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無塵車間中溫濕度模糊控制技術的應用

地下工程內部工況非常復雜，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?調節(jié)，滯后現(xiàn)象經常發(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，但如果除濕機的參數(shù)設置不當，或者調試工作不完善就可能出現(xiàn)控制的超調，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。在神經網絡控制、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；目前地下工程內使用的調溫除濕機大多使用西門子S7-200系列PLC，這個系列的 PLC 內部邏輯功能較簡單。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 調溫除濕機的控制過程分析

全自動調溫除濕機有 3 種工作模式，即“除濕升溫”、“除濕調溫”、“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，工程內空調房間的溫度將會超出要求范圍，此時，可以采用“除濕調溫”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，并調節(jié)冷卻水流量調節(jié)閥，直到達到設定的出風溫度。

由此可見，調溫除濕機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。調溫除濕機溫度調節(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“除濕調溫”模式的出風溫度可由經過水冷冷凝器的冷卻水流量閥來調控，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)側重于調溫除濕機的“調溫”，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換到模糊控制器的基本論域內。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?。 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 表示水流量調節(jié)閥負向大開；NM 表示水流量調節(jié)閥負向中開；NS 表示水流量調節(jié)閥負向小開；ZE 表示水流量調節(jié)閥保持當前狀態(tài)；PS 表示水流量調節(jié)閥正向小開；PM表示水流量調節(jié)閥正向中開；PB表示水流量調節(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。可得到各模糊變量的賦值表如表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，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 的轉化，并輸出 u。FB10 依次調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，改進了調溫除濕機溫濕度的控制方式。