CN102426469B

CN102426469B - 一种涂装车间温湿度解耦时滞控制系统

Info

Publication number: CN102426469B
Application number: CN201110288329.9A
Authority: CN
Inventors: 邵新宇; 喻道远; 乐胜年; 龚文明; 张三强; 舒彪; 王灯; 林文文; 于岚旭; 姜昕亚
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: CN102426469A

Abstract

本发明公开了一种涂装车间温湿度控制系统，包括信号采集输入部分、控制部分和执行部分，信号采集输入部分用于分别采集涂装车间内的温度和湿度数据，并将采集到的温度和湿度数据通过A/D转换器转换后输入到控制部分；控制部分在预设的温度和湿度值与涂装车间内当前温度和湿度值相差分别超过相应阈值时，将温度偏差e1和湿度偏差e2一同输入到温湿度解耦时滞控制器，进行解耦时滞控制，生成温度和湿度控制量U01和U02，并输入到所述该执行部分，实现对涂装车间的环境控制。本发明能够实现汽车涂装车间温湿度的有效平稳高精度控制，提高车体的漆膜质量、增加漆膜质量的稳定性、减少返修率，整体提高汽车生产企业涂装工艺水平。

Description

一种涂装车间温湿度解耦时滞控制系统

技术领域

本发明涉及汽车涂装车间环境参数控制领域，具体涉及一种涂装车间温湿度解耦时滞控制系统。

背景技术

汽车涂装是汽车车身制作的重要工序之一，漆膜质量的好坏不仅影响车身的整体外观，更主要是反映了汽车生产企业涂装工艺水平的高低。随着我国汽车业的快速发展，竞争日趋激烈，提高车体的漆膜质量、增加漆膜质量的稳定性、减少返修率已成为各企业重点研究的课题之一。涂装工艺对车间内部的温度、湿度等环境参数要求很高，若环境失控有可能导致涂料的干花，车身颜色和涂料厚度不均匀、甚至形成花色，对涂装质量有重要的影响。

现有的涂装车间温湿度控制系统一般由温湿度传感器、单片机和显示模块组成，喷漆室风机的进风是直接采集于自然风，进风温湿度受外界天气的变化影响很大，又由于温湿度传感器的采集、传递信号的过程也需要一定的时间，使得被控量不能及时的反应系统所承受的扰动。因此，涂装车间喷漆室的温湿度控制室是一个非线性的、大时滞的复杂过程。而且，涂装车间喷漆室内温度与湿度之间存在交叉耦合情况，即温度控制会引起湿度变化，湿度变化会引起温度变化。在现有的涂装车间温湿度控制系统中，均存在温湿度相互耦合的问题，使得温湿度的控制精度始终不高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种有效平稳高精度的涂装车间温湿度控制系统，能够解决温湿度耦合和大时滞控制所带来的问题。

本发明采用的技术方案是：

一种涂装车间温湿度解耦时滞控制系统，包括信号采集输入部分，显示部分，控制部分和执行部分。

所述信号采集输入部分，包括温度、湿度等环境因子的检测，并将系统实时采集的信号转换为计算机和操作人员可识别的数字量和模拟量。

所述显示部分，连接于控制部分，用于显示所述温湿度数据。

所述控制部分，接收采集的数据，并将实际温湿度值与设置的温湿度预设值的差值e1和e2作为温湿度解耦时滞控制器的输入，完成控制器的推理与控制量U01和U02的生成。

所述执行部分接收温湿度解耦时滞控制器输出的控制量，控制加热器、制冷器、增湿器和去湿机的开闭，调整车间内的温湿度。

所述上位机和控制部分采用总线连接，实现主从通讯，对涂装车间进行检测、管理和控制。

所述控制部分把温湿度传感器采集的温度、湿度转换为电压数据进行存储与预处理，并计算上位机设置的温湿度预设值与采集到的实际温湿度值的差值，将温度偏差e1和湿度偏差e2作为温湿度解耦时滞控制器的输入，完成控制器的推理与控制量U01和U02的生成，控制加热器、制冷器、增湿器和去湿机的开闭，调整车间内的温湿度。并通过总线与上位机相连，既可以独立完成信息的采集、预处理和存储任务，又可接收从上位机送来的控制参数设置，进而按照不同的要求调控涂装车间的温湿度。

所述温湿度解耦时滞控制器采用基于解耦神经网络的Fuzzy-PID控制，当前温湿度与温湿度预设值偏差超过稳态值时采用Fuzzy控制，以加快动态响应速度，当温湿度偏差较小进入稳态过程后切换到PID控制，以消除静差，提高控制精度，通过切换开关可以切换模糊控制和PID控制；并基于前馈解耦的思想和神经网络理论，在模糊控制环节采用前馈解耦法，利用BP算法进行在线学习求解其解耦关系，它把某通道控制器的输出对另外通道的影响看作扰动作用，应用前馈控制的原理，解除控制回路的耦合。

