無塵車間中溫濕度模糊控制技術的應用

地下工程內(nèi)部工況非常復雜，溫濕度控制本身又有大慣性、相互耦合的特點，采用傳統(tǒng)的?PID?調(diào)節(jié)，滯后現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，溫濕度控制的實時性很難保證，控制精度和工程內(nèi)的舒適性也效果不佳。車間凈化工程公司盡管除濕機控制程序中，考慮了溫濕度控制允許的誤差，可以把溫度和濕度控制在某個區(qū)域范圍之內(nèi)，但如果除濕機的參數(shù)設置不當，或者調(diào)試工作不完善就可能出現(xiàn)控制的超調(diào)，輸出頻繁或者不連續(xù)的改變，浪費能量。

1 系統(tǒng)的改進思路

由于工程內(nèi)溫濕度控制干擾因素特別多，如房間的泄漏、房間開門的次數(shù)、人數(shù)量的變化及設備發(fā)熱量的不同等，都是不確定的因素，難以建立工程內(nèi)余熱、余濕的精確數(shù)學模型，而且由于溫濕度的耦合性，即使建立了復雜的數(shù)學模型，也很難簡化求解。在神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、專家控制、學習與自適應控制等眾多智能控制技術中，只有模糊控制不需要精確的被控對象的數(shù)學模型，它根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則進行模糊推理提供適當?shù)妮敵?，其具有控制精度高，過渡過程平緩，舒適性高等特點，是溫濕度控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的一種智能控制技術。本文在控制技術上采用模糊控制來取代 PID 控制，以提高系統(tǒng)的智能化程度和控制精度；目前地下工程內(nèi)使用的調(diào)溫除濕機大多使用西門子S7-200系列PLC，這個系列的 PLC 內(nèi)部邏輯功能較簡單。而新一代的西門子 S7-300系列 PLC，邏輯功能更強，內(nèi)部嵌入了許多功能化模塊來實現(xiàn)一些特定的算法，在程序編制上更是采用結構化編程的方法，一些特別的功能塊子程序可以在程序中互相調(diào)用，使得程序的編制更加簡單，因此在硬件選擇上用西門子S7-300 系列 PLC 取代 S7-200 系列 PLC。

2 調(diào)溫除濕機的控制過程分析

全自動調(diào)溫除濕機有 3 種工作模式，即“除濕升溫”、“除濕調(diào)溫”、“除濕降溫”。采用“除濕升溫”模式時，冷卻水泵和冷卻塔不工作，冷卻水流量調(diào)節(jié)閥全關，所有冷凝熱全部用來加熱除濕機的出風，風量一定時，升溫的程度由冷凝器放熱的大小決定。有些情況下，如將除濕機系統(tǒng)的冷凝熱全部用來加熱空氣，工程內(nèi)空調(diào)房間的溫度將會超出要求范圍，此時，可以采用“除濕調(diào)溫”模式，自動給出信號開啟水泵，連鎖開冷卻塔風機，并根據(jù)房間的設定溫度調(diào)節(jié)水冷冷凝器的水流量，將部分冷凝熱由冷卻水帶走。工程內(nèi)溫度較高時，可采用“除濕降溫”模式時，關閉進入風冷冷凝器的電磁閥，并調(diào)節(jié)冷卻水流量調(diào)節(jié)閥，直到達到設定的出風溫度。

