潔凈室的溫濕度控制系統(tǒng)

1、引言
藥廠潔凈室的溫濕度控制系統(tǒng)不同于一般的空調(diào)控制系統(tǒng)。藥廠潔凈室內(nèi)的溫濕度要求控制精度比較高，其室內(nèi)溫度與濕度之間存在交叉耦合情況，即溫度控制會(huì)引起濕度變化，濕度控制也會(huì)引起溫度變化。因此，藥廠潔凈室的溫濕度控制是一種非線性的、滯后的、時(shí)變的復(fù)雜過程，這種系統(tǒng)若采用傳統(tǒng)的PID控制來實(shí)現(xiàn)顯然是不適宜的。現(xiàn)有的研究和實(shí)踐表明，對(duì)于無法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型相當(dāng)粗糙的系統(tǒng)，采用模糊控制可以達(dá)到令人滿意的效果。本文就是針對(duì)藥廠潔凈室的溫濕度控制，提出了一種串級(jí)控制的PID參數(shù)模糊自調(diào)整方法。并采用了分段的控制方法，設(shè)計(jì)出一套，該系統(tǒng)能顯著提高潔凈室空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)性。

2、系統(tǒng)原理
溫濕度控制系統(tǒng)的被控參數(shù)是潔凈室的溫度和濕度。溫度與濕度通過溫度傳感器與濕度傳感器輸出的電信號(hào)送到控制器《戶LC）后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。控制器根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的溫濕度偏差和溫濕度偏差變化率，經(jīng)過模糊自調(diào)整PID的調(diào)節(jié)，然后通過送風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度的串級(jí)控制和分段控制，并設(shè)置了PID控制容限，將PID的輸出分成加熱、制冷或加濕信號(hào)，來分別控制熱水閥、冷水閥和加濕閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫濕度的控制。

3、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)就是根據(jù)上述原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)潔凈室的溫濕度進(jìn)行監(jiān)控與控制:在潔凈室內(nèi)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)溫濕度，或在遠(yuǎn)程機(jī)房?jī)?nèi)對(duì)潔凈室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以保證室內(nèi)溫濕度的恒定。基于PID參數(shù)模糊自調(diào)整、串級(jí)控制和分程控制的潔凈室溫濕度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。下面就該系統(tǒng)中所采用的PID參數(shù)模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和串級(jí)控制、分段控制的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行描述。
3.1 PID參數(shù)模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
PID參數(shù)模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是首先找出PID三個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率△e之間的模糊關(guān)系，并在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)e和計(jì)算△e,然后根據(jù)模糊控制原理來對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改以滿足在不同e和△e時(shí)對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜性能。PID參數(shù)模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖，所示。
PI D參數(shù)模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程:
常規(guī)PID控制器的傳遞函數(shù)為:
G（s）=Kp+Ki /S+Kd/S （1）
其中，Kp、Ki、Kd分別稱為比例增益、積分增益和微分增益。

將（1）式轉(zhuǎn)化為另一種等價(jià)的形式為:
U（t）二Kp[e（t）+（∫e（t）dt）/Ti+Td ×de（t） /dt]
其中：Ti=Kp/Ki、Td=Kd/Kp分別稱為積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。
KP和Kd的變化范圍為[Kp,min, Kd,max]和[Kp,miln,Kd，max]，這個(gè)范圍可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果來確定。為了方便，Kp和Kd通過以下線性變換，歸一化到0和1之間的參數(shù)Kp’和Kd’：
Kp’=（Kp一Kp,min）/（Kp , max一Kp,min）
Kd’ = （Kd一Kd,,min）/ Kd , max一Kd,mln）
在參數(shù)調(diào)整時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的偏差e和偏差變化率△e來確定參數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)由微分時(shí)間常數(shù)決定:Ti=aTd
積分增益Ki=Kp/（ aTd）= Kp 2 /（ a Kd ）
其中參數(shù)Kp’和Kd’和a由一組模糊規(guī)則得到。
利用模糊推理的方法，可以得到三組控制表:
其中:論域定為:{-6，-4，-2,0,2,4,6}，模糊詞集為:
{NB，NM,NS,ZO,PS,PM，PB}。隸屬函數(shù)取為三角形隸屬函數(shù)，通過隸屬函數(shù)可方便的求得輸入變量的賦值表，利用附值表及模糊控制規(guī)則，通過拉森算法，可得到模糊控制規(guī)
則表如下所示。
Kp’和Kd’的論域?yàn)?/span>{0,1}，模糊詞集為:{BB，S5} 。
e的論域?yàn)?/span>[2,3,4,5]，模糊詞集為{SS, MS,MM, BB}。

