基于增量PID控制算法的冷热水箱水位平衡方法与流程

基于增量pid控制算法的冷热水箱水位平衡方法
技术领域
1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.本发明为实现上述目的技术方案为：
6.一种基于增量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：
7.(1)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；
8.(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，得到本次冷热循环的恒温冷水箱的液位值l
cold(i)
和恒温热水箱的液位值l
hot(i)
；
9.(3)判别恒温冷水箱的液位值l
cold(i)
与恒温热水箱的液位值l
hot(i)
是否在对应水箱的最高液位与最低液位之间，若是，则进行下一步骤，若l
cold(i)
≤l
cold-min
或者l
hot(i)
≤l
hot-min
，则对相应的水箱进行补水直至液位值大于该水箱的最低液位；
10.(4)计算第i次恒温冷水箱液位值与恒温热水箱液位值的采样液位偏差e(i)＝l
cold
(i)-l
hot
(i)；
11.(5)通过非线性控制算法确定出液位控制输出值，所述非线性控制算法的算式为其中e0为最小偏差值或为死区；如果|e(i)|》|e0|，则
采用加权平滑滤波法对e(k)进行滤波，加权平滑滤波法的公式为e(k)＝e(i)*p1 e(k-1)*p2 e(k-2)*p3，其中，p1为第k次液位偏差值占权重，p2为第k-1次液位偏差值占权重，p3为第k-2次液位偏差值占权重；第k次的水箱液位控制量其中k
p
为第k次比例控制系数，取值范围0.00～1.00，典型值0.2；ki为第k次积分控制系数，取值范围0.00～1.00，典型值0.1；kd为第k次微分控制系数，取值范围0.00～1.00，典型值0.15；k为采样次数，j为第j次采样，同时0≤j≤k；
12.(6)根据pid增量式控制算式计算水箱液位控制量增量，即δu(k)＝|u(k)-u(k-1)|，如果|e(i)|≤e0，则令水箱液位控制量增量δu(k)＝0；
13.(7)根据δu(k)以及水箱的尺寸，利用pid增量确定出tk，tk为pid增量控制时间；根据与冷热水箱连接的管道尺寸确定出td，td为恒温热水箱上的热水出水控制阀f
hot-out
与热水回水控制阀f
hot-back
或者恒温冷水箱上的冷水出水控制阀f
cold-out
与冷水回水控制阀f
cold-back
的开关时间差；
14.(8)根据步骤(7)中得出的tk与td，调整冷水出水控制阀f
cold-out
、冷水回水控制阀f
cold-back
、热水出水控制阀f
hot-out
和冷水回水控制阀f
hot-back
的开关时间，延长或者缩短冷水或者热水进入恒温冷水箱或者恒温热水箱的时间。
15.进一步限定，所述p1、p2与p3满足关系：p1＞p2＞p3，p1 p2 p3＝100％，p1＞50％。
16.进一步限定，所述步骤(8)具体为：
17.初始状态下冷水出水控制阀f
cold-out
、冷水回水控制阀f
cold-back
、热水出水控制阀f
hot-out
和冷水回水控制阀f
hot-back
在数据采集控制模块的控制下均为关闭状态；
18.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f
cold-out
和恒温冷水回水控制阀f
cold-back
，使冷水经过试验对象回到恒温冷水箱；使管道内冷水的流量q迅速达到设定值，进入冷水冲击循环阶段；
19.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f
hot-out
，同时关闭冷水出水控制阀f
cold-out
，使热水流量q迅速达到设定值；
20.运行t
d-c
时间后，关闭冷水回水控制阀f
cold-back
，同时打开热水回水控制阀f
hot-back
，进入热水冲击循环阶段；
21.再次运行t1时间后，打开冷水出水控制阀f
cold-out
，同时关闭热水出水控制阀f
hot-out
，使冷水流量q迅速达到设定值；
22.再次运行t
d-h
时间后，打开冷水回水控制阀f
cold-back
，同时关闭热水回水控制阀f
hot-back
；进入冷水冲击循环阶段；
23.以此循环类推；
24.其中t
d-c
为从冷水出水控制阀关闭到冷水回水控制阀关闭的时间差，是控制双水箱液位平衡的控制量，t
d-c
＝td tk或t
d-c
＝td；
25.其中t
d-h
为从热水出水控制阀关闭到热水回水控制阀关闭的时间差，是控制双水箱液位平衡的控制量，t
d-h
＝td tk或t
d-h
＝td；
26.其中，冷水出水控制阀f
cold-out
和热水出水控制阀f
hot-out
为互锁状态。
27.进一步限定，所述td是根据所述管道长度、管道内径和管道流速确定出，具体计算
方法为：
[0028][0029]
其中，l
p
为管道长度，r为管道的半径，q为管道每小时的流量。
[0030]
进一步限定，所述tk是利用增量pid确定出，具体计算方法为：
[0031]
且0＜tk≤5td[0032]
其中，l
l
