基于人工氣候室的溫濕度控制

摘要：人工氣候室的溫濕度控制面臨諸多的難題，不但控制對(duì)象有滯后性、無(wú)準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型以及存在不確定干擾等，同時(shí)溫濕度還存在耦合現(xiàn)象。使用常規(guī)PID或者單純的模糊控制效果都不佳。本文提出了一種PID與模糊控制相結(jié)合的智能控制算法，同時(shí)通過(guò)內(nèi)蒙古大學(xué)生物學(xué)院人工氣候室現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明了該控制算法對(duì)于溫濕度控制系統(tǒng)的有效性。
關(guān)鍵詞：人工氣候室；溫濕度控制；模糊PID；智能控制

    人工氣候室需要控制的參數(shù)主要是溫度和濕度，而控制難點(diǎn)也在于其對(duì)象的滯后性、無(wú)準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型以及存在不確定干擾，同時(shí)溫濕度存在耦合現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)溫濕度的控制主要通過(guò)開(kāi)關(guān)控制或是單純的采用PID控制或是模糊控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。顯然，開(kāi)關(guān)控制效果非常粗糙，同時(shí)會(huì)造成設(shè)備的頻繁啟停，降低設(shè)備使用壽命；PID控制對(duì)于非線性時(shí)變、滯后較大的溫濕度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，魯棒性不強(qiáng)；而單純的模糊控制器存在靜差，控制精度不夠高，同時(shí)也很難解決溫濕度的耦合問(wèn)題。綜上所述，同時(shí)又考慮到相對(duì)于溫度的變化對(duì)濕度的影響，濕度變化對(duì)溫度的影響可以忽略，因此，本文設(shè)計(jì)出一種PID搭配模糊PID的控制算法，先對(duì)溫度進(jìn)行控制，當(dāng)溫度達(dá)到控制要求后再用模糊算法對(duì)濕度進(jìn)行控制，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

1 控制方案
    人工氣候室是具有恒溫、恒濕、恒CO2、恒光照功能，同時(shí)也具備調(diào)溫、調(diào)濕、調(diào)CO2、調(diào)光照功能的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是生物、遺傳、醫(yī)學(xué)、農(nóng)林業(yè)等生產(chǎn)和科研部門(mén)的理想實(shí)驗(yàn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于植物的發(fā)芽、育苗、組織細(xì)胞和微生物的培養(yǎng)等。它主要由主控制柜、溫濕度控制設(shè)備、CO2濃度控制設(shè)備及光照強(qiáng)度控制設(shè)備等組成。
    在內(nèi)蒙古大學(xué)生物學(xué)院人工氣候室控制系統(tǒng)性能要求中，對(duì)溫度的控制要求最高，要求控制精度在±1℃，其次是對(duì)濕度的控制要求，控制精度要求在±5～±10％。同時(shí)，為了模擬植物生長(zhǎng)環(huán)境的周期性特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)有分時(shí)段運(yùn)行控制，不同時(shí)段的溫濕度設(shè)定值不同。因此，人工氣候室溫濕度控制的主要難點(diǎn)有：
    1)溫濕度控制對(duì)象的非線性時(shí)變性、大滯后性等；
    2)溫度濕度的耦合性；
    3)在由一個(gè)時(shí)段運(yùn)行結(jié)束跳轉(zhuǎn)至下一時(shí)段運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)溫濕度瞬時(shí)誤差可能很大，對(duì)控制造成很大困擾；
    4)對(duì)光照、CO2進(jìn)行控制時(shí)的內(nèi)部干擾和系統(tǒng)本身的外部環(huán)境干擾嚴(yán)重。
    由理論可知，PID控制能夠做到無(wú)靜差控制，模糊控制抗干擾能力強(qiáng)適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)響應(yīng)速度快。根據(jù)以上理論同時(shí)綜合考慮該人工氣候室溫濕度控制的難點(diǎn)，提出以下控制方案如圖1所示，即：
    1)相對(duì)于溫度變化對(duì)濕度的影響，濕度變化對(duì)溫度的影響可忽略，因此先對(duì)溫度進(jìn)行控制，直到溫度控制滿足系統(tǒng)要求再對(duì)濕度進(jìn)行控制，解決溫濕度耦合問(wèn)題；

    2)濕度控制精度要求不高，但需要克服多種干擾，因此，用模糊控制對(duì)濕度進(jìn)行控制既可以滿足要求；
    3)溫度控制除了涉及精度、干擾等問(wèn)題，同時(shí)還有時(shí)段跳轉(zhuǎn)時(shí)的平滑快速控制問(wèn)題，因此用模糊控制與模糊PID控制分時(shí)復(fù)用的方法對(duì)溫度進(jìn)行控制。用模糊控制的快速適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)平滑快速的控制，用模糊PID控制實(shí)現(xiàn)強(qiáng)抗干擾性的精確控制。

2 控制器設(shè)計(jì)
2．1 濕度模糊控制器
    模糊控制是建立在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，模仿人的思維方式，總結(jié)人的操作經(jīng)驗(yàn)，并用模糊語(yǔ)言和一系列的模糊條件語(yǔ)句，描述控制策略；然后通過(guò)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ媚K實(shí)現(xiàn)這些規(guī)則，完成控制作用。模糊控制的一個(gè)優(yōu)越性在于它不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因此，在工業(yè)過(guò)程中，對(duì)于那些無(wú)法獲得數(shù)學(xué)模型或模型粗糙復(fù)雜的、非線性的、時(shí)變的或是耦合十分嚴(yán)重的系統(tǒng)，模糊控制非常適合。就二維模糊控制，其原理圖如圖2所示。

