復(fù)合控濕系統(tǒng)在博物館大型恒濕機(jī)組中的應(yīng)用

張 陽，周 迪

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥230009）

文物具有極高的歷史、藝術(shù)及科學(xué)價(jià)值，其自身不可再生、不可替代的特點(diǎn)，對文物的預(yù)防性保護(hù)提出了較高要求[1]。文物所處微環(huán)境中有多種因素可對文物壽命產(chǎn)生影響，如溫度、 相對濕度、光照、微生物等，其中相對濕度是對文物產(chǎn)生影響的重要因素。不適宜的濕度環(huán)境對不同材質(zhì)的文物會產(chǎn)生不同影響，如導(dǎo)致彩繪類文物出現(xiàn)龜裂、起痂、受潮等老化病[2]；或?qū)е虑嚆~器類文物大面積出現(xiàn)“青銅病”的現(xiàn)象[3]，造成難以估量的損失。

博物館是文物存放、展示的主要場所，多采用各類濕度調(diào)控設(shè)備為展柜內(nèi)文物營造適宜的濕度環(huán)境[4]。大型控濕機(jī)組采用集中式調(diào)控方式，與其它調(diào)控方式相比，其經(jīng)濟(jì)性好、易于維護(hù)、不受展柜形式制約，具有廣闊的應(yīng)用前景。

文中恒濕機(jī)組內(nèi)部除濕部件及加濕部件同時工作，共同調(diào)控氣體的相對濕度，被控對象具有滯后性強(qiáng)、慣性大的特點(diǎn)[5]。在不同情況下除濕部件性能變化對系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)干擾，因此只采用傳統(tǒng)PID控制器無法滿足調(diào)控要求。本文先在無干擾情況下使用Matlab 對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析并設(shè)計(jì)PID 控制器，獲得合適的控制參數(shù)以達(dá)到較好的控制效果，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模糊控制器以補(bǔ)償系統(tǒng)中的干擾信號，進(jìn)而提出了一種復(fù)合控制方法。最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的調(diào)控效果，證明其具有調(diào)控精度高、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對設(shè)備控濕精度的要求[6]。

1 恒濕機(jī)組智能測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

恒濕機(jī)組智能測控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1 所示，機(jī)組采用集中式控濕方案，單臺設(shè)備可滿足多個展柜對其內(nèi)部微環(huán)境相對濕度的要求。過濾后的氣體從進(jìn)氣口通入機(jī)組內(nèi)部，機(jī)組對其調(diào)控后通過出氣口排出。出氣口處設(shè)有溫濕度傳感器，與調(diào)控部分共同組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果當(dāng)前排出氣體符合要求，則三通閥打開，氣體通入主管路，再由各支路通入展柜，為展柜營造出適宜的相對濕度環(huán)境。同時機(jī)組還具有與用戶交互的人機(jī)交互部分及與上位機(jī)通訊的功能。

圖1 恒濕機(jī)組智能測控系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Topology diagram of intelligent measurement and control system for constant humidity unit

機(jī)組本身結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，其按功能可分為4 個部分：主控器、電氣部分、人機(jī)交互接口及外圍執(zhí)行部件。

圖2 機(jī)組結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of unit

外圍執(zhí)行部件中與濕度調(diào)控直接相關(guān)的是控濕腔體內(nèi)部的加熱絲及蒸發(fā)器，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控濕腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of humidity control cavity

主控器硬件以STM32F103 單片機(jī)為核心，具有各類信號采集電路及驅(qū)動電路，可以實(shí)時采集各類傳感器信息，通過對電氣系統(tǒng)的控制進(jìn)而協(xié)同各外圍執(zhí)行部件工作，共同完成對出氣口處氣體相對濕度的調(diào)控。同時它還具有WiFi 通訊功能，可以實(shí)時接收上位機(jī)指令或向上位機(jī)反饋?zhàn)陨砀鞑考顟B(tài)。人機(jī)交互硬件上使用具有觸控功能的液晶屏幕與主控器通過RS232 電平標(biāo)準(zhǔn)的串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，供用戶設(shè)置恒濕機(jī)的各類參數(shù)及實(shí)時獲取機(jī)組當(dāng)前工作狀態(tài)，該系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram

機(jī)組的控濕腔體內(nèi)部有加濕部分和除濕部分。其中加濕部分利用蒸汽加濕的方法，在水槽內(nèi)放置加熱絲，使用PWM 信號控制加熱絲的通斷電時間以達(dá)到控制水溫的目的，進(jìn)而控制產(chǎn)生蒸汽量的大小，最終實(shí)現(xiàn)對加濕效果的調(diào)控。除濕部分利用蒸發(fā)器制冷除濕的方法，液態(tài)氟利昂在蒸發(fā)器內(nèi)部汽化吸熱，導(dǎo)致蒸發(fā)器葉片溫度下降，空氣流經(jīng)葉片表面時溫度降低導(dǎo)致其內(nèi)部水份凝結(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對氣體除濕。加濕部分和除濕部分在濕度調(diào)控腔體中協(xié)同工作，共同完成對空氣濕度的調(diào)控。

