基于漸次目標(biāo)跟蹤的大氣候箱防結(jié)露控制方法*

鄭煥祺 朱 科 周玉成

(1. 山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 濟(jì)南 250101； 2. 山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 濟(jì)南 250101)

人造板及其制品釋放的甲醛嚴(yán)重影響人類(lèi)身體健康，氣候箱法作為國(guó)際通用的檢測(cè)方法被廣泛采用(王正國(guó)等， 2015； 尹夢(mèng)婷等， 2018)。根據(jù)氣候箱容積不同，可將檢驗(yàn)方法分為小室法(容積≤1 m3)和大室法。大室法氣候箱能夠最大限度模擬人造板及其制品實(shí)際使用時(shí)的環(huán)境，并可避免對(duì)人造板制品的破壞性取樣。世界各國(guó)紛紛以法律或強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)形式規(guī)定使用大氣候箱法進(jìn)行人造板及其制品甲醛的釋放量檢測(cè)，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織使用ISO 16000-9標(biāo)準(zhǔn)，歐洲采用EN 717-1標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)加利福尼亞州以立法形式規(guī)定檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E 1333(吳盛富等， 2008)，我國(guó)則推行GB/T 33043標(biāo)準(zhǔn)。在大氣候箱的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)研究中，20世紀(jì)40年代末期Went(1949)建立了世界上第一個(gè)人工氣候室(Phytotron)，對(duì)溫度、光照等環(huán)境條件進(jìn)行控制； Zhang等(1992)設(shè)計(jì)了一個(gè)全尺寸測(cè)試室，用于研究室內(nèi)溫度控制； Lawless等(1996)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)8 m3動(dòng)態(tài)氣候箱。相較于國(guó)外，劉鑫鈺等(2013)研制了30 m3氣候箱用于甲醛釋放量檢測(cè)環(huán)境控制； 劉巍巍等(2010)、Wei等(2014)建立了30 m3全尺寸環(huán)境艙對(duì)通風(fēng)法和密閉法測(cè)試VOCs需要的環(huán)境條件進(jìn)行控制； 李輝(2010)建立了大型可分割環(huán)境試驗(yàn)艙進(jìn)行溫濕度穩(wěn)定性控制測(cè)試； Que等(2013)采用美國(guó)大室法標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)大氣候箱的溫度和濕度進(jìn)行控制。但現(xiàn)有的大氣候箱，在達(dá)到檢測(cè)條件過(guò)程中均易出現(xiàn)霧和結(jié)露現(xiàn)象。甲醛易溶于水，氣候箱內(nèi)結(jié)露產(chǎn)生的水吸收甲醛后，空氣中的甲醛含量呈下降趨勢(shì)，會(huì)使人造板及其制品甲醛釋放量的檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確；同時(shí)，現(xiàn)有大氣候箱達(dá)到檢測(cè)條件的時(shí)間較長(zhǎng)，能源消耗嚴(yán)重且穩(wěn)態(tài)精度不高。鑒于此，本研究提出漸次目標(biāo)跟蹤算法，進(jìn)行變參數(shù)PID控制，實(shí)現(xiàn)大氣候箱溫濕度控制過(guò)程中不出現(xiàn)霧和結(jié)露現(xiàn)象，縮短達(dá)到檢測(cè)條件的時(shí)間，使大氣候箱滿足人造板及其制品甲醛釋放量檢測(cè)的高精度要求。

1 氣候箱結(jié)露分析及防結(jié)露約束控制目標(biāo)

1.1 氣候箱結(jié)露分析

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣中含有一定量水蒸氣，當(dāng)空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，即相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)，若此時(shí)溫度下降，則空氣中會(huì)出現(xiàn)過(guò)飽和水汽凝結(jié)并析出的現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱為結(jié)露，當(dāng)有結(jié)核時(shí)形成霧，沒(méi)有結(jié)核時(shí)在物體表面遇冷形成露，出現(xiàn)結(jié)露的溫度稱為在此溫度和相對(duì)濕度條件下的“露點(diǎn)溫度”(戴路玲， 2016)。

