預(yù)測PID在館藏濕度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

吳攀 曹珍貫 朱克亮

摘 要：館藏濕度控制系統(tǒng)是一個(gè)大滯后環(huán)節(jié)系統(tǒng)，控制模型難以建立，常規(guī)控制算法響應(yīng)速度慢、超調(diào)嚴(yán)重，控制效果不理想。為提高庫房濕度的控制效果與精度，將預(yù)測控制算法與PID算法相結(jié)合，取兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，提出利用預(yù)測PID算法實(shí)現(xiàn)對庫房濕度的控制，并將該算法移植到ARM中，構(gòu)建館藏濕度控制系統(tǒng)，進(jìn)行運(yùn)行測試。實(shí)際應(yīng)用表明，預(yù)測PID控制算法能夠快速使館藏庫房的濕度穩(wěn)定在設(shè)定值，上下波動(dòng)范圍較小，控制精度高，該算法的實(shí)施對現(xiàn)有庫房的濕度控制有較好的應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：預(yù)測PID；濕度控制；館藏系統(tǒng)

中圖分類號： G251 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）05-0034-05

Abstract：Library Collection humidity control system， with control model difficult to be established and low response speed and serious overshoot of conventional algorithm， is a big lagging link system and thus the control effect is not satisfactory. In order to enhance the control effect and precision of the warehouse humidity， the predictive control algorithm was combined with PID in this paper and the predictive PID algorithm was used to control the library collection humidity. Furthermore， this algorithm was transplanted into the ARM， constructing the library collection humidity control system to have a running test. It was shown from the practical application that the predictive PID control algorithm had a good effect on the warehouse humidity control with small fluctuation and high control precision， which could achieve the control requirements of the collection humidity system.

Key words：Predictive PID； humidity control； library collection system

在圖書館和檔案館管理中，檔案資料和紙質(zhì)圖書室中的重要藏書，需要在科學(xué)合理的溫濕度環(huán)境下才能長期保存，通常保持相對濕度50%～60%RH以及10～18℃的溫度環(huán)境可以

防止資料蟲蛀、變質(zhì)，因此需要配置空調(diào)機(jī)、除濕機(jī)來對館藏系統(tǒng)的溫度、濕度進(jìn)行控制，使溫濕度保持在合理的范圍之內(nèi)[1]。對于溫度而言，現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)能夠完全滿足庫房的溫度控制需要，而館藏系統(tǒng)的濕度則需要通過除濕機(jī)及加濕機(jī)來調(diào)節(jié)。濕度的控制是一個(gè)大滯后的環(huán)節(jié)，常規(guī)的控制算法，很難達(dá)到理想的控制效果，且館藏系統(tǒng)的濕度模型很難建立，且空調(diào)在運(yùn)行過程中會(huì)使空氣干燥，使房間濕度降低，對濕度的控制產(chǎn)生影響[2]。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了圖書館智能溫濕度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中主要對歷史的溫度與濕度進(jìn)行采集計(jì)算，建立溫度與濕度之間的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫濕度PID控制。文獻(xiàn)[4]對圖書館的溫濕度研究主要集中在數(shù)據(jù)傳輸與組網(wǎng)方面，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圖書館溫濕度的控制。圖書館溫濕度控制方面的研究，主要集中在利用新技術(shù)的發(fā)展，對環(huán)境參數(shù)的檢測手段與數(shù)傳輸方面，而具體的控制算法上，依然采用傳統(tǒng)的PID算法較多[5]。濕度的控制干擾因素多、模型建立難、一般的控制算法效果差，而預(yù)測控制算法在大滯后系統(tǒng)中的控制效果較好，且不需要精確的數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)已成功應(yīng)用于石油、化工等過程控制系統(tǒng)中，取得了較好的控制效果[6-7]。因此，本文將預(yù)測控制算法與PID算法相結(jié)合，充分利用兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，對館藏系統(tǒng)的濕度控制進(jìn)行研究。

