模糊解耦算法在溫濕度控制中應(yīng)用的研究

王洪航 高巍

摘要：溫濕度試驗箱控制系統(tǒng)是一種非線性、強(qiáng)耦合、大滯后的系統(tǒng)。探究了智能解耦方法以及先進(jìn)的PID控制算法的原理和特點，設(shè)計了基于模糊算法的解耦補(bǔ)償器，對溫濕度進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償解耦，使原本耦合的溫度、濕度變量等效成為兩個獨立的溫度與濕度控制子系統(tǒng)。在于系統(tǒng)的控制方面，采用基于模糊算法的自整定模糊PID算法進(jìn)行控制。使控制效果更加精確、科學(xué)，以滿足試驗對人工模擬環(huán)境溫、濕度的要求和標(biāo)準(zhǔn)。本文給出了控制系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖以及仿真試驗結(jié)果，試驗結(jié)果表明：該方法能較好的對溫度濕度進(jìn)行控制且控制精度較高，響應(yīng)快，能夠滿足溫濕度試驗箱溫濕度控制的要求。

關(guān)鍵詞：模糊控制;溫濕試驗箱;自適應(yīng)PID。

中圖分類號：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 引言

溫濕度環(huán)境試驗系統(tǒng)可以模擬并提供一個特定的溫（濕）環(huán)境，主要用于評估產(chǎn)品在高低溫、溫（濕）環(huán)境中的性能和特性[3]。在包括汽車，摩托車，航空航天，工業(yè)，火箭，國防，大專院校，科研院所等的各個領(lǐng)域，電子元件和整個產(chǎn)品，他們都需要經(jīng)過高低溫（濕）度環(huán)境試驗。

溫濕試驗箱的溫濕度控制是一種非線性的、時變的、滯后的、復(fù)雜控制過程[10]，溫濕度之間存在耦合等難題，文獻(xiàn)[1]提及多數(shù)溫濕度試驗箱仍使用傳統(tǒng)PID控制，采用了平衡溫濕度控制方式（BTHC）。因此，多因素條件下的溫濕度（或濕熱）控制系統(tǒng)是一種多變量控制系統(tǒng)。

2 溫濕度控制算法

2.1 溫濕度試驗箱數(shù)學(xué)模型

溫濕度試驗箱由多個系統(tǒng)組成，如圖1溫濕度試驗箱系統(tǒng)組成示意圖所示，包括：箱體、加熱制冷、加濕除濕、空氣循環(huán)以及測控等系統(tǒng)[11]。

實際控制對象存在復(fù)雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性等因素，因此一般無法獲得系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。溫度和濕度的強(qiáng)耦合性，溫濕度控制對象的非線性時變性、大滯后性決定了要實現(xiàn)上升速度快，過渡時間短且超調(diào)小的目標(biāo)，傳統(tǒng)PID控制很難達(dá)到。

溫濕度試驗箱可以近似看作一個封閉的系統(tǒng)，與外部環(huán)境僅依靠送風(fēng)回風(fēng)進(jìn)行能量交換。在進(jìn)行控制時，試驗箱送風(fēng)和回風(fēng)溫度存在一定溫差，根據(jù)能量守恒定律，單位時間內(nèi)送入試驗箱的能量與送出的能量之差等于單位時間內(nèi)試驗箱內(nèi)能量變化量，即：

溫度變化會對濕度有影響，反之，濕度變化也會對溫度有一定影響，即耦合性。熱量傳遞的基本方式有：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱量的在傳導(dǎo)的過程中必然需要一段時間進(jìn)行傳遞，從而引起在溫濕度控制時輸入與輸出響應(yīng)之間存在一定的延遲，即時滯。同理，水分子的運動可需要一定的時間，才能使試驗箱內(nèi)接近同一濕度，因此對于濕度，也可以近似寫成一階模型，濕度的響應(yīng)也有一個滯后環(huán)節(jié)[45]。由式（2-7）可得：