氣候箱結(jié)露的原因是因?yàn)檫M(jìn)行箱內(nèi)調(diào)溫調(diào)濕時(shí)，氣候箱內(nèi)表面式冷卻器為了降低氣候箱內(nèi)溫度，需要以更低的溫度運(yùn)行，當(dāng)表面式冷卻器的溫度低于此刻氣候箱內(nèi)的露點(diǎn)溫度時(shí)，冷卻器表面會(huì)形成結(jié)露，如圖1所示，圖中方框內(nèi)為凝結(jié)出的水珠； 當(dāng)露點(diǎn)濕度發(fā)生器向氣候箱內(nèi)輸送飽和濕空氣時(shí)，若吹進(jìn)氣候箱的空氣溫度低于此刻的露點(diǎn)溫度，則低溫空氣會(huì)在氣候箱內(nèi)壁的不銹鋼表面上形成結(jié)露，如圖2所示，圖中方框內(nèi)為凝結(jié)出的水珠； 此外，氣候箱內(nèi)溫度下降且室內(nèi)濕度升高，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到飽和時(shí)，氣候箱內(nèi)同樣會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象； 將氣候箱置于露天場(chǎng)地時(shí)，極端低溫環(huán)境影響氣候箱初始內(nèi)壁溫度，濕熱氣流遇到氣候箱內(nèi)壁的冷界面同樣也會(huì)形成結(jié)露。

圖1 表面式冷卻器表面結(jié)露現(xiàn)象Fig.1 Condensation phenomenon on surface of surface cooler

圖2 氣候箱內(nèi)壁不銹鋼表面結(jié)露現(xiàn)象Fig.2 Condensation phenomenon on stainless steel surface inside chamber wall

1.2 防結(jié)露約束控制目標(biāo)

為防止產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，本研究提出約束目標(biāo)如下：

1) 防止表面式冷卻器結(jié)露，提出低溫飽和水汽約束控制法，即確保低溫飽和水汽的溫度低于表面式冷卻器的溫度。約束目標(biāo)為：

{t|TT(t)>TDew(t),t=0,1,2,…}。

式中：TT(t)為表面式冷卻器的溫度；TDew(t)為t時(shí)刻氣候箱內(nèi)的露點(diǎn)溫度。

2) 防止露點(diǎn)濕度發(fā)生器向氣候箱內(nèi)輸送飽和濕空氣引起結(jié)露，提出受限飽和濕空氣約束法，使整個(gè)控制過(guò)程進(jìn)氣的露點(diǎn)溫度高于氣候箱內(nèi)的結(jié)露溫度，即：

{t|TH(t)>TDew(t),t=0,1,2,…}。

式中：TH(t)為露點(diǎn)飽和濕空氣的溫度。

3) 對(duì)于外界環(huán)境變化引起的氣候箱內(nèi)部結(jié)露，采取將氣候箱主體部分置于室內(nèi)的方法，保障一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的外部環(huán)境，解決檢測(cè)室內(nèi)壁初始狀態(tài)溫度受外界影響的問(wèn)題。

2 漸次目標(biāo)跟蹤算法及變參數(shù)控制設(shè)計(jì)

常用的大氣候箱容積為30 m3，在確保室內(nèi)溫度23±2 ℃、相對(duì)濕度50%±5%(ISO 16000-9中8.1條)、被測(cè)樣品表面空氣流速0.1～0.3 m·s-1的條件下，每小時(shí)氣候箱內(nèi)向外部換氣30 m3。約束目標(biāo)的確定決定氣候箱控制系統(tǒng)的約束控制對(duì)象，針對(duì)約束目標(biāo)，本研究提出漸次目標(biāo)跟蹤算法，將總目標(biāo)分為若干子目標(biāo)，對(duì)于任意一個(gè)子目標(biāo)，根據(jù)子目標(biāo)值與當(dāng)前值的差值進(jìn)行變參數(shù)控制，在對(duì)任意一段的控制中，選用最佳控制參數(shù)，使氣候箱內(nèi)在快速達(dá)到檢測(cè)條件的同時(shí)不出現(xiàn)霧和結(jié)露現(xiàn)象。

2.1 漸次目標(biāo)跟蹤算法建模

漸次目標(biāo)跟蹤算法將控制目標(biāo)分為若干段，對(duì)每一段實(shí)施控制。

定義1： 令ξ為大于零的正數(shù)，對(duì)于總控制目標(biāo)fC_set(∞)有，fC_set(∞)±ξ為總控制目標(biāo)的上一個(gè)漸次目標(biāo)，其中帶寬值ξ在試驗(yàn)中獲取。

