温湿度环境设备的分段控制

0 引 言
环境试验箱模拟人们所期望的自然环境而对某些工业产品进行环境试验的装置。温度、湿度环
节试验是常进行的环境试验，一般认为对它们的控制已经比较成熟。大多数情况下采用常规的PID控
制方案。本文研究的对象是模拟自然环境中温度和湿度的试验箱。通过温度加热器控制温度，湿度加热
器来控制湿度。箱体中装有冷冻压缩机，具有降温和除湿的功能。整个控制系统以x86+PLC为核心。
用PT100测量温度和用干湿球法测量湿度。

1 环境试验设备的动态特性分析和实际存在的控制问题
设本环境试验设备的被控变量(需要控制的变量)为：温度(t-act)、湿度(h-act)，控制量(控制
手段)为：加温器的加热量(heat)、加湿器的加热量(damp)。从控制的角度来说，设备箱体的温度和
湿度控制是两输入两输出的多变量控制(时有变化的制冷量可看作是系统干扰)。
由此可见，它们的耦合关系是湿度对温度的影响比较小，但是温度对湿度的影响很大。实际观察也的确
如此，当温度每变化一度，湿度可能下降5％，并且湿度变化比温度变化要慢很多，*可以用单边解
耦合。但是实际上，如果温度控制得很，湿度的变化也不会很大。所以考虑温度和湿度分开控制。
控制方案主要考虑如何的控制温度 。
用经典的PID来控制温湿度试验箱的，主要问题是：①超调量过大，一般会出现2度的超调；②
稳态性能不太好，主要是来了干扰以后，调节非常缓慢。
2 环境试验设备的分段控制方法
制思路是一种分段式控制方法。以升温过程考虑，在刚刚开始升温时采用on—off控制，
当温度接近到设定值时，采用模糊控制的方法来减少超调量。一直到温度*次超过设定温度，切换到
第三种控制方案即模糊预估PID控制，此后一直采用第三种方案来控制稳态。用同样的方法处理降温过
程。
(1)on—off控制
当温度的偏差大于某一阈值时用on-off形式的比例控制，优点是提高系统的响应速度，使温度尽快
达到设定值。
2)模糊控制
因为前面一段比例控制的上升速度太快，阻尼性不高，会产生大的超调量。所以计划在t-act与t-set
的偏差小于某一阈值时采用模糊控制。
先对于温度的输人输出量进行量化处理。建立输入输出空间，选择正态性模糊集合，选取温度偏
差e及温度偏差的变化率ec作为模糊控制器的输入信息。由实际现场测定的数据定出e和ec的范围：
e=实测温度PV一设定温度SV
(3)模糊预估PID
如果第三段的控制方案仍旧采用第二段的传统模糊控制就会出现稳态误差，即使加人积分作用的模
糊控制可以消除稳态误差，但还是解决不了大惯性的影响。同时传统的PID控制也只适用于小滞后小惯
性过程，对于这种大的滞后的工业过程，PID往往得不到良好的控制效果。因为PID控制属于事后控制，
对于大惯性的过程，由于过程输出的偏差不能及时反映控制量的变化，因而控制效果较差。考虑到smith
预估控制和预测控制可以用来解决大滞后问题，但是这两种方法均需要知道系统的数学模型，而先
前建立这个系统的数学模型并不太。所以本系统的第3段控制使用模糊预估PID控制％(如图3
所示)即在常规的PID控制器的前面串联一个模糊预估器，通过模糊预估器对过程的未来输出的预估作
用来补偿滞后对控制性能的影响。特别在系统处于稳态时，突然来—个干扰，使得控制器能及时的起作
用。
(4)分段点的选取和无扰动切换
在整个控制过程中的第二段采用经典的模糊控制，可以减少超调。但是可能会带来负面的影响即增
加调节时间。如果希望对调节时间的影响小，可以将on-off行和模糊控制的切换点取值上靠近设定值。实
际系统考虑不同的设备和不同的负载，采用两种工程方法。①采用软件查表法，在程序中留下可选择的
变量到人机交互的液晶界面，由用户选择负载的类型和多少，查出进入阈值的不同点。这样做的优点是
可以使不同的温度变化过程和不同负载条件下on-off环节均可以起到不同的作用。②建立不同的模糊表，
模糊表需要反复的整定。工程上的整定方法是将模糊控制的查询表分块，根据实际的控制效果，对不同
的块进行不同的处理。有的块人为增大，有的块人为减小。第二段和第三段的切换点是实际温度*次
到达设定温度的时刻。
换的过程要做到无扰动，on-off和模糊控制之间切换的无扰动主要依靠对模糊表的调整，让模糊
表中的控制量在大值和小值之间平滑过渡。实际若出现控锘幔的跳变则需要手工微调查询表。模糊
控制与模糊预估PID的平滑过渡的难度比较大。主要是确定模糊预估PID的输出控制量的初值，将模糊
阶段后的输出保存起来，作为第3段模糊预估PID控制的初值，再在这个初值的基础上进行增量式叠
加，这种方法在实际中可以做到无扰动的切换。
3 仿真试验研究
仿真试验的方法是对比传统PID控制和新的三段式控制方案的方波响应，用三段式控制后的确减小了系统的超调量，并且没有产生稳态误差。特别
在稳态的时候，三段式的控制方案十分平稳，没有出现如同传统的PID控制时的波动幅度大和稳定时间
长的问题。
4 结论
就控制方法而言，PD算法使用的为广泛，随着数字智能控制器的应用，计算能力的加强，许多
的智能控制方案与PID结合而产生了新型改进型PID控制器。本文阐述的是在对某公司环境试验设
备控制器改进研究的基础上，使用三段式的控制方法改善了传统PID控制的性能，这是一种有一定研究
价值的控制方法。当然许多方面需要进一步的研究和探讨。