CN1439943A - 人工气候箱内气体温湿度的鲁棒跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工气候箱内气体温湿度的鲁棒跟踪控制方法,涉及一种用于检测大气环境气体或产品散发出的有害气体的气体发生装置的控制方法。该鲁棒跟踪控制方法将设置在气候箱内的温、湿度传感器检测到的气候箱内在线的温度和湿度的数据,传送到带有变送输出功能的温度显示仪表和湿度显示仪表后,再输出给温湿度信号转换模块后,将信号传递给可编程控制器PLC,PLC将其采样值同设定值进行比较并执行鲁棒跟踪程序,同时控制恒温水箱和恒温露点水箱的温度,直至温湿度满足要求。能在较快的时间内,产生符合要求的高精度温湿度气体,使用和调节非常方便,可广泛应用于检测林产工业品、建筑材料或化工产品中含挥发性有害气体的物品。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工气候箱内气体温湿度的控制方法,具体涉及一种用于检测大气环境气体或用于检测林产工业品、建筑材料、化工产品中所含挥发性有害气体的气体发生装置的控制方法。
背景技术
林产工业品(如家具、胶合板、中密度板、纤维板等)、建筑材料、化工产品等是人们日常生活不可缺少的,但它们中的绝大部分产品生产中需要用到甲醛。因为甲醛是合成脲醛树脂胶粘剂的主要原料之一,是一种易挥发的物质。当空气中甲醛含量超过一定浓度时,会对人体产生严重伤害。例如:呼吸道粘膜和眼膜溃烂,内脏器官、神经系统的病变等。当每100g人造板甲醛释放量大于60~100mg时,室内空气中的甲醛就会对人的眼、鼻、呼吸系统造成明显伤害,或使人患皮肤病。动物实验结果显示,甲醛释放量超标会导致鼻癌及呼吸系统癌变。尽管如此,目前还没有发现有比甲醛更廉价、胶合性更优的合成单体替代它。针对这种情况,我国强制性国家标准《室内装饰、装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》于2002年1月1日起实施,过渡期半年,2002年7月1日起将禁止不符合该标准的一切产品在我国境内销售。为此,林产工业品,建筑装饰材料中有害气体的检测就显得非常重要了。
为了使上述材料的生产符合国家标准,产品中有害气体的检测是实现生产的安全、平稳、高效、优质的低耗的基本条件和重要保证,而为了环保的要求和对生产过程中产品的有害元素实施有效的控制,一个重要的前提就是要获得被控变量的准确信息。对于具体的检测过程来说,首先要获得一个稳定、精确的温度、湿度的气候环境。即人工气候箱,这个气候箱是时变的,在单位时间里由外部向箱内送入一定量且具有一定温、湿度的气体。同时,箱内向外部排出定量的气体,在这个前提条件下,箱内的温、湿度要在设定值所允许的误差范围内。
与本发明相关的现有技术,主要是根据露点法制作人工气候箱。它是在大气压力、相对温度、相对湿度、保和露点压力等7个条件不变的情况下,通过实验制作出一套表格。检测时,通过表格查到检测所用的温、湿度的值进行设定,进行人工调节有关控温水泵电机或控湿水泵电机的运行,达到调节温度和湿度的目的。
这种控制气候箱内温湿度的方法,无论从检测结果或调节方法上都存在着许多不足,如误差大、抗干扰能力弱、维护困难、测量结果滞后过大,不能达到适时跟踪的目的,调节也不方便。因此,实现高精度控制存在非常大的困难,其测量值的可信度也相当差。因而许多检测有害气体的气候箱的温、湿度都只有依赖于软测量的推断控制。
