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溫濕度環境試驗設備的分段控制
溫濕度環境設備的分段控制
0 引 言
環境試驗箱模擬人們所期望的自然環境而對某些工業產品進行環境試驗的裝置。溫度、濕度環
節試驗是常進行的環境試驗，一般認為對它們的控制已經比較成熟。大多數情況下采用常規的PID控
制方案。本文研究的對象是模擬自然環境中溫度和濕度的試驗箱。通過溫度加熱器控制溫度，濕度加熱
器來控制濕度。箱體中裝有冷凍壓縮機，具有降溫和除濕的功能。整個控制系統以x86+PLC為核心。
用PT100測量溫度和用干濕球法測量濕度。
1 環境試驗設備的動態特性分析和實際存在的控制問題
設本環境試驗設備的被控變量(需要控制的變量)為：溫度(t-act)、濕度(h-act)，控制量(控制
手段)為：加溫器的加熱量(heat)、加濕器的加熱量(damp)。從控制的角度來說，設備箱體的溫度和
濕度控制是兩輸入兩輸出的多變量控制(時有變化的制冷量可看作是系統干擾)。
由此可見，它們的耦合關系是濕度對溫度的影響比較小，但是溫度對濕度的影響很大。實際觀察也的確
如此，當溫度每變化一度，濕度可能下降5％，并且濕度變化比溫度變化要慢很多，*可以用單邊解
耦合。但是實際上，如果溫度控制得很，濕度的變化也不會很大。所以考慮溫度和濕度分開控制。
控制方案主要考慮如何的控制溫度 。
用經典的PID來控制溫濕度試驗箱的，主要問題是：①超調量過大，一般會出現2度的超調；②
穩態性能不太好，主要是來了干擾以后，調節非常緩慢。
2 環境試驗設備的分段控制方法
制思路是一種分段式控制方法。以升溫過程考慮，在剛剛開始升溫時采用on—off控制，
當溫度接近到設定值時，采用模糊控制的方法來減少超調量。一直到溫度*次超過設定溫度，切換到
第三種控制方案即模糊預估PID控制，此后一直采用第三種方案來控制穩態。用同樣的方法處理降溫過
程。
(1)on—off控制
當溫度的偏差大于某一閾值時用on-off形式的比例控制，優點是提高系統的響應速度，使溫度盡快
達到設定值。
2)模糊控制
因為前面一段比例控制的上升速度太快，阻尼性不高，會產生大的超調量。所以計劃在t-act與t-set
的偏差小于某一閾值時采用模糊控制。
先對于溫度的輸人輸出量進行量化處理。建立輸入輸出空間，選擇正態性模糊集合，選取溫度偏
差e及溫度偏差的變化率ec作為模糊控制器的輸入信息。由實際現場測定的數據定出e和ec的范圍：
e=實測溫度PV一設定溫度SV
(3)模糊預估PID
如果第三段的控制方案仍舊采用第二段的傳統模糊控制就會出現穩態誤差，即使加人積分作用的模
糊控制可以消除穩態誤差，但還是解決不了大慣性的影響。同時傳統的PID控制也只適用于小滯后小慣
性過程，對于這種大的滯后的工業過程，PID往往得不到良好的控制效果。因為PID控制屬于事后控制，
對于大慣性的過程，由于過程輸出的偏差不能及時反映控制量的變化，因而控制效果較差。考慮到smith
預估控制和預測控制可以用來解決大滯后問題，但是這兩種方法均需要知道系統的數學模型，而先
前建立這個系統的數學模型并不太。所以本系統的第3段控制使用模糊預估PID控制％(如圖3
所示)即在常規的PID控制器的前面串聯一個模糊預估器，通過模糊預估器對過程的未來輸出的預估作
用來補償滯后對控制性能的影響。特別在系統處于穩態時，突然來—個干擾，使得控制器能及時的起作
用。
(4)分段點的選取和無擾動切換
在整個控制過程中的第二段采用經典的模糊控制，可以減少超調。但是可能會帶來負面的影響即增
加調節時間。如果希望對調節時間的影響小，可以將on-off行和模糊控制的切換點取值上靠近設定值。實
際系統考慮不同的設備和不同的負載，采用兩種工程方法。①采用軟件查表法，在程序中留下可選擇的
變量到人機交互的液晶界面，由用戶選擇負載的類型和多少，查出進入閾值的不同點。這樣做的優點是
可以使不同的溫度變化過程和不同負載條件下on-off環節均可以起到不同的作用。②建立不同的模糊表，
模糊表需要反復的整定。工程上的整定方法是將模糊控制的查詢表分塊，根據實際的控制效果，對不同
的塊進行不同的處理。有的塊人為增大，有的塊人為減小。第二段和第三段的切換點是實際溫度*次
到達設定溫度的時刻。
換的過程要做到無擾動，on-off和模糊控制之間切換的無擾動主要依靠對模糊表的調整，讓模糊
表中的控制量在大值和小值之間平滑過渡。實際若出現控锘幔的跳變則需要手工微調查詢表。模糊
控制與模糊預估PID的平滑過渡的難度比較大。主要是確定模糊預估PID的輸出控制量的初值，將模糊
階段后的輸出保存起來，作為第3段模糊預估PID控制的初值，再在這個初值的基礎上進行增量式疊
加，這種方法在實際中可以做到無擾動的切換。
3 仿真試驗研究
仿真試驗的方法是對比傳統PID控制和新的三段式控制方案的方波響應，用三段式控制后的確減小了系統的超調量，并且沒有產生穩態誤差。特別
在穩態的時候，三段式的控制方案十分平穩，沒有出現如同傳統的PID控制時的波動幅度大和穩定時間
長的問題。
4 結論
就控制方法而言，PD算法使用的為廣泛，隨著數字智能控制器的應用，計算能力的加強，許多
的智能控制方案與PID結合而產生了新型改進型PID控制器。本文闡述的是在對某公司環境試驗設
備控制器改進研究的基礎上，使用三段式的控制方法改善了傳統PID控制的性能，這是一種有一定研究
價值的控制方法。當然許多方面需要進一步的研究和探討。