無(wú)塵車間中溫濕度模糊控制技術(shù)的應(yīng)用

地下工程內(nèi)部工況非常復(fù)雜，溫濕度控制本身又有大慣性、相互耦合的特點(diǎn)，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(shí)時(shí)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(jī)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(gè)區(qū)域范圍之內(nèi)，但如果除濕機(jī)的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，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(fèi)能量。

1 系統(tǒng)的改進(jìn)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(shè)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(xué)模型，而且由于溫濕度的耦合性，即使建立了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，也很難簡(jiǎn)化求解。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家控制、學(xué)習(xí)與自適應(yīng)控制等眾多智能控制技術(shù)中，只有模糊控制不需要精確的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，它根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行模糊推理提供適當(dāng)?shù)妮敵觯渚哂锌刂凭雀撸^(guò)渡過(guò)程平緩，舒適性高等特點(diǎn)，是溫濕度控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的一種智能控制技術(shù)。本文在控制技術(shù)上采用模糊控制來(lái)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(jī)大多使用西門子S7-200系列PLC，這個(gè)系列的 PLC 內(nèi)部邏輯功能較簡(jiǎn)單。而新一代的西門子 S7-300系列 PLC，邏輯功能更強(qiáng)，內(nèi)部嵌入了許多功能化模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)一些特定的算法，在程序編制上更是采用結(jié)構(gòu)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(jiǎn)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(jī)的控制過(guò)程分析

全自動(dòng)調(diào)溫除濕機(jī)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(shí)，冷卻水泵和冷卻塔不工作，冷卻水流量調(diào)節(jié)閥全關(guān)，所有冷凝熱全部用來(lái)加熱除濕機(jī)的出風(fēng)，風(fēng)量一定時(shí)，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(jī)系統(tǒng)的冷凝熱全部用來(lái)加熱空氣，工程內(nèi)空調(diào)房間的溫度將會(huì)超出要求范圍，此時(shí)，可以采用“除濕調(diào)溫”模式，自動(dòng)給出信號(hào)開啟水泵，連鎖開冷卻塔風(fēng)機(jī)，并根據(jù)房間的設(shè)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(shí)，可采用“除濕降溫”模式時(shí)，關(guān)閉進(jìn)入風(fēng)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(dá)到設(shè)定的出風(fēng)溫度。

由此可見(jiàn)，調(diào)溫除濕機(jī)3種模式處理空氣的第一步都是利用其蒸發(fā)器來(lái)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(shí)，加熱空氣所用的風(fēng)冷冷凝熱量大小不同。調(diào)溫除濕機(jī)溫度調(diào)節(jié)的上限值是除濕升溫工況的出風(fēng)溫度，下限值是除濕降溫工況的出風(fēng)溫度。如圖 1，在焓濕圖上，進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)點(diǎn)1經(jīng)蒸發(fā)器處理到露點(diǎn)L，然后進(jìn)行第二步處理，“除濕升溫”模式工作時(shí)，出風(fēng)溫度處理到點(diǎn) 2'；“除濕降溫”模式工作時(shí)，出風(fēng)溫度處理到點(diǎn) 2；“除濕調(diào)溫”模式工作時(shí)，出風(fēng)溫度處理到溫度介于點(diǎn) 2 和點(diǎn)2' 之的某點(diǎn)2''。當(dāng)除濕機(jī)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量一定時(shí)，出風(fēng)溫度狀態(tài)點(diǎn) 2'' 與設(shè)備的風(fēng)冷冷凝器釋放的熱量大小有關(guān)，假設(shè)壓縮機(jī)的功率和制冷效率一定時(shí)，冷凝熱的總量恒定，它可以在風(fēng)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(fēng)溫度可由經(jīng)過(guò)水冷冷凝器的冷卻水流量閥來(lái)調(diào)控，閥門開度越大，水冷冷凝器帶走的熱量越多，除濕機(jī)的出風(fēng)溫度就越低。