將控制目標(biāo)分為m個(gè)子目標(biāo)，即控制目標(biāo)為：

fC_set(t)={fC_set(t0),fC_set(t1),fC_set(t2),…,

fC_set(tm-1),fC_set(∞)±ξ,fC_set(∞)}。

式中：fC_set(t0)為控制對(duì)象的初始狀態(tài)；fC_set(∞)為目標(biāo)最終的控制設(shè)定值。

當(dāng)fC_set(t0)>fC_set(∞)時(shí)，取fC_set(∞)+ξ； 當(dāng)fC_set(t0)

定義2： 令對(duì)于給定的大于零的小數(shù)ε，當(dāng)氣候箱實(shí)時(shí)值fC(t)與跟蹤目標(biāo)值fC_set(ti)的差值|fC(t)-fC_set(ti)|≤ε時(shí)，則第i次漸次目標(biāo)跟蹤控制完成，控制子目標(biāo)fC_set(ti)變?yōu)橄乱欢慰刂谱幽繕?biāo)fC_set(ti+1)(1≤i≤m)。

定理： 設(shè)t時(shí)刻氣候箱的溫度為fT(t)，氣候箱的相對(duì)濕度為fH(t)，露點(diǎn)溫度為fDew(t)。則此時(shí)刻的露點(diǎn)溫度為：

fDew(t)=-27.77+0.475fH(t)+0.819 2fT(t)-

0.002 047fH2(t)+0.001 944fH(t)fT(t)-

0.000 077 87fT2(t)。

(1)

式中：t≥0，10≤fT(t)≤38，30≤fH(t)≤95。

定理證明： 依據(jù)焓濕圖(h-d)，可以在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，根據(jù)空氣溫度和相對(duì)濕度的確定得出此刻引起空氣中水蒸氣析出的露點(diǎn)溫度。

在焓濕圖中找到T=23 ℃等溫線與H=50%等相對(duì)濕度線的交叉點(diǎn)，由交叉點(diǎn)沿等d線向下與H=100%相對(duì)濕度線作交點(diǎn)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度12.0 ℃為露點(diǎn)溫度。本研究提出的檢測(cè)環(huán)境溫度范圍為10～38 ℃，可滿足要求。因此可從熱工手冊(cè)中查到相應(yīng)環(huán)境溫度和相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度。

將得到的數(shù)據(jù)采用多項(xiàng)式回歸法變換為連續(xù)多項(xiàng)式函數(shù)(Fitzmauriceetal.， 2016)。

設(shè)fT(t)為氣候箱的溫度，fH(t)為氣候箱的相對(duì)濕度，fDew(fT(t),fH(t))為該溫濕度條件下擬合的結(jié)露溫度函數(shù)。

令fDew(fT(t),fH(t))為二次多項(xiàng)式：

fDew(fT(t),fH(t))=p0+p1fH(t)+p2fT(t)+

p3fH2(t)+p4fH(t)fT(t)+p5fT2(t)。

(2)

式中：pk為各項(xiàng)系數(shù)，0≤k≤5。

根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，可得第i行溫度第j列相對(duì)濕度的一組[fH(t)i,j,fT(t)i,j]對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)fDew(t)i,j，其中1≤i≤28，1≤j≤14。令N=28，M=14，則擬合曲面fDew(fT(t),fH(t))與露點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)fDew(t)i,j偏差的平方和L(p)為：

p4fH(t)i,jfT(t)i,j+p5fT2(t)i,j-fDew(t)i,j)]2。

(3)

為了使擬合的曲面無(wú)限接近擬合點(diǎn)，令偏差的平方和L(p)取最小(Yuanetal.， 2018； Madencietal.， 2019)，即 ?L(p)/?pk=0，有：

求解式(4)得到：p0=-27.77，p1=0.475，p2=0.819 2，p3=-2.047×10-3，p4=1.944×10-3，p5=-7.787×10-5。

證畢。

大氣候箱濕度控制漸次跟蹤模型構(gòu)建如下： 令大氣候箱初始時(shí)刻t0時(shí)相對(duì)濕度為H0，記為fH(t0)=H0，目標(biāo)濕度為fH_set(ti)； 令漸次跟蹤目標(biāo)的步長(zhǎng)為K(K∈N)； 限幅帶寬為ξ(ξ>0)。則fH(t0)-fH_set(∞)-ξ=L，即將總目標(biāo)分為m+1個(gè)小段，其中m為整數(shù)。將L/K=m+Δk中的Δk合并到限幅帶寬ξ中，即限幅總帶寬為ξ+Δk。漸次目標(biāo)跟蹤控制器設(shè)計(jì)步驟如下。