作为有害气体气候检测箱的温、湿度控制精度,直接影响含挥发有害气体产品的检测精度,因而也就对相关的工业生产及人们的日常生活的环境保护有着非常重要的意义。
目前国内外普遍采用的露点气候箱检测有害气体存在着下述问题:
1)通常气候箱的温、湿度控制与多个可测变量或不可测变量之间的关系十分复杂,很难取得较高的控制精度。在许多情况下,甚至连这种关系都无法建立或即使建立起来了也未必可用。
2)随着外界条件及环境的变化,通过实验所得到的关系或模型也会变得不准确,因此需要对模型进行修正,而这本身就是一个尚在研究中的问题。
3)测量一般基于数据分析和处理,其物理意义不明确,一般完全靠操作人员的经验,因此,其检测精度受到影响。
4)由于露点检测气候箱是基于实验的数据表格确定其温、湿度设定值的,一旦设定了箱内温度及露点温度,则箱内的温、湿度只有靠很小的进气量去调节。达到检测条件所用的时间大约为4小时,导致能源消耗过大和检测效率低下。
由上述分析可以看到,开发简单实用、稳定可靠且高精度的人工气候箱的气体发生装置,是相当有意义的,并具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明针对现有人工气候箱控制方法存在的问题,提供一种人工气候箱内气体温湿度的鲁棒跟踪控制方法,该鲁棒跟踪控制方法可以对人工气候箱内气体的温湿度进行适时有效的跟踪控制,利用鲁棒跟踪控制系统及其配套的控制装置控制该气体发生装置,能有效的保证气体温湿度的精度,并能有效的缩短达到稳态检测条件的时间,并通过计算机操作系统的人机界面监测和显示检测过程,打印输出结果,能极大的方便用户使用和调节该气体发生装置。
本发明提供以下技术方案,一种通过鲁棒跟踪控制系统自动跟踪控制人工气候箱的气体发生装置,达到自动跟踪控制人工气候箱内气体温湿度的鲁棒跟踪控制方法,所述人工气候箱的气体发生装置,主要包括人工气候箱、恒温水箱、恒温无油磁力泵电机、恒温露点水箱、恒温露点无油磁力泵电机、冷凝机组、气候箱热交换器、蒸汽热交换器、汽泵电机、喷汽装置等部件,气候箱热交换器设置在人工气候箱内,恒温水箱内设置有恒温水箱加热电阻,恒温露点水箱连接冷凝机组,恒温无油磁力泵电机通过管道连接气候箱热交换器和恒温水箱,恒温露点无油磁力泵电机通过管道连接蒸汽热交换器和恒温露点水箱,汽泵电机连接蒸汽热交换器的进汽口,蒸汽热交换器的出汽口通过针形阀连接喷汽装置,喷汽装置设置在人工气候箱内,气候箱内还设置有湿度传感器和温度传感器,并通过带有变送输出功能的温度显示仪表和湿度显示仪表,连接鲁棒跟踪控制系统的温湿度信号转换模块,鲁棒跟踪控制系统还包括可编程控制器PLC和操作计算机,
该鲁棒跟踪控制方法如下:设置在气候箱内的温、湿度传感器检测到气候箱内在线的温度和湿度的数据后,传送到带有变送输出功能的温度显示仪表和湿度显示仪表,温湿度显示仪表将数据变送输出给温湿度信号转换模块,并将转换信号传递给可编程控制器PLC,PLC将信号处理后便得到了系统的温度和湿度的采样值,当用户从操作计算机中设置气候箱内气体的温度和湿度的值时,并通过组态程序传递给可编程控制器PLC后,可编程控制器PLC会根据气候箱内的在线温度和湿度的实际值与设定值进行比较后执行鲁棒跟踪程序,并实时控制恒温水箱和恒温露点水箱的温度,直至气候箱内气体的温度和湿度满足设定的要求,同时可编程控制器PLC还负责控制露点加湿汽泵电机、冷凝机组、恒温无油磁力泵电机以及恒温露点无油磁力泵电机的正常运行,可编程控制器PLC同时作为下传和接收计算机的控制信号,执行所需的判断、跟踪及程序的运行。