2 復(fù)合控制器調(diào)控原理

由圖3 可知被控氣體在腔體內(nèi)由加濕部分通向除濕部分。但由于蒸發(fā)吸熱除濕方式的一個重要特征為當(dāng)被控氣體溫濕度較高時，除濕效果會顯著增強(qiáng)[7]，實(shí)測的蒸發(fā)器除濕效果如圖5 所示。

圖5 蒸發(fā)器除濕效果圖Fig.5 Evaporator dehumidification effect

由圖5 可知當(dāng)氣體相對濕度在30%～50%時蒸發(fā)器除濕曲線平緩，可以認(rèn)為此時系統(tǒng)工作在較為理想的情況下；而當(dāng)相對濕度較高時，蒸發(fā)器除濕量較大，且在不同相對濕度時變化較為明顯。此時系統(tǒng)非線性嚴(yán)重，難以對系統(tǒng)進(jìn)行辨識，因此傳統(tǒng)PID 以誤差反饋消除誤差的調(diào)控方式無法滿足調(diào)控需求。此外，當(dāng)機(jī)組工作在不同外部環(huán)境時外界環(huán)境同樣會對系統(tǒng)帶來各類干擾。

本文提出的復(fù)合控制器采用PID 控制器和模糊控制器共同調(diào)控的方式，其調(diào)控原理如圖6 所示，PID 控制器采用閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)，基于偏差對濕度進(jìn)行調(diào)控，而模糊控制器采用開環(huán)的結(jié)構(gòu)，實(shí)時獲取系統(tǒng)內(nèi)部及外部的擾動信號，并依據(jù)自身的控制規(guī)則推理出輸出信號，對干擾信號進(jìn)行補(bǔ)償[8]。最終PID 控制器和模糊控制器的輸出信號疊加，共同作為復(fù)合控制系統(tǒng)的輸出。

圖6 復(fù)合控制器調(diào)控原理圖Fig.6 Control principle of compound controller

3 復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)建模

首先在理想情況下進(jìn)行系統(tǒng)辨識，有多種信號可在系統(tǒng)辨識過程中用作輸入信號，如階躍信號、脈沖信號、正弦波、繼電器信號等[9]，由于階躍信號在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時易于產(chǎn)生，因此本文采用階躍信號作為輸入信號。在機(jī)組工作過程中，控制加熱絲的PWM信號占空比為0%～50%、周期為1 s 時，可以認(rèn)為蒸發(fā)器擾動較小，機(jī)組工作在較為理想的情況下，因此，在外界溫度為19.8 ℃、相對濕度為50.3%時先向加熱絲通入占空比為0%、周期為1 s 的PWM 信號，待輸出趨向穩(wěn)定后，將控制信號占空比變?yōu)?0%，以營造出一個階躍信號。觀察機(jī)組輸出的變化情況并記錄，過程數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 系統(tǒng)對階躍信號的響應(yīng)效果Tab.1 Response of the system to step signals

從機(jī)組對階躍信號的響應(yīng)曲線可知，其與一階純滯后系統(tǒng)的響應(yīng)曲線類似，因此可以認(rèn)為當(dāng)機(jī)組工作在理想狀態(tài)下時，可將其等效為一個一階純滯后系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為式（1），K、t、T 分別為開環(huán)增益、純滯后時間及慣性時間常數(shù)[10]。

對于一階純滯后系統(tǒng)，可通過切線法、面積法、兩點(diǎn)法等確定其傳遞函數(shù)，切線法簡單直觀，方便確定模型參數(shù)[11]，因此本文采用切線法確定系統(tǒng)模型參數(shù)。最終，理想工作狀態(tài)下系統(tǒng)傳遞函數(shù)如式（2）所示：

3.2 PID 控制器設(shè)計(jì)

本文采用經(jīng)典PID 算法對工作在理想狀態(tài)下的系統(tǒng)進(jìn)行控制，因此問題為確定KP、KI、KD3 個參數(shù)。對于常規(guī)PID 控制器的參數(shù)整定有多種方法，本文采用ZN 經(jīng)驗(yàn)公式法[12]與試湊法相結(jié)合的方式，整定出具有最佳調(diào)控效果的參數(shù)，Ziegler-Nichols 經(jīng)驗(yàn)公式為式（3）：

根據(jù)公式法整定出的KP、KI、KD參數(shù)分別為0.43、0.11、0.43，使用Simulink 工具對其控制效果仿真[13]，得到的仿真效果如圖7 所示。

圖7 PID 控制器仿真效果Fig.7 Simulation results of PID controller

在外界環(huán)境溫度為20.6 ℃、濕度為47.3%時，先將目標(biāo)相對濕度設(shè)置為45%，等待其基本穩(wěn)定后，設(shè)定目標(biāo)相對濕度為50%，觀察其調(diào)控效果，并使用試湊法對參數(shù)微調(diào)，優(yōu)化控制效果，最終的控制效果如表2 所示。

3.3 模糊控制器設(shè)計(jì)

