CN109283958A - 自适应模糊pid解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法，包括以下步骤：⑴确定焓差实验室系统中温湿度耦合对象的模型，采用辨识模型参数；⑵焓差实验室温湿度解耦设计；⑶设计自适应模糊PID控制器；⑷设计焓差实验室温湿度解耦控制器。本发明能够实现焓差实验室温度和湿度的完全解耦，进一步验证了前馈补偿算法的简单实用性。能够缩短系统的调节时间，满足国家标准要求，提高焓差实验室的工作效率。能够提高系统的稳定性，减小稳态误差，使干球温度的平均变化幅度小于等于±0.3℃，湿球温度的平均变化幅度小于等于±0.2℃，增强焓差实验室对温度和湿度调节的准确度。

Description

自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法

技术领域

本发明涉及焓差实验室技术领域，尤其涉及基于自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法。

背景技术

焓差实验室是能够模拟各种不同的温、湿度环境工况，并同时测试空调的各种性能参数、制冷能力、制热能力、低温非稳态制热能力、功耗、C.O.P、循环风量以及季节能源消耗效率的实验室。实验室分为室内侧和室外侧，在测量空调器装置性能时，通过对制冷机组、加湿器和加热器的控制是房间温度达到精度要求。

温湿度的控制精度对于焓差实验室来说是至关重要的，我国对焓差实验室温湿度的控制精度提出具体的要求和国家标准。GB/T 17758-2010《单元式空气调节机》和GB/T25128-2010《直接蒸发式全新风空气处理机组》要求：空调机进行制冷实验和制热实验时，干球温度最大变化幅度为±1.0℃，平均变化幅度±0.3℃；湿球温度最大变化幅度为±0.5℃，平均变化幅度±0.2℃。

焓差实验室空气入口处的进风是直接采集于自然风，进风温湿度受外界环境影响较大，温湿度的检测和传输也需要一定的时间。因此，焓差实验室的温湿度控制是一个非线性、大滞后的控制过程。而且实验室内温度和湿度之间存在交叉耦合情况，即温度控制会引起湿度变化，湿度的变化也会引起温度的变化。在现有的焓差实验室控制系统中，均存在温湿度相互耦合的问题，使温湿度的控制精度不高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供基于自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法。本发明运用自适应解耦控制来实现焓差实验室温度和湿度二维变量系统的解耦，运用克服单一温度和湿度控制的缺点，提高工作效率，节约能源，提高控制的精度。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明一方面提供基于自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法，包括以下步骤：

⑴确定焓差实验室系统中温湿度耦合对象的模型，采用辨识模型参数；

⑵焓差实验室温湿度解耦设计；

⑶设计自适应模糊PID控制器；

⑷设计焓差实验室温湿度解耦控制器。

所述步骤⑴中，具体步骤为：

焓差实验室对温度和湿度的要求很高，温湿度的控制是一个两输入两输出的控制系统。如果单独采用加热器控制房间温度，加湿器控制房间湿度，当加湿器进行工作时，会同时产生降温效果。当加热器进行加热操作时，也会对房间相对湿度产生影响。两个控制回路在控制过程中形成相互干扰，出现温湿度耦合现象。

在原理框图中，为湿度的设定值，为温度的设定值，为湿度控制器，为温度控制器。为加湿器的输入电压，为加热器的输入电压。为加湿器的输入电压与房间实际湿度之间的传递函数；为加热器的输入电压与房间实际温度之间的传递函数；为加湿器的输入电压与房间实际温度之间的传递函数；为加热器的输入电压与房间实际湿度之间的传递函数。因为房间温度的提升对房间的绝对湿度没有影响，所以为零。得出以下传递函数矩阵：

（1）

在得到传递函数矩阵后，采用最小二乘法对，，进行模型辨识。可以采用普通最小二乘法对系统进行离线辨识，如果不能满足要求，可以采用具有遗忘因子的递推最小二乘进行在线辨识。