所述鲁棒跟踪控制程序,可以是建立在考虑外界环境、条件、大气压力以及干扰等因素的前提下,从人工气候箱的温湿度控制系统中抽象出的一类含不确定因素的多变量非线性不确定系统的模型: y=h(x) LL(1.1b)其中:状态变量x∈Rn,输入u∈R,输出y∈R,未知参变量θ(t)为时变的分段连续的,且取值于一紧集Ω上,f(x)和g(x)为标称或未被扰动的解析向量,且g(x)≠0,对x∈Rn,h(x)是Rn上的实函数,Q(x,θ)是定号的非零函数,即有:Q(x,θ(t))>0或Q(x,θ(t))<0,对θ∈Ω,x∈Rn,假设q(x,θ(t))为向量函数,且与函数Q(x,θ(t))包含了系统的所有不确定性,我们的鲁棒跟踪控制程序就是在寻找一个光滑的半全局(局部)状态反馈控制器,使得对于给定的理想输出yd有
其中Yd为理想输出(设定值),Y为实时测量值,同时保证闭环系统是有界的,且对于θ∈Ω都成立,在经过若干次运算后,直至出现
时,程序将一直执行式(1.1)并保持这种状态,
其控制方法得出以下两种结果:
1)当未知参变量为时变的,取值于一未知紧集Ω上,且以线性形式出现,参数严格反馈条件成立,标称可输入-输出线性化,对于给定的理想输出,给出了局部鲁棒渐进跟踪的自校正控制器的设计,
2)当未知参变量为时变的,以非线性形式出现且取值于一已知紧集Ω,其它条件如1),给出了局部鲁棒渐进跟踪的静态控制器的设计。
所述湿度传感器可以是高分子湿敏电容器。
所述温度传感器可以是Pt100温度传感器。
由于本发明使用了鲁棒跟踪控制方法,该鲁棒跟踪控制方法可以对人工气候箱内的温湿度进行适时监测和调节,温度传感器和湿度传感器用于检测箱内的在线温度和湿度,并通过温湿度信号转换模块的转换,最后传送给可编程控制器PLC,PLC经过对信号处理后便得到了系统温度、湿度的采样值,与设定的标准值比较后,执行鲁棒跟踪程序,同时适时控制恒温水箱加热电阻、冷凝机组以及调节汽泵电机、恒温无油磁力泵电机和恒温露点无油磁力泵电机的运行,直至箱内温、湿度达到设定要求,整个操作控制监测系统以计算机作为人机操作界面,操作、监测、使用、直至打印出监测结果非常方便,从屏幕上直接观察气候箱内的温湿度精度曲线,便于掌握气体的稳定状态,其鲁棒跟踪控制程序的模型设计,抽象出了一类含不确定因素的多变量非线性系统模型,可以适时调节和跟踪控制气候箱内气体的温度和湿度,提高了气候箱的温湿度气体的精度,缩短了气候箱达到检测所用稳定的温湿度气体条件的时间,其检测到的效果图如图3所示,气体的温湿度稳定过程,由以前的4小时缩短到1.5-2小时即可以达到检测要求。
以下结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明各部件的相互连接位置关系示意图。
图2为本发明的电气原理框图。
图3为本发明气候箱内气体的温湿度达到检测要求时的稳定曲线图。
图4为计算机控制系统的封面页。
图5为计算机控制系统的主界面。
图6为计算机控制系统的用户管理界面。
图7为计算机控制系统的主界面。
图8为计算机控制系统的参数设定界面。
图9为计算机控制系统的主界面。
具体实施方式
