基于人工氣候室的溫濕度控制

胡民勇，方康玲

（武漢科技大學(xué) 湖北 武漢 430081）

人工氣候室需要控制的參數(shù)主要是溫度和濕度，而控制難點(diǎn)也在于其對象的滯后性、無準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型以及存在不確定干擾，同時溫濕度存在耦合現(xiàn)象。目前國內(nèi)外對溫濕度的控制主要通過開關(guān)控制或是單純的采用PID控制或是模糊控制來實(shí)現(xiàn)。顯然，開關(guān)控制效果非常粗糙，同時會造成設(shè)備的頻繁啟停，降低設(shè)備使用壽命；PID控制對于非線性時變、滯后較大的溫濕度控制系統(tǒng)來說，魯棒性不強(qiáng)；而單純的模糊控制器存在靜差，控制精度不夠高，同時也很難解決溫濕度的耦合問題[1]。綜上所述，同時又考慮到相對于溫度的變化對濕度的影響，濕度變化對溫度的影響可以忽略，因此，本文設(shè)計(jì)出一種PID搭配模糊PID的控制算法，先對溫度進(jìn)行控制，當(dāng)溫度達(dá)到控制要求后再用模糊算法對濕度進(jìn)行控制，并進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試。

1 控制方案

人工氣候室是具有恒溫、恒濕、恒CO2、恒光照功能，同時也具備調(diào)溫、調(diào)濕、調(diào)CO2、調(diào)光照功能的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是生物、遺傳、醫(yī)學(xué)、農(nóng)林業(yè)等生產(chǎn)和科研部門的理想實(shí)驗(yàn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于植物的發(fā)芽、育苗、組織細(xì)胞和微生物的培養(yǎng)等。它主要由主控制柜、溫濕度控制設(shè)備、CO2濃度控制設(shè)備及光照強(qiáng)度控制設(shè)備等組成。

在內(nèi)蒙古大學(xué)生物學(xué)院人工氣候室控制系統(tǒng)性能要求中，對溫度的控制要求最高，要求控制精度在±1℃，其次是對濕度的控制要求，控制精度要求在±5～±10%。同時，為了模擬植物生長環(huán)境的周期性特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)有分時段運(yùn)行控制，不同時段的溫濕度設(shè)定值不同。因此，人工氣候室溫濕度控制的主要難點(diǎn)有：

1）溫濕度控制對象的非線性時變性、大滯后性等；

2）溫度濕度的耦合性；

3）在由一個時段運(yùn)行結(jié)束跳轉(zhuǎn)至下一時段運(yùn)行時，系統(tǒng)溫濕度瞬時誤差可能很大，對控制造成很大困擾；

4）對光照、CO2進(jìn)行控制時的內(nèi)部干擾和系統(tǒng)本身的外部環(huán)境干擾嚴(yán)重。

由理論可知，PID控制能夠做到無靜差控制，模糊控制抗干擾能力強(qiáng)適應(yīng)性強(qiáng)，同時響應(yīng)速度快[2-3]。根據(jù)以上理論同時綜合考慮該人工氣候室溫濕度控制的難點(diǎn)，提出以下控制方案如圖1所示，即：

1）相對于溫度變化對濕度的影響，濕度變化對溫度的影響可忽略，因此先對溫度進(jìn)行控制，直到溫度控制滿足系統(tǒng)要求再對濕度進(jìn)行控制，解決溫濕度耦合問題；

2）濕度控制精度要求不高，但需要克服多種干擾，因此，用模糊控制對濕度進(jìn)行控制既可以滿足要求；

圖1 系統(tǒng)控制方案Fig.1 System control scheme

3）溫度控制除了涉及精度、干擾等問題，同時還有時段跳轉(zhuǎn)時的平滑快速控制問題，因此用模糊控制與模糊PID控制分時復(fù)用的方法對溫度進(jìn)行控制。用模糊控制的快速適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)平滑快速的控制，用模糊PID控制實(shí)現(xiàn)強(qiáng)抗干擾性的精確控制。

