CN109696932A - 一种焓差实验室湿度控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焓差实验室湿度控制系统及其控制方法，实现了对焓差实验室湿度的准确控制。该系统包括依次相连的湿度检测装置、变送器、PLC和上位机；湿度检测装置检测焓差实验室的湿度数据，并传输给变送器；变送器将接收到的焓差实验室湿度数据转换为电流信号，传送到PLC；PLC对接收到的电流信号进行处理，得到焓差实验室湿度数据，并传送到上位机；上位机根据接收到焓差实验室湿度数据，计算焓差实验室的焓湿量测量值，并计算湿度偏差和湿度偏差率，采用隶属度赋值方法设计模糊控制器，经过模糊控制器输出焓差实验室的湿度控制量，将湿度控制量分成加湿、开风机两路控制信号并传输给PLC。
Description
技术领域
本公开涉及焓差实验室技术领域，具体涉及一种采用模糊变量隶属度赋值方法的焓差实验室湿度控制系统及其控制方法。
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。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/T17758-2010《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℃。实验室分为室内侧和室外侧，在测试空调性能时，对房间的温湿度要求都很高，焓差实验室的湿度可以由焓湿量来表示。目前，大多数控制只针对温度进行针对性控制，湿度控制一般不做单独控制。
因此，如何设计一种能够控制焓差实验室湿度的系统及方法，仍是待解决的技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种采用模糊变量隶属度赋值方法的焓差实验室湿度控制系统及其控制方法，实现了对焓差实验室湿度的准确控制。
本公开所采用的技术方案是：
一种焓差实验室湿度控制系统，该系统包括依次相连的湿度检测装置、变送器、PLC和上位机；
所述湿度检测装置，用于检测焓差实验室的湿度数据，并传输给变送器；
所述变送器，用于将接收到的焓差实验室湿度数据转换为电流信号，传送到PLC；
所述PLC，用于对接收到的电流信号进行处理，得到焓差实验室湿度数据，并传送到上位机；
所述上位机，用于根据接收到焓差实验室湿度数据，计算焓差实验室的焓湿量测量值，比较焓差实验室焓湿量的设定值与得到的焓差实验室焓湿量的测量值的大小，得到湿度偏差和湿度偏差率，采用隶属度赋值方法设计模糊控制器，将湿度偏差和湿度偏差率输入模糊控制器，经过模糊控制器输出焓差实验室的湿度控制量，将湿度控制量分成加湿、开风机两路控制信号并传输给PLC。
进一步的，所述PLC连接有加湿器，将接收到加湿控制信号输出至加湿器。
进一步的，所述PLC还通过变频器与风机连接，通过变频器将开风机控制信号输出至风机。
进一步的，所述湿度检测装置包括用于检测干球温度的第一温度传感器和用于检测湿球温度的第二温度传感器，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别与变送器连接。
一种焓差实验室湿度控制方法，该方法基于如上所述的焓差实验室湿度控制系统实现的，该方法包括以下步骤：
采集焓差实验室的湿度数据，计算焓差实验室的焓湿量；
计算测得的焓差实验室的焓湿量与设定的焓差实验室的焓湿量之间的湿度误差和湿度误差率；
基于湿度误差和湿度误差率，采用隶属度赋值和模糊控制方法计算焓差实验室的湿度控制量。
进一步的，所述焓差实验室的焓湿量的计算方法为：
采集焓差实验室的干球温度和湿球温度；
根据干球温度和湿球温度的压力大小，计算空气中水蒸气分压力；
将空气中水蒸气分压力与大气压力和空气中水蒸气分压力的差值相比，并乘以比例系数，得到焓差实验室的焓湿量。
