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无尘車(chē)间中温湿度模糊控制技术的应用(yòng)

地下工程内部工况非常复杂，温湿度控制本身又(yòu)有(yǒu)大惯性、相互耦合的特点，采用(yòng)传统的 PID 调节，滞后现象经常发生，温湿度控制的实时性很(hěn)难保证，控制精度和工程内的舒适性也效果不佳。車(chē)间净化工程公司尽管除湿机控制程序中，考虑了温湿度控制允许的误差，可(kě)以把温度和湿度控制在某个區(qū)域范围之内，但如果除湿机的参数设置不当，或者调试工作不完善就可(kě)能(néng)出现控制的超调，输出频繁或者不连续的改变，浪费能(néng)量。

1 系统的改进思路

由于工程内温湿度控制干扰因素特别多(duō)，如房间的泄漏、房间开门的次数、人数量的变化及设备发热量的不同等，都是不确定的因素，难以建立工程内余热、余湿的精确数學(xué)模型，而且由于温湿度的耦合性，即使建立了复杂的数學(xué)模型，也很(hěn)难简化求解。在神经网络控制、模糊控制、专家控制、學(xué)习与自适应控制等众多(duō)智能(néng)控制技术中，只有(yǒu)模糊控制不需要精确的被控对象的数學(xué)模型，它根据经验规则进行模糊推理(lǐ)提供适当的输出，其具有(yǒu)控制精度高，过渡过程平缓，舒适性高等特点，是温湿度控制系统中经常采用(yòng)的一种智能(néng)控制技术。本文(wén)在控制技术上采用(yòng)模糊控制来取代 PID 控制，以提高系统的智能(néng)化程度和控制精度；目前地下工程内使用(yòng)的调温除湿机大多(duō)使用(yòng)西门子S7-200系列PLC，这个系列的 PLC 内部逻辑功能(néng)较简单。而新(xīn)一代的西门子 S7-300系列 PLC，逻辑功能(néng)更强，内部嵌入了许多(duō)功能(néng)化模块来实现一些特定的算法，在程序编制上更是采用(yòng)结构化编程的方法，一些特别的功能(néng)块子程序可(kě)以在程序中互相调用(yòng)，使得程序的编制更加简单，因此在硬件选择上用(yòng)西门子S7-300 系列 PLC 取代 S7-200 系列 PLC。

2 调温除湿机的控制过程分(fēn)析

全自动调温除湿机有(yǒu) 3 种工作模式，即“除湿升温”、“除湿调温”、“除湿降温”。采用(yòng)“除湿升温”模式时，冷却水泵和冷却塔不工作，冷却水流量调节阀全关，所有(yǒu)冷凝热全部用(yòng)来加热除湿机的出风，风量一定时，升温的程度由冷凝器放热的大小(xiǎo)决定。有(yǒu)些情况下，如将除湿机系统的冷凝热全部用(yòng)来加热空气，工程内空调房间的温度将会超出要求范围，此时，可(kě)以采用(yòng)“除湿调温”模式，自动给出信号开启水泵，连锁开冷却塔风机，并根据房间的设定温度调节水冷冷凝器的水流量，将部分(fēn)冷凝热由冷却水带走。工程内温度较高时，可(kě)采用(yòng)“除湿降温”模式时，关闭进入风冷冷凝器的電(diàn)磁阀，并调节冷却水流量调节阀，直到达到设定的出风温度。

