基于模糊控制的工藝空調(diào)溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊川 蔡君巍

摘 要：為提高制絲、卷包車間生產(chǎn)區(qū)域工藝空調(diào)溫濕度控制精度，結(jié)合工藝空調(diào)在控制過程中溫度與濕度交叉耦合情況，采用模糊控制的方法，分析空調(diào)新風(fēng)、送風(fēng)、回風(fēng)、區(qū)域相對溫度、相對濕度、含濕量等工藝參數(shù)對工藝空調(diào)溫濕度控制的影響。通過試驗(yàn)結(jié)果表明，參數(shù)自調(diào)整模糊控制智能動(dòng)態(tài)的修正在控制中出現(xiàn)的異常情況，降低工藝空調(diào)控制過程中非線性、滯后性、時(shí)變所帶來的影響，較人工調(diào)整使控制精度調(diào)整到一個(gè)高的水平。

關(guān)鍵詞：工藝空調(diào)；溫濕度；含濕量；模糊控制；PLC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.001

卷煙企業(yè)生產(chǎn)車間工藝環(huán)境溫濕度的要求不同于一般的辦公室房間溫濕度，由于在卷煙煙絲生產(chǎn)與卷制過程中防止煙絲燥碎等生產(chǎn)問題的產(chǎn)生，對溫濕度較為敏感，為保證工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性，在重要的卷煙生成緩解溫濕度盡量減小波動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)反饋，建立快速的響應(yīng)系統(tǒng)[3]。

1 工藝空調(diào)的介紹

在煙草行業(yè)，工藝空調(diào)機(jī)組用于卷煙生產(chǎn)環(huán)節(jié)中空氣溫濕度精細(xì)化調(diào)節(jié)的主要設(shè)備，一般由回風(fēng)機(jī)段、混風(fēng)段、排風(fēng)段、過濾段、表冷段、加熱段、加濕段、新風(fēng)段、送風(fēng)機(jī)段組成。

生產(chǎn)區(qū)域中的空氣回風(fēng)經(jīng)過會風(fēng)機(jī)段部分排出室外，剩余回風(fēng)量與新風(fēng)量摻兌后經(jīng)過濾段過濾、表冷器降溫除濕、加熱器加熱，濕度過低時(shí)，經(jīng)過加濕器加濕，經(jīng)過送風(fēng)機(jī)段將處理后的空氣送入生產(chǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域的溫濕度的調(diào)節(jié)作用。

工藝空調(diào)回風(fēng)溫濕度的波動(dòng)與制絲和卷包生產(chǎn)過程有很大關(guān)系，首先因煙絲過料水汽等會直接影響區(qū)域中的中濕度穩(wěn)定控制；其次，隨季節(jié)的不同，其變化規(guī)律也在改變，如果使用傳統(tǒng)的PID進(jìn)行控制，多干擾因素的相互影響，PID控制會加劇區(qū)域中溫濕度的溫度和濕度的大幅度波動(dòng)。[2]因此，工藝空調(diào)的控制一直根據(jù)傳感器參數(shù)進(jìn)行人工控制，又因溫濕度變化的滿足一階慣性時(shí)滯與班組操作人員經(jīng)驗(yàn)不同，時(shí)常會造成溫濕度過度補(bǔ)償和補(bǔ)償不足的情況[4]。

2 在工藝空調(diào)中溫度和絕對濕度（含濕量）模糊控制原理

采用相對濕度控制，由于對空氣的處理是以溫度以及濕度兩個(gè)指標(biāo)來衡量，在控制方面，溫度與濕度是兩個(gè)單閉環(huán)，其兩者間在回路間不存在數(shù)據(jù)交換以及函數(shù)關(guān)系。[7]溫度波動(dòng)將導(dǎo)致相對濕度偏離控制目標(biāo)值，由此可見，這兩個(gè)控制回路都必須處于不斷調(diào)節(jié)狀態(tài)才可以滿足控制要求，在滿足精度的情況下，調(diào)節(jié)空氣狀態(tài)耗能較大。與以往模糊控制使用相對濕度不同，在該系統(tǒng)中采用含濕量代替相對濕度，在這種控制方式里，濕度的控制為系統(tǒng)的主控回路，表冷段在濕度超標(biāo)的狀態(tài)下只需將表冷后溫度降到目標(biāo)值再升溫，此時(shí)的溫濕度要求即可滿足要求。[8]在濕度低于目標(biāo)的情況下，除濕段不會動(dòng)作，此時(shí)只有溫度控制和加濕動(dòng)作?？刂七^程中，不會出現(xiàn)溫度和相對濕度的相互影響而導(dǎo)致各功能段頻繁動(dòng)作。溫度控制回路做為副回路，其回路包含在濕度回路中，單一的控制回路使得溫度控制非常準(zhǔn)確，且不會干擾濕度的控制目標(biāo)。不會出現(xiàn)溫度和相對濕度的相互影響而導(dǎo)致各功能段頻繁動(dòng)作，系統(tǒng)反應(yīng)更準(zhǔn)確、更迅速、且降低能耗[6]。