Step 1： 首次跟蹤目標(biāo)時(shí)，令第1次設(shè)定值為fH_set(t1)，則第1次設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值的差值為：

fH_set(t1)-fH(t)=er(t)。

(5)

將誤差er(t)代入PID(Shahnietal.， 2019)，得：

(6)

式中：ur(t)為控制器輸出；er(t)為反饋信號(hào)與漸次目標(biāo)設(shè)定值誤差；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)。

若此刻氣候箱的溫度為fT(t)，氣候箱的相對(duì)濕度為fH(t)，可得此時(shí)對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度f(wàn)Dew(t)，若露點(diǎn)濕度發(fā)生器水箱溫度為T(mén)H(t)，則當(dāng)TH(t)>fDew(t)時(shí)，氣候箱內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，控制器輸出ur(t)繼續(xù)輸出； 反之，若fH(t)>fH_set(∞)，控制器滿負(fù)荷輸出，若fH(t1)

當(dāng)氣候箱實(shí)時(shí)值fH(t)滿足定義2時(shí)，則控制目標(biāo)達(dá)到，進(jìn)入下一跟蹤目標(biāo)控制； 如果沒(méi)有達(dá)到，則繼續(xù)實(shí)施跟蹤控制。

…

Stepm： 第m次跟蹤目標(biāo)時(shí)，令第m次設(shè)定值fH_set(tm)，則第m次設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值的差值為：

fH_set(tm)-fH(t)=er(t)。

將第m次跟蹤目標(biāo)誤差er(t)代入式(6)進(jìn)行控制，得輸出ur(t)。判斷此時(shí)是否引起結(jié)露，當(dāng)滿足TH(t)>fDew(t)時(shí)，控制器繼續(xù)輸出； 反之，滿負(fù)荷輸出或輸出復(fù)位為0。當(dāng)氣候箱實(shí)時(shí)值fH(t)滿足定義2時(shí)，控制目標(biāo)達(dá)到，進(jìn)入下一目標(biāo)； 否則繼續(xù)跟蹤控制。

Stepm+1： 當(dāng)跟蹤目標(biāo)到達(dá)限幅帶寬ξ+Δk內(nèi)時(shí)，此時(shí)的跟蹤目標(biāo)為：

fH_set(tm+1)=fH_set(∞)。

在帶寬±ξ+Δk內(nèi)的控制采用PID算法，則跟蹤控制輸出為：

(7)

式中：er(t)=fH_set(∞)-fH(t)； 比例系數(shù)KHp、積分系數(shù)KHi和微分系數(shù)KHd為最終控制參數(shù)。

從而經(jīng)過(guò)m+1次后達(dá)到最終設(shè)定目標(biāo)值fH_set(∞)。將式(7)寫(xiě)為離散函數(shù)，即：

式中：er(k)為第k次誤差；THi為積分時(shí)間；THd為微分時(shí)間；T為采樣時(shí)間。

2.2 變參數(shù)控制

大氣候箱內(nèi)濕熱交換過(guò)程復(fù)雜，大滯后現(xiàn)象明顯，一個(gè)固定PID參數(shù)的控制器在分段控制中會(huì)使系統(tǒng)的性能變差(Shahetal.， 2016； Xiangetal.， 2019)，甚至產(chǎn)生震蕩。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)的漸次目標(biāo)逼近控制系統(tǒng)，每一段控制可以根據(jù)不結(jié)露的約束選擇最優(yōu)的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)kd，使大氣候箱內(nèi)在確保不出現(xiàn)霧和露的前提下溫濕度快速達(dá)到檢測(cè)條件。

在PID控制器中，比例系數(shù)kp起增益調(diào)節(jié)作用，積分系數(shù)Ki起穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)作用，微分系數(shù)kd起克服較大慣性或滯后的作用。依據(jù)子目標(biāo)值與最終設(shè)定目標(biāo)的差值，當(dāng)差值大時(shí)比例系數(shù)kp和積分系數(shù)Ki可以適當(dāng)增加，以縮短系統(tǒng)達(dá)到子目標(biāo)值的時(shí)間； 當(dāng)差值縮小，即趨于最終目標(biāo)設(shè)定值時(shí)，減小比例系數(shù)kp和積分系數(shù)Ki，可保障系統(tǒng)在逼近下一個(gè)目標(biāo)時(shí)不產(chǎn)生過(guò)度震蕩，達(dá)到高精度控制。