所述步骤⑵中，具体步骤为：

通过以上的系统辨识过程辨识出准确的，，的模型。由传递函数矩阵公式(1)可以看出，焓差实验室温湿度系统存在耦合，不便于温湿度的准确控制，因此我们需要状态补偿环节去抵消相互之前的耦合，设计温湿度前馈补偿解耦。

期望的传递函数矩阵为：

（2）

前馈补偿解耦框图中可以得出其传递函数矩阵为：

(3)

把公式（2）和公式（3）联立可知

（4）

推出：

（5）

(6)

由公式（6）可以得出：。根据上述结果，可以得到解耦后的原理框图。

所述步骤⑶中，具体步骤为：

设计其自适应模糊PID控制器，具体步骤为：将偏差和偏差变化率作为控制器的输入，PID控制器的三个参数作为输出。根据焓差实验室实际情况，避免出现失控现象。将输入变量偏差和偏差变化率量化到（-6,6）的区域内，模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。同时输出变量分别量化到（-7,7）的区域内，模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。为了更够更加符合实际情况，隶属度函数形状均采用三角形。依据隶属度赋值表和各参数的模糊控制模型，在线修正PID参数。

根据实际情况和反复的实验得出的模糊规则表：

根据模糊控制规则表和隶属度函数，能够确定模糊推理的最终输出值：

(7)

其中，是输出的模糊集。

根据进行数模转换，把得到的模拟信号输给相应的控制对象（加湿器和加热器），控制对象则会输出一个相应的功率。

所述步骤⑷中，具体步骤为：

设计焓差实验室温湿度解耦控制器，即建立焓差实验室温湿度控制的解耦模型。本发明中模型由步骤（1）中求得的传递函数、步骤（2）中求出的解耦函数及步骤⑶设计的自适应模糊PID控制器组成。

本发明的有效收益为：

1.能够实现焓差实验室温度和湿度的完全解耦，进一步验证了前馈补偿算法的简单实用性。

2.能够缩短系统的调节时间，满足国家标准要求，提高焓差实验室的工作效率。

3.能够提高系统的稳定性，减小稳态误差，使干球温度的平均变化幅度小于等于±0.3℃，湿球温度的平均变化幅度小于等于±0.2℃，增强焓差实验室对温度和湿度调节的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明温湿度前馈解耦控制原理框图；

图3为本发明自适应模糊PID控制器结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明是基于济南某公司的焓差实验室设计所创造的。

如下，将会结合实际项目对本发明进行进一步说明：

本发明是一种基于焓差实验室温湿度解耦的方法。具体操作如下：

步骤1. 通过PLC从焓差实验室现场采集相应数据。

对建模的数据采集：把加热器的输入电压固定为一个常值，待温度变化趋势稳定后，调节加湿器1的输入电压，记录的数据，同时记录跟随变化的实际湿度的数据。

对建模的数据采集：把加湿器的输入电压固定为一个常值，待湿度变化趋势稳定后，调节加热器的输入电压，记录的数据，同时记录跟随变化的实际湿度的数据。

对建模的数据采集：把加热器的输入电压固定为一个常值，待湿度变化趋势稳定后，调节加湿器的输入电压，记录的数据，同时记录跟随变化的实际温度的数据。采用普通最小二乘法对模型进行离线辨识，如果不能满足要求，可以采用具有遗忘因子的递推最小二乘进行在线辨识。

步骤2. 根据步骤1中得到模型确定前馈补偿函数，得到前馈补偿模型及其传递函数。

步骤3. 通过确定偏差和偏差变化率的范围，确定相应的论域，得到PID控制器输出的三个参数，根据隶属度函数和模糊规则得出控制器相应的输出。

步骤4. 设计焓差实验室温湿度解耦控制器，即建立焓差实验室温湿度控制的解耦模型。本发明中模型由步骤（1）中求得的传递函数、步骤（2）中求出的解耦函数及步骤⑶设计的自适应模糊PID控制器组成。在控制器的作用下,温度和湿度能很快响应到目标值，超调量几乎为零，实现焓差实验室温度和湿度的完全解耦。