为水箱长度，lw为水箱宽度，δu(k)为水箱液位控制量增量。
[0033]
本发明的有益效果：
[0034]
通过高精度液位计采集冷水箱和热水箱的液位，并将采集的液位数据进行中值和限幅滤波比较两个水箱的液位差，通过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，两个水箱的温度波动更小，避免液位振荡，而且本技术的方法还具有节能减耗、控制精确、自动化程度高、安全性好、操作方便等优点。
附图说明
[0035]
图1为冷热冲击试验控制阀的开关逻辑时序图；
[0036]
图2为冷热冲击循环试验单周期切换示意图；
[0037]
图3为冷热冲击试验中冷热水箱平衡方法流程图。
具体实施方式
[0038]
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。
[0039]
如图1所示，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f
cold-out
、冷水回水控制阀f
cold-back
、热水出水控制阀f
hot-out
和热水回水控制阀f
hot-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pid增量控制时间与恒温热水箱上的热水出水控制阀f
hot-out
和与热水回水控制阀f
hot-back
或者恒温冷水箱上的冷水出水控制阀f
cold-out
与冷水回水控制阀f
cold-back
的开关时间差，四个控制阀用来控制管道内的实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。
[0040]
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：
[0041]
(1)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；
[0042]
(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，得到本次冷热循环的恒温冷水箱的液位值l
cold(i)
和恒温热水箱的液位值l
hot(i)
；
[0043]
(3)判别恒温冷水箱的液位值l
cold(i)
与恒温热水箱的液位值l
hot(i)
是否满足在对应水箱的最高液位与最低液位之间，若是，则进行下一步骤，若l
cold(i)
≤l
cold-min
或者l
hot(i)
≤l
hot-min
，则对相应的水箱进行补水直至液位值大于该水箱的最低液位；
[0044]
(4)计算第k次恒温冷水箱液位值与恒温热水箱液位值的采样液位偏差e(i)＝l
cold
(i)-l
hot
(i)；
[0045]
(5)为避免控制作用过于频繁，消除由于频繁动作引起的振荡，采用一个非线性控制算法，通过控制算法确定出液位控制输出值，所述非线性控制算法的算式为其中e0为最小偏差值或为死区；如果|e(i)|》|e0|，则采用加权平滑滤波法对e(k)进行滤波，加权平滑滤波法的公式为e(k)＝e(i)*p1 e(k-1)*p2 e(k-2)*p3，其中，p1为第k次液位偏差值占权重，p2为第k-1次液位偏差值占权重，p3为第k-2次液位偏差值占权重，并且p1、p2与p3满足关系：p1＞p2＞p3，p1 p2 p3＝100％，p1＞50％；
[0046]
第k次的水箱液位控制量第k次的水箱液位控制量其中k
p
为第k次比例控制系数，取值范围0.00～1.00，典型值0.2；ki为第k次积分控制系数，取值范围0.00～1.00，典型值0.1；kd为第k次微分控制系数，取值范围0.00～1.00，典型值0.15；k为采样次数，j为第j次采样，同时0≤j≤k；
[0047]
(6)根据pid增量式控制算式计算水箱液位控制量增量，即δu(k)＝|u(k)-u(k-1)|，如果|e(i)|≤e0，则令水箱液位控制量增量δu(k)＝0；
[0048]
(7)根据δu(k)以及水箱的尺寸，利用pid增量确定出tk，具体计算方法为：
[0049]
且0＜tk≤5td[0050]
其中，l
l
为水箱长度，lw为水箱宽度，δu(k)为水箱液位控制量增量，tk为pid增量控制时间；
[0051]
根据与冷热水箱连接的管道参数确定出td，具体计算方法为：
[0052][0053]
其中，l
p
为管道长度，r为管道的半径，q为管道每小时的流量，td为恒温热水箱上的热水出水控制阀f
hot-out
与热水回水控制阀f
hot-back
或者恒温冷水箱上的冷水出水控制阀f
cold-out
与冷水回水控制阀f
cold-back
的开关时间差；
[0054]
(8)根据步骤(7)中得出的tk与td，调整冷水出水控制阀f
cold-out
、冷水回水控制阀f
cold-back
、热水出水控制阀f
hot-out
和冷水回水控制阀f
hot-back
的开关时间，延长或者缩短冷水或者热水进入恒温冷水箱或者恒温热水箱的时间，具体为：
[0055]
初始状态下冷水出水控制阀f
cold-out
、冷水回水控制阀f
cold-back
、热水出水控制阀f
hot-out
和冷水回水控制阀f
hot-back
在数据采集控制模块的控制下均为关闭状态；
[0056]