令初始值與目標(biāo)值誤差達(dá)到最大值maxΔer時(shí)對(duì)應(yīng)的比例因子為maxkp， 令誤差值為0時(shí)對(duì)應(yīng)的比例因子為0。如圖3所示，連接Pmax與Pi兩點(diǎn)，使得比例因子kp在Pmax與Pi兩點(diǎn)之間的直線上滑動(dòng)，當(dāng)誤差Δer增大或減小時(shí),比例系數(shù)kp相應(yīng)增大或減小。

圖3 參數(shù)kp選取規(guī)則Fig.3 Rule of variable parameter kpcontrol

圖3中，橫軸表示誤差值Δer，縱軸表示比例系數(shù)kp。對(duì)于任意誤差Δer∈[0,maxΔer]，由三角形相似比例得：

(8)

整理得：

(9)

式中：kp為此刻選擇的比例參數(shù)； maxkp為滿負(fù)荷輸出的比例系數(shù)； Δer為實(shí)際值與目標(biāo)值的誤差； maxΔer為初始值與最終設(shè)定值的最大誤差。

式(9)為任意漸次目標(biāo)跟蹤控制比例項(xiàng)系數(shù)的選擇模型。

積分項(xiàng)是補(bǔ)充非線性系統(tǒng)控制中比例項(xiàng)增益的不足，但積分項(xiàng)會(huì)使控制曲線出現(xiàn)震蕩(圖4)。

圖4 氣候箱控制震蕩曲線Fig.4 Oscillation curve of climate chamber

圖4中，由于濕度的初始點(diǎn)在設(shè)定目標(biāo)值下方，因此控制系統(tǒng)一直實(shí)施增量控制。當(dāng)控制曲線達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值時(shí)，雖然控制輸出ur(t)=Kper(t)為零，但積分項(xiàng)不為零，控制曲線仍會(huì)上升直至積分項(xiàng)累積和為零時(shí)曲線才會(huì)下降，由此導(dǎo)致的氣候箱內(nèi)出現(xiàn)霧和結(jié)露現(xiàn)象作為檢測(cè)儀器是應(yīng)該避免的。當(dāng)濕度的初始點(diǎn)在設(shè)定目標(biāo)值上方時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生同樣的問(wèn)題。

本研究提出的漸次目標(biāo)跟蹤控制模型，首先找到復(fù)雜非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定點(diǎn)，進(jìn)而找到穩(wěn)定點(diǎn)的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)kd。對(duì)于前m段中任意子目標(biāo)值比例系數(shù)kp，根據(jù)前述的動(dòng)態(tài)方法選取。積分項(xiàng)系數(shù)、微分項(xiàng)系數(shù)選取系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)的積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)kd。第m+1段的控制則直接選用系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)kd。系數(shù)選取采用齊格勒-尼科爾斯法則(Ziegleretal.， 1942)，首先，采用試湊法找到使系統(tǒng)產(chǎn)生周期震蕩的kp，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生等幅周期震蕩時(shí)，記錄此時(shí)的比例系數(shù)kp； 然后，選取積分時(shí)間Ti為2倍的等幅周期震蕩時(shí)間； 最后，選取微分時(shí)間Td系數(shù)為0.125倍的等幅周期震蕩時(shí)間，同時(shí)比例系數(shù)kp減小為0.6kp。經(jīng)過(guò)以上選取方法，得到復(fù)雜非線性系統(tǒng)穩(wěn)定點(diǎn)的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與控制算法實(shí)現(xiàn)

3.1 氣候箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甲醛/VOCs檢測(cè)用氣候箱包括箱體、控溫系統(tǒng)、控濕系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中，控溫系統(tǒng)由控溫水箱、加熱裝置、制冷壓縮機(jī)及制冷盤(pán)管、表面式冷卻器和循環(huán)水泵構(gòu)成，控濕系統(tǒng)由露點(diǎn)濕度發(fā)生器、加熱裝置、制冷壓縮機(jī)及制冷盤(pán)管、風(fēng)泵和轉(zhuǎn)子流量計(jì)構(gòu)成，如圖5所示。

