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洁净室的温湿度控制系统

发布时间：2008-10-31

摘要:
    本文以药厂洁净室的温湿度控制为例，设计了一套基于PI D参数模糊自调整、串级控制和分段控制的洁净室温沮度控制系统。该系统不仅适用于药厂洁净室的恒温恒湿控制，也可用于各种制造行业的室内温湿度控制。

1、引言
    药厂洁净室的温湿度控制系统不同于一般的空调控制系统。药厂洁净室内的温湿度要求控制精度比较高，其室内温度与湿度之间存在交叉耦合情况，即温度控制会引起湿度变化，湿度控制也会引起温度变化。因此，药厂洁净室的温湿度控制是一种非线性的、滞后的、时变的复杂过程，这种系统若采用传统的PID控制来实现显然是不适宜的。现有的研究和实践表明，对于无法取得**数学模型或数学模型相当粗糙的系统，采用模糊控制可以达到令人满意的效果。本文就是针对药厂洁净室的温湿度控制，提出了一种串级控制的PID参数模糊自调整方法。并采用了分段的控制方法，设计出一套洁净室的温湿度控制系统，该系统能显著提高洁净室空调系统的运行效果和经济性。

2、系统原理
    温湿度控制系统的被控参数是洁净室的温度和湿度。温度与湿度通过温度传感器与湿度传感器输出的电信号送到控制器《户LC)后，经过A/D转换。控制器根据A/D转换后的温湿度偏差和温湿度偏差变化率，经过模糊自调整PID的调节，然后通过送风温度、回风温度的串级控制和分段控制，并设置了PID控制容限，将PID的输出分成加热、制冷或加湿信号，来分别控制热水阀、冷水阀和加湿阀的开度，从而实现了对室内温湿度的控制。

3、系统的设计
    该系统设计目标就是根据上述原理来实现对洁净室的温湿度进行监控与控制:在洁净室内可根据需要调节温湿度，或在远程机房内对洁净室内的温湿度进行远程控制，以保证室内温湿度的恒定。基于PID参数模糊自调整、串级控制和分程控制的洁净室温湿度控制系统结构图如图1所示。下面就该系统中所采用的PID参数模糊自调整机构的设计和串级控制、分段控制的实现过程进行描述。
3.1 PID参数模糊自调整机构的设计
    PID参数模糊自调整机构的设计思想是首先找出PID三个参数与偏差e和偏差变化率△e之间的模糊关系，并在运行中通过不断检测e和计算△e,然后根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改以满足在不同e和△e时对控制器参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动、静性能。PID参数模糊自调整机构如图，所示。
PI D参数模糊自调整机构设计过程:
常规PID控制器的传递函数为:
G(s)=Kp+Ki /S+Kd/S (1)
其中，Kp、Ki、Kd分别称为比例增益、积分增益和微分增益。
将（1）式转化为另一种等价的形式为:
U(t)二Kp[e(t)+(∫e(t)dt)/Ti+Td ×de(t) /dt]
其中：Ti=Kp/Ki、Td=Kd/Kp分别称为积分时间常数、微分时间常数。
KP和Kd的变化范围为[Kp,min, Kd,max]和[Kp,miln,Kd，max]，这个范围可以根据经验或实验结果来确定。为了方便，Kp和Kd通过以下线性变换，归一化到0和1之间的参数Kp’和Kd’：
Kp’=(Kp一Kp,min)/(Kp , max一Kp,min)
Kd’ = (Kd一Kd,,min)/ Kd , max一Kd,mln)
在参数调整时，根据当前的偏差e和偏差变化率△e来确定参数，积分时间常数由微分时间常数决定:Ti=aTd
积分增益Ki=Kp/( aTd)= Kp 2 /( a Kd )
其中参数Kp’和Kd’和a由一组模糊规则得到。
利用模糊推理的方法，可以得到三组控制表:
其中:论域定为:{-6，-4，-2,0,2,4,6}，模糊词集为:
{NB，NM,NS,ZO,PS,PM，PB}。隶属函数取为三角形隶属函数，通过隶属函数可方便的求得输入变量的赋值表，利用附值表及模糊控制规则，通过拉森算法，可得到模糊控制规则表如下所示。
Kp’和Kd’的论域为{0,1}，模糊词集为:{BB，S5} 。
e的论域为[2,3,4,5]，模糊词集为{SS, MS,MM, BB}。