如图1、图2所示,一种通过鲁棒跟踪控制系统自动跟踪控制人工气候箱的气体发生装置,达到自动跟踪控制人工气候箱内气体温湿度的鲁棒跟踪控制方法,所述人工气候箱的气体发生装置,主要包括人工气候箱1、恒温水箱3、恒温无油磁力泵电机5、恒温露点水箱4、恒温露点无油磁力泵电机6、冷凝机组10、气候箱热交换器2、蒸汽热交换器7、汽泵电机8、喷汽装置12等部件,气候箱热交换器2设置在人工气候箱1内,恒温水箱3内设置有恒温水箱加热电阻,恒温露点水箱4连接冷凝机组10,恒温无油磁力泵电机5通过管道连接气候箱热交换器2和恒温水箱3,恒温露点无油磁力泵电机6通过管道连接蒸汽热交换器7和恒温露点水箱4,汽泵电机8连接蒸汽热交换器7的进汽口,蒸汽热交换器7的出汽口通过针形阀11连接喷汽装置12,喷汽装置12设置在人工气候箱1内,气候箱1内还设置有湿度传感器和温度传感器,并通过带有变送输出功能的温度显示仪表15和湿度显示仪表9,连接鲁棒跟踪控制系统的温湿度信号转换模块,鲁棒跟踪控制系统13还包括可编程控制器PLC和操作计算机14,
该鲁棒跟踪控制方法如下:设置在气候箱内的温、湿度传感器检测到气候箱内在线的温度和湿度的数据后,传送到带有变送输出功能的温度显示仪表和湿度显示仪表,温湿度显示仪表将数据变送输出给温湿度信号转换模块,并将转换信号传递给可编程控制器PLC,PLC将信号处理后便得到了系统的温度和湿度的采样值,当用户从操作计算机中设置气候箱内气体的温度和湿度的值时,并通过组态程序传递给可编程控制器PLC后,可编程控制器PLC会根据气候箱内的在线温度和湿度的实际值与设定值进行比较后执行鲁棒跟踪程序,并实时控制恒温水箱和恒温露点水箱的温度,直至气候箱内气体的温度和湿度满足设定的要求,同时可编程控制器PLC还负责控制露点加湿汽泵电机、冷凝机组、恒温无油磁力泵电机以及恒温露点无油磁力泵电机的正常运行,可编程控制器PLC同时作为下传和接收计算机的控制信号,执行所需的判断、跟踪及程序的运行。
其鲁棒跟踪控制程序,是建立在考虑外界环境、条件、大气压力以及干扰等因素的前提下,从人工气候箱的温湿度控制系统中抽象出的一类含不确定因素的多变量非线性不确定系统的模型: y=h(x) LL(1.1b)其中:状态变量x∈Rn,输入u∈R,输出y∈R,未知参变量θ(t)为时变的分段连续的,且取值于一紧集Ω上,f(x)和g(x)为标称或未被扰动的解析向量,且g(x)≠0,对x∈Rn,h(x)是Rn上的实函数,Q(x,θ)是定号的非零函数,即有:Q(x,θ(t))>0或Q(x,θ(t))<0,对θ∈Ω,x∈Rn,假设q(x,θ(t))为向量函数,且与函数Q(x,θ(t))包含了系统的所有不确定性,我们的鲁棒跟踪控制程序就是在寻找一个光滑的半全局(局部)状态反馈控制器,使得对于给定的理想输出yd有
其中Yd为理想输出(设定值),Y为实时测量值,同时保证闭环系统是有界的,且对于θ∈Ω都成立,在经过若干次运算后,直至出现
时,程序将一直执行公式(1.1a、1.1b)并保持这种状态,
其控制方法得出以下两种结果:
1)当未知参变量为时变的,取值于一未知紧集Ω上,且以线性形式出现,参数严格反馈条件成立,标称可输入-输出线性化,对于给定的理想输出,给出了局部鲁棒渐进跟踪的自校正控制器的设计,
2)当未知参变量为时变的,以非线性形式出现且取值于一已知紧集Ω,其它条件如1),给出了局部鲁棒渐进跟踪的静态控制器的设计。
其湿度传感器是高分子湿敏电容器。
其温度传感器是Pt100温度传感器。
在本发明的方案中,恒温水箱3给人工气候箱1提供一定温度的循环热水,保证气候箱气体的温度,冷凝机组保证恒温露点水箱的水温,以保证汽体热交换器7给气候箱1提供一定湿度的汽体,保证气候箱体内气体的湿度,鲁棒跟踪控制系统通过检测气候箱内气体的温度和湿度,将检测值同设定值进行比较,同时执行鲁棒跟踪控制程序,并调节和控制气体发生装置,直至气候箱内气体的温湿度符合检测条件的要求为止。
