基于模糊控制的温湿度试验系统的研究

王洪航 褚建新 张江明 孙 林

(上海海事大学航运技术与控制工程交通行业重点实验室，上海 201306)

温湿度试验是将产品放置在人工设定的特定环境中对其性能进行评价的试验[1]，是新产品研制、样机试验和产品合格鉴定过程中必不可少的试验阶段。温湿度试验箱是模拟自然高低温和湿度循环变换环境的装置，在汽车制造业、电子仪表及材料等行业的温湿度测试中发挥着重要作用。

温湿度试验箱的温湿度控制是一种非线性、滞后和时变的复杂过程[2]，且存在不确定干扰、控制对象无准确数学模型及温湿度耦合等缺点。大多数温湿度试验箱使用传统PID控制[1]，但对于无法取得精确数学模型的系统，一般可采用模糊控制。文献[2]采用了模糊控制，但很难解决温湿度控制系统非线性、时变、鲁棒性不强及温湿度耦合等问题；文献[3]中温度和湿度各自独立的使用单回路模糊控制方法，没有考虑它们的耦合特性，也无法到达满意的控制效果。另外，建立温湿度试验环境需要考虑诸多因素，如湿热速率、凝露及湿热场均匀性等，因此多因素条件下的温湿度控制系统是一个多变量控制系统。笔者在传统PID控制的基础上，结合模糊自适应PID控制算法和模糊解耦算法设计了模糊温湿度控制器。

温湿度试验箱主要由箱体、加热系统、制冷系统、加湿除湿系统和检测控制系统组成(图1)。控制内容包括加热量、制冷量、风量、加湿量和除湿量；检测变量包括进风口温度t1、进风口湿度h1、出风口温度t2、出风口温度h2和工件表面温度t3。则平均温度t平=(t1+t2)/2，平均湿度h平=(h1+h2)/2。

图1 温湿度试验箱的组成简图

2 温湿度控制算法

温湿度试验箱控制大多数采用传统PID控制方案[4]。传统控制系统的设计与分析是建立在已知系统精确数学模型的基础上的，但实际系统具有复杂胜、非线性、时变性、不确定性及不完全性等，一般无法获得精确的数学模型，因此为实现上升速度快、过渡时间短且超调小的目的，笔者采用了模糊自适应PID控制算法和模糊解耦算法。

温湿度试验箱的温度和湿度模型可近似为一阶滞后环节[5,6]：

式中K——增益系数；

T——时间常数；

τ——系统延时常数。

根据经验，T∈[20，150]，τ∈[30，100][7]。

2.1 模糊自适应PID控制算法

模糊自适应PID控制器被设计为一个二维输入、三维输出的系统(图2)。以温度为例，第一个输入是温度偏差e(即tn-t0)，其中，tn为第n次测量的试验箱内实际温度值，t0为设定值；第二个输入是温度偏差变化率ec(即de/dt)。3个输出分别为 PID 的3个增益调节量ΔKp、ΔKi和ΔKd。

图2 模糊自适应PID控制器系统示意图

模糊自适应PID控制算法的思想是：找出PID的3个参数与偏差e、偏差变化率ec之间的模糊关系，通过不断检测e和ec，根据模糊控制规则

和原理对PID的3个参数进行在线整定，获得新的Kp、Ki、Kd后，通过常规PID控制器对控制对象进行相应控制。PID 3个参数的整定公式为：

Kp=ΔKp+Kp0

Ki=ΔKi+Ki0

Kd=ΔKd+Kd0

{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}为模糊子集，其中元素分别代表{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。偏差e和偏差变化率ec的论域为[-3，3]，量化等级为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

模糊控制设计核心是根据技术知识和实际操作经验[7]，建立合适的模糊规则表(表1)，得到针对ΔKp、ΔKi、ΔKd分别整定的模糊控制表[8]。

表1 模糊规则表(ΔKp、ΔKi、ΔKd)

2.2 模糊解耦算法

温湿度的耦合关系是湿度对温度的影响比较小，但温度对湿度的影响很大。当温度每变化1℃，相对湿度可能下降5%左右，且湿度变化比温度变化慢，因此温度对湿度的补偿大。笔者采用基于模糊控制技术的智能解耦方法[8]，通过串联模糊解耦补偿器对模糊系统进行解耦(图3)。

图3 模糊解耦补偿解耦

图3中模糊控制器包括两个类似的模糊控制器。以温度为例，此处采用一维模糊控制器[9]，Ke为量化因子，Ku为比例因子。设Ct为温度控制器的输出，Cth为温度模糊控制输出对湿度控制的模糊补偿。Cth论域范围为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。根据试验经验和试验测试得到模糊补偿控制规则表(表2)。

表2 模糊补偿控制规则表

3 仿真试验

假设温湿度试验箱的广义温度对象为一阶时滞环节[10,11]，系统延时常数τ=80，时间常数T=60，增益系数K=1。广义湿度对象的模型参数为：纯滞后τ=50，时间常数T=50，增益系数K=4。对笔者采用的模糊解耦和模糊自适应PID控制算法进行Matlab仿真，得到的温度输出响应曲线如图4～6所示。

从图4～6可以看出：笔者所设计的自适应模糊PID控制器在控制过程中，系统的响应速度快，调节精度高，稳态性能好，克服了传统PID控制超调大且响应周期长的缺点，还可以节约能耗。

图4 温度输出响应曲线

图5 加扰动的温度输出曲线

图6 温度交替变化的输出曲线

4 结束语

笔者在传统PID控制的基础上，结合基于模糊解耦补偿算法和模糊自适应PID控制算法设计了模糊温湿度控制器，相对现用的温湿度试验箱控制方法，此温湿度控制方案精度高、响应快、超调小、节约能耗，且系统开发和维护非常方便，性价比高，在实用中有很多优越性。

[1] 沈荣林.恒温恒湿箱的温湿度调节方法[J]. 环境技术，1994，(1)：42～44.

[2] 吴志勇，毕德纯.温湿试验箱发展综述[J]. 装备环境工程，2009，6(5)：63～67.

[3] 殷云华，樊水康，陈闽鄂.自适应模糊PID控制器的设计和仿真[J].火力与指挥控制，2008，33(7)：96～99.

[4] 刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2004：94～146.

[5] 黄力栎，胡斌，罗昕.温湿度解耦模糊控制系统的研究[J].农机化研究，2010，(2)：56～59.

[6] 彭勇刚，韦巍.人工气候箱温湿度模糊控制[J].农业工程学报，2006，22(8)：166～169.

[7] 刘东文.嵌入式温湿度控制器的研究与设计[D].贵州：贵州大学，2008.

[8] 栾瑞.无线温湿度监测系统的设计[D].吉林：吉林大学，2013.

[9] 肖世海.基于ARM的温湿度控制器的设计[D].杭州：浙江大学，2007.

[10] 顾德英，罗云林，马淑华.计算机控制技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2007：22～25.

[11] Taira U.Energy Saving Type Temperature-Humidity Simultaneous Control Method[C].SICE 2004 Annual Conference .Sapporo: IEEE, 2004: 2640～2643.