进一步的，所述采用隶属度赋值和模糊控制方法计算焓差实验室的湿度控制量的方法为：
确定模糊控制器的输入变量和输出变量，以及输入变量和输出变量的论域及模糊语言值；
确定输入变量和输出变量的各个论域及模糊语言值所对应的隶属度；
建立焓差实验室湿度模糊控制规则表；
根据所确定的输入变量和输出变量的各个论域及模糊语言值所对应的隶属度和焓差实验室湿度模糊控制规则表，进行模糊推理，得到输出的湿度控制量；
采用最大隶属度法对输出的湿度控制量进行解模糊运算，得到焓差实验室湿度模糊控制查询表。
进一步的，所述输入变量为湿度误差和湿度误差率；所述输出变量为湿度控制量；
所述湿度误差、湿度误差率和湿度控制量的论域为{-3,-2，-1，0，1，2，3}，模糊语音值为：负大，负小，零，正小，正大。
进一步的，所述焓差实验室湿度模糊控制规则表的建立方法为：
建立湿度误差模糊子集和湿度误差变化率模糊子集；
采用将湿度误差模糊子集与湿度误差变化率模糊子集相比较来确定湿度控制量模糊子集的模糊控制规则，得出若干个模糊控制规则，形成焓差实验室湿度模糊控制规则表。
进一步的，所述模糊推理的步骤包括：
根据所建立的焓差实验室湿度模糊控制规则表，得到一个总的模糊关系；
基于湿度误差模糊子集、湿度误差变化率模糊子集及湿度控制量模糊子集的隶属度函数，建立总模糊关系的隶属度函数；
根据模糊推理合成规则，利用总模糊关系及其隶属度函数，计算输出的湿度控制量。
通过上述的技术方案，本公开的有益效果是：
(1)本公开利用隶属度赋值的方法设计模糊控制器，便于系统的在线运算，缩短系统的调节时间，提高焓差实验室的工作效率；
(2)本公开利用模糊控制的方法，减小干扰和参数变化对控制效果的影响，提高系统的稳定性，减小稳态误差。
(3)本公开采用RTD传感器与TXDIN70变送器对湿度进行检测与传输，增强实验室对湿度检测的准确性；
(4)本公开采用PLC控制变频器，变频器控制风机，实现风机的无极调速，减少能耗，提高控制的精确度。
(5)本公开采用带SIMATIC S7-200SMART扩展模块的PLC对变送器传输的干湿球温度进行接收，便于数据的处理以及对变频器的控制。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是根据一种或多种实施方式的焓差实验室湿度控制系统结构图；
图2是根据一种或多种实施方式的焓差实验室湿度控制系统硬件接线图；
图3是根据一种或多种实施方式的PLC控制流程图；
图4是根据一种或多种实施方式的焓差实验室湿度控制系统仿真结果图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种或多种实施例提供了一种焓差实验室湿度控制系统，该系统包括湿度检测装置、变送器、PLC、加湿器、风机和上位机，如图1和图2所示。
具体地，所述湿度检测装置与变送器连接，用于检测焓差实验室的湿度数据，并传输给变送器。
所述变送器与PLC连接，用于对接收到的焓差实验室湿度数据转换为电流信号，传送到PLC。
所述PLC与上位机连接，用于将接收到的焓差实验室湿度数据上传至上位机。
所述上位机，用于根据接收到焓差实验室湿度数据，计算焓差实验室的焓湿量测量值，比较焓差实验室焓湿量的设定值与得到的焓差实验室焓湿量的测量值的大小，计算焓差实验室焓湿量的设定值与焓差实验室焓湿量的测量值之间的湿度偏差和湿度偏差率，采用隶属度赋值方法设计模糊控制器，将湿度偏差和湿度偏差率输入模糊控制器，经过模糊控制器输出焓差实验室的湿度控制量，将湿度控制量分成加湿、开风机两路控制信号并传输给PLC。
所述PLC还与加湿器和风机连接，用于分别输出加湿、开风机控制信号至加湿器和风机，控制加湿器和风机工作。
在至少一种实施例中，所述湿度检测装置包括第一球体、设置在第一球体内的第一温度传感器、第二球体和设置在第二球体内的第二温度传感器，通过第一温度传感器检测第一球体内的温度，并传输给变送器，通过变送器传送到PLC；通过第二温度传感器检测第二球体内的温度，并传输给变送器，通过变送器传送到PLC。
