基于模糊控制的溫濕度試驗系統(tǒng)的研究

王洪航 褚建新 張江明 孫 林

(上海海事大學(xué)航運技術(shù)與控制工程交通行業(yè)重點實驗室，上海 201306)

溫濕度試驗是將產(chǎn)品放置在人工設(shè)定的特定環(huán)境中對其性能進行評價的試驗[1]，是新產(chǎn)品研制、樣機試驗和產(chǎn)品合格鑒定過程中必不可少的試驗階段。溫濕度試驗箱是模擬自然高低溫和濕度循環(huán)變換環(huán)境的裝置，在汽車制造業(yè)、電子儀表及材料等行業(yè)的溫濕度測試中發(fā)揮著重要作用。

溫濕度試驗箱的溫濕度控制是一種非線性、滯后和時變的復(fù)雜過程[2]，且存在不確定干擾、控制對象無準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型及溫濕度耦合等缺點。大多數(shù)溫濕度試驗箱使用傳統(tǒng)PID控制[1]，但對于無法取得精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，一般可采用模糊控制。文獻[2]采用了模糊控制，但很難解決溫濕度控制系統(tǒng)非線性、時變、魯棒性不強及溫濕度耦合等問題；文獻[3]中溫度和濕度各自獨立的使用單回路模糊控制方法，沒有考慮它們的耦合特性，也無法到達滿意的控制效果。另外，建立溫濕度試驗環(huán)境需要考慮諸多因素，如濕熱速率、凝露及濕熱場均勻性等，因此多因素條件下的溫濕度控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。筆者在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊自適應(yīng)PID控制算法和模糊解耦算法設(shè)計了模糊溫濕度控制器。

溫濕度試驗箱主要由箱體、加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加濕除濕系統(tǒng)和檢測控制系統(tǒng)組成(圖1)?？刂苾?nèi)容包括加熱量、制冷量、風(fēng)量、加濕量和除濕量；檢測變量包括進風(fēng)口溫度t1、進風(fēng)口濕度h1、出風(fēng)口溫度t2、出風(fēng)口溫度h2和工件表面溫度t3。則平均溫度t平=(t1+t2)/2，平均濕度h平=(h1+h2)/2。

圖1 溫濕度試驗箱的組成簡圖

2 溫濕度控制算法

溫濕度試驗箱控制大多數(shù)采用傳統(tǒng)PID控制方案[4]。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析是建立在已知系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的，但實際系統(tǒng)具有復(fù)雜勝、非線性、時變性、不確定性及不完全性等，一般無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型，因此為實現(xiàn)上升速度快、過渡時間短且超調(diào)小的目的，筆者采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法和模糊解耦算法。

溫濕度試驗箱的溫度和濕度模型可近似為一階滯后環(huán)節(jié)[5,6]：

式中K——增益系數(shù)；

T——時間常數(shù)；

τ——系統(tǒng)延時常數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗，T∈[20，150]，τ∈[30，100][7]。

2.1 模糊自適應(yīng)PID控制算法

模糊自適應(yīng)PID控制器被設(shè)計為一個二維輸入、三維輸出的系統(tǒng)(圖2)。以溫度為例，第一個輸入是溫度偏差e(即tn-t0)，其中，tn為第n次測量的試驗箱內(nèi)實際溫度值，t0為設(shè)定值；第二個輸入是溫度偏差變化率ec(即de/dt)。3個輸出分別為 PID 的3個增益調(diào)節(jié)量ΔKp、ΔKi和ΔKd。

圖2 模糊自適應(yīng)PID控制器系統(tǒng)示意圖

模糊自適應(yīng)PID控制算法的思想是：找出PID的3個參數(shù)與偏差e、偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制規(guī)則

和原理對PID的3個參數(shù)進行在線整定，獲得新的Kp、Ki、Kd后，通過常規(guī)PID控制器對控制對象進行相應(yīng)控制。PID 3個參數(shù)的整定公式為：

Kp=ΔKp+Kp0

Ki=ΔKi+Ki0

Kd=ΔKd+Kd0

{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}為模糊子集，其中元素分別代表{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。偏差e和偏差變化率ec的論域為[-3，3]，量化等級為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

模糊控制設(shè)計核心是根據(jù)技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗[7]，建立合適的模糊規(guī)則表(表1)，得到針對ΔKp、ΔKi、ΔKd分別整定的模糊控制表[8]。

表1 模糊規(guī)則表(ΔKp、ΔKi、ΔKd)

2.2 模糊解耦算法

溫濕度的耦合關(guān)系是濕度對溫度的影響比較小，但溫度對濕度的影響很大。當(dāng)溫度每變化1℃，相對濕度可能下降5%左右，且濕度變化比溫度變化慢，因此溫度對濕度的補償大。筆者采用基于模糊控制技術(shù)的智能解耦方法[8]，通過串聯(lián)模糊解耦補償器對模糊系統(tǒng)進行解耦(圖3)。

圖3 模糊解耦補償解耦

圖3中模糊控制器包括兩個類似的模糊控制器。以溫度為例，此處采用一維模糊控制器[9]，Ke為量化因子，Ku為比例因子。設(shè)Ct為溫度控制器的輸出，Cth為溫度模糊控制輸出對濕度控制的模糊補償。Cth論域范圍為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。根據(jù)試驗經(jīng)驗和試驗測試得到模糊補償控制規(guī)則表(表2)。

表2 模糊補償控制規(guī)則表

3 仿真試驗

假設(shè)溫濕度試驗箱的廣義溫度對象為一階時滯環(huán)節(jié)[10,11]，系統(tǒng)延時常數(shù)τ=80，時間常數(shù)T=60，增益系數(shù)K=1。廣義濕度對象的模型參數(shù)為：純滯后τ=50，時間常數(shù)T=50，增益系數(shù)K=4。對筆者采用的模糊解耦和模糊自適應(yīng)PID控制算法進行Matlab仿真，得到的溫度輸出響應(yīng)曲線如圖4～6所示。

從圖4～6可以看出：筆者所設(shè)計的自適應(yīng)模糊PID控制器在控制過程中，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)精度高，穩(wěn)態(tài)性能好，克服了傳統(tǒng)PID控制超調(diào)大且響應(yīng)周期長的缺點，還可以節(jié)約能耗。

圖4 溫度輸出響應(yīng)曲線

圖5 加擾動的溫度輸出曲線

圖6 溫度交替變化的輸出曲線

4 結(jié)束語

筆者在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于模糊解耦補償算法和模糊自適應(yīng)PID控制算法設(shè)計了模糊溫濕度控制器，相對現(xiàn)用的溫濕度試驗箱控制方法，此溫濕度控制方案精度高、響應(yīng)快、超調(diào)小、節(jié)約能耗，且系統(tǒng)開發(fā)和維護非常方便，性價比高，在實用中有很多優(yōu)越性。

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