阅读说明：本技术 基于模糊pid算法的伴热带加热控制系统及方法 (Heating control system and method for heat tracing band based on fuzzy PID algorithm ) 是由 刘贺千 张洪达 李琳 张德文 兰森 孙巍 于春来 徐敏虎 尚书磊 张朋 梁建权 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：基于模糊PID算法的伴热带加热控制系统及方法,涉及电网安全控制领域。本发明在进行温度控制时,将温度传感器检测值传送到单片机,单片机根据PID控制算法控制加热输出功率,当检测到的温度还没有达到预定好的温度时,单片机控制继电器闭合来使伴热带加热。当检测温度达到设定温度,则继电器断开,停止对伴热带加热从而使断路器温度稳定在目标值。(A heating control system and method of a heat tracing band based on a fuzzy PID algorithm relates to the field of power grid safety control. When the temperature is controlled, the detection value of the temperature sensor is transmitted to the single chip microcomputer, the single chip microcomputer controls the heating output power according to the PID control algorithm, and when the detected temperature does not reach the preset temperature, the single chip microcomputer controls the relay to be closed to heat the heat tracing band. When the detected temperature reaches the set temperature, the relay is switched off, and heating of the heat tracing band is stopped, so that the temperature of the circuit breaker is stabilized at the target value.)

基于模糊PID算法的伴热带加热控制系统及方法

技术领域

本发明属于电网安全控制领域，尤其涉及对SF₆断路器伴热带的加热控制。

背景技术

北方地区冬季环境气温低于-30℃，SF₆气体将产生液化，无法熄灭开断情况下的电弧，这将直接影响SF₆断路器的开断性能，严重制约SF₆断路器的安全运行，进而影响电网的安全运行。故实际生产中需要借助伴热带对罐体进行加热以保证罐内气压。但加热时大多采用恒定功率加热，且加热方式固定不变，检测精度较低，无法根据实际温度控制加热器输出，浪费大量电能。

发明内容

本发明是为了解决现有对SF₆断路器伴热带进行加热时，无法根据实际温度控制加热器输出的问题，现提供基于模糊PID算法的伴热带加热控制系统及方法。

基于模糊PID算法的伴热带加热控制系统，包括：单片机处理模块、信号采集模块和模拟控制输出模块，

信号采集模块的温度值输出端连接单片机处理模块的温度值输入端，单片机处理模块的加热功率输出端连接模拟控制输出模块的加热功率输入端，

信号采集模块用于实时采集伴热带的温度值，单片机处理模块中包括以下单元：

判断当前采集的温度值是否达到预定值的单元，

当温度值未达到预定值时，根据当前采集的温度值输入至模糊PID控制器获得加热功率的单元，

当温度值达到预定值时，驱动伴热带停止加热的单元。

上述单片机处理模块中还包括参数整定单元：

利用当前时刻t采集的温度值y(t)与预定值y(t)获得当前时刻t的误差e(t)和误差变化率ec,

e(t)＝r(t)-y(t)

其中，e(t₁)和e(t₂)分别为t₁时刻和t₂时刻的误差，

利用误差e(t)和误差变化率ec根据模糊算法对PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d进行整定。

基于模糊PID算法的伴热带加热控制方法，包括以下步骤：

步骤一：实时采集待控制伴热带的温度值，

步骤二：判断当前采集的温度值是否达到预定值，是则执行步骤三，否则执行步骤四，

步骤三：控制伴热带停止对断路器进行加热，返回步骤一，

步骤四：将当前采集的温度值输入至模糊PID控制器获得加热功率的单元，并根据该加热功率控制伴热带对断路器进行加热，返回步骤一。

上述将当前采集的温度值输入至模糊PID控制器获得加热功率的单元的具体方法为：

利用当前时刻t采集的温度值y(t)与预定值y(t)获得当前时刻t的误差e(t)和误差变化率ec,

e(t)＝r(t)-y(t)