上述的第一球体为干球，第二球体为湿球。
本实施例提出的湿度检测装置使用时，用干棉布包扎住第一温度传感器，维持感温部位空气湿度达到饱和，在纱布周围保持一定的空气流通，使周围空气接近达到等焓，示数达到稳定后，所检测到的温度就是干球温度；用湿棉布包扎住第二温度传感器，将棉布的下端浸在水中，维持感温部位空气湿度达到饱和，在纱布周围保持一定的空气流通，是周围空气接近达到等焓，示数达到稳定后，所检测到的温度就是湿球温度。
在至少一种实施例中，上述的第一温度传感器和第二温度传感器采用空气温度RTD传感器，该RTD传感器是带有不锈钢外壳的RTD-805，使用AWG镀镍铜绞线、PFA绝缘，安装于实验室中间位置。在本实施例中，该RTD传感器通过MTP连接器与变送器相连，将采集到的温度数据传输给变送器。
在至少一种实施例中，所述变送器采用TXDIN70型变送器，该变送器是双通道输入，支持RTD输入，自带数字滤波功能，使用DIN导轨安装，无需用螺丝固定，维护方便；采用三线制接法，利用电桥消除导线引入电阻的影响，提高测量精度；配有USB接口，连接外部PLC，配置方便。
在至少一种实施例中，所述PLC采用西门子PLC S7-200该西门子PLCS7-200，性能稳定，结构紧凑，指令强大，满足中小型控制的需求；湿度检测装置传输的是2路模拟量，所以采用了SIMATIC S7-200SMART扩展模块；PLC用于现场实地检测，完成数据处理，同时将控制及测量结果传送到上位机，并接受上位机的指令，控制风机和加湿器的开关，如图3所示。
上述的上位机根据接收到的变送器上传的焓差实验室湿度数据，计算焓差实验室的焓湿量测量值的方法为：
d＝0.622Pq/(P-Pq) (1)
Pq＝Pq,d-0.0006495P(t-ts) (2)
其中，d为焓差实验室的焓湿量；Pq为空气中水蒸气分压力，t为空气干球温度，ts为空气湿球温度，Pq,d为ts时的水蒸气饱和压力。
为了便于风机的控制，所述PLC与风机之间还连接有变频器，PLC的输出控制信号通过变频器作用于风机。
在至少一种实施例中，所述变频器采用施耐德ATV610变频器，产品体积紧凑便于柜内安装，接线不需要压线，采用标准接线方法，提高了电磁兼容性，有启动/停止，手自动切换等多种接线方式，便于现场设备的调试。
本实施例提出的焓差实验室湿度控制系统采用隶属度赋值的方法设计模糊控制器，便于系统的在线运算，缩短系统的调节时间，提高焓差实验室的工作效率；利用模糊控制的方法，减小干扰和参数变化对控制效果的影响，提高系统的稳定性，减小稳态误差；采用RTD传感器与TXDIN70变送器对焓差实验室湿度进行检测与传输，增强实验室对湿度检测的准确性。
一种或多种实施例提供了一种焓差实验室湿度控制方法，该方法基于如上所述的焓差实验室湿度控制系统实现的，该方法包括以下步骤：
S101，采集焓差实验室的湿度数据，计算焓差实验室的焓湿量。
所述步骤S101的具体实现方式如下：
S101-1，通过空气温度RTD传感器检测焓差实验室的干球温度和湿球温度，再通过TXDIN70温度变送器将温度传感器的信号转变为电流信号，传输到PLC上；
S101-2，通过PLC将接收到的焓差实验室湿度数据上传至上位机。
S101-4，上位机根据接收到焓差实验室湿度数据，计算焓差实验室的焓湿量测量值，其中，所述焓差实验室的焓湿量测量值的计算公式为：
d＝0.622Pq/(P-Pq)
Pq＝Pq,d-0.0006495P(t-ts)
其中，d为焓差实验室的焓湿量；Pq为空气中水蒸气分压力，t为空气干球温度，ts为空气湿球温度，Pq,d为ts时的水蒸气饱和压力；P为大气压力。
S102，计算焓差实验室焓湿量的设定值与步骤101得到的焓差实验室的焓湿量测量值之间的湿度误差和湿度误差率。