3.3.1 輸入模糊化及輸出逆模糊化方法

系統(tǒng)的干擾由外部干擾和內(nèi)部干擾組成，其中外部干擾為系統(tǒng)工作環(huán)境的相對濕度，可以通過傳感器獲?。?內(nèi)部干擾為蒸發(fā)器工作特性的變化，可以通過目標(biāo)相對濕度獲取。因此模糊控制器有2 個輸入，即環(huán)境濕度和目標(biāo)相對濕度，輸出為PWM 占空比。對3 個變量進(jìn)行量化后的離散論域均為｛-2，-1，0，1，2｝，對應(yīng)的模糊集合為負(fù)大、負(fù)中、零、正中、正大，英文縮寫為NB、NM、ZO、PM、PB。三個變量中環(huán)境濕度的物理論域?yàn)椋?0，80］，因此量化因子為0.057；目標(biāo)相對濕度物理論域?yàn)椋?0，70］，因此量化因子為0.1；PWM 占空比的物理論域?yàn)椋?，70］，因此量化因子為0.057。在Simulink 中針對3 個變量各自論域及模糊集合設(shè)定隸屬度函數(shù)[14]，均采用三角函數(shù)，各模糊子集覆蓋范圍大小相同，具體效果如圖8 及圖9 所示，逆模糊化方法為最大隸屬度法。

表2 目標(biāo)濕度為50%時機(jī)組的實(shí)際調(diào)控效果Tab.2 Actual control effect of the unit when the target humidity is 50%

圖8 輸入變量模糊化Fig.8 Fuzzification of input variables

圖9 輸出變量模糊化Fig.9 Fuzzification of output variables

3.3.2 建立模糊控制規(guī)則

根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)建立二維模糊語句，表示在不同環(huán)境及目標(biāo)相對濕度的情況下，模糊控制器會有不同的PWM 信號輸出，具體建立方法如圖10 所示。

圖10 建立模糊條件語句Fig.10 Building fuzzy conditional statements

3.3.3 模糊推理方法

根據(jù)模糊條件語句建立關(guān)系矩陣的方法有多種，其中比較有代表性的方法為Zadeh 法和Mamdani法，Mamdani 法相比之下更嚴(yán)密。由于控濕部分非線性嚴(yán)重，因此采用Mamdani 法作為模糊推理方法。

3.3.4 模糊控制器仿真

使用Simulink 對模糊控制器方案，仿真效果如圖11 所示，從圖中可以看出針對干擾信號的不同情況，模糊控制器可以輸出不同占空比的PWM 信號以補(bǔ)償干擾信號。

圖11 模糊控制器仿真效果Fig.11 Simulation effect of fuzzy controller

4 復(fù)合控制器的實(shí)際調(diào)控效果

首先在外部工作環(huán)境溫度為20.2 ℃，濕度為48.9%的條件下，將目標(biāo)相對濕度調(diào)至60%，PID 算法和復(fù)合算法的實(shí)際調(diào)控效果數(shù)據(jù)記錄分別如表3及表4 所示，由表中數(shù)據(jù)對比可以看出，在目標(biāo)相對濕度較高時，PID 控制算法震蕩明顯，而復(fù)合控制算法調(diào)控效果較好。

表3 目標(biāo)濕度為60%時普通調(diào)控算法的控制效果Tab.3 Control effect of common control algorithm when target humidity is 60%

表4 目標(biāo)濕度為60%時復(fù)合調(diào)控算法的控制效果Tab.4 Control effect of compound regulation algorithm when target humidity is 60%

將在環(huán)境溫度為25.5 ℃，濕度為51.3%的條件下，將目標(biāo)相對濕度調(diào)至70%，觀察兩種調(diào)控算法的調(diào)控效果，其對比情況如表5 及表6 所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)目標(biāo)相對濕度提高時，蒸發(fā)器工作特性變化明顯，普通PID 調(diào)控不但震蕩加劇，且難以達(dá)到70%的目標(biāo)相對濕度，而復(fù)合控制算法雖然與目標(biāo)值為60%時相比震旦加劇，但濕度始終維持在70%左右的目標(biāo)相對濕度，穩(wěn)定性較好。

表5 目標(biāo)濕度為70%時普通調(diào)控算法的控制效果Tab.5 Control effect of common control algorithm when target humidity is 70%

表6 目標(biāo)濕度為70%時復(fù)合調(diào)控算法的控制效果Tab.6 Control effect of compound control algorithm when target humidity is 70%

5 結(jié)語

博物館大型恒濕機(jī)組在濕度調(diào)控過程中由于自身部件特性及外部環(huán)境變化會給系統(tǒng)帶來較大干擾，且系統(tǒng)自身非線性較強(qiáng)，傳統(tǒng)PID 控制算法無法滿足調(diào)控要求。本文結(jié)合自動控制理論中不變性原理及實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，提出了復(fù)合控制算法，模糊控制器有效補(bǔ)償了系統(tǒng)中的各類干擾信號，保證PID 控制器工作在較為理想的情況下，可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。此方法同樣適用于其他具有非線性且存在干擾信號的系統(tǒng)。