基于動(dòng)態(tài)模糊解耦補(bǔ)償器的空調(diào)控制策略研究

王延年 杜 凱 武云輝 唐恒坤

（西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

1 研究背景

在紡織廠，生產(chǎn)車間的空氣溫濕度是影響生產(chǎn)紡織品產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]，因此，如何控制紡織廠車間的空氣溫濕度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。在我國目前的紡織品生產(chǎn)環(huán)境中，其生產(chǎn)車間的溫度范圍是33℃～35℃，相對(duì)濕度范圍是55%～58%，一旦溫濕度不能滿足此要求，將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)的紡織廠空調(diào)仍是采用人工控制的方法，在調(diào)節(jié)方式上是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度不高，調(diào)節(jié)時(shí)間較長。本文設(shè)計(jì)了基于STM 32的紡織廠空調(diào)控制系統(tǒng)，利用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)算法加入模糊解耦補(bǔ)償器的控制方式對(duì)紡織廠空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，根據(jù)車間內(nèi)外環(huán)境變化，及時(shí)調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量來保證車間溫濕度的穩(wěn)定性，從而滿足紡織廠生產(chǎn)車間對(duì)溫濕度的要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)空調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。本控制系統(tǒng)中，采用意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的高性能微處理器STM 32F4ZGT 6為主控芯片，利用溫度傳感器、濕度傳感器采集車間內(nèi)外的溫濕度值，送至主處理器中，通過主處理器的處理、算法運(yùn)算，將控制信號(hào)輸出至風(fēng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變頻器，用于控制風(fēng)窗、風(fēng)機(jī)以及水泵。觸摸屏人機(jī)界面用于顯示系統(tǒng)中各部分的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置滿足生產(chǎn)車間正常生產(chǎn)的溫濕度要求以及報(bào)警信息的顯示。

圖1 空調(diào)控制系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)控制策略及算法實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)控制策略與控制流程

紡織廠空調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法，根據(jù)濕度優(yōu)先原則[2]，把車間空氣含濕量作為首要對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)。紡織廠空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)設(shè)備中，風(fēng)機(jī)能耗＞水泵能耗＞風(fēng)窗能耗，根據(jù)“增小減大”原則，當(dāng)車間空氣的相對(duì)濕度低于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，通過依次增大耗電量較小設(shè)備的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)來滿足生產(chǎn)需求；當(dāng)車間相對(duì)濕度高于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，通過依次減小耗電量較大設(shè)備的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)來滿足生產(chǎn)需求。

系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。系統(tǒng)通電后，首先系統(tǒng)初始化，將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行初始值賦值，系統(tǒng)進(jìn)行延時(shí)檢測(cè)，采集生產(chǎn)車間內(nèi)的溫濕度、室外的溫濕度等數(shù)據(jù)。通過各部分的算法運(yùn)算，將新一輪的控制輸出值送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。

圖2 系統(tǒng)主程序流程

3.2 系統(tǒng)的控制算法

在紡織品的生產(chǎn)過程中，對(duì)生產(chǎn)車間環(huán)境參數(shù)的要求比較嚴(yán)格[3]；又由于紡織廠空調(diào)的調(diào)節(jié)參數(shù)中需要考慮到室外環(huán)境的數(shù)據(jù)，而我國紡織廠的分布具有地域廣的特點(diǎn)，同一季節(jié)不同地區(qū)，同一地區(qū)不同季節(jié)以及晝夜溫差等因素均對(duì)紡織廠空調(diào)設(shè)備的調(diào)節(jié)有一定的影響；并且其工藝指標(biāo)為生產(chǎn)車間的溫濕度，調(diào)節(jié)設(shè)備為風(fēng)窗開度、變頻器等可調(diào)物理量，調(diào)節(jié)的溫濕度兩者之間表現(xiàn)為強(qiáng)耦合的關(guān)系，加大了紡織廠空調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)難度[4]。本系統(tǒng)中，采用了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)算法加入模糊解耦補(bǔ)償器形成的動(dòng)態(tài)解耦算法進(jìn)行系統(tǒng)的解耦[5]，越接近調(diào)節(jié)目標(biāo)，風(fēng)機(jī)、水泵、風(fēng)窗之間互相影響量就越小，隨著系統(tǒng)長期運(yùn)行，該影響量可忽略不計(jì)。