大氣候箱工作時(shí)，系統(tǒng)首先檢測(cè)大氣候箱內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度。控溫水箱內(nèi)的制冷和加熱器開(kāi)始運(yùn)行，將控溫水箱內(nèi)的水通過(guò)無(wú)油磁力泵傳送到氣候箱內(nèi)的表面式冷卻器中，并回水至控溫水箱，表面式冷卻器向箱體內(nèi)釋放或吸收熱量。釋放或吸收的熱量通過(guò)循環(huán)風(fēng)扇使氣候箱內(nèi)的溫度保持均勻，直至達(dá)到設(shè)定溫度。同時(shí)，露點(diǎn)濕度發(fā)生器內(nèi)的制冷和制熱設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行，將調(diào)制好的介質(zhì)水通過(guò)無(wú)油磁力泵輸送到頂端的噴淋裝置中，使水流向下噴淋。置于外部的風(fēng)泵將室外空氣泵入空氣凈化裝置中，凈化后的空氣輸送到露點(diǎn)濕度發(fā)生器底部的出氣口，使空氣保持向上運(yùn)動(dòng)。由于在瓷環(huán)層中噴淋裝置噴出的水流被打散，向上運(yùn)動(dòng)的空氣與調(diào)制好的介質(zhì)水充分接觸，因此空氣呈露點(diǎn)飽和狀態(tài)。露點(diǎn)飽和狀態(tài)的空氣經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)后被輸送到氣候箱的噴射裝置中，經(jīng)室內(nèi)風(fēng)扇吹掃混合，使氣候箱內(nèi)的溫濕度均勻。

3.2 控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

大氣候箱控制系統(tǒng)由溫度控制和相對(duì)濕度控制2部分構(gòu)成，設(shè)定大氣候箱內(nèi)溫度值和相對(duì)濕度值并啟動(dòng)后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣候箱內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度。通過(guò)控制算法調(diào)節(jié)控溫水箱的溫度，使大氣候箱內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定值； 通過(guò)控制算法控制露點(diǎn)濕度發(fā)生器的溫度，進(jìn)而控制大氣候箱內(nèi)相對(duì)濕度。溫控系統(tǒng)和濕控系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性?？刂扑惴ǔ绦蛄鞒倘鐖D6所示。

圖5 氣候箱結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic of climatic chamber

圖6 控制算法程序流程Fig.6 The flow chart of control algorithm program

溫度控制系統(tǒng)在系統(tǒng)初始化后，讀取箱內(nèi)溫度控制目標(biāo)、箱內(nèi)溫度值和PID控制算法比例以及微分和積分參數(shù)。目標(biāo)值與測(cè)量值作差后代入PID控制模塊，計(jì)算輸出0～24 V的脈沖電壓，并傳送給固態(tài)繼電器的控制輸入端。固態(tài)繼電器接到PID輸出的電壓值后輸出相應(yīng)的0～220 V交流電壓，從而控制控溫水箱的電加熱器功率。調(diào)整好的控溫水箱內(nèi)的介質(zhì)水通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)送至箱內(nèi)表面式冷卻器，達(dá)到控制箱內(nèi)溫度的目的。

對(duì)于控濕系統(tǒng)，當(dāng)控制程序算法啟動(dòng)后進(jìn)行初始化，讀取相對(duì)濕度控制目標(biāo)、箱內(nèi)濕度值和相對(duì)濕度。將相對(duì)濕度控制目標(biāo)分解為m+1個(gè)子目標(biāo)，用實(shí)時(shí)值和目標(biāo)值作差。順次選取分段后的子目標(biāo)作為當(dāng)前控制目標(biāo)，通過(guò)變參數(shù)模型選取PID的比例、微分和積分系數(shù)，進(jìn)行PID控制計(jì)算，PID的輸出影響通過(guò)結(jié)露預(yù)測(cè)器進(jìn)行判別。如果結(jié)露，輸出賦值為零或滿負(fù)荷輸出。如果不結(jié)露，程序判定是否達(dá)到子目標(biāo)： 如果子目標(biāo)未達(dá)到，則繼續(xù)對(duì)箱內(nèi)相對(duì)濕度進(jìn)行調(diào)整； 如果子目標(biāo)達(dá)到，則程序開(kāi)啟下一個(gè)子目標(biāo)控制。重復(fù)上述過(guò)程，直到相對(duì)濕度達(dá)到總設(shè)定目標(biāo)。