其中，e(t₁)和e(t₂)分别为t₁时刻和t₂时刻的误差，

利用误差e(t)和误差变化率ec根据模糊算法对PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d进行整定；

将整定之后的K_p、K_i、K_d代入PID控制器中对PID控制器进行更新，

将当前时刻t采集的温度值y(t)代更新后的PID控制器中，获得加热功率。

本发明引入了模糊PID(比例积分微分)算法及单片机处理模块控制系统，能够准确测量伴热带实际温度并调节其加热功率，在精准控温的同时节约电能。

附图说明

图1为

具体实施方式

一所述的基于模糊PID算法的伴热带加热控制系统的结构示意图；

图2为单片机处理模块的电路图；

图3为信号采集模块的电路图；

图4为模拟控制输出模块的电路图；

图5为键盘与显示模块的电路图；

图6为模糊PID算法的原理图。

具体实施方式

SF₆断路器大量布置于各电压等级变电站中，北方地区受气候原因限制，大多需要配合伴热保证正常工作。针对每年加热罐体所消耗巨大电量，提供了以下具体实施方式。

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于模糊PID算法的伴热带加热控制系统，包括：单片机处理模块、信号采集模块、模拟控制输出模块、键盘与显示模块、数据存储模块和复位模块，信号采集模块包括温度传感器、转换电路、A/D转换器和光电隔离电路，键盘与显示模块包括键盘与显示器，

键盘的信号输出端连接单片机处理模块的设定信号输入端，显示器的显示信号输入端连接单片机处理模块的显示信号输出端，温度传感器的温度信号输出端连接转换电路的信号输入端，转换电路的电压信号输出端连接A/D转换器的模拟信号输入端，A/D转换器的数字信号输出端连接光电隔离电路的信号输入端，光电隔离电路的信号输出端连接单片机处理模块的温度值输入端，单片机处理模块的加热功率输出端分别连接模拟控制输出模块的加热功率输入端和数据存储模块的信号输入端，模拟控制输出模块的输出端与待控制伴热带的移相电压发生电路相连，复位模块的复位控制信号输出端连接单片机处理模块的复位控制信号输入端。

上述单片机处理模块中包括以下通过软件实现的单元：

判断当前采集的温度值是否达到预定值的单元，

当温度值未达到预定值时，根据当前采集的温度值输入至模糊PID控制器获得加热功率的单元，

当温度值达到预定值时，驱动伴热带停止加热的单元。

具体的，单片机处理模块中还包括参数整定单元：

利用当前时刻t采集的温度值y(t)与预定值y(t)获得当前时刻t的误差e(t)和误差变化率ec,

e(t)＝r(t)-y(t)

其中，e(t₁)和e(t₂)分别为t₁时刻和t₂时刻的误差，

利用误差e(t)和误差变化率ec根据模糊算法对PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d进行整定。

本实施方式中，

在实际应用时，信号采集模块负责实时采集待控制加热带的温度，具体电路如图3所示。

单片机处理模块处理作为控制核心，完成对采集数据和调节输入数据的比较处理与传送，单片机处理模块外接晶振，配套芯片包括看门狗电路、D触发器、3-8译码器及电可擦可编程只读存储器。各芯片组合完成监测单片机处理模块程序运行状态、提高其运行可靠性、及参数存取功能。具体的，其电路图如图2所示，包括89C51芯片、74HC377芯片和74HC138芯片。89C51芯片的AD00～AD07引脚分别连接74HC377芯片的D0～D7引脚，89C51芯片的P20～P23引脚分别连接74HC138芯片的A、B、C、G1引脚。

模拟控制输出模块控制IGBT导通相位，从而改变变压器初级侧电压的有效值，达到调节加热功率的目的。本实施方式中为减少线路板的面积和占用单片机处理模块的口线，采用串行数模转换器，工作方式选用的是非级联方式。具体电路如图4所示。