一旦得到Kp’、 Kd’和a后，按下式就可計(jì)算出PID的各
個(gè)參數(shù)如下:
Kp=（ Kp,max一Kp,min） Kp’十Kp,min
Kd = （Kd,max一Kd,min） Kd ‘+ Kd,mln
Ki= Kp 2/（ a Kd）
對(duì)于不同的過程，踢和隔的范圍可定義為:
Kd,min=0. 32Ku，Kp,max = 0. 6 Ku，Kd,min=0. 08
Ku Tu，Kd,max= 0.15 Ku Tu
式中Ku和Tu。分別是在比例控制下增益和振蕩周期。
我們?cè)诳刂葡到y(tǒng)的軟件中通過應(yīng)用上述算法，使這種模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)按偏差信號(hào)及其變化趨勢(shì)的大小、方向等特征，通過模糊推理對(duì)P.LD參數(shù)做出了相應(yīng)的調(diào)整，從而提
高了系統(tǒng)的控制精度。

3.2串級(jí)控制
潔凈室溫濕度控制是一種典型的大慣性大延時(shí)系統(tǒng)，對(duì)于這種過程控制中存在大遲延的系統(tǒng)，我們采用了串級(jí)PID控制。系統(tǒng)中主回路控制的是一個(gè)大遲延的對(duì)象（回風(fēng)溫度），其對(duì)控制品質(zhì)要求較高，用傳統(tǒng)PID控制往往很難達(dá)到滿意效果。為此，我們?cè)谥骰芈返?/span>PID控制中嵌入PID參數(shù)模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)（見圖），其副回路是一個(gè)快速對(duì)象，而且控制精度要求不高（送風(fēng)溫度），我們保持傳統(tǒng)的PID控制，用比例P控制，參數(shù)調(diào)整用傳統(tǒng)的（Ziegle - Nfohol）方法即可。這樣控制的目的是:為使房間溫度離設(shè)定值很遠(yuǎn)時(shí)，加大閥的動(dòng)作，偏差較小時(shí)，減慢閥的動(dòng)作，從而可以避免冷、熱水閥頻繁的開關(guān)。

3.3分段控制
考慮到節(jié)能的需要，為了避免冷、熱水閥同時(shí)打開，我們?cè)谥性诳刂评洹崴y時(shí)采用了分段控制的方法，其控制過程為:控制器的輸出我們?cè)谲浖锌梢赞D(zhuǎn)換為一個(gè)對(duì)稱的區(qū)間范圍，例如一到100 %，通過分段過程后分成兩個(gè)信號(hào)的輸出，即一到一5%（可以根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)置）,5%到，00 %，由于冷熱水閥不能切換的太快，所以有一個(gè)延時(shí)過程，通過這兩個(gè)信號(hào)來分別控制熱水閥和冷水閥的開度。冷水閥和加濕閥的分段控制原理與熱水閥和冷水閥的原理相同，這里就不再贅述了。系統(tǒng)中的分段控制是通過在軟件中采用Saia公司的PG5軟件的SEQ一HC模塊來實(shí)現(xiàn)的。冷水閥和熱水閥的分段控制過程示意圖如圖2所示。

在圖2中:X軸表示通過分段控制模塊分出的兩個(gè)輸出信號(hào)，丫軸表示兩個(gè)輸出信號(hào)控制的閥的開度。
實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程為:送風(fēng)和回風(fēng)溫度串級(jí)控制輸出后再經(jīng)過分段控制，把一到一5%的信號(hào)和濕度控制經(jīng)過分段后的一到一5%的信號(hào)疊加來共同控制冷水閥，溫度分段后的5%到，00%的信號(hào)則直接控制熱水閥的開度，濕度分段后的5%到，00%的信號(hào)則控制加濕閥的開度。

4系統(tǒng)應(yīng)用
在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)的下位機(jī)采用了瑞士Safa公司的智能控制器PCD，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)房間回風(fēng)溫度、送風(fēng)溫度與送風(fēng)濕度的串級(jí)調(diào)節(jié)，進(jìn)行模糊PID調(diào)節(jié)，分段控制冷、熱水閥的開度，保證房間溫濕度在控制范圍內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)控制柜采用Easyview的觸摸屏，可以方便的監(jiān)控溫濕度值、壓力值、閥的開度、報(bào)警，或在線修改PID參數(shù)等，方便了現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試和維修。上位監(jiān)控界面是利用開物2000開發(fā)的基于web方式的應(yīng)用界面，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控各空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。下位機(jī)采用Saia公司的M520通信卡，以RS232通信方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與各空調(diào)機(jī)組通信。而且，該系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)冗余的方法，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語
該系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行表明，系統(tǒng)超調(diào)量小，控制性能穩(wěn)定，抗*力強(qiáng)，達(dá)到了用戶的要求，控制誤差在士1度，相對(duì)濕度在士5%以內(nèi)，取得了滿意的效果，操作也比較簡(jiǎn)便，達(dá)到了藥廠潔凈室運(yùn)行率、低成本的目的