通过上位机预先设定焓差实验室焓湿量的设定值，将比较焓差实验室焓湿量的设定值与得到的焓差实验室焓湿量的测量值的大小，计算焓差实验室焓湿量的设定值与焓差实验室的焓湿量测量值之间的湿度误差和湿度误差率。
在本实施例中，设定焓差实验室的期望湿度为20，算出期望值的湿度与实际湿度误差eH，分析误差，得出焓差实验室的湿度误差eH的范围为[-5,5]和湿度误差率ecH。
S103，采用隶属度赋值和模糊控制方法计算焓差实验室的湿度控制量。
所述步骤103的具体实现方法如下：
S103-1，确定输入、输出变量，其中，将湿度误差、湿度误差率作为输入变量，将湿度控制量作为输出变量。
S103-2，确定输入、输出变量的论域及模糊语言值，其中，湿度误差eH、湿度误差率ecH以及湿度控制量CH的论域为{-3,-2，-1，0，1，2，3}，湿度误差eH、湿度误差率ecH以及湿度控制量CH的对应的模糊语言值为：负大(NB)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正大(PB)。
S103-3，确定输入、输出各变量的隶属度。
为了更加准确的表示，本实施例对输入、输出各变量的隶属度进行不同的赋值，其中，焓差实验室焓湿量的误差eH、焓差实验室焓湿量的误差率ecH的隶属度如表1所示，湿度控制量CH的隶属度如表2所示。
表1 eH和ecH的隶属度
表2 CH的隶属度
S103-4，建立焓差实验室湿度模糊控制规则。
在本实施中，采用IF Ai AND Bj THEN Cij为模糊控制规则，例如：如果湿度误差量化为-3，并且误差变化率量化后也是-3，则湿度控制量就是负小；。如果湿度误差量化为3，并且误差变化率量化后也是3，则湿度控制量就是正大。其中，Ai为湿度误差模糊子集，Bj为湿度误差变化率模糊子集，Cij为湿度控制量模糊子集，根据实际经验得出一共25条规则，得到焓差实验室湿度模糊控制规则表，如表3所示。
表3焓差实验室湿度模糊控制规则表
S103-5，根据上述得到的隶属度和焓差实验室湿度模糊规则表，进行模糊推理与解模糊，输出模糊向量CH。
根据步骤S103-4所建立的焓差实验室湿度模糊控制规则，可以的得到一个总的模糊关系R，即R的隶属度函数为
其中，μAi(x)为湿度误差模糊子集的隶属度函数；μBi(y)为湿度误差变化率模糊子集的隶属度函数；μCij(z)为湿度控制量模糊子集的隶属度函数；
根据模糊推理规则，求取湿度控制量的最大隶属度，计算湿度控制量，并输出。其中，输出的湿度控制量Cij为：
Cij＝(Ai×Bj)oR
其中，C的隶属度函数为
通过上述的运算，可以得到输出模糊向量CH，即湿度控制量。
采用最大隶属度法来进行解模糊运算，整理后得到模糊控制查询表，便于计算机的在线运算。所述模糊控制查询表如表4所示。
表4焓差实验室湿度模糊控制查询表
本实施例提出的焓差实验室湿度控制方法采用隶属度赋值的方法设计模糊控制器，便于系统的在线运算，缩短系统的调节时间，提高焓差实验室的工作效率；利用模糊控制的方法，减小干扰和参数变化对控制效果的影响，所得到的的湿度稳定性更好，稳态误差小于0.1，减小稳态误差，得到的准确的湿度控制量。
本实施例还对焓差实验室湿度控制系统进行仿真实验，得到结果仿真如图4所示，仿真结果显示所得到的实验室湿度稳定性更强，稳态误差小于0.1，并且湿度的调节时间缩短，提高了实验室的工作效率。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种焓差实验室湿度控制系统，其特征是，包括依次相连的湿度检测装置、变送器、PLC和上位机；
所述湿度检测装置，用于检测焓差实验室的湿度数据，并传输给变送器；
所述变送器，用于将接收到的焓差实验室湿度数据转换为电流信号，传送到PLC；
所述PLC，用于对接收到的电流信号进行处理，得到焓差实验室湿度数据，并传送到上位机；
