溫濕度環(huán)境設(shè)備的分段控制

0 引 言
環(huán)境試驗箱模擬人們所期望的自然環(huán)境而對某些工業(yè)產(chǎn)品進行環(huán)境試驗的裝置。溫度、濕度環(huán)
節(jié)試驗是常進行的環(huán)境試驗，一般認為對它們的控制已經(jīng)比較成熟。大多數(shù)情況下采用常規(guī)的PID控
制方案。本文研究的對象是模擬自然環(huán)境中溫度和濕度的試驗箱。通過溫度加熱器控制溫度，濕度加熱
器來控制濕度。箱體中裝有冷凍壓縮機，具有降溫和除濕的功能。整個控制系統(tǒng)以x86+PLC為核心。
用PT100測量溫度和用干濕球法測量濕度。

1 環(huán)境試驗設(shè)備的動態(tài)特性分析和實際存在的控制問題
設(shè)本環(huán)境試驗設(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)。從控制的角度來說，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(時有變化的制冷量可看作是系統(tǒng)干擾)。
由此可見，它們的耦合關(guān)系是濕度對溫度的影響比較小，但是溫度對濕度的影響很大。實際觀察也的確
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。但是實際上，如果溫度控制得很，濕度的變化也不會很大。所以考慮溫度和濕度分開控制。
控制方案主要考慮如何的控制溫度 。
用經(jīng)典的PID來控制溫濕度試驗箱的，主要問題是：①超調(diào)量過大，一般會出現(xiàn)2度的超調(diào)；②
穩(wěn)態(tài)性能不太好，主要是來了干擾以后，調(diào)節(jié)非常緩慢。
2 環(huán)境試驗設(shè)備的分段控制方法
制思路是一種分段式控制方法。以升溫過程考慮，在剛剛開始升溫時采用on—off控制，
當(dāng)溫度接近到設(shè)定值時，采用模糊控制的方法來減少超調(diào)量。一直到溫度*次超過設(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控制穩(wěn)態(tài)。用同樣的方法處理降溫過
程。
(1)on—off控制
當(dāng)溫度的偏差大于某一閾值時用on-off形式的比例控制，優(yōu)點是提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使溫度盡快
達到設(shè)定值。
2)模糊控制
因為前面一段比例控制的上升速度太快，阻尼性不高，會產(chǎn)生大的超調(diào)量。所以計劃在t-act與t-set
的偏差小于某一閾值時采用模糊控制。
先對于溫度的輸人輸出量進行量化處理。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。由實際現(xiàn)場測定的數(shù)據(jù)定出e和ec的范圍：
e=實測溫度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。同時傳統(tǒng)的PID控制也只適用于小滯后小慣
性過程，對于這種大的滯后的工業(yè)過程，PID往往得不到良好的控制效果。因為PID控制屬于事后控制，
對于大慣性的過程，由于過程輸出的偏差不能及時反映控制量的變化，因而控制效果較差?？紤]到smith
預(yù)估控制和預(yù)測控制可以用來解決大滯后問題，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)一個模糊預(yù)估器，通過模糊預(yù)估器對過程的未來輸出的預(yù)估作
用來補償滯后對控制性能的影響。特別在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，突然來—個干擾，使得控制器能及時的起作
用。
(4)分段點的選取和無擾動切換
在整個控制過程中的第二段采用經(jīng)典的模糊控制，可以減少超調(diào)。但是可能會帶來負面的影響即增
加調(diào)節(jié)時間。如果希望對調(diào)節(jié)時間的影響小，可以將on-off行和模糊控制的切換點取值上靠近設(shè)定值。實
際系統(tǒng)考慮不同的設(shè)備和不同的負載，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
變量到人機交互的液晶界面，由用戶選擇負載的類型和多少，查出進入閾值的不同點。這樣做的優(yōu)點是
可以使不同的溫度變化過程和不同負載條件下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)實際的控制效果，對不同
的塊進行不同的處理。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是實際溫度*次
到達設(shè)定溫度的時刻。
換的過程要做到無擾動，on-off和模糊控制之間切換的無擾動主要依靠對模糊表的調(diào)整，讓模糊
表中的控制量在大值和小值之間平滑過渡。實際若出現(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，作為第3段模糊預(yù)估PID控制的初值，再在這個初值的基礎(chǔ)上進行增量式疊
加，這種方法在實際中可以做到無擾動的切換。
3 仿真試驗研究
仿真試驗的方法是對比傳統(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，并且沒有產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。特別
在穩(wěn)態(tài)的時候，三段式的控制方案十分平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)如同傳統(tǒng)的PID控制時的波動幅度大和穩(wěn)定時間
長的問題。
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，計算能力的加強，許多
的智能控制方案與PID結(jié)合而產(chǎn)生了新型改進型PID控制器。本文闡述的是在對某公司環(huán)境試驗設(shè)
備控制器改進研究的基礎(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
價值的控制方法。當(dāng)然許多方面需要進一步的研究和探討。