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f
cold-out
和恒温冷水回水控制阀f
cold-back
，使冷水经过试验对象回到恒温冷水箱，此时管道内全部为冷水，当冷水
出水控制阀f
cold-out
与冷水回水控制阀f
cold-back
完全打开后，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，持续一段时间；
[0057]
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f
hot-out
，与此同时通过数据采集控制模块关闭冷水出水控制阀f
cold-out
，使热水流量q迅速达到设定值，此时管道内按照流动方向来看，冷水在前热水在后，冷水通过冷水回水控制阀f
cold-back
流入恒温冷水箱；
[0058]
运行t
d-c
时间后，通过数据采集控制模块关闭冷水回水控制阀f
cold-back
，并同时打开热水回水控制阀f
hot-back
，当冷水回水控制阀f
cold-back
完全关闭前管道内的冷水流入恒温冷水箱，冷水回水控制阀f
cold-back
完全关闭后管道内的热水流入恒温热水箱，至此进入热水冲击循环阶段；
[0059]
再次运行t1时间后，通过数据采集控制模块打开冷水出水控制阀f
cold-out
，与此同时通过数据采集控制模块关闭热水出水控制阀f
hot-back
，使冷水流量q迅速达到设定值，此时管道内按照流动方向来看，热水在前冷水在后，热水通过热水回水控制阀f
hot-back
流入恒温热水箱；
[0060]
再次运行t
d-h
时间后，通过数据采集控制模块打开冷水回水控制阀f
cold-back
，并同时关闭热水回水控制阀f
hot-back
；当热水回水控制阀f
hot-back
恒温完全关闭前管道内的热水流入热水箱，当热水回水控制阀f
hot-back
完全关闭后管道内的冷水流入恒温冷水箱，至此进入冷水冲击循环阶段；
[0061]
以此循环进行多次直至实验完成；
[0062]
具体的，t
d-c
与t
d-h
的公式为：
[0063][0064][0065]
即当l
cold
(k)≤l
hot
(k)时，表示计算出的控制增量应附加到冷水回水控制阀f
cold-back
，通过延长冷水回水控制阀f
cold-back
的关闭与热水回水控制阀f
hot-back
开始打开的时间，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；
[0066]
当l
cold
(k)》l
hot
(k)时，表示计算出的控制增量应附加到热水回水控制阀f
hot-back
，通过延长冷水出水控制阀f
cold-out
与冷水回水控制阀f
cold-back
开始打开的时间差，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；
[0067]
其中，冷水出水控制阀f
cold-out
和热水出水控制阀f
hot-out
为互锁状态，当冷水出水控制阀f
cold-out
开启时，热水出水控制阀f
hot-out
关闭，反之亦然。
[0068]
实施例1
[0069]
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：
[0070]
开始运行冷热冲击循环试验装置后，在前半个运行周期中，计算机通过采集控制模块和传感器对恒温冷水箱的液位连续采样11个数据，随后将采样的11个数据按照从大到小的顺序排序，利用计算机对排序后的数据进行中值滤波和平滑滤波，得到本次冷热循环恒温冷水箱的液位值l
cold(i)
；
[0071]
随后判断l
cold(i)
是否在恒温冷水箱的最高液位l
cold-max
与恒温冷水箱的最低液位l
cold-min
之间，l
cold-max
取值为0.7米，l
cold-min
取值为0.35米，若满足l
cold-min
≤l
cold(i)
≤l
cold-max
的条件，则进行下一步操作，若l
cold(i)
≤l
cold-min
，则对恒温冷水箱进行补水直至满足条件；
[0072]
在后半个运行周期中，根据上述方法得到本次冷热循环恒温热水箱的液位值l
hot(i)
，同理判断l
hot(i)
是否满足l
hot-min
≤l
hot(i)
≤l
hot-max
，若是则进行下一步操作，若l
hot(i)
≤l
hot-min
，则对恒温热水箱进行补水直至满足条件；
[0073]
当l
cold(i)
与l
hot(i)
满足条件后，计算第k次恒温冷水箱液位值与恒温热水箱液位值的采样液位偏差e(i)＝l
cold
(i)-l
hot
(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，采用一个非线性控制算法确定出液位控制输出值，具体为：
[0074][0075]
其中e0为最小偏差值或为死区，取值为液位传感器精度的一半，或者根据管道口径、流量及传感器精度取值，此处可取值e0＝0.005m；
[0076]
如果|e(i)|》|e0|，则采用加权平滑滤波法对e(i)进行滤波，具体为：
[0077]
e(k)＝e(i)*p1 e(k-1)*p2 e(k-2)*p3[0078]