由此可見，調(diào)溫除濕機3種模式處理空氣的第一步都是利用其蒸發(fā)器來冷凍除濕，所謂的“升溫”、“調(diào)溫”和“降溫”，只是在第二步再加熱時，加熱空氣所用的風冷冷凝熱量大小不同。調(diào)溫除濕機溫度調(diào)節(jié)的上限值是除濕升溫工況的出風溫度，下限值是除濕降溫工況的出風溫度。如圖 1，在焓濕圖上，進風狀態(tài)參數(shù)點1經(jīng)蒸發(fā)器處理到露點L，然后進行第二步處理，“除濕升溫”模式工作時，出風溫度處理到點 2'；“除濕降溫”模式工作時，出風溫度處理到點 2；“除濕調(diào)溫”模式工作時，出風溫度處理到溫度介于點 2 和點2' 之的某點2''。當除濕機的風機風量一定時，出風溫度狀態(tài)點 2'' 與設備的風冷冷凝器釋放的熱量大小有關，假設壓縮機的功率和制冷效率一定時，冷凝熱的總量恒定，它可以在風冷冷凝器和水冷冷凝器之間任意分配，則“除濕調(diào)溫”模式的出風溫度可由經(jīng)過水冷冷凝器的冷卻水流量閥來調(diào)控，閥門開度越大，水冷冷凝器帶走的熱量越多，除濕機的出風溫度就越低。

3 模糊控制器的設計

本系統(tǒng)側重于調(diào)溫除濕機的“調(diào)溫”，因為只要除濕機開，功率一定，“除濕”總是以單位時間多少除濕量發(fā)生的。改善調(diào)溫除濕機的性能重點在于對溫度的把握上，以溫度為主要控制對象，通過溫度控制來影響濕度。本設計采用二維模糊控制器，如圖 2 所示。其中輸入變量為溫度偏差 e和偏差變化率 ec，輸出變量為控制溫度的變量，冷凍水流量閥的開度 u。濕度的模糊邏輯用同樣的方法設計，下面僅討論溫度。

3.1 模糊化

3.1.1 輸入 / 輸出變量的選取及量化

溫度偏差 e 的實際論域為[-12℃，12℃（]超出范圍的越限值取上限或者下限值）。溫度偏差變化率 ec 的實際論域取[-3℃/min，+ 3 ℃/min（]越限值處理同上）。實際偏差和偏差變化率值分別通過各自的比例因子轉(zhuǎn)換到模糊控制器的基本論域內(nèi)。這里 E 和EC 的論域都取[-6，-5，…，0，…，+ 5 ，+ 6 ] 的離散區(qū)間。

則：ke = emax/ 6 = 2      ke = ecmax/ 6 = 0.5

為了計算方便，控制器輸出控制量u的論域也取為：

U ∈｛-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6｝

而輸出量為電壓信號，實際論域為[-10V，10V]，則：ku= umax/ 6 = 1.67。

3.1.2 輸入 / 輸出變量的模糊化

為了簡化計算，同時按照人一貫的思維，將事物的程度分為大、中、小3個等級，又分正、負兩個方向。這樣就定義出7 個模糊子集。即：PB（正大）、P M （正中）、P S （正小）、Z E（零）、N B （負?。?、N M （負中）及 N B （負大）。前面的定義的模糊變量 E、EC、U 的模糊集合均為：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

輸出量 U 模糊子集的意義：NB 表示水流量調(diào)節(jié)閥負向大開；NM 表示水流量調(diào)節(jié)閥負向中開；NS 表示水流量調(diào)節(jié)閥負向小開；ZE 表示水流量調(diào)節(jié)閥保持當前狀態(tài)；PS 表示水流量調(diào)節(jié)閥正向小開；PM表示水流量調(diào)節(jié)閥正向中開；PB表示水流量調(diào)節(jié)閥正向大開。采用三角分布隸屬度函數(shù)，按照模糊空間細分的標準，對論域在[-6，+6]的模糊變量進行賦值?？傻玫礁髂：兞康馁x值表如表1所示。由于論域與三角形隸屬函數(shù)完全相同，則偏差 E、偏差變化率 EC 及輸出 U 的賦值表完全相同。

3.2 模糊控制規(guī)則庫

模糊控制規(guī)則庫的選擇取決于整個控制系統(tǒng)的對象特性，根據(jù)專家知識和操作人員經(jīng)驗，抽象成一系列不精確的條件語句以形成模糊控制規(guī)則庫，如當溫度誤差為正，目前系統(tǒng)本身有減小誤差的趨勢時，為了盡快消除誤差且又不超調(diào)，應減少控制量。寫成對應的語句：if E=PS and EC=NM then U=ZE文獻[2-5]給出了有關中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則庫，本文選擇的控制規(guī)則庫如表2所示。