動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)算法公式：

式中：Y(t)分別為當(dāng)前時(shí)刻的送風(fēng)機(jī)控制輸出量、循環(huán)水泵控制輸出量、新風(fēng)窗開度；Y(t-1)分別為上一時(shí)刻的送風(fēng)機(jī)控制輸出量、循環(huán)水泵控制輸出量、新風(fēng)窗開度；Fmax分別為送風(fēng)機(jī)輸出量上限、循環(huán)水泵輸出量上限、新風(fēng)窗開度最大值；Fmin分別為送風(fēng)機(jī)輸出量下限、循環(huán)水泵輸出量下限、新風(fēng)窗開度最小值；Bmax分別為車間設(shè)定溫度上限、車間設(shè)定相對(duì)濕度上限、機(jī)器露點(diǎn)最大焓值；Bmin分別為車間設(shè)定溫度下限、車間設(shè)定相對(duì)濕度下限、機(jī)器露點(diǎn)最小焓值；D分別為車間實(shí)測(cè)溫度、車間實(shí)測(cè)相對(duì)濕度、混合點(diǎn)焓值；K表示修正系數(shù)，取值范圍是0～1。通過改變K值的大小，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制輸出每一次的風(fēng)機(jī)頻率以及風(fēng)窗開度的增量，默認(rèn)值為0.5。

其中根據(jù)車間設(shè)定的最大溫濕度和最小溫濕度求出相對(duì)應(yīng)的最大最小含濕量，再根據(jù)相對(duì)濕度為90%時(shí)，求出機(jī)器露點(diǎn)焓值的上下限。車間的溫濕度上下限通過觸摸屏頁面進(jìn)行設(shè)置。

工藝風(fēng)機(jī)是車間機(jī)臺(tái)發(fā)熱量排出的主要散熱設(shè)備[6]，當(dāng)夏季室外溫度較高時(shí)，工藝風(fēng)窗一般為關(guān)閉狀態(tài)，工藝風(fēng)機(jī)將車間機(jī)臺(tái)熱量排出至室外；在冬季室外溫度比較低的時(shí)候，通過工藝風(fēng)窗算法控制工藝風(fēng)窗的開度，通過工藝風(fēng)機(jī)可將車間機(jī)臺(tái)發(fā)出的熱量送至空調(diào)室進(jìn)行二次回風(fēng)調(diào)節(jié)，能夠極大減少能源的不必要浪費(fèi)。

根據(jù)當(dāng)前新風(fēng)機(jī)的輸出量計(jì)算地吸風(fēng)機(jī)的輸出值，即：

式中：Pd為地吸風(fēng)機(jī)的最大功率；Pg為工藝風(fēng)機(jī)的最大功率；Ps為送風(fēng)機(jī)的最大功率。根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行功率可知設(shè)備運(yùn)行時(shí)的控制頻率。工藝風(fēng)機(jī)是以最大功率運(yùn)轉(zhuǎn)，因此只需已知送風(fēng)機(jī)頻率與地吸風(fēng)機(jī)頻率的差值ΔF即可。ΔF可根據(jù)不同紡織廠的設(shè)備參數(shù)直接在觸摸屏上修改。

地吸風(fēng)窗調(diào)節(jié)公式：

式中：Y(t)地是地吸風(fēng)窗的輸出量；O新MAX是新風(fēng)窗調(diào)節(jié)范圍的最大值；Y(t)新是新風(fēng)窗的輸出量。

3.3 系統(tǒng)解耦設(shè)計(jì)

紡織廠空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中所耦合的部分主要是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)車間濕度時(shí)所造成車間溫度的偏移，調(diào)節(jié)車間溫度時(shí)所造成車間濕度的偏移。本文采用在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)算法之后加入模糊解耦補(bǔ)償器，在調(diào)節(jié)過程中，根據(jù)濕度優(yōu)先的原則，以濕度值為主要指標(biāo)，即將優(yōu)先調(diào)節(jié)濕度所帶來的溫度偏移，進(jìn)行的溫度反向補(bǔ)償調(diào)節(jié)。系統(tǒng)解耦結(jié)構(gòu)如圖3所示。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)1對(duì)應(yīng)的設(shè)備為風(fēng)窗開度、水泵頻率，是車間相對(duì)濕度的主要調(diào)節(jié)設(shè)備，其輸入量F1(t)由式（4）、式（5）確定。