所述温度预设值为20℃-30℃，湿度预设值为55％-70％。

所述涂装车间温度阈值为1℃、湿度阈值为5％。

所述温度稳态为温度偏差与温度阈值差值不高于2℃、湿度稳态为湿度偏差与湿度阈值偏差不高于2％。

本发明是一种能使汽车涂装车间满足温湿度有效平稳高精度控制的控制系统，特别是同时克服了温湿度耦合和大时滞控制所带来的问题，自动控制、结构简单、安全可靠，保证了汽车涂装工艺对车间内部的温度、湿度等环境参数的高要求，提高了车体的漆膜质量、增加了漆膜质量的稳定性、减少返修率。该系统所需的零部件，包括PC机、PLC、温湿度传感器、热制冷器、增湿器和去湿机等都是成熟的产品容易采购、操作简单，成本较低。本发明能够实现汽车涂装车间温湿度的有效平稳高精度控制，提高车体的漆膜质量、增加漆膜质量的稳定性、减少返修率，整体提高汽车生产企业涂装工艺水平。

附图说明

图1是涂装车间温湿度解耦时滞控制系统的模型框架；

图2是涂装车间温湿度解耦时滞控制系统的具体结构框图；

图3是温湿度解耦时滞控制器结构框图；

图4是温湿度控制流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细地说明。

如图1-2所示，本发明的控制系统包括信号采集输入部分，显示部分，控制部分，执行部分。

信号采集输入部分由温湿度传感器和A/D转换器组成，包括温度、湿度等环境因子的检测，并将系统实时采集的信号转换为计算机和操作人员可识别的数字量和模拟量。

控制部分由PLC和温湿度解耦时滞控制器组成，PLC接收温度和湿度传感器的数据，计算出温湿度偏差e1和e2并作为温湿度解耦时滞控制器的输入，完成控制器的推理与控制量U01和U02的生成。

显示部分为LED显示器，连接于控制部分的PLC，用于显示所述温湿度数据。

执行部分由加热器、制冷器、增湿器和去湿机组成，接收温湿度解耦时滞控制器输出的控制量，控制加热器、制冷器、增湿器和去湿机的开闭，调整车间内的温湿度。

上位机和控制部分采用总线连接，实现主从通讯，对涂装车间进行检测、管理和控制。

PLC把温湿度传感器采集的温度、湿度转换为电压数据进行存储与预处理，并将温湿度预设值与实际值的偏差e1和e2作为温湿度解耦时滞控制器的输入，完成控制器的推理与控制量U01和U02的生成，控制加热器、制冷器、增湿器和去湿机的开闭，调整车间内的温湿度。并通过总线与上位机相连，既可以独立完成信息的采集、预处理和存储任务，又可接收从上位机送来的控制参数设置，进而按照不同的要求调控涂装车间的温湿度。

预设的温度值优选为20℃-30℃，预设的湿度值优选为55％-70％。

所述温度阈值为1℃、湿度阈值为5％；

如图3所示，温湿度解耦时滞控制器采用基于解耦神经网络的Fuzzy-PID控制。解耦时滞控制具体过程如下：

(1)温湿度解耦控制——基于神经网络的前馈解耦法

前馈解耦法采用神经网络进行解耦，同时用两个模糊控制调节器对解耦后的各单变量进行控制，解耦神经网络置于模糊调节器和模糊控制器之间。在系统中解耦网络采用2层BP神经网络，它有2个输入节点、3个隐含节点和2个输出节点。解耦网络输出层活化函数采用线性函数，隐层的活化函数采用Sig-moid函数，解耦网络的学习算法采用改进BP算法。

模糊控制器的输出和解耦网络的输出在调节器中加权合成后作为本通道的控制量加到被控对象上。例如，对湿度通道有

U₁＝A_fU_f1+(1-A_f)U₀₁

式中A_f——模糊控制器的加权系数；

1-A_f——解耦网络的加权系数。

开始训练时，A_f可取较小值甚至为零，以加速网络训练过程，但当系统输出误差超过允许限度时，可增大值。系统正式运行时，A_f的大小视耦合程度实验确定。

(2)温湿度时滞控制——Fuzzy-PID控制

在采用基于神经网络的前馈解耦法，将环境温湿度的耦合关系解耦以后，控制器判断温湿度偏差，若温度偏差超过3℃和/或湿度偏差超过±7％时采用Fuzzy控制，以加快动态响应速度；当温度偏差较小进入稳态过程后切换到PID控制，以消除静差，提高控制精度。

控制器得到偏差e，并计算出偏差变化率ec，然后将e和ec分别量化成模糊量E和EC，再由E和EC及模糊控制规则R根据推理合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u，最后将该模糊控制量反模糊化成精确量U，作为控制器生成量作用于被控对象。