2.1 溫度含濕量控制

根據(jù)溫度和含濕量將坐標(biāo)圖分成4個(gè)區(qū)域。如圖2所示。

其中區(qū)域1高溫度高含濕量，2區(qū)域?yàn)榈蜏馗吆瑵窳浚?區(qū)域?yàn)榈蜏氐睾瑵窳浚?區(qū)域?yàn)楦邷氐秃瑵窳?。由于空氣溫度和空氣相對濕度二者具有耦合關(guān)系，溫濕度兩個(gè)傳感器同時(shí)執(zhí)行控制勢必會帶來相互干擾，而采用含濕量來判斷是否需要加濕除濕，則不會受溫度控制指令帶來干擾。

2.2 絕對濕度

常規(guī)的溫濕度變送器只能檢測換環(huán)境的溫度和相對濕度，無法直接獲得對應(yīng)的含濕量數(shù)據(jù)，因此需要通過溫度和相對濕度計(jì)算獲得含濕量值。根據(jù)空調(diào)送回風(fēng)溫濕度變送器及區(qū)域內(nèi)溫濕度變送器可將相對濕度轉(zhuǎn)化為含濕量。飽和水蒸氣分壓力：

2.3 輸入模糊化設(shè)計(jì)

模糊控制是一種基于語言規(guī)則與模糊推理的智能控制，它不依賴被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，是在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自控的一種手段。[1] 對于生產(chǎn)車間溫濕度模糊控制器，設(shè)計(jì)了參數(shù)自調(diào)整模糊控制，結(jié)構(gòu)如圖3所示：

2.4 模糊化控制規(guī)則設(shè)計(jì)

2.4.1 輸入模糊化

以溫度為例，被控對象的給定值為A，實(shí)測值為F（t），則閉環(huán)溫度偏差E=A-F（t），溫度偏差率為EC=E（t）-E（t-1）。

溫度偏差E及溫度偏差率EC的模糊語言變量分為：{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，表示符號為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，隸屬度函數(shù)選擇三角形。

溫度控制量UT 的取值：{關(guān)閉，微開，小開，半開，小半開，大半開，全開}，表示符號{CB，CM，CS，M，OS，OM，OB}.論域取值為{-9，-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9}，語言值隸屬度函數(shù)同樣選擇三角形。

2.4.2 隸屬函數(shù)的確定

由于三角形隸屬度函數(shù)在輸入值變化時(shí)比正態(tài)分布或高斯模型具有更高的靈活性，因此，選用溫濕度偏差與偏差變化率均選取三角形隸屬度函數(shù)。如圖4所示，各輸入變量的隸屬度函數(shù)，選擇的模糊集寬度為9。

根據(jù)隸屬度函數(shù)對輸入變量量化的17個(gè)等級，其相應(yīng)的隸屬度賦值如表2所示。

2.4.3 模糊控制規(guī)則

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況，得出模糊控制規(guī)則表，控制量總共有49條規(guī)則，每條規(guī)則對應(yīng)不同的溫度偏差值、溫度偏差率和控制量的語言值。根據(jù)推理合成原則，輸出模糊集合。

利用判決結(jié)果可建立模糊控制器查詢表。

2.4.4 輸出反模糊化

根據(jù)模糊控制規(guī)則表，有模糊推理合成規(guī)則，而出模糊控制量，如表4所示。通過查表得出UT，乘以比例因子Ku，即查表得出的結(jié)果U即為控制量的值u。同溫度模糊控制器一樣，絕對濕度的控制器也采用上述結(jié)構(gòu)。在這里不在詳述。

3 PLC實(shí)現(xiàn)含濕量模糊控制算法

在工業(yè)系統(tǒng)中，西門子PLC因運(yùn)行穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于煙草行業(yè)工業(yè)控制中。系統(tǒng)的PLC選用了SIEMENS的S7-300系列。配置如下：CPU選用CPU315-2PN/DP，模擬量輸入模塊（AI）SM331（8X12位）；模擬量輸出模塊（AO）SM332，（4X12位）；電源模塊選用PS-307，5A，24VDC。

3.1 程序設(shè)計(jì)流程圖

模糊控制設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3.2 梯形圖程序設(shè)計(jì)