此处第k次液位偏差值占权重p1＝70％，第k-1次液位偏差值占权重p2＝20％，第k-2次液位偏差值占权重p3＝10％，代入上述公式得到：
[0079]
e(k)＝e(i)*0.7 e(k-1)*0.2 e(k-2)*0.1
[0080]
根据得到第k次的水箱液位控制量，其中k
p
为第k次比例控制系数，取值范围0.00～1.00，典型值0.2；ki为第k次积分控制系数，取值范围0.00～1.00，典型值0.1；kd为第k次微分控制系数，取值范围0.00～1.00，典型值0.15；k为采样次数，j为第j次采样，同时0≤j≤k；
[0081]
随后如果|e(i)|≤e0，根据pid增量式控制算式计算水箱液位控制量增量，即δu(k)＝|u(k)-u(k-1)|，则令水箱液位控制量增量δu(k)＝0，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，若|e(i)|》|e0|，表示此时冷热水箱液位不平衡，则进行液位平衡调整；
[0082]
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：
[0083][0084]
其中，管道的长度l
p
＝15m，管道的半径r＝12.5mm，管道的瞬时流量q＝7m3/h，代入上述公式得到td＝3.78s；
[0085]
根据δu(k)以及水箱的尺寸，利用pid增量确定出pid增量控制时间tk，具体为：
[0086]
且0＜tk≤5td[0087]
其中，水箱长度l
l
＝1.2m，水箱宽度lw＝1.2m，代入上述公式得到tk＝370.29δu
(k)，单位为s；
[0088]
在冷热循环冲击耐久性试验中分为0～1/2t、1/2t～1/2t t
d-c
、1/2t t
d-c
～t和t～t t
d-h
四个运行时间段：
[0089]
0～1/2t时间段内，冷水出水控制阀f
cold-out
和恒温冷水回水控制阀f
cold-back
均打开，管道内全部为冷水，进行冷水冲击循环；
[0090]
1/2t时，冷水出水控制阀f
cold-out
开始关闭，冷水回水控制阀f
cold-back
保持开启，热水出水控制阀f
hot-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f
hot-back
保持关闭，使得管道内的冷水保持流入恒温冷水箱；
[0091]
1/2t～1/2t t
d-c
时间段内，冷水回水控制阀f
cold-back
开始关闭，热水回水控制阀f
hot-back
开始打开，当t
d-c
＝td时，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t
d-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；
[0092]
1/2t t
d-c
～t时间段内，冷水出水控制阀f
cold-out
完全关闭，热水出水控制阀f
hot-out
完全打开，冷水回水控制阀f
cold-back
完成关闭，热水回水控制阀f
hot-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；
[0093]
t时，冷水出水控制阀f
cold-out
开始打开，冷水回水控制阀f
cold-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f
hot-out
开始关闭，热水回水控制阀f
hot-back
保持开启，管道内的热水保持流入恒温热水箱内；
[0094]
t～t t
d-h
时间段内，热水出水控制阀f
hot-out
开始关闭，冷水出水控制阀f
cold-out
开始打开，当t
d-h
＝td时，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t
d-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。
[0095]
其后，热水出水控制阀f
hot-out
完全关闭，冷水出水控制阀f
cold-out
完全打开，热水回水控制阀f
hot-back
完全关闭，冷水回水控制阀f
cold-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。
[0096]
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，通过多次循环达到两个水箱的液位趋近一致。
[0097]
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℃。
[0098]
如图3所示，虚线0与虚线1之间的时间段表示0～1/2t时间段，虚线1与虚线2之间的时间段表示1/2t～1/2t t
d-c
，虚线2与虚线3之间的时间段表示1/2t t
d-c
～t，虚线3与虚线4之间的时间段表示t～t t
d-h
；虚线0与虚线3之间的时间段代表冷水冲击循环的一个周期，即从冷水冲击循环准备开始到下一次冷水冲击循环准备开始为其一个周期，同理，虚线1与虚线5之间的时间段代表热水冲击循环的一个周期。
[0099]
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。