如图4所示，涂装车间温湿度解耦时滞控制完整控制流程如下：

步骤1.温、湿度传感器检测涂装车间的温度和湿度，A/D转换器将系统实时采集的信号转换为计算机和操作人员可识别的数字量，控制器读取温湿度数据。

步骤2.进行温湿度判断，若是温度超出要求范围，则进行温度控制；若是湿度超出要求范围，则进行湿度控制。

步骤3.当温度设定值与当前涂装车间内当前温度相差超过温度阀值或者当湿度设定值与涂装车间内当前湿度相差超过湿度阀值时，按以下步骤进行。否则跳转到步骤8。

步骤4.利用BP算法进行在线学习求解车间温湿度解耦关系，进行温度控制时，把湿度控制器的输出看作温度控制器通道的扰动因素；进行湿度控制时，把温度控制器的输出看作湿度控制器通道的扰动因素。应用前馈控制的原理，解除控制回路的耦合。

步骤5.解耦过程完成后进行时滞控制，控制器判断温湿度偏差，若温度偏差超过3℃和/或湿度偏差超过±7％时，采用Fuzzy控制，以加快动态响应速度。否则进行步骤6

步骤6.当温湿度偏差较小进入稳态过程后，通过切换开关将系统切换到PID控制，以消除静差，提高控制精度。

步骤7.控制相应的执行机构动作，调解制冷器和加热器的开度进行温度控制，调解增湿器和去湿机的开度进行湿度调解。

步骤8.调用显示子程序，将结果显示到显示器上，供操作人员观察。

步骤9.返回并结束控制。

Claims

1.一种涂装车间温湿度控制系统，包括信号采集输入部分、控制部分，显示部分和执行部分，其特征在于，

所述信号采集输入部分包括温度传感器、湿度传感器和A/D转换器，所述温度传感器和湿度传感器用于分别采集涂装车间内的温度和湿度数据，采集到的温度和湿度数据通过所述A/D转换器转换后输入到控制部分；

所述控制部分包括PLC和温湿度解耦时滞控制器，该PLC接收信号采集输入部分输入的实际温度和湿度数据，计算出预设温度和实际温度的温度偏差以及预设湿度和实际湿度的湿度偏差，并分别与温度阈值和湿度阈值进行比较判断，当温度偏差或湿度偏差超过相应阈值时，将所述温度偏差和湿度偏差一同输入到温湿度解耦时滞控制器，进行解耦时滞控制，生成温度控制量和湿度控制量；

所述执行部分包括加热器、制冷器、增湿器和去湿机，温湿度解耦时滞控制器输出的温度控制量和湿度控制量输入到所述该执行部分，控制加热器、制冷器、增湿器和/或去湿机，调整车间内的温度和湿度，实现对涂装车间的环境控制；

其中，所述解耦时滞控制具体为：首先，将环境温湿度的耦合关系解耦，然后利用Fuzzy控制或PID控制，获得温度控制量和湿度控制量。

2.根据权利要求1所述的涂装车间温湿度控制系统，其特征在于，所述的Fuzzy控制具体为：首先根据输入的偏差e计算出偏差变化率ec，然后将偏差e和偏差变化率ec分别量化成模糊量E和EC，再由模糊量E和 EC及模糊控制规则进行模糊决策，得到模糊控制量u，最后将该模糊控制量反模糊化成精确量U，即获得控制量。

3.根据权利要求1所述的涂装车间温湿度控制系统，其特征在于，若温度偏差和温度阈值的差值超过3℃或湿度偏差和湿度阈值的差值超过±7％，采用Fuzzy控制，否则采用PID控制。

4.根据权利要求1或2所述的涂装车间温湿度控制系统，其特征在于，所述预设的温度值为20℃-30℃，预设的湿度值为55%-70%。

5.根据权利要求1或2所述的涂装车间温湿度控制系统，其特征在于，所述温度阈值为1℃、湿度阈值为5％。

6.权利要求1-5之一所述的涂装车间温湿度控制系统的应用，具体包括如下步骤：

（1）所述温度传感器和湿度传感器分别采集涂装车间的温度和湿度，并通过所述A/D转换器转换后输入到控制部分；

（2）所述控制部分的PLC进行判断，计算出预设温度和实际温度的温度偏差、预设湿度和实际湿度的湿度偏差，若温度偏差或湿度偏差超过相应阈值，则将所述温度偏差和湿度偏差一同输入到温湿度解耦时滞控制器，进行解耦时滞控制，生成温度控制量和湿度控制量；

（3）所述温湿度解耦时滞控制器将所述生成的控制量输入到执行部分，控制加热器、制冷器、增湿器和/或去湿机的工作，以调整车间内的温度和湿度，实现对涂装车间的环境控制；

其中，所述的解耦时滞控制具体为：

首先，将环境温湿度的耦合关系解耦，然后利用Fuzzy控制或PID控制，获得温度控制量和湿度控制量；

其中，所述的Fuzzy控制具体为：首先根据输入的偏差e计算出偏差变化率ec，然后将偏差e和偏差变化率ec分别量化成模糊量E和EC，再由模糊量E和EC及模糊控制规则进行模糊决策，得到模糊控制量u，最后将该模糊控制量反模糊化成精确量U，即获得控制量。

7.根据权利要求6所述的涂装车间温湿度控制系统的应用，其特征在于，所述温度阈值为1℃、湿度阈值为5％。