摘要：文中在研究主動式太陽房采暖系統(tǒng)基礎(chǔ)上，針對其中的溫度控制，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控制器的三個參數(shù)，達(dá)到改善整個控制系統(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，對主動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：主動式太陽房；集熱設(shè)備；PID；蟻群算法
　　中圖分類號：[TU111.4+5]
　　
　　0引言
　　隨著我國能源需求的與日俱增，對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“主動式太陽房”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，針對不同被控對象的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主動式太陽房采暖系統(tǒng)[1][2][5]
　　主動式太陽房采暖系統(tǒng)（如圖1所示），可分為三個回路，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，控制器對循環(huán)水泵操作，水泵開啟，此時水從補(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�個回路停止運(yùn)行時，循環(huán)泵來開啟輔助熱源來給系統(tǒng)供暖，此為第三個回路。
　　在太陽房采暖系統(tǒng)中，對控制系統(tǒng)的要求如下：
　　1、當(dāng)?shù)谝粋�溫度傳感器采集到的溫度高于設(shè)定的溫度值時（每個地區(qū)根據(jù)每個季節(jié)的太陽輻射強(qiáng)度的平均值來設(shè)定），把模擬量信號傳輸?shù)娇刂破髦校瑘?zhí)行器對循環(huán)水泵操作，水泵開啟。
　　2、安裝在蓄熱水箱的第二個溫度傳感器檢測溫度與第一個溫度傳感器的溫度差值在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)時，循環(huán)水泵關(guān)閉，完成熱量的交換和儲存。
　　3、當(dāng)溫度傳感器檢測到從熱交換器出來的溫度大于用戶設(shè)定的供暖溫度時，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，第一個溫度傳感器檢測到的值小于等于第二個溫度傳感器的值時，即蓄熱水箱的熱量不足以負(fù)荷供暖要求的熱量，此時把差值傳遞到控制器，蓄熱水箱停止供暖。
　　5、當(dāng)溫度傳感器檢測到輔助熱源的溫度足夠規(guī)定的供熱溫度時，控制器發(fā)出信號，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)助主動太陽房完成采暖的需求。
　　
　　圖1主動式太陽房采暖系統(tǒng)原理圖
　　　2主動式太陽房蟻群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控制器在被控對象模型和T已知的情況下,只有3個參數(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)溫度傳感器檢測到溫度信號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，控制執(zhí)行器對被控對象進(jìn)行操作。
　　針對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)化后的控制信號來控制被控對象。
　　針對太陽房控制系統(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。螞蟻的移動策略由兩個原因決定,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個數(shù)列集合中選取一個數(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，從而對比其控制性能。
　　由于水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱存儲能力大，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，它對任何信號的響應(yīng)都會推遲一段時間，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)對輸入信號的超調(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。此控制算法在主動式太陽房的應(yīng)用中具有廣闊的前景。
　　
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