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 濕度模糊控制器

模糊控制是建立在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，模仿人的思維方式，總結(jié)人的操作經(jīng)驗(yàn)，并用模糊語言和一系列的模糊條件語句，描述控制策略；然后通過計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ媚K實(shí)現(xiàn)這些規(guī)則，完成控制作用。模糊控制的一個優(yōu)越性在于它不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因此，在工業(yè)過程中，對于那些無法獲得數(shù)學(xué)模型或模型粗糙復(fù)雜的、非線性的、時變的或是耦合十分嚴(yán)重的系統(tǒng)，模糊控制非常適合[1-3]。就二維模糊控制，其原理圖如圖2所示。

圖2 二維模糊控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 The diagram of Two-dimensional fuzzy control system

濕度模糊控制器的輸入為濕度誤差eh和濕度誤差變化率ehc，輸出為濕度控制執(zhí)行器加濕器的開和關(guān)狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境可知，濕度誤差eh和濕度誤差變化率ehc的實(shí)際論域均為[-30%，30%]。

設(shè) eh 和 ehc 的語言變量值取為{NB，NS，Z，PS，PB}，模糊論域 EH 和 EHc 均為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，輸出 UH 是加濕器的開關(guān)狀態(tài)，故語言變量值為{ON，OFF}。EH和EHc的隸屬函數(shù)均選擇三函數(shù)，如圖3所示。

根據(jù)人工氣候室濕度控制的特性，可以總結(jié)出模糊控制規(guī)則如表1所示。

2.2 溫度模糊-模糊PID復(fù)合控制器

溫度控制器器結(jié)構(gòu)上分為兩部分，模糊控制部分和模糊PID控制部分。

圖3 EH和EHc隸屬函數(shù)Fig.3 EH Membership function and EHc Membership function

表1 濕度模糊控制規(guī)則表Tab.1 Humidity fuzzy control rule table

糊控制部分主要用于實(shí)現(xiàn)時段跳轉(zhuǎn)時的快速平滑控制，根據(jù)內(nèi)蒙古大學(xué)人工氣候室的運(yùn)行特點(diǎn)，其時段跳轉(zhuǎn)時的溫度跨度最大不超過10℃，因此溫差et和溫差變化率etc的基本論域選為[-10℃，10℃]。輸入溫差ET、溫差變化率ETc和輸 出 控 制 量 UT 語 言 變 量 均 取 為 ｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，模糊論域均取為｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，隸屬度函數(shù)仍然取三角函數(shù)如圖4所示。為了做到時段跳轉(zhuǎn)時快速將被控溫度控制在設(shè)定值±5℃，根據(jù)模糊控制器控制特點(diǎn)及現(xiàn)場情況，總結(jié)出控制規(guī)則如表2所示。

圖4 ET和ETc隸屬函數(shù)Fig.4 ET Membership function and ETc Membership function

表2 溫度模糊控制規(guī)則表Tab.2 Temperature fuzzy control rule table

模糊PID控制部分主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制，運(yùn)用模糊控制的強(qiáng)適應(yīng)性，在線修改PID控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)能夠在各種干擾情況下仍可實(shí)現(xiàn)高精度的控制[4-5]。其控制原理如圖5所示。

圖5 溫度模糊PID控制原理框圖Fig.5 The control principle block diagram of Temperature fuzzy PID

由前面可知，設(shè) ET、ETc、ΔKp、ΔKi和 ΔKd 的模糊論域均為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并劃分成 7 檔的語言變量模糊集合：ET=ETc=ΔKp=ΔKi=ΔKd={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，對應(yīng)為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，隸屬函數(shù)仍選擇如圖4所示三角形分布。根據(jù)控制原則及PID參數(shù)整定原則，可以總結(jié)出ΔKP、ΔKI和ΔKD的控制規(guī)則的語言描述如下:

