器输出，非域的控制器输出则为燃气比例阀的最大控制量或相应的最小控制量。

可拓控制器根据温度预测误差值以及温度误差变化率，选择相应测度模式，并根据测度模式的不同，选择不同的控制方案作为可拓控制器输出的控制量。将相应测度模式下的可拓控制器参数以PWM波形的方式送至控制对象内的执行机构，即燃气比例阀11，对燃气比例阀11的开度进行调节，不同的开度对应燃气不同的流量值，从而得到不同的出水温度。

在本申请的燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法中，通过对燃气热水器水加热过程的机理分析推导出燃气热水器的数学控制模型为带有滞后的一阶惯性***，通过遗传算法辨识得到精确地燃气热水器数学控制模型参数。本申请的燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，采用了新的控制器，即灰色自适应可拓恒温控制方法，该控制器是一个复合的控制器。

根据传感器按照设定的采样时间，实时采集燃气热水器出水温度，建立微分预测模型，得到灰色预测控制器结合可拓控制器的矛盾转化机制组合成一个复合的控制器。根据控制对象模型和本发明采用的恒温控制器，在MATLAB/Simulink仿真平台上调试，获取初步最优的控制器参数，使得控制效果达到最优，然后根据实时平台测试微调控制器参数，得到好的控制效果，减少实验成本。通过本燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法所控制的燃气热水器的实际效果如图4~5所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，其特征在于：包括控制***，控制***包括控制对象输出值的微分预测模型、可拓控制器以及步长调整器，步长调整器的输出端与控制对象输出值的微分预测模型输入端相连，控制对象输出值的微分预测模型输出端与可拓控制器输入端相连，可拓控制器的输出端连接作为控制对象的燃气热水器，还包括如下步骤：

步骤1，燃气热水器中的传感器根据预设定的时间间隔，连续采集数据，将传感器采集到的数值作为原始数据序列，通过灰色理论建立控制对象输出值的微分预测模型；

步骤2，所述控制对象输出值的微分预测模型根据原始数据序列的数据，将预测得到的下一时刻的出水温度作为水温预测值，并根据设定的目标设定值，计算水温预测值与水温预测值的误差；

步骤3，控制对象输出值的微分预测模型将计算得到的误差送入可拓控制器，可拓控制器根据误差划分为多个测度模式；

步骤4，可拓控制器根据送入的误差选择测度模式，并将相应测度模式下的输出参数作为可拓控制器输出的控制量，并送入控制对象；

微分预测模型采集控制对象的当前参量，步长调整器向微分预测模型输入步长信号，根据补偿信号，结合控制对象的参数，预测下一时刻燃气热水器的出水温度，水温的预测值以及水温的测量值被送入可拓控制器，由可拓控制器对控制对象进行控制，步长调整器的预测步长根据水流量变化以及未知干扰带来的***的变化自适应调节，预测步长自适应调整规律模型参数采用梯度下降方法得到，动态的建立微分预测模型以及预测步长。

2.根据权利要求1所述的燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，其特征在于：在所述的步骤1中，所述的传感器包括安装在燃气热水器出水管中的热水温度传感器（2）和水流量传感器（1），安装在燃气热水器进水管（6）中的冷水温度传感器（5）以及安装在燃气热水器空气进气管（7）中的风速传感器（8）。

3.根据权利要求1所述的燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，其特征在于：在所述步骤2~4中，所述的误差包括温度预测误差值以及温度误差变化率，其中温度预测误差值为水温预测值与目标设定值之间的温度差值，温度误差变化率为温度差值与所述时间间隔的比值。

4.根据权利要求3所述的燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，其特征在于：在所述的测度模式下，可拓控制器参数至少包括经典域参数、可拓域参数以及非域参数，经典域的控制器采用PID控制器，可拓域的控制器采用可拓控制器输出，非域的控制器输出为燃气比例阀（11）的最大控制量或相应的最小控制量。

5.根据权利要求1所述的燃气热水器的灰色预测可拓恒温控制方法，其特征在于：在所述步骤1中，通过灰色理论建立控制对象输出值的微分预测模型之前，对所述原始数据序列进行滑动平均预处理。

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