一旦得到Kp’、 Kd’和a后，按下式就可计算出PID的各个参数如下:
Kp=( Kp,max一Kp,min) Kp’十Kp,min
Kd = (Kd,max一Kd,min) Kd ‘+ Kd,mln
Ki= Kp 2/( a Kd)
对于不同的过程，踢和隔的范围可定义为:
Kd,min=0. 32Ku，Kp,max = 0. 6 Ku，Kd,min=0. 08
Ku Tu，Kd,max= 0.15 Ku Tu式中Ku和Tu。分别是在比例控制下增益和振荡周期。
我们在控制系统的软件中通过应用上述算法，使这种模糊自调整机构按偏差信号及其变化趋势的大小、方向等特征，通过模糊推理对P.LD参数做出了相应的调整，从而提高了系统的控制精度。

3.2串级控制
    洁净室温湿度控制是一种典型的大惯性大延时系统，对于这种过程控制中存在大迟延的系统，我们采用了串级PID控制。系统中主回路控制的是一个大迟延的对象(回风温度)，其对控制品质要求较高，用传统PID控制往往很难达到满意效果。为此，我们在主回路的PID控制中嵌入PID参数模糊自调整机构(见图)，其副回路是一个快速对象，而且控制精度要求不高(送风温度)，我们保持传统的PID控制，用比例P控制，参数调整用传统的(Ziegle - Nfohol)方法即可。这样控制的目的是:为使房间温度离设定值很远时，加大阀的动作，偏差较小时，减慢阀的动作，从而可以避免冷、热水阀频繁的开关。

3.3分段控制
    考虑到节能的需要，为了避免冷、热水阀同时打开，我们在洁净室的温湿度控制系统中在控制冷、热水阀时采用了分段控制的方法，其控制过程为:控制器的输出我们在软件中可以转换为一个对称的区间范围，例如一100%到100 %，通过分段过程后分成两个信号的输出，即一100%到一5%(可以根据实际情况来设置),5%到，00 %，由于冷热水阀不能切换的太快，所以有一个延时过程，通过这两个信号来分别控制热水阀和冷水阀的开度。冷水阀和加湿阀的分段控制原理与热水阀和冷水阀的原理相同，这里就不再赘述了。系统中的分段控制是通过在软件中采用Saia公司的PG5软件的SEQ一HC模块来实现的。

    实际实现过程为:送风和回风温度串级控制输出后再经过分段控制，把一100%到一5%的信号和湿度控制经过分段后的一100%到一5%的信号叠加来共同控制冷水阀，温度分段后的5%到，00%的信号则直接控制热水阀的开度，湿度分段后的5%到，00%的信号则控制加湿阀的开度。

4系统应用
    在实际应用中，该系统的下位机采用了瑞士Safa公司的智能控制器PCD，系统自动根据房间回风温度、送风温度与送风湿度的串级调节，进行模糊PID调节，分段控制冷、热水阀的开度，保证房间温湿度在控制范围内。现场控制柜采用Easyview的触摸屏，可以方便的监控温湿度值、压力值、阀的开度、报警，或在线修改PID参数等，方便了现场的调试和维修。上位监控界面是利用开物2000开发的基于web方式的应用界面，可实现远程的监控各空调机组的运行状态。下位机采用Saia公司的M520通信卡，以RS232通信方式实现上位机与各空调机组通信。而且，该系统采用了网络冗余的方法，提高了系统的可靠性。

5 结束语
    该系统经过一段时间的运行表明，系统超调量小，控制性能稳定，抗干扰能力强，达到了用户的要求，控制误差在士1度，相对湿度在士5%以内，取得了满意的效果，操作也比较简便，达到了药厂洁净室运行高效率、低成本的目的。

参考文献
1金以彗，过程拉制，清华大学出版社，2001. 7。
2陈焕新、周雄辉，智能建筑中暖通空调系统控制方法初探，暖通空调，2003.6(3)30一32。
3郭宗仁、吴亦锋、郭永，可编程序拉制器应用系统设计及通信网络技术，人民邮电出版社，2002.9。
4 Lo S M,Chen D,Yuen K K, et aI.A numerical study of external smoke spread in designated refuge floor.Buildins and Environment 2002,37:257一268。

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