控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用工控觸摸屏作為上位機(jī)、可編程邏輯控制器作為下位機(jī)的結(jié)構(gòu)。上位機(jī)采用MCGS組態(tài)軟件編寫(xiě)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)下達(dá)操作指令、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)、定時(shí)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)的功能，下位機(jī)采用西門(mén)子系列的可編程邏輯控制器(PLC)編寫(xiě)溫度和濕度控制系統(tǒng)，上下位機(jī)通過(guò)RS485通訊。上位機(jī)、下位機(jī)設(shè)計(jì)示意如圖7所示。其中，控溫水箱的制冷壓縮機(jī)功率為1.5匹，電阻式加熱器功率為4 kW。露點(diǎn)濕度發(fā)生器的制冷壓縮機(jī)功率為2匹，電阻式加熱器功率為6 kW。風(fēng)泵最大能夠提供60 m3·h-1的風(fēng)量。循環(huán)水泵的流量為50 L·h-1?？貪裣到y(tǒng)和控溫系統(tǒng)中，PLC的2個(gè)控制端口Q0.0和Q0.1分別控制控溫固態(tài)繼電器和控濕固態(tài)繼電器，通過(guò)2個(gè)固態(tài)繼電器分別控制控溫水箱和露點(diǎn)濕度發(fā)生器中的加熱器?？刂破鬟x用西門(mén)子S7系列，模擬量采集模塊選用EM231。使用變量類(lèi)型有數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出和模擬量輸入3類(lèi)，其中，數(shù)字量輸入使用手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、循環(huán)風(fēng)機(jī)、露點(diǎn)氣泵、控溫循環(huán)水泵、控溫冷凍機(jī)、控溫水箱加熱、露點(diǎn)水箱加熱、露點(diǎn)水泵和露點(diǎn)冷凍機(jī)開(kāi)關(guān)量輸入10個(gè)變量分別監(jiān)測(cè)，輸入點(diǎn)分別為I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1； 數(shù)字量輸出分別控制露點(diǎn)水箱加熱器、控溫水箱加熱、循環(huán)風(fēng)機(jī)、露點(diǎn)水泵、露點(diǎn)氣泵、露點(diǎn)冷凍機(jī)、控溫冷凍機(jī)和控溫循環(huán)水泵8個(gè)輸出點(diǎn)，對(duì)應(yīng)控制器的輸出點(diǎn)為Q0.0～Q0.7； 模擬量輸入使用EM231的4個(gè)輸入點(diǎn)，分別采集箱內(nèi)相對(duì)濕度、箱內(nèi)溫度、露點(diǎn)濕度發(fā)生器溫度和控溫水箱溫度。硬件電路實(shí)現(xiàn)如圖8所示。

圖7 上位機(jī)下位機(jī)設(shè)計(jì)示意Fig.7 Design diagram of slave computer and principal computer

圖8 系統(tǒng)硬件電路Fig.8 System hardware circuit diagram

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用本研究提出的控制方法進(jìn)行人造板家具甲醛釋放量檢測(cè)，整個(gè)過(guò)程中未出現(xiàn)霧和結(jié)露現(xiàn)象，控制精度滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 16000-9要求。在不同季節(jié)環(huán)境條件下進(jìn)行控制能力測(cè)試，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9a、b、c、d所示。

圖9 過(guò)渡過(guò)程曲線Fig.9 Curve of transient process

圖9中，點(diǎn)畫(huà)線為設(shè)定值，即溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為50%； 點(diǎn)-點(diǎn)線為精度范圍，溫度±0.1 ℃，相對(duì)濕度±3%。圖9a中，相對(duì)濕度第1次達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值的時(shí)間為5 523 s，超調(diào)量為1.2%； 溫度第1次達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值的時(shí)間為7 385 s，超調(diào)量為0 ℃； 達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為3.3 h。圖9b中，相對(duì)濕度第1次達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值的時(shí)間為28 070 s，超調(diào)量為0.7%； 溫度第1次達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值的時(shí)間為18 900 s，超調(diào)量為0.1 ℃； 達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為7.8 h。圖9c中，相對(duì)濕度第1次達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值的時(shí)間為12 760 s，超調(diào)量為0.2%； 溫度第1次達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值的時(shí)間為9 676 s，超調(diào)量為0 ℃； 達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為3.8 h。圖9d中，相對(duì)濕度第1次達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值的時(shí)間為15 760 s，超調(diào)量為0.2%； 溫度第1次達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值的時(shí)間為10 490 s，超調(diào)量為0 ℃； 達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為4.4 h。