其具体的操作方法和工作过程举例如下:如果检测某产品的甲醛含量,应该设定气候箱的温度为23℃;湿度为45%,开启计算机,双击计算机桌面上的图标,系统首先进入封面页,如图4所示,单击“确认”(出厂时无密码),系统将进入控制系统主界面,2秒钟后进入控制系统主界面,单击左上角菜单的“系统管理”出现下拉菜单如图5所示,单击下拉菜单中的“用户管理”,系统将出现如下界面:如图6所示,在对话框里添加能够使用本设备的人员,添加完成后,单击“退出”按钮,系统回到主界面,如图7所示,填写:实验人、送检单位、送检产品名称、时间;设定温度、湿度,上述各项填写完毕后,单击“参数下传”按钮,系统将弹出如图8所示的对话框,请您确认您所选择的参数是否正确,再一次检查您所设定的参数,如不正确,则单击“重设”,系统返回到设置参数界面;如正确,请单击“确定”,系统将出现如图9所示的界面,单击“启动”按钮,系统启动,并进入实时监测界面(图示略)。将“手动/自动”旋钮旋到“自动”位置(置位),设备运行。在此界面内可以查看系统的运行情况,也可以通过窗口管理菜单进入历史数据界面,查看历史数据,或进入历史曲线界面查看历史曲线。
实验时间长度满足并取得采样气体后,单击“运行控制”菜单,在下拉菜单中选择“停止”并单击,系统将停止运行。单击“打印”菜单条,在下拉菜单中选择要打印的报表或曲线,至此即完成一次实验。
按参数下传后,系统将设定的参数传送给PLC。PLC将接收到设定值与气候箱内的实时值进行做差: 然后将其值传送式(1.1a、1.1b)进行跟踪控制,经过1.5~2小时后,气候箱达到检测要求如图3所示。
本发明中使用的带变送输出功能的温湿度显示仪表有:
(1)MD640温度显示及变送输出仪表:要求精度为3%,量程及零点在0~100℃,具体漂移要在使用时校正。
(2)MC640湿度显示及变送输出仪表:要求精度为3%,量程及零点在-5~55℃,具体漂移要在使用时校正。
(3)湿度变送输出:根据环境湿度的变化范围,选用适当量程的湿度变送器,误差在1%内,一般的高分子湿敏传感器即可达到要求。
(4)温度变送输出:根据环境湿度的变化范围,选用适当量程的温度变送器,误差在1%内,一般的热电阻、热电偶传感器即可达到要求。整个气体发生装置的操作控制系统,均通过计算机操作和监测,使用非常方便。
与现有温、湿度控制系统相比,本发明具有以下明显优势:
1)制精度高:气候箱内的温度控制精度可达到1%;湿度控制精度可达到3%。而现有的控制温度只能达到3%;湿度只能达到7%。
2)响应时间快:从开机到达到检测条件要求的时间需要1.5~2小时。而现有的达到检测条件的时间需要4~6小时。
3)能稳定可靠:采用常规仪表及SIEMANS公司的CPU及模拟量输入模块,气候箱可常年工作。
4)适用范围广:本发明的温度可调范围为-5℃~55℃;湿度可调范围为20%~85%。
5)采用计算机控制:具有非常好的人机交互界面,操作相当简单,
6)有关检测数据通过表格,曲线表示出来。
7)能源消耗低:本发明制作的气候箱在正常工作的耗电量约为600W左右。
8)价格低:一套鲁棒跟踪控制系统的成本价大约为1.2万人民币。
Claims (4)
