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溫濕度環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的分段控制
溫濕度環(huán)境設(shè)備的分段控制
0 引 言
環(huán)境試驗(yàn)箱模擬人們所期望的自然環(huán)境而對(duì)某些工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)的裝置,。溫度,、濕度環(huán)
節(jié)試驗(yàn)是常進(jìn)行的環(huán)境試驗(yàn)，一般認(rèn)為對(duì)它們的控制已經(jīng)比較成熟,。大多數(shù)情況下采用常規(guī)的PID控
制方案。本文研究的對(duì)象是模擬自然環(huán)境中溫度和濕度的試驗(yàn)箱,。通過(guò)溫度加熱器控制溫度,，濕度加熱
器來(lái)控制濕度。箱體中裝有冷凍壓縮機(jī),，具有降溫和除濕的功能,。整個(gè)控制系統(tǒng)以x86+PLC為核心。
用PT100測(cè)量溫度和用干濕球法測(cè)量濕度,。
1 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性分析和實(shí)際存在的控制問(wèn)題
設(shè)本環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的被控變量(需要控制的變量)為：溫度(t-act),、濕度(h-act)，控制量(控制
手段)為：加溫器的加熱量(heat),、加濕器的加熱量(damp),。從控制的角度來(lái)說(shuō)，設(shè)備箱體的溫度和
濕度控制是兩輸入兩輸出的多變量控制(時(shí)有變化的制冷量可看作是系統(tǒng)干擾),。
由此可見(jiàn),，它們的耦合關(guān)系是濕度對(duì)溫度的影響比較小，但是溫度對(duì)濕度的影響很大,。實(shí)際觀察也的確
如此,，當(dāng)溫度每變化一度，濕度可能下降5％,，并且濕度變化比溫度變化要慢很多,，*可以用單邊解
耦合。但是實(shí)際上，如果溫度控制得很,，濕度的變化也不會(huì)很大,。所以考慮溫度和濕度分開(kāi)控制。
控制方案主要考慮如何的控制溫度 ,。
用經(jīng)典的PID來(lái)控制溫濕度試驗(yàn)箱的,，主要問(wèn)題是：①超調(diào)量過(guò)大，一般會(huì)出現(xiàn)2度的超調(diào),；②
穩(wěn)態(tài)性能不太好,，主要是來(lái)了干擾以后，調(diào)節(jié)非常緩慢,。
2 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的分段控制方法
制思路是一種分段式控制方法,。以升溫過(guò)程考慮，在剛剛開(kāi)始升溫時(shí)采用on—off控制,，
當(dāng)溫度接近到設(shè)定值時(shí),，采用模糊控制的方法來(lái)減少超調(diào)量。一直到溫度*次超過(guò)設(shè)定溫度,，切換到
第三種控制方案即模糊預(yù)估PID控制,，此后一直采用第三種方案來(lái)控制穩(wěn)態(tài)。用同樣的方法處理降溫過(guò)
程,。
(1)on—off控制
當(dāng)溫度的偏差大于某一閾值時(shí)用on-off形式的比例控制,，優(yōu)點(diǎn)是提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使溫度盡快
達(dá)到設(shè)定值,。
2)模糊控制
因?yàn)榍懊嬉欢伪壤刂频纳仙俣忍?，阻尼性不高，?huì)產(chǎn)生大的超調(diào)量,。所以計(jì)劃在t-act與t-set
的偏差小于某一閾值時(shí)采用模糊控制,。
先對(duì)于溫度的輸人輸出量進(jìn)行量化處理。建立輸入輸出空間,，選擇正態(tài)性模糊集合,，選取溫度偏
差e及溫度偏差的變化率ec作為模糊控制器的輸入信息。由實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的數(shù)據(jù)定出e和ec的范圍：
e=實(shí)測(cè)溫度PV一設(shè)定溫度SV
(3)模糊預(yù)估PID
如果第三段的控制方案仍舊采用第二段的傳統(tǒng)模糊控制就會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差,，即使加人積分作用的模
糊控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差,，但還是解決不了大慣性的影響。同時(shí)傳統(tǒng)的PID控制也只適用于小滯后小慣