4.2 結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，氣候箱內(nèi)相對(duì)濕度初始值無(wú)論在控制目標(biāo)下方還是在控制目標(biāo)上方，都能非常平滑地漸近跟蹤到控制目標(biāo)設(shè)定值范圍內(nèi)，其中相對(duì)濕度誤差范圍±3%，溫度誤差范圍±0.1 ℃，達(dá)到檢測(cè)條件的時(shí)間為6～8 h。

圖9a為春季試驗(yàn)數(shù)據(jù)，氣候箱內(nèi)起始溫度和相對(duì)濕度低于設(shè)定值，置于露天場(chǎng)地的制冷等設(shè)備工作環(huán)境溫度適宜，能夠較快達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。圖9b為夏季試驗(yàn)數(shù)據(jù)，氣候箱內(nèi)初始條件處于高溫高濕狀態(tài)，設(shè)備工作環(huán)境溫度較高，制冷效力受環(huán)境溫度限制，氣候箱需要20 000 s左右才能進(jìn)入精度范圍，28 080 s即8 h(28 800 s)內(nèi)能夠達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。圖9c為秋季試驗(yàn)數(shù)據(jù)，氣候箱內(nèi)起始溫度低于設(shè)定值，相對(duì)濕度由于降雨影響高于設(shè)定值，但此時(shí)設(shè)備工作環(huán)境溫度適宜，氣候箱內(nèi)溫濕度能夠較快達(dá)到設(shè)定條件。圖9d為冬季試驗(yàn)數(shù)據(jù)，氣候箱內(nèi)起始條件為低溫低濕，由于環(huán)境溫度較低，加熱器相比其他季節(jié)需要做更多的功來(lái)克服能量的損耗和介質(zhì)水的預(yù)熱，因此氣候箱內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間慢于春季和秋季。

分析試驗(yàn)結(jié)果可得，季節(jié)性的環(huán)境條件對(duì)氣候箱達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間具有較大影響： 一是環(huán)境溫度變化導(dǎo)致氣候箱內(nèi)的初始條件不同； 二是環(huán)境溫度影響設(shè)備工作狀態(tài)。春季和秋季環(huán)境適宜，氣候箱能夠在一個(gè)較好的前提下快速達(dá)到檢測(cè)甲醛/VOCs的溫濕度條件。夏季和冬季因極端的高溫高濕和低溫低濕環(huán)境，導(dǎo)致氣候箱達(dá)到檢測(cè)條件的時(shí)間大于其他季節(jié)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大功率為14 kW時(shí)，氣候箱達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間不超過(guò)8 h。

同時(shí)，由于30 m3氣候箱是一個(gè)大容積場(chǎng)所，系統(tǒng)存在大滯后現(xiàn)象(Lietal.， 2017)，當(dāng)試驗(yàn)中露點(diǎn)濕度發(fā)生器需要補(bǔ)水時(shí)，介質(zhì)水溫度變化將導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)，系統(tǒng)需要較長(zhǎng)的調(diào)整時(shí)間。為此，本研究對(duì)于氣候箱補(bǔ)水時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)采用前饋PID控制方法進(jìn)行補(bǔ)償控制(鄭煥祺等， 2018)，通過(guò)對(duì)露點(diǎn)濕度發(fā)生器中介質(zhì)水溫度的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，將調(diào)制好同等溫度的介質(zhì)水補(bǔ)充到露點(diǎn)濕度發(fā)生器中，從而減少系統(tǒng)擾動(dòng)，提高控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的精度，避免時(shí)滯現(xiàn)象對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的漸次目標(biāo)控制算法能夠使30 m3大氣候箱： 1) 在達(dá)到檢測(cè)條件過(guò)程中，無(wú)霧和結(jié)露現(xiàn)象出現(xiàn)； 2) 穩(wěn)態(tài)工作精度達(dá)到溫度23±0.1 ℃，相對(duì)濕度50%±3%，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 16000-9要求； 3) 達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作的時(shí)間不超過(guò)8 h。