1.一种通过鲁棒跟踪控制系统自动跟踪控制人工气候箱的气体发生装置,达到自动跟踪控制人工气候箱内气体温湿度的鲁棒跟踪控制方法,所述人工气候箱的气体发生装置,主要包括人工气候箱、恒温水箱、恒温无油磁力泵电机、恒温露点水箱、恒温露点无油磁力泵电机、冷凝机组、气候箱热交换器、蒸汽热交换器、汽泵电机、喷汽装置等部件,气候箱热交换器设置在人工气候箱内,恒温水箱内设置有恒温水箱加热电阻,恒温露点水箱连接冷凝机组,恒温无油磁力泵电机通过管道连接气候箱热交换器和恒温水箱,恒温露点无油磁力泵电机通过管道连接蒸汽热交换器和恒温露点水箱,汽泵电机连接蒸汽热交换器的进汽口,蒸汽热交换器的出汽口通过针形阀连接喷汽装置,喷汽装置设置在人工气候箱内,气候箱内还设置有湿度传感器和温度传感器,并通过带有变送输出功能的温度显示仪表和湿度显示仪表,连接鲁棒跟踪控制系统的温湿度信号转换模块,鲁棒跟踪控制系统还包括可编程控制器PLC和操作计算机,
该鲁棒跟踪控制方法的特征在于:设置在气候箱内的温、湿度传感器检测到气候箱内在线的温度和湿度的数据后,传送到带有变送输出功能的温度显示仪表和湿度显示仪表,温湿度显示仪表将数据变送输出给温湿度信号转换模块,并将转换信号传递给可编程控制器PLC,PLC将信号处理后便得到了系统的温度和湿度的采样值,当用户从操作计算机中设置气候箱内气体的温度和湿度的值时,并通过组态程序传递给可编程控制器PLC后,可编程控制器PLC会根据气候箱内的在线温度和湿度的实际值与设定值进行比较后执行鲁棒跟踪程序,并实时控制恒温水箱和恒温露点水箱的温度,直至气候箱内气体的温度和湿度满足设定的要求,同时可编程控制器PLC还负责控制露点加湿汽泵电机、冷凝机组、恒温无油磁力泵电机以及恒温露点无油磁力泵电机的正常运行,可编程控制器PLC同时作为下传和接收计算机的控制信号,执行所需的判断、跟踪及程序的运行。
2.根据权利要求1所述的人工气候箱内气体温湿度的鲁棒跟踪控制方法,其特征在于:所述鲁棒跟踪控制程序,是建立在考虑外界环境、条件、大气压力以及干扰等因素的前提下,从人工气候箱的温湿度控制系统中抽象出的一类含不确定因素的多变量非线性不确定系统的模型:
y=h(x) LL(1.1b)其中:状态变量x∈Rn,输入u∈R,输出y∈R,未知参变量θ(t)为时变的分段连续的,且取值于一紧集Ω上,f(x)和g(x)为标称或未被扰动的解析向量,且g(x)≠0,对x∈Rn,h(x)是Rn上的实函数,Q(x,θ)是定号的非零函数,即有:Q(x,θ(t))>0或Q(x,θ(t))<0,对θ∈Ω,x∈Rn,假设q(x,θ(t))为向量函数,且与函数Q(x,θ(t))包含了系统的所有不确定性,我们的鲁棒跟踪控制程序就是在寻找一个光滑的半全局(局部)状态反馈控制器,使得对于给定的理想输出yd有
其中Yd为理想输出(设定值),Y为实时测量值,同时保证闭环系统是有界的,且对于θ∈Ω都成立,在经过若干次运算后,直至出现
时,程序将一直执行式(1.1)并保持这种状态,
其控制方法得出以下两种结果:
1)当未知参变量为时变的,取值于一未知紧集Ω上,且以线性形式出现,参数严格反馈条件成立,标称可输入-输出线性化,对于给定的理想输出,给出了局部鲁棒渐进跟踪的自校正控制器的设计,
2)当未知参变量为时变的,以非线性形式出现且取值于一已知紧集Ω,其它条件如1),给出了局部鲁棒渐进跟踪的静态控制器的设计。
3.根据权利要求1所述的人工气候箱内气体温湿度的鲁棒跟踪控制方法,其特征在于:所述湿度传感器是高分子湿敏电容器。
4.根据权利要求1所述的人工气候箱内气体温湿度的鲁棒跟踪控制方法,其特征在于:所述温度传感器是Pt100温度传感器。
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