圖3 系統(tǒng)解耦結(jié)構(gòu)圖

增加車間濕度：

減小車間濕度：

圖3中模糊解耦補(bǔ)償器的輸入ΔT由調(diào)節(jié)車間相對(duì)濕度時(shí)造成車間溫度的偏差量Δt以及偏差變化率確定Δtc，即：

模糊解耦補(bǔ)償器的輸出為U，執(zhí)行機(jī)構(gòu)2對(duì)應(yīng)的設(shè)備為送風(fēng)機(jī)，是車間溫度的主要調(diào)節(jié)設(shè)備，輸入量F2(t)為：

3.4 模糊解耦補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)

模糊解耦補(bǔ)償器選取溫濕度互相耦合所得到的溫度偏差量Δt以及偏差的變化率Δtc為輸入量，輸出量U為當(dāng)前溫度偏差量所對(duì)應(yīng)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前次調(diào)節(jié)的增量Δβ。根據(jù)濕度優(yōu)先的原則，在當(dāng)前次調(diào)節(jié)的過程中，可以得到溫濕度互相耦合所得到的溫度偏差量Δt、偏差變化率Δtc以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前次調(diào)節(jié)的增量Δβ。偏差變化率與偏差量的關(guān)系為：

式中：Δt為實(shí)測(cè)溫度減去需求溫度；Δ(t-1)為上一時(shí)刻的誤差；T為系統(tǒng)調(diào)節(jié)的延時(shí)時(shí)間。

以當(dāng)前次調(diào)節(jié)為基準(zhǔn)，前7次調(diào)節(jié)的溫度偏差量Δt、偏差變化率Δtc、輸出量U的量化域統(tǒng)一設(shè)定為[-3，3]。選用“正大”、“正中”、“正小”、“零”、“負(fù)小”、“負(fù)中”、“負(fù)大”，即｛PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB｝7個(gè)語言變量描述模糊變量。建立紡織廠空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模糊解耦補(bǔ)償控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊解耦規(guī)則控制表

將前7次的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前次調(diào)節(jié)的增量Δβ按照從小到大排序?yàn)棣う?至Δβ7，則輸出量U對(duì)應(yīng)的論域?yàn)椋?/p>

模糊補(bǔ)償器的解耦補(bǔ)償控制規(guī)則每一次調(diào)節(jié)后都會(huì)更新。輸出量U都是根據(jù)當(dāng)前調(diào)節(jié)的前7次耦合量給出，每一次的調(diào)節(jié)都會(huì)不斷接近最優(yōu)控制輸出量。

4 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合某一紡織廠生產(chǎn)車間，傳統(tǒng)控制方式與動(dòng)態(tài)解耦控制方式對(duì)比如圖4和圖5所示。

從圖4可知，在動(dòng)態(tài)解耦控制方式下，紡織廠生產(chǎn)車間溫度的調(diào)節(jié)誤差為±0.5℃，相對(duì)濕度的調(diào)節(jié)誤差值為±1%，調(diào)節(jié)時(shí)間比傳統(tǒng)控制方式所需要的調(diào)節(jié)時(shí)間要減少一半，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，溫濕度的變化曲線逐漸趨于平緩，可滿足車間生產(chǎn)線的溫濕度要求。通過應(yīng)用本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)解耦控制方式，降低了溫濕度的誤差，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，其調(diào)節(jié)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)控制方式。

圖4 傳統(tǒng)控制方式與動(dòng)態(tài)解耦控制方式對(duì)比圖

圖5 傳統(tǒng)控制方式與動(dòng)態(tài)解耦控制方式用電量對(duì)比圖

從圖5可知，2018年8月至2019年7月應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與2017年8月至2018年7月應(yīng)用傳統(tǒng)控制方式相比，各個(gè)月份的用電量明顯減少，總能耗降低13.8%，通過應(yīng)用動(dòng)態(tài)解耦調(diào)節(jié)算法，節(jié)能效果優(yōu)于傳統(tǒng)控制方式。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于STM 32的紡織廠空調(diào)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)中采用了基于模糊解耦補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)算法進(jìn)行紡織廠溫濕度調(diào)節(jié)的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)定溫濕度的快速調(diào)節(jié)。通過不斷地更新最優(yōu)模糊解耦規(guī)則，提高了紡織廠生產(chǎn)車間溫濕度的控制精度，降低了空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能耗，同時(shí)具有可靠、可編程、易操作等特點(diǎn)，滿足了紡織企業(yè)在空調(diào)控制系統(tǒng)上的各項(xiàng)要求。