在实际工程中，与普通的PID控制器相比，本发明设计的控制器的调节时间、稳定性和稳态误差都要优于普通的PID控制器。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (5)

1.自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴确定焓差实验室系统中温湿度耦合对象的模型，采用辨识模型参数；

⑵焓差实验室温湿度解耦设计；

⑶设计自适应模糊PID控制器；

⑷设计焓差实验室温湿度解耦控制器。

2.根据权利要求1所述的基于自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法，其特征在于：所述步骤⑴中，具体步骤为：

焓差实验室对温度和湿度的要求很高，温湿度的控制是一个两输入两输出的控制系统；如果单独采用加热器控制房间温度，加湿器控制房间湿度，当加湿器进行工作时，会同时产生降温效果；当加热器进行加热操作时，也会对房间相对湿度产生影响；两个控制回路在控制过程中形成相互干扰，出现温湿度耦合现象；

在原理框图中，为湿度的设定值，为温度的设定值，为湿度控制器，为温度控制器；为加湿器的输入电压，为加热器的输入电压；为加湿器的输入电压与房间实际湿度之间的传递函数；为加热器的输入电压与房间实际温度之间的传递函数；为加湿器的输入电压与房间实际温度之间的传递函数；为加热器的输入电压与房间实际湿度之间的传递函数；因为房间温度的提升对房间的绝对湿度没有影响，所以为零；得出以下传递函数矩阵：

（1）

在得到传递函数矩阵后，采用最小二乘法对，，进行模型辨识；可以采用普通最小二乘法对系统进行离线辨识，如果不能满足要求，可以采用具有遗忘因子的递推最小二乘进行在线辨识。

3.根据权利要求2所述的基于自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法，其特征在于：所述步骤⑵中，具体步骤为：

通过以上的系统辨识过程辨识出准确的，，的模型；由传递函数矩阵公式(1)可以看出，焓差实验室温湿度系统存在耦合，不便于温湿度的准确控制，因此我们需要状态补偿环节去抵消相互之前的耦合，设计温湿度前馈补偿解耦；

期望的传递函数矩阵为：

（2）

前馈补偿解耦框图中可以得出其传递函数矩阵为：

(3)

把公式（2）和公式（3）联立可知

（4）

推出：

（5）

(6)

由公式（6）可以得出：；根据上述结果，可以得到解耦后的原理框图。

4.根据权利要求3所述的基于自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法，其特征在于：所述步骤⑶中，具体步骤为：

设计其自适应模糊PID控制器，具体步骤为：将偏差和偏差变化率作为控制器的输入，PID控制器的三个参数作为输出；根据焓差实验室实际情况，避免出现失控现象；将输入变量偏差和偏差变化率量化到（-6,6）的区域内，模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；同时输出变量分别量化到（-7,7）的区域内，模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；为了更够更加符合实际情况，隶属度函数形状均采用三角形；依据隶属度赋值表和各参数的模糊控制模型，在线修正PID参数；

根据实际情况和反复的实验得出的模糊规则表：

根据模糊控制规则表和隶属度函数，能够确定模糊推理的最终输出值：

(7)

其中，是输出的模糊集；

根据进行数模转换，把得到的模拟信号输给相应的控制对象（加湿器和加热器），控制对象则会输出一个相应的功率。

5.根据权利要求4所述的基于自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法，其特征在于：所述步骤⑷中，具体步骤为：

设计焓差实验室温湿度解耦控制器，即建立焓差实验室温湿度控制的解耦模型；本发明中模型由步骤（1）中求得的传递函数、步骤（2）中求出的解耦函数及步骤⑶设计的自适应模糊PID控制器组成。