絕對濕度和溫度的控制進(jìn)行分別閉環(huán)控制。絕對溫度的控制為主控制環(huán)，溫度控制包含在主控制環(huán)中。

首先，將區(qū)域溫度和相對濕度數(shù)據(jù)，計(jì)算出區(qū)域的含濕量。將溫度，相對濕度和含濕量數(shù)據(jù)分別寫入PLC 的數(shù)據(jù)塊中DB78.DBD0，DB78.DBD4，DB78.DBD8中，采樣KED，KECD，KEU分別寫入PLC數(shù)據(jù)塊中DB78.DBD12，DB78.DBD16，DB78.DBD20. 將目標(biāo)溫度和目標(biāo)含濕量值放入DB78.DBD24，DB78.DBD28中；采樣計(jì)算Ed，Ecd置入 DB78.DBD32，DB78.DBD36.計(jì)算得出的模糊控制量Ud放入DB78.DBD40中。

本文將模糊論域{-3，-2，-1，0，1，2，3}轉(zhuǎn)換為{1，2，3，4，5，6，7}，采用基址+變址的尋址方式將模糊控制量表中U的控制結(jié)果按由上到下、由左到右的順序依次填入PLC的數(shù)據(jù)DB塊DB79.DBD0～DB79.DBD192中?？刂屏康幕窞?，其偏移地址為0+Ec×7+E。

因絕對濕度的調(diào)整會造成溫度的改變，因此需要根據(jù)當(dāng)前絕對濕度及相對濕度計(jì)算溫度，將該溫度作為反饋值輸送給溫度模糊控制環(huán)中。因得知含濕量及相對濕度，不易計(jì)算溫度，因此通過查表法，來查找當(dāng)前溫度。

根據(jù)車間生產(chǎn)溫濕度需求，將含濕量從10.0至22.99等130個(gè)絕對濕度區(qū)間，并建立DB100至DB230 數(shù)據(jù)塊。每一個(gè)DB數(shù)據(jù)塊對應(yīng)一個(gè)含濕量。在每一個(gè)DB塊中記錄相對濕度與溫度的對應(yīng)關(guān)系，因此，只要給出含濕量和相對濕度，既可以通過查表查找出相對應(yīng)的一個(gè)唯一的溫度。

當(dāng)誤差E為正大PB，誤差變化率Ec為負(fù)大NB時(shí)，E=+3，Ec=-3轉(zhuǎn)化為E=+7，Ec=1，所以可得到其偏移地址為E+Ec@7=7+0@7，進(jìn)而控制量U的地址為E+Ec@7+0=7，則模糊控制量即為DB2.DB4中的內(nèi)容：-1.然后再通過解模糊運(yùn)算得出精確控制量u，通過模擬通道輸出，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出.

在Step7中通過一個(gè)系統(tǒng)組織塊OB1將組織塊OB35、控制功能塊FB41以及存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊結(jié)合成一個(gè)整體，以實(shí)現(xiàn)對溫濕度控制系統(tǒng)安全可靠地監(jiān)控。

4 結(jié)論

采用模糊控制前后的控制區(qū)域加濕過程進(jìn)行分析，如圖6和圖7所示，圖6為系統(tǒng)使用前后30分鐘內(nèi)加濕濕度變化曲線。人工操作將控制區(qū)域相對濕度由58.8%提升至65%，平均濕度提升7個(gè)百分點(diǎn)，用時(shí)22分鐘。在加濕過程中出現(xiàn)了濕度過渡補(bǔ)償現(xiàn)象。圖7是改為模糊控制后，控制區(qū)域濕度由54.6%提升至65%，平均濕度提升11個(gè)百分點(diǎn)，用時(shí)24分鐘，在加濕過程中未出現(xiàn)濕度過渡補(bǔ)償現(xiàn)象。

模糊控制是解決大時(shí)滯、非線性、建模困難的工業(yè)對象控制的一種較為適用的方法.而將PLC與模糊控制相結(jié)合，對一溫度和相對濕度為控制基準(zhǔn)的控制動(dòng)作分析，并經(jīng)過對改造機(jī)組的運(yùn)行記錄可以看出，采用含濕量代替相對是對作為溫濕度控制依據(jù)，能有效減少被調(diào)區(qū)域溫濕度波動(dòng)程度，提高溫濕度控制精度，對提高工況的穩(wěn)定性和控制精度、縮短工況穩(wěn)定時(shí)間是一種行之有效的方法。

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作者簡介：楊川（1986-），男，山東濟(jì)南人，研究生，助理工程師，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化控制。