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)側(cè)重于調(diào)溫除濕機(jī)的“調(diào)溫”，因?yàn)橹灰凉駲C(jī)開，功率一定，“除濕”總是以單位時(shí)間多少除濕量發(fā)生的。改善調(diào)溫除濕機(jī)的性能重點(diǎn)在于對(duì)溫度的把握上，以溫度為主要控制對(duì)象，通過(guò)溫度控制來(lái)影響濕度。本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(shí)際論域?yàn)閇-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(shí)際論域取[-3℃/min，+ 3 ℃/min（]越限值處理同上）。實(shí)際偏差和偏差變化率值分別通過(guò)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(jì)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(hào)，實(shí)際論域?yàn)閇-10V，10V]，則：ku= umax/ 6 = 1.67。

3.1.2 輸入 / 輸出變量的模糊化

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)按照人一貫的思維，將事物的程度分為大、中、小3個(gè)等級(jí)，又分正、負(fù)兩個(gè)方向。這樣就定義出7 個(gè)模糊子集。即：PB（正大）、P M （正中）、P S （正小）、Z E（零）、N B （負(fù)小）、N M （負(fù)中）及 N B （負(fù)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(fù)向大開；NM 表示水流量調(diào)節(jié)閥負(fù)向中開；NS 表示水流量調(diào)節(jié)閥負(fù)向小開；ZE 表示水流量調(diào)節(jié)閥保持當(dāng)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(xì)分的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)論域在[-6，+6]的模糊變量進(jìn)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(kù)

模糊控制規(guī)則庫(kù)的選擇取決于整個(gè)控制系統(tǒng)的對(duì)象特性，根據(jù)專家知識(shí)和操作人員經(jīng)驗(yàn)，抽象成一系列不精確的條件語(yǔ)句以形成模糊控制規(guī)則庫(kù)，如當(dāng)溫度誤差為正，目前系統(tǒng)本身有減小誤差的趨勢(shì)時(shí)，為了盡快消除誤差且又不超調(diào)，應(yīng)減少控制量。寫成對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句：if E=PS and EC=NM then U=ZE文獻(xiàn)[2-5]給出了有關(guān)中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則庫(kù)，本文選擇的控制規(guī)則庫(kù)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(yǔ)句所組成的推理規(guī)則。把控制規(guī)則編號(hào)，每條控制規(guī)則可以求出一個(gè)模糊蘊(yùn)含關(guān)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(gè)模糊關(guān)系矩陣 Ri j（i = 1 ，2 ，…，7 ；j = 1 ，2 ，…，7 ）。這些規(guī)則沒(méi)有先后之分，取“also”連接，則總的模糊關(guān)系求并運(yùn)算：

3.4 模糊判決并計(jì)算輸出量

由表2已知的輸入模糊變量和求得的模糊關(guān)系矩陣，輸入量溫度偏差及變化率被量化為13 個(gè)等級(jí)，任取某個(gè)語(yǔ)言值，如 E 取 -5，m=2，EC 取- 4 ，n = 3 。語(yǔ)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(quán)平均法做清晰化計(jì)算得出判斷結(jié)果：

其中 i,j = 1，2，…，13。這樣 uij就構(gòu)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(shí)現(xiàn)。

4 模糊控制算法在S7-300PLC上實(shí)現(xiàn)

求出模糊控制表后，可以在PLC上編制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制算法[6]。這樣模糊控制器的功能實(shí)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(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jié)構(gòu)與S7-300 結(jié)構(gòu)化編程思想，可以設(shè)計(jì)出模糊算法的結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制功能。它又由FC10-FC13 四個(gè)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(jì)算；FC11 進(jìn)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(gè)子模塊完成模糊控制各部分的功能，并實(shí)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(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中。這樣構(gòu)成的FB10就具有很強(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)模糊算法的流程圖如圖 5 所示。

5 結(jié)論

將模糊控制技術(shù)與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，既顯示了 PLC 的可靠、靈活及適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，也大大提高了除濕機(jī)控制系統(tǒng)的智能化程度。用西門子S7-300系列PLC代替原來(lái)調(diào)溫除濕機(jī)的控制器西門子 S7-200 系列 PLC，利用 300 系列 PLC 的結(jié)構(gòu)化編程的功能與模糊控制的原理相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)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(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)模糊控制功能，改進(jìn)了調(diào)溫除濕機(jī)溫濕度的控制方式。