性過(guò)程,，對(duì)于這種大的滯后的工業(yè)過(guò)程,，PID往往得不到良好的控制效果。因?yàn)镻ID控制屬于事后控制,，
對(duì)于大慣性的過(guò)程,，由于過(guò)程輸出的偏差不能及時(shí)反映控制量的變化,，因而控制效果較差?？紤]到smith
預(yù)估控制和預(yù)測(cè)控制可以用來(lái)解決大滯后問(wèn)題,，但是這兩種方法均需要知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而先
前建立這個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并不太,。所以本系統(tǒng)的第3段控制使用模糊預(yù)估PID控制％(如圖3
所示)即在常規(guī)的PID控制器的前面串聯(lián)一個(gè)模糊預(yù)估器,，通過(guò)模糊預(yù)估器對(duì)過(guò)程的未來(lái)輸出的預(yù)估作
用來(lái)補(bǔ)償滯后對(duì)控制性能的影響。特別在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí),，突然來(lái)—個(gè)干擾,，使得控制器能及時(shí)的起作
用。
(4)分段點(diǎn)的選取和無(wú)擾動(dòng)切換
在整個(gè)控制過(guò)程中的第二段采用經(jīng)典的模糊控制,，可以減少超調(diào),。但是可能會(huì)帶來(lái)負(fù)面的影響即增
加調(diào)節(jié)時(shí)間。如果希望對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間的影響小,，可以將on-off行和模糊控制的切換點(diǎn)取值上靠近設(shè)定值,。實(shí)
際系統(tǒng)考慮不同的設(shè)備和不同的負(fù)載，采用兩種工程方法,。①采用軟件查表法,，在程序中留下可選擇的
變量到人機(jī)交互的液晶界面，由用戶選擇負(fù)載的類(lèi)型和多少,，查出進(jìn)入閾值的不同點(diǎn),。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是
可以使不同的溫度變化過(guò)程和不同負(fù)載條件下on-off環(huán)節(jié)均可以起到不同的作用。②建立不同的模糊表,，
模糊表需要反復(fù)的整定,。工程上的整定方法是將模糊控制的查詢表分塊,，根據(jù)實(shí)際的控制效果,，對(duì)不同
的塊進(jìn)行不同的處理。有的塊人為增大,，有的塊人為減小,。第二段和第三段的切換點(diǎn)是實(shí)際溫度*次
到達(dá)設(shè)定溫度的時(shí)刻。
換的過(guò)程要做到無(wú)擾動(dòng),，on-off和模糊控制之間切換的無(wú)擾動(dòng)主要依靠對(duì)模糊表的調(diào)整,，讓模糊
表中的控制量在大值和小值之間平滑過(guò)渡。實(shí)際若出現(xiàn)控锘幔的跳變則需要手工微調(diào)查詢表,。模糊
控制與模糊預(yù)估PID的平滑過(guò)渡的難度比較大,。主要是確定模糊預(yù)估PID的輸出控制量的初值，將模糊
階段后的輸出保存起來(lái),，作為第3段模糊預(yù)估PID控制的初值,，再在這個(gè)初值的基礎(chǔ)上進(jìn)行增量式疊
加,，這種方法在實(shí)際中可以做到無(wú)擾動(dòng)的切換。
3 仿真試驗(yàn)研究
仿真試驗(yàn)的方法是對(duì)比傳統(tǒng)PID控制和新的三段式控制方案的方波響應(yīng),，用三段式控制后的確減小了系統(tǒng)的超調(diào)量,，并且沒(méi)有產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。特別
在穩(wěn)態(tài)的時(shí)候,，三段式的控制方案十分平穩(wěn),，沒(méi)有出現(xiàn)如同傳統(tǒng)的PID控制時(shí)的波動(dòng)幅度大和穩(wěn)定時(shí)間
長(zhǎng)的問(wèn)題。
4 結(jié)論
就控制方法而言,，PD算法使用的為廣泛,，隨著數(shù)字智能控制器的應(yīng)用，計(jì)算能力的加強(qiáng),，許多
的智能控制方案與PID結(jié)合而產(chǎn)生了新型改進(jìn)型PID控制器,。本文闡述的是在對(duì)某公司環(huán)境試驗(yàn)設(shè)
備控制器改進(jìn)研究的基礎(chǔ)上，使用三段式的控制方法改善了傳統(tǒng)PID控制的性能,，這是一種有一定研究
價(jià)值的控制方法,。當(dāng)然許多方面需要進(jìn)一步的研究和探討。