温湿度解耦的模糊PID-自适应Smith控制.pdf

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1、1260化工自动化及仪表第39卷温湿度解耦的模糊PID-自适应Sm-lh控制张盼盼““赵钢“6(天津理T大学a．天津市复杂控制理论与应用重点实验室；b．自动化学院，天津300384)摘要工业空调PID控制系统的温湿度控制具有大时滞、非线性、时变性和祸合性，难以建立精确的数学模型。提出前馈补偿解耦、模糊PID与自适应Smith蓣估补偿算法相结合的控制方案，以弥补常规PID控制在温湿度控制系统的不足。仿真结果表明：该方案既解决了温湿度耦合问题叉提高了控制的精度和稳定性，增强了系统的鲁棒性和适应性，具有

2、较好的动、静态性能。关键词温湿度耦合前馈补偿解耦模糊PID自适应Smith仿真中图分类号TH862+．6文献标识码A文章编号1000·3932(2012)10·1260-05温湿度不仅是衡量人们宜居条件的一个指标，在半导体制造、食品生产及生物制药等对生产环境有严格要求的工业生产领域，也是衡量环境能否用于正常生产运行的一个重要指标，如制药厂中以蛋白质为主要成分的药品会因温度过高导致药品中的蛋白质变性；药品受潮很容易出现变色、结块、变形及破裂等现象，导致药效降低及微生物滋生等，温湿度的控制情况影响着产

3、品质量的合格率。然而，温湿度控制系统是一个大时滞、时变、非线性和强耦合的多变量系统，很难建立精确的数学模型。现阶段，空调控制系统大多忽略了温湿度的耦合作用，采用传统的PID控制技术。PID在确定的系统中稳定性好、精度高，不足之处是对于工况和环境变化的适应性差，对大时滞和强耦合控制对象的控制效果也不理想¨’引。笔者对某制药厂空调控制系统进行分析研究，为达到制药车间温湿度精确且稳定的要求，设计其前馈补偿器以解除温湿度之间的耦合作用，使之成为相互独立的单回路系统，对解耦后的回路采用模糊PID和自适应Sm

4、ith预估补偿算法相结合的控制策略，综合两者的优势，研究温湿度系统的控制性能。1新方案总体架构．笔者设计的某制药厂空调温湿度解耦控制系统前馈补偿解耦、模糊PID与自适应Smith预估补偿算法相结合的控制方案如图1所示。一。]控,漠糊制P器IDl自适应Smith预估控制器前馈补偿1前馈补偿2自适应s。ith预估控制器2I±挚图1某制药厂空调温湿度控制系统结构框图x。(s)——温度设定值，℃；Y。(s)——温度检测值，℃；x2(s)——相对湿度设定值；Y2(s)——相对湿度检测值2温湿度耦合系统前馈补

5、偿解耦该制药厂空调系统的送风量不变，通过改变送风温湿度来满足室内负荷变化的需要，使室内温湿度维持在适宜的范围内。空调系统设有夏季和冬季两种运行模式，现以冬季运行模式为例对室内耦合温湿度控制进行分析研究。冬季气候寒冷干燥，需要对空气加热加湿，空调系统采用干式蒸汽加湿器，喷人蒸汽温度约1000C，可认为该状态变化为等温过程，忽略了加湿过程对温度的影。垧"o；加热器为表面热交换式，其热水供水和回水温度分别为55℃和50℃，一般温度每上升1oC相对湿度下降2％～3％RH(RelativeHumidity，

6、RH)”1，这种耦合影响不可忽略。综上分析，在洁净室内的温湿度系统中，耦合通道仅为温度对相对湿度的影响，其控制原理如图2所示，该温湿度收稿日期：2012-09-07(修改稿)一一～一一一一第lO期张盼盼等．温湿度解耦的模糊PID一自适应Smith控制控制回路中采用回风温湿度作为反馈量。温度㈣湿度——叫幽卫型Lp币丽弭厮榭对湿度榆测图2温湿度耦合控制原理框图被控量之间存在的耦合作用会影响系统各回路的控制精度和可靠性，该系统的解耦方案为设计前馈补偿器。前馈补偿解耦是多变量解耦控制的常用方法，该方法原理

7、和结构简单且易于实现。温湿度解耦控制原理如图3所示"1。温艘没定值X．(s)+G。O)温度检F，，(^)}4叫G7．(s)栩对湿度J一一相对湿度检测图3温湿度前馈解耦控制原理框图由图3可知Y：(s)输出为(耦合通道视为扰动通道)：Y2(s)=X2(S)Gm(S)G22(s)+X1(S)G⋯(5)·[F2I(s)G22(5)+G2。(5)](1)要实现系统解耦，即使y2(s)不受x．(s)作用的影响，从式(1)得到前馈补偿器为：C～fs、F：．(s)=一焉(2)IJ22、3，利用式(2)可实现系统完

8、全解耦，解耦后的系统成为独立的单回路控制系统。3模糊PID-自适应Smith控制3．1模糊PID控制器模糊控制器主要由精确输入量的模糊化、模糊推理和模糊决策的输出量去模糊化(即输出量精确化)3个功能模块组成。控制系统将采样得到的温湿度信号与被控对象的温湿度设定值进行比较，得到误差和误差变化率。由于模糊控制器的模糊推理机制是对模糊量进行计算的，因此模糊控制器首先需要将输入量进行模糊化处理。输入、输出变量的语言值设定为7个，即{NB，NM，MS，ZO，PS，PM，PB}，e、eC、K。