为了实现对系统的调节、控制输入及系统运行的状态与采集数据的显示输出，本实施方式采用键盘与显示模块。具体的键盘与显示模块包括键盘、LED指示灯、8段位数码管等显示输入设备。采用串行方式与微处理器通讯，当不需调节时，作为输入端接收信号，显示实时电压、电流值。当读键盘数据时，在“读”指令的最后一个时钟下降沿变为输出端，将数据送入单片机处理模块。具体电路如图5所示。

在进行温度控制时，将温度传感器检测值传送到单片机，单片机根据PID控制算法控制加热输出功率，当检测到的温度还没有达到预定好的温度时，单片机控制继电器闭合来使伴热带加热.当检测温度达到设定温度，则继电器断开，停止对伴热带加热从而使断路器温度稳定在目标值。由于罐体温度控制系统受外部环境影响，是一个非线性、时变性的复杂系统，而传统PID控制算法的参数固定不变，对于罐体温度的控制并不理想，因此实施方式将模糊控制理论引入PID控制器中，用模糊控制理论实现PID参数的在线自适应调整。

以上模糊PID控制是对温度进行更精确、更快捷的调节，模糊规则的原则是从系统的稳定性、敏捷性、精确性等方面来考虑调节控制，模糊PID是由模糊控制器和PID控制器结合而成，控制规则是进行模糊推理的重要依据，构造出模糊控制规则。模糊控制规则是由模糊条件语句组成，并以判断语句表现形式的模糊推理语句，其原理如图6所示。

在实际应用时，本实施方式适合应用于每台配有伴热带的断路器上，依靠精准检测与模糊PID算法控制改善伴热带加热方式，节约能源电能30％以上。

在图2至图5所示的电路中，图2中89C51芯片的VOLTAGE引脚、CURRENT引脚和74HC377芯片的MAD_CS#引脚分别与图2中3个6N137芯片的CURRENT引脚、VOLTAGE引脚和MAD_CS#引脚相连。图3中两个AD7895芯片的VI和VV引脚均为信号采集端，SER_CLK时钟引脚均与图2中89C51芯片的MSER_CLK时钟引脚相连。图4中VADJOUT引脚为信号输出端，6N137的MAD_CS#引脚和DA_CS#引脚均与图2中74HC377芯片的MAD_CS#引脚相连，图4中TLC5615的SER_OUT引脚、SER_CLK引脚分别图2中89C51芯片的MSER_OUT引脚、MSER_CLK引脚相连。图5中HD7279A芯片的CS1#引脚、CLK引脚、DATA引脚、KEY#引脚分别与图2中74HC377芯片的MLED_CS#引脚、89C51芯片的MSER_CLK引脚、MLED_IN引脚、MLED_KEY#引脚相连。

具体实施方式二：本实施方式所述的基于模糊PID算法的伴热带加热控制方法，包括以下步骤：

初始化步骤：根据当前断路器工况设定预定值，然后执行步骤一，

步骤一：实时采集待控制伴热带的温度值，

步骤二：判断当前采集的温度值是否达到预定值，是则执行步骤三，否则执行步骤四，

步骤三：控制伴热带停止对断路器进行加热，返回步骤一，

步骤四：将当前采集的温度值输入至模糊PID控制器获得加热功率的单元，并根据该加热功率控制伴热带对断路器进行加热，返回步骤一。

具体的，将当前采集的温度值输入至模糊PID控制器获得加热功率的单元的具体方法为：

利用当前时刻t采集的温度值y(t)与预定值y(t)获得当前时刻t的误差e(t)和误差变化率ec,

e(t)＝r(t)-y(t)

其中，e(t₁)和e(t₂)分别为t₁时刻和t₂时刻的误差，

利用误差e(t)和误差变化率ec根据模糊算法对PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d进行整定；

将整定之后的K_p、K_i、K_d代入PID控制器中对PID控制器进行更新，

将当前时刻t采集的温度值y(t)代更新后的PID控制器中，获得加热功率。

在实际应用时，还包括根据当前工况而随时触发的复位步骤，当复位步骤被触发时，均返回初始化步骤。重新对预设值进行调整，重新对加热功率进行新一轮的控制。