由此可(kě)见，调温除湿机3种模式处理(lǐ)空气的第一步都是利用(yòng)其蒸发器来冷冻除湿，所谓的“升温”、“调温”和“降温”，只是在第二步再加热时，加热空气所用(yòng)的风冷冷凝热量大小(xiǎo)不同。调温除湿机温度调节的上限值是除湿升温工况的出风温度，下限值是除湿降温工况的出风温度。如图 1，在焓湿图上，进风状态参数点1经蒸发器处理(lǐ)到露点L，然后进行第二步处理(lǐ)，“除湿升温”模式工作时，出风温度处理(lǐ)到点 2'；“除湿降温”模式工作时，出风温度处理(lǐ)到点 2；“除湿调温”模式工作时，出风温度处理(lǐ)到温度介于点 2 和点2' 之的某点2''。当除湿机的风机风量一定时，出风温度状态点 2'' 与设备的风冷冷凝器释放的热量大小(xiǎo)有(yǒu)关，假设压缩机的功率和制冷效率一定时，冷凝热的总量恒定，它可(kě)以在风冷冷凝器和水冷冷凝器之间任意分(fēn)配，则“除湿调温”模式的出风温度可(kě)由经过水冷冷凝器的冷却水流量阀来调控，阀门开度越大，水冷冷凝器带走的热量越多(duō)，除湿机的出风温度就越低。

3 模糊控制器的设计

本系统侧重于调温除湿机的“调温”，因為(wèi)只要除湿机开，功率一定，“除湿”总是以单位时间多(duō)少除湿量发生的。改善调温除湿机的性能(néng)重点在于对温度的把握上，以温度為(wèi)主要控制对象，通过温度控制来影响湿度。本设计采用(yòng)二维模糊控制器，如图 2 所示。其中输入变量為(wèi)温度偏差 e和偏差变化率 ec，输出变量為(wèi)控制温度的变量，冷冻水流量阀的开度 u。湿度的模糊逻辑用(yòng)同样的方法设计，下面仅讨论温度。

3.1 模糊化

3.1.1 输入 / 输出变量的选取及量化

温度偏差 e 的实际论域為(wèi)[-12℃，12℃（]超出范围的越限值取上限或者下限值）。温度偏差变化率 ec 的实际论域取[-3℃/min，+ 3 ℃/min（]越限值处理(lǐ)同上）。实际偏差和偏差变化率值分(fēn)别通过各自的比例因子转换到模糊控制器的基本论域内。这里 E 和EC 的论域都取[-6，-5，…，0，…，+ 5 ，+ 6 ] 的离散區(qū)间。

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

為(wèi)了计算方便，控制器输出控制量u的论域也取為(wèi)：

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

而输出量為(wèi)電(diàn)压信号，实际论域為(wèi)[-10V，10V]，则：ku= umax/ 6 = 1.67。

3.1.2 输入 / 输出变量的模糊化

為(wèi)了简化计算，同时按照人一贯的思维，将事物(wù)的程度分(fēn)為(wèi)大、中、小(xiǎo)3个等级，又(yòu)分(fēn)正、负两个方向。这样就定义出7 个模糊子集。即：PB（正大）、P M （正中）、P S （正小(xiǎo)）、Z E（零）、N B （负小(xiǎo)）、N M （负中）及 N B （负大）。前面的定义的模糊变量 E、EC、U 的模糊集合均為(wèi)：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

输出量 U 模糊子集的意义：NB 表示水流量调节阀负向大开；NM 表示水流量调节阀负向中开；NS 表示水流量调节阀负向小(xiǎo)开；ZE 表示水流量调节阀保持当前状态；PS 表示水流量调节阀正向小(xiǎo)开；PM表示水流量调节阀正向中开；PB表示水流量调节阀正向大开。采用(yòng)三角分(fēn)布隶属度函数，按照模糊空间细分(fēn)的标准，对论域在[-6，+6]的模糊变量进行赋值。可(kě)得到各模糊变量的赋值表如表1所示。由于论域与三角形隶属函数完全相同，则偏差 E、偏差变化率 EC 及输出 U 的赋值表完全相同。

3.2 模糊控制规则库

模糊控制规则库的选择取决于整个控制系统的对象特性，根据专家知识和操作人员经验，抽象成一系列不精确的条件语句以形成模糊控制规则库，如当温度误差為(wèi)正，目前系统本身有(yǒu)减小(xiǎo)误差的趋势时，為(wèi)了尽快消除误差且又(yòu)不超调，应减少控制量。写成对应的语句：if E=PS and EC=NM then U=ZE文(wén)献[2-5]给出了有(yǒu)关中央空调温度控制系统的模糊控制规则库，本文(wén)选择的控制规则库如表2所示。