3.3 模糊推理

本文采用如“if E=X and EC=Y then U=Z”的模糊條件語句所組成的推理規(guī)則。把控制規(guī)則編號，每條控制規(guī)則可以求出一個模糊蘊含關系，

即：Rij：if E=Ti  and EC=Tcj  then U-Uij

Rij =Ti× Tcj→Uij= Ti× Tcj→Uij

4 9 條規(guī)則可以得到 4 9 個模糊關系矩陣 Ri j（i = 1 ，2 ，…，7 ；j = 1 ，2 ，…，7 ）。這些規(guī)則沒有先后之分，取“also”連接，則總的模糊關系求并運算：

3.4 模糊判決并計算輸出量

由表2已知的輸入模糊變量和求得的模糊關系矩陣，輸入量溫度偏差及變化率被量化為13 個等級，任取某個語言值，如 E 取 -5，m=2，EC 取- 4 ，n = 3 。語言值屬于[ - 6 ，- 5 ，… ，0 ，1 ，… ，6 ] ，有：

用最大- 最小合成法，可以求出 Umn，然后采用加權平均法做清晰化計算得出判斷結果：

其中 i,j = 1，2，…，13。這樣 uij就構成了模糊控制狀態(tài)表，如表3所示。模糊控制表由matlab軟件編程實現(xiàn)。

4 模糊控制算法在S7-300PLC上實現(xiàn)

求出模糊控制表后，可以在PLC上編制程序來實現(xiàn)模糊控制算法[6]。這樣模糊控制器的功能實現(xiàn)就可以分為在線和離線兩部分，離線部分控制查詢表已經(jīng)求出，在線部分的結構見圖 3。

S7-300 的編程系統(tǒng) Step7-v5.3 提供了豐富的指令和功能模塊[7 ]。我們比較模糊控制器的結構與S7-300 結構化編程思想，可以設計出模糊算法的結構見圖4。STEP7的程序總是從組織塊OB1開始的，采用循環(huán)執(zhí)行的方式實現(xiàn)對整個程序的總體控制、子程序塊的調(diào)用和數(shù)據(jù)的采集與傳遞。FB10被用來實現(xiàn)模糊控制功能。它又由FC10-FC13 四個子程序塊組成。其中FC10完成溫度偏差e和偏差變化率 ec 的計算；FC11 進行模糊化處理，即完成精確量 e，ec 到模糊量 E，EC 的轉(zhuǎn)換；FC12 完成控制量表的查詢功能；FC12完成模糊控制量U到精確量 u 的轉(zhuǎn)化，并輸出 u。FB10 依次調(diào)用四個子模塊完成模糊控制各部分的功能，并實現(xiàn)他們之間的數(shù)據(jù)傳遞。FB10 模糊控制器編制完成后，保存在 STEP7標準庫中。這樣構成的FB10就具有很強的靈活性和通用性，如同 S7-300 可編程控制器的內(nèi)置特殊功能的模塊一樣，可以在其他實現(xiàn)模糊功能的程序中方便調(diào)用，只需修改參數(shù)即可。實現(xiàn)模糊算法的流程圖如圖 5 所示。

5 結論

將模糊控制技術與PLC控制系統(tǒng)相結合，既顯示了 PLC 的可靠、靈活及適應性強的特點，也大大提高了除濕機控制系統(tǒng)的智能化程度。用西門子S7-300系列PLC代替原來調(diào)溫除濕機的控制器西門子 S7-200 系列 PLC，利用 300 系列 PLC 的結構化編程的功能與模糊控制的原理相結合，設計出了結構緊湊的模糊控制器，采用離線查表法直接在 S7-300 系列 PLC 的編程語言中實現(xiàn)模糊控制功能，改進了調(diào)溫除濕機溫濕度的控制方式。