    濕度模糊控制器的輸入為濕度誤差eh和濕度誤差變化率ehc，輸出為濕度控制執(zhí)行器加濕器的開(kāi)和關(guān)狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境可知，濕度誤差eh和濕度誤差變化率ehc的實(shí)際論域均為[-30％，30％]。
    設(shè)eh和ehc的語(yǔ)言變量值取為{NB，NS，Z，PS，PB}，模糊論域EH和：EHc均為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，輸出UH是加濕器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，故語(yǔ)言變量值為{ON，OFF}。EH和EHc的隸屬函數(shù)均選擇三函數(shù)，如圖3所示。

    根據(jù)人工氣候室濕度控制的特性，可以總結(jié)出模糊控制規(guī)則如表1所示。
2．2 溫度模糊-模糊PID復(fù)合控制器
    溫度控制器器結(jié)構(gòu)上分為兩部分，模糊控制部分和模糊PID控制部分。
    糊控制部分主要用于實(shí)現(xiàn)時(shí)段跳轉(zhuǎn)時(shí)的快速平滑控制，根據(jù)內(nèi)蒙古大學(xué)人工氣候室的運(yùn)行特點(diǎn)，其時(shí)段跳轉(zhuǎn)時(shí)的溫度跨度最大不超過(guò)10℃。因此溫差et和溫差變化率etc的基本論域選為[-10℃，10℃]。輸入溫差ET、溫差變化率ETc和輸出控制量UT語(yǔ)言變量均取為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，模糊論域均取為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，隸屬度函數(shù)仍然取三角函數(shù)如圖4所示。為了做到時(shí)段跳轉(zhuǎn)時(shí)快速將被控溫度控制在設(shè)定值±5℃，根據(jù)模糊控制器控制特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)情況，總結(jié)出控制規(guī)則如表2所示。

    模糊PID控制部分主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制，運(yùn)用模糊控制的強(qiáng)適應(yīng)性，在線修改PID控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)能夠在各種干擾情況下仍可實(shí)現(xiàn)高精度的控制。其控制原理如圖5所示。

    由前面可知，設(shè)ET、ETc、△Kp、△Ki和△Kd的模糊論域均為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并劃分成7檔的語(yǔ)言變量模糊集合：ET=ETc= △Kp=△Ki=△Kd={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，對(duì)應(yīng)為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，隸屬函數(shù)仍選擇如圖4所示三角形分布。根據(jù)控制原則及PID參數(shù)整定原則，可以總結(jié)出△KP、△KI和△KD的控制規(guī)則的語(yǔ)言描述如下：
   

3 系統(tǒng)運(yùn)行狀況
    為了對(duì)設(shè)計(jì)好的溫濕度控制器進(jìn)行測(cè)試，在內(nèi)蒙古大學(xué)生物學(xué)院人工氣候室的現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)定2個(gè)運(yùn)行時(shí)段，時(shí)段1設(shè)置參數(shù)為：溫度25℃、濕度60％、二氧化碳500p pm、光照3級(jí)；時(shí)段2設(shè)置參數(shù)為：溫度15℃、濕度70％、二氧化碳500 ppm、光照3級(jí)。為了便宜測(cè)試，各時(shí)段運(yùn)行時(shí)間均設(shè)置為30分鐘，且循環(huán)運(yùn)行。每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)繪制出如圖6所示的實(shí)時(shí)溫濕度曲線。
    系統(tǒng)運(yùn)行前溫度為30℃，濕度為50％。由圖6可知：

    時(shí)段1：先對(duì)溫度進(jìn)行模糊PID控制，溫度5分鐘內(nèi)基本到達(dá)控制精度范圍(25℃±1)。然后對(duì)濕度進(jìn)行模糊控制，圖中顯示，濕度快速(大約7分鐘)到達(dá)控制精度范圍內(nèi)(60％±5)。
    時(shí)段2：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到30分鐘時(shí)，到達(dá)時(shí)段切換點(diǎn)進(jìn)入時(shí)段2。當(dāng)前溫濕度為時(shí)段1的控制溫濕度25℃和60％，而時(shí)段2的設(shè)定溫濕度為15℃和70％，系統(tǒng)瞬時(shí)誤差很大。系統(tǒng)任然先對(duì)溫度進(jìn)行模糊控制，使其快速到達(dá)控制點(diǎn)15℃左右，然后用模糊PID對(duì)其進(jìn)行精確控制，使其控制在要求精度范圍(15℃±1)內(nèi)。當(dāng)溫度達(dá)到控制要求后，對(duì)濕度進(jìn)行模糊控制，同樣很快到達(dá)控制要求范圍(70％±5)內(nèi)。

4 結(jié)論
    不難看出，溫度的變化對(duì)濕度影響明顯大于濕度的變化對(duì)溫度的影響(由圖可知濕度變化時(shí)溫度基本沒(méi)有波動(dòng))，因此選擇先溫控后濕控的解耦方法是行之有效的。系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快(溫度5分鐘左右達(dá)到控制要求，濕度7分鐘左右達(dá)到控制要求)、超調(diào)量小(溫度小于2 ℃，濕度小于10％)、控制精度高(溫度±1℃，濕度±5％)，同時(shí)在時(shí)段切換點(diǎn)能做到快速平滑的控制要求。結(jié)合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)又避免了二者的不足，兩者相結(jié)合，使人工氣候室的溫濕度控制效果達(dá)到最佳。