1 PID 型廣義預(yù)測控制器設(shè)計(jì)

1.1 廣義預(yù)測控制

文獻(xiàn)[8]提出了基于參數(shù)模型的廣義控制，其實(shí)質(zhì)是在廣義最小方差的基礎(chǔ)上引入了多步預(yù)測的思想，因此其隨機(jī)噪聲、抗負(fù)載擾動(dòng)和時(shí)延變化等能力有了顯著的提高，有較強(qiáng)的魯棒性，適用于開環(huán)不穩(wěn)定、有時(shí)延的非最小相位系統(tǒng)。其算法的基本形式如下，被控對象的數(shù)學(xué)模型采用下列離散差分方程描述[9]

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在館藏系統(tǒng)中，當(dāng)檔案庫房溫濕度超出了規(guī)范要求的范圍，就會(huì)對檔案造成損害，《紙、紙張和紙漿試樣處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件》規(guī)定的測定紙張物理強(qiáng)度的溫度為23℃±1℃，相對濕度為50%±2%。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，館藏系統(tǒng)對濕度的要求，一般要比大氣環(huán)境的濕度要低，考慮在大氣環(huán)境濕度高情況下的濕度控制問題，因此濕度的控制主要由除濕器來完成，大氣環(huán)境濕度低情況下的濕度控制將進(jìn)一步研究。本文將基于PID的預(yù)測控制算法移植到ARM中，ARM控制器通過鍵盤顯示來完成濕度的顯示與控制值設(shè)定，利用SHT11傳感器來檢測庫房的溫度和濕度，進(jìn)而來控制除濕器的工作，實(shí)現(xiàn)對庫房濕度的調(diào)節(jié)，并通過Zigbee模塊進(jìn)行無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，館藏系統(tǒng)濕度控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[14]。

預(yù)測PID控制算法是將預(yù)測控制與PID算法結(jié)合在一起，通過預(yù)測控制對濕度進(jìn)行模型預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果來校正濕度反饋，并完成PID比例、微分、積分系數(shù)的自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的PID控制，其控制原理圖如圖2所示[15]。

在ARM程序中，利用定時(shí)器定時(shí)實(shí)現(xiàn)周期采樣與周期控制，將預(yù)測PID控制算法編寫成一個(gè)子程序，在定時(shí)器控制周期到來時(shí)，進(jìn)行子程序調(diào)用，根據(jù)上節(jié)的算法推理，預(yù)測PID控制子程序的算法實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

為檢驗(yàn)該控制算法的控制效果，將該系統(tǒng)應(yīng)用于一間40m2密閉庫房，庫房啟用了集中空調(diào)和除濕機(jī)，配備一臺(tái)山井SK-501 型除濕機(jī)，日除濕量50L，設(shè)定相對濕度目標(biāo)值為50%，記錄間隔為15min/條。為檢驗(yàn)控制效果，以梅雨季節(jié)為例，表1所示為庫房采用預(yù)測PID控制算法后一天的濕度數(shù)據(jù)表。

通過表1可以看出，在采用預(yù)測PID控制算法后，其濕度值保持在目標(biāo)值50%上下波動(dòng)，控制效果較好，由于濕度控制的大的滯后性，加之傳感器的檢測誤差，部分時(shí)間段的濕度數(shù)據(jù)有一定的誤差，但該濕度能夠完全滿足庫房的國標(biāo)要求。

3 結(jié)論

預(yù)測PID控制算法是將PID算法與預(yù)測控制算法相結(jié)合，利用預(yù)測控制算法進(jìn)行PID參數(shù)的自整定，館藏系統(tǒng)濕度的控制系統(tǒng)是一個(gè)大滯后的控制系統(tǒng)，常規(guī)PID控制效果不理想，本文對預(yù)測PID控制算法進(jìn)行推理，提出將該算法移植到ARM中，對庫房濕度進(jìn)行控制，實(shí)際應(yīng)用表明，預(yù)測PID控制算法控制效果好、精度高，能夠滿足館藏系統(tǒng)的濕度控制要求，但該系統(tǒng)還不夠完善，需要進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)溫度與濕度的解耦控制。

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（責(zé)任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：丁 寒）