2.2 模糊自適應(yīng)PID控制算法

模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計成為一個輸入為溫度偏差e（t_n- t0），為第n次測量的試驗箱內(nèi)實際溫度值，t0為設(shè)定值;第2個輸入為溫度偏差的變化率ec（即de/dt），輸出分別為PID控制器的三個增益的調(diào)節(jié)量△Kp，△Ki，△Kd。

模糊控制設(shè)計的主要是根據(jù)理論知識和實際操作經(jīng)驗，建立相應(yīng)的的模糊規(guī)則表，得到△Kp，△Ki，△Kd三個參數(shù)整定的模糊控制表[8]。

2.3 模糊解耦算法

本文分析研究了傳統(tǒng)解耦方法的原理和思想、深入探究了智能解耦方法以及先進(jìn)的PID控制算法的原理和特點，設(shè)計了基于模糊算法的解耦補(bǔ)償器，對是溫濕度進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償解耦，使原本耦合的溫度、濕度變量等效成為兩個獨立的溫度與濕度控制子系統(tǒng)[11]。在子系統(tǒng)的控制方面，采用基于模糊算法的自整定模糊算法進(jìn)行控制，輸出溫濕度控制量。

以溫度為例，圖中采用一維模糊控制器[10]，Ke為量化因子，Ku為比例因子分別根據(jù)實際情況而定。設(shè)Ct為溫度控制器輸出，Cth為溫度模糊控制輸出對濕度控制的模糊補(bǔ)償。

3 仿真試驗

假定溫濕度試驗箱的廣義溫度對象近似為一階時滯環(huán)節(jié)[60]61]，控制參數(shù)：τ=80，時間常數(shù)T-60，增益K=l。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K=4。

自整定模糊PID與傳統(tǒng)PID進(jìn)行對比仿真實驗框圖如圖4所示。

自整定模糊PID與傳統(tǒng)PID進(jìn)行對比仿真實驗，其控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線，輸入值交替變化的輸出響應(yīng)曲線如圖5，圖6所示。

由圖5、圖6，通過對比和分析兩者的試驗結(jié)果可以看出：傳統(tǒng)PID控制的輸出響應(yīng)超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長，存在一定的振蕩。同時，為了消除傳統(tǒng)PID控制的超調(diào)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，需要再消耗一部分能源。而自整定模糊PID控制的輸出響應(yīng)調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小，系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，具有振蕩小、魯棒性好、無穩(wěn)態(tài)誤差等優(yōu)點[10]。

當(dāng)系統(tǒng)加隨機(jī)擾動時控制系統(tǒng)的輸出曲線，如圖7所示：

如圖7所示：當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時，傳統(tǒng)PID控制就不能取得較好的控制效果，而自整定模糊PID控制很快達(dá)到穩(wěn)定，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的魯棒性、穩(wěn)定性。

綜上所述，在本設(shè)計中通過模糊算法進(jìn)行有效的溫濕度解耦后溫濕度等效為兩個獨立控制的系統(tǒng);在溫濕度控制系統(tǒng)中，自整定模糊PID控制器在控制過程中，實現(xiàn)了控制參數(shù)在線整定和修正;系統(tǒng)的響應(yīng)速度快;調(diào)節(jié)精度高;穩(wěn)態(tài)性能好;這是傳統(tǒng)PID控制器難以實現(xiàn)的，克服了傳統(tǒng)PID控制超調(diào)大，響應(yīng)周期長的缺點，并且還可以降低能耗、達(dá)到節(jié)能減排的目的。

4結(jié)論

相對現(xiàn)在常用的溫濕度試驗箱控制方法，本文對溫濕度控制的精度較高，響應(yīng)快，響應(yīng)超調(diào)小。引入基于模糊解耦補(bǔ)償算法的模糊控制形成模糊溫濕度控制器，取長補(bǔ)短，發(fā)揮他們各自的優(yōu)點，使控制效果更佳完美，算法適應(yīng)性強(qiáng)。

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