3.3 模糊推理(lǐ)

本文(wén)采用(yòng)如“if E=X and EC=Y then U=Z”的模糊条件语句所组成的推理(lǐ)规则。把控制规则编号，每条控制规则可(kě)以求出一个模糊蕴含关系，

即：Rij：if E=Ti  and EC=Tcj  then U-Uij

Rij =Ti× Tcj→Uij= Ti× Tcj→Uij

4 9 条规则可(kě)以得到 4 9 个模糊关系矩阵 Ri j（i = 1 ，2 ，…，7 ；j = 1 ，2 ，…，7 ）。这些规则没有(yǒu)先后之分(fēn)，取“also”连接，则总的模糊关系求并运算：

3.4 模糊判决并计算输出量

由表2已知的输入模糊变量和求得的模糊关系矩阵，输入量温度偏差及变化率被量化為(wèi)13 个等级，任取某个语言值，如 E 取 -5，m=2，EC 取- 4 ，n = 3 。语言值属于[ - 6 ，- 5 ，… ，0 ，1 ，… ，6 ] ，有(yǒu)：

用(yòng)最大- 最小(xiǎo)合成法，可(kě)以求出 Umn，然后采用(yòng)加权平均法做清晰化计算得出判断结果：

其中 i,j = 1，2，…，13。这样 uij就构成了模糊控制状态表，如表3所示。模糊控制表由matlab软件编程实现。

4 模糊控制算法在S7-300PLC上实现

求出模糊控制表后，可(kě)以在PLC上编制程序来实现模糊控制算法[6]。这样模糊控制器的功能(néng)实现就可(kě)以分(fēn)為(wèi)在線(xiàn)和离線(xiàn)两部分(fēn)，离線(xiàn)部分(fēn)控制查询表已经求出，在線(xiàn)部分(fēn)的结构见图 3。

S7-300 的编程系统 Step7-v5.3 提供了丰富的指令和功能(néng)模块[7 ]。我们比较模糊控制器的结构与S7-300 结构化编程思想，可(kě)以设计出模糊算法的结构见图4。STEP7的程序总是从组织块OB1开始的，采用(yòng)循环执行的方式实现对整个程序的总體(tǐ)控制、子程序块的调用(yòng)和数据的采集与传递。FB10被用(yòng)来实现模糊控制功能(néng)。它又(yòu)由FC10-FC13 四个子程序块组成。其中FC10完成温度偏差e和偏差变化率 ec 的计算；FC11 进行模糊化处理(lǐ)，即完成精确量 e，ec 到模糊量 E，EC 的转换；FC12 完成控制量表的查询功能(néng)；FC12完成模糊控制量U到精确量 u 的转化，并输出 u。FB10 依次调用(yòng)四个子模块完成模糊控制各部分(fēn)的功能(néng)，并实现他(tā)们之间的数据传递。FB10 模糊控制器编制完成后，保存在 STEP7标准库中。这样构成的FB10就具有(yǒu)很(hěn)强的灵活性和通用(yòng)性，如同 S7-300 可(kě)编程控制器的内置特殊功能(néng)的模块一样，可(kě)以在其他(tā)实现模糊功能(néng)的程序中方便调用(yòng)，只需修改参数即可(kě)。实现模糊算法的流程图如图 5 所示。

5 结论

将模糊控制技术与PLC控制系统相结合，既显示了 PLC 的可(kě)靠、灵活及适应性强的特点，也大大提高了除湿机控制系统的智能(néng)化程度。用(yòng)西门子S7-300系列PLC代替原来调温除湿机的控制器西门子 S7-200 系列 PLC，利用(yòng) 300 系列 PLC 的结构化编程的功能(néng)与模糊控制的原理(lǐ)相结合，设计出了结构紧凑的模糊控制器，采用(yòng)离線(xiàn)查表法直接在 S7-300 系列 PLC 的编程语言中实现模糊控制功能(néng)，改进了调温除湿机温湿度的控制方式。