所述上位机，用于根据接收到焓差实验室湿度数据，计算焓差实验室的焓湿量测量值，比较焓差实验室焓湿量的设定值与得到的焓差实验室焓湿量的测量值的大小，得到湿度偏差和湿度偏差率，采用隶属度赋值方法设计模糊控制器，将湿度偏差和湿度偏差率输入模糊控制器，经过模糊控制器输出焓差实验室的湿度控制量，将湿度控制量分成加湿、开风机两路控制信号并传输给PLC。
2.根据权利要求1所述的焓差实验室湿度控制系统，其特征是，所述PLC连接有加湿器，将接收到加湿控制信号输出至加湿器。
3.根据权利要求1所述的焓差实验室湿度控制系统，其特征是，所述PLC还通过变频器与风机连接，通过变频器将开风机控制信号输出至风机。
4.根据权利要求1所述的焓差实验室湿度控制系统，其特征是，所述湿度检测装置包括用于检测干球温度的第一温度传感器和用于检测湿球温度的第二温度传感器，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别与变送器连接。
5.一种焓差实验室湿度控制方法，该方法基于权利要求1至4中任一项所述的焓差实验室湿度控制系统实现的，其特征是，该方法包括以下步骤：
采集焓差实验室的湿度数据，计算焓差实验室的焓湿量；
计算测得的焓差实验室的焓湿量与设定的焓差实验室的焓湿量之间的湿度误差和湿度误差率；
基于湿度误差和湿度误差率，采用隶属度赋值和模糊控制方法计算焓差实验室的湿度控制量。
6.根据权利要求5所述的焓差实验室湿度控制方法，其特征是，所述焓差实验室的焓湿量的计算方法为：
采集焓差实验室的干球温度和湿球温度；
根据干球温度和湿球温度的压力大小，计算空气中水蒸气分压力；
将空气中水蒸气分压力与大气压力和空气中水蒸气分压力的差值相比，并乘以比例系数，得到焓差实验室的焓湿量。
7.根据权利要求5所述的焓差实验室湿度控制方法，其特征是，所述采用隶属度赋值和模糊控制方法计算焓差实验室的湿度控制量的方法为：
确定模糊控制器的输入变量和输出变量，以及输入变量和输出变量的论域及模糊语言值；
确定输入变量和输出变量的各个论域及模糊语言值所对应的隶属度；
建立焓差实验室湿度模糊控制规则表；
根据所确定的输入变量和输出变量的各个论域及模糊语言值所对应的隶属度和焓差实验室湿度模糊控制规则表，进行模糊推理，得到输出的湿度控制量；
采用最大隶属度法对输出的湿度控制量进行解模糊运算，得到焓差实验室湿度模糊控制查询表。
8.根据权利要求7所述的焓差实验室湿度控制方法，其特征是，所述输入变量为湿度误差和湿度误差率；所述输出变量为湿度控制量；
所述湿度误差、湿度误差率和湿度控制量的论域为{-3,-2，-1，0，1，2，3}，，模糊语音值为：负大，负小，零，正小，正大。
9.根据权利要求7所述的焓差实验室湿度控制方法，其特征是，所述焓差实验室湿度模糊控制规则表的建立方法为：
建立湿度误差模糊子集和湿度误差变化率模糊子集；
采用将湿度误差模糊子集与湿度误差变化率模糊子集相比较来确定湿度控制量模糊子集的模糊控制规则，得出若干个模糊控制规则，形成焓差实验室湿度模糊控制规则表。
10.根据权利要求7所述的焓差实验室湿度控制方法，其特征是，所述模糊推理的步骤包括：
根据所建立的焓差实验室湿度模糊控制规则表，得到一个总的模糊关系；
基于湿度误差模糊子集、湿度误差变化率模糊子集及湿度控制量模糊子集的隶属度函数，建立总模糊关系的隶属度函数；
根据模糊推理合成规则，利用总模糊关系及其隶属度函数，计算输出的湿度控制量。
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2019
- 2019-01-24 CN CN201910068320.3A patent/CN109696932A/zh active Pending
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