If（E is NB） then （KP is PB） and （KI is O）and （KD is PS）；

If（E is NM） and （EC is NM） then（KP is PM）and （KI is PS） and （KD is PM）；

If（E is NM） and （EC is PM） then（KP is PM） and（KI is PS） and （KD is PM）；

If（E is NS） and （EC is NS） then（KP is PB） and（KI is PB）and（KD is PM）；

If（E is NS） and （EC is PS） then（KP is PB） and（KI is PB）and （KD is PM）；

If（E is PS） and （EC is NS） then（KP is PB） and（KI is PB）and （KD is PM）；

If（E is PS） and （EC is PS） then（KP is PB） and（KI is PB）and （KD is PM）；

If（E is PM） and （EC is NM） then（KP is PB） and（KI is O） and （KD is PS）；

If（E is PB） then （KP is PB） and （KI is O） and（KD is PS）；

3 系統(tǒng)運(yùn)行狀況

為了對設(shè)計(jì)好的溫濕度控制器進(jìn)行測試，在內(nèi)蒙古大學(xué)生物學(xué)院人工氣候室的現(xiàn)場，設(shè)定2個運(yùn)行時段，時段1設(shè)置參數(shù)為：溫度25℃、濕度60%、二氧化碳500p pm、光照3級；時段 2設(shè)置參數(shù)為：溫度 15℃、濕度 70%、二氧化碳500 ppm、光照3級。為了便宜測試，各時段運(yùn)行時間均設(shè)置為30分鐘，且循環(huán)運(yùn)行。每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)繪制出如圖6所示的實(shí)時溫濕度曲線。

系統(tǒng)運(yùn)行前溫度為30℃，濕度為50%。由圖6可知：

時段1：先對溫度進(jìn)行模糊PID控制，溫度5分鐘內(nèi)基本到達(dá)控制精度范圍（25℃±1）。然后對濕度進(jìn)行模糊控制，圖中顯示，濕度快速（大約7分鐘）到達(dá)控制精度范圍內(nèi)（60%±5）。

圖6 實(shí)時溫濕度曲線圖Fig.6 Real-time temperature and humidity chart

時段2：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到30分鐘時，到達(dá)時段切換點(diǎn)進(jìn)入時段2。當(dāng)前溫濕度為時段1的控制溫濕度25℃和60%，而時段2的設(shè)定溫濕度為15℃和70%，系統(tǒng)瞬時誤差很大。系統(tǒng)任然先對溫度進(jìn)行模糊控制，使其快速到達(dá)控制點(diǎn)15℃左右，然后用模糊PID對其進(jìn)行精確控制，使其控制在要求精度范圍（15℃±1）內(nèi)。當(dāng)溫度達(dá)到控制要求后，對濕度進(jìn)行模糊控制，同樣很快到達(dá)控制要求范圍（70%±5）內(nèi)。

4 結(jié) 論

不難看出，溫度的變化對濕度影響明顯大于濕度的變化對溫度的影響（由圖可知濕度變化時溫度基本沒有波動），因此選擇先溫控后濕控的解耦方法是行之有效的[6]。系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快（溫度5分鐘左右達(dá)到控制要求，濕度7分鐘左右達(dá)到控制要求）、超調(diào)量小 （溫度小于2℃，濕度小于10%）、控制精度高（溫度±1℃，濕度±5%），同時在時段切換點(diǎn)能做到快速平滑的控制要求。結(jié)合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)又避免了二者的不足，兩者相結(jié)合，使人工氣候室的溫濕度控制效果達(dá)到最佳。

[1]韓俊喜.基于模糊控制理論的廠房空調(diào)溫濕度控制思路[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010，13（3）:17-18.HAN Jun-xi.Based on fuzzy control theory，the workshop air conditioning temperature and humidity control ideas[J].China’s hightechnologyandnewtechnologyenterprise，2010，13:17-18.

[2]方康玲.過程控制與集散系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[3]潘立登.過程控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]張德豐.MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[5]何鵬.基于Matlab的模糊PID控制器設(shè)計(jì)與仿真研究[J].微型電腦應(yīng)用，2010，26（4）:59-59.HE Peng.Based on the Matlab fuzzy PID controller design and simulation research[J].Miniature Computer Applications，2010，26（4）:59-59.

[6]Lee J H.On method for improving performance of PI-type fuzzy logic controllers[J].IEEE Trans on Fuzzy Systems，1993，32（4）:327-350.