基于人工气候室的温湿度控制

摘要：人工气候室的温湿度控制面临诸多的难题，不但控制对象有滞后性、无准确数学模型以及存在不确定干扰等，同时温湿度还存在耦合现象。使用常规PID或者单纯的模糊控制效果都不佳。本文提出了一种PID与模糊控制相结合的智能控制算法，同时通过内蒙古大学生物学院人工气候室现场测试，证明了该控制算法对于温湿度控制系统的有效性。
关键词：人工气候室；温湿度控制；模糊PID；智能控制

    人工气候室需要控制的参数主要是温度和湿度，而控制难点也在于其对象的滞后性、无准确数学模型以及存在不确定干扰，同时温湿度存在耦合现象。目前国内外对温湿度的控制主要通过开关控制或是单纯的采用PID控制或是模糊控制来实现。显然，开关控制效果非常粗糙，同时会造成设备的频繁启停，降低设备使用寿命；PID控制对于非线性时变、滞后较大的温湿度控制系统来说，鲁棒性不强；而单纯的模糊控制器存在静差，控制精度不够高，同时也很难解决温湿度的耦合问题。综上所述，同时又考虑到相对于温度的变化对湿度的影响，湿度变化对温度的影响可以忽略，因此，本文设计出一种PID搭配模糊PID的控制算法，先对温度进行控制，当温度达到控制要求后再用模糊算法对湿度进行控制，并进行现场调试。

1 控制方案
    人工气候室是具有恒温、恒湿、恒CO2、恒光照功能，同时也具备调温、调湿、调CO2、调光照功能的大型实验设备，是生物、遗传、医学、农林业等生产和科研部门的理想实验设备，广泛应用于植物的发芽、育苗、组织细胞和微生物的培养等。它主要由主控制柜、温湿度控制设备、CO2浓度控制设备及光照强度控制设备等组成。
    在内蒙古大学生物学院人工气候室控制系统性能要求中，对温度的控制要求最高，要求控制精度在±1℃，其次是对湿度的控制要求，控制精度要求在±5～±10％。同时，为了模拟植物生长环境的周期性特点，系统设有分时段运行控制，不同时段的温湿度设定值不同。因此，人工气候室温湿度控制的主要难点有：
    1)温湿度控制对象的非线性时变性、大滞后性等；
    2)温度湿度的耦合性；
    3)在由一个时段运行结束跳转至下一时段运行时，系统温湿度瞬时误差可能很大，对控制造成很大困扰；
    4)对光照、CO2进行控制时的内部干扰和系统本身的外部环境干扰严重。
    由理论可知，PID控制能够做到无静差控制，模糊控制抗干扰能力强适应性强，同时响应速度快。根据以上理论同时综合考虑该人工气候室温湿度控制的难点，提出以下控制方案如图1所示，即：
    1)相对于温度变化对湿度的影响，湿度变化对温度的影响可忽略，因此先对温度进行控制，直到温度控制满足系统要求再对湿度进行控制，解决温湿度耦合问题；

    2)湿度控制精度要求不高，但需要克服多种干扰，因此，用模糊控制对湿度进行控制既可以满足要求；
    3)温度控制除了涉及精度、干扰等问题，同时还有时段跳转时的平滑快速控制问题，因此用模糊控制与模糊PID控制分时复用的方法对温度进行控制。用模糊控制的快速适应性实现平滑快速的控制，用模糊PID控制实现强抗干扰性的精确控制。

2 控制器设计
2．1 湿度模糊控制器
    模糊控制是建立在模糊数学的基础上，模仿人的思维方式，总结人的操作经验，并用模糊语言和一系列的模糊条件语句，描述控制策略；然后通过计算机或专用模块实现这些规则，完成控制作用。模糊控制的一个优越性在于它不依赖被控对象的精确数学模型，因此，在工业过程中，对于那些无法获得数学模型或模型粗糙复杂的、非线性的、时变的或是耦合十分严重的系统，模糊控制非常适合。就二维模糊控制，其原理图如图2所示。

    湿度模糊控制器的输入为湿度误差eh和湿度误差变化率ehc，输出为湿度控制执行器加湿器的开和关状态。根据系统实际运行环境可知，湿度误差eh和湿度误差变化率ehc的实际论域均为[-30％，30％]。
    设eh和ehc的语言变量值取为{NB，NS，Z，PS，PB}，模糊论域EH和：EHc均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，输出UH是加湿器的开关状态，故语言变量值为{ON，OFF}。EH和EHc的隶属函数均选择三函数，如图3所示。

    根据人工气候室湿度控制的特性，可以总结出模糊控制规则如表1所示。
2．2 温度模糊-模糊PID复合控制器
    温度控制器器结构上分为两部分，模糊控制部分和模糊PID控制部分。
    糊控制部分主要用于实现时段跳转时的快速平滑控制，根据内蒙古大学人工气候室的运行特点，其时段跳转时的温度跨度最大不超过10℃。因此温差et和温差变化率etc的基本论域选为[-10℃，10℃]。输入温差ET、温差变化率ETc和输出控制量UT语言变量均取为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，模糊论域均取为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，隶属度函数仍然取三角函数如图4所示。为了做到时段跳转时快速将被控温度控制在设定值±5℃，根据模糊控制器控制特点及现场情况，总结出控制规则如表2所示。

    模糊PID控制部分主要实现系统的精确控制，运用模糊控制的强适应性，在线修改PID控制器的参数，使系统能够在各种干扰情况下仍可实现高精度的控制。其控制原理如图5所示。

    由前面可知，设ET、ETc、△Kp、△Ki和△Kd的模糊论域均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并划分成7档的语言变量模糊集合：ET=ETc= △Kp=△Ki=△Kd={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，对应为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，隶属函数仍选择如图4所示三角形分布。根据控制原则及PID参数整定原则，可以总结出△KP、△KI和△KD的控制规则的语言描述如下：
   

3 系统运行状况
    为了对设计好的温湿度控制器进行测试，在内蒙古大学生物学院人工气候室的现场，设定2个运行时段，时段1设置参数为：温度25℃、湿度60％、二氧化碳500p pm、光照3级；时段2设置参数为：温度15℃、湿度70％、二氧化碳500 ppm、光照3级。为了便宜测试，各时段运行时间均设置为30分钟，且循环运行。每分钟记录一次数据绘制出如图6所示的实时温湿度曲线。
    系统运行前温度为30℃，湿度为50％。由图6可知：

    时段1：先对温度进行模糊PID控制，温度5分钟内基本到达控制精度范围(25℃±1)。然后对湿度进行模糊控制，图中显示，湿度快速(大约7分钟)到达控制精度范围内(60％±5)。
    时段2：当系统运行到30分钟时，到达时段切换点进入时段2。当前温湿度为时段1的控制温湿度25℃和60％，而时段2的设定温湿度为15℃和70％，系统瞬时误差很大。系统任然先对温度进行模糊控制，使其快速到达控制点15℃左右，然后用模糊PID对其进行精确控制，使其控制在要求精度范围(15℃±1)内。当温度达到控制要求后，对湿度进行模糊控制，同样很快到达控制要求范围(70％±5)内。

4 结论
    不难看出，温度的变化对湿度影响明显大于湿度的变化对温度的影响(由图可知湿度变化时温度基本没有波动)，因此选择先温控后湿控的解耦方法是行之有效的。系统的响应速度较快(温度5分钟左右达到控制要求，湿度7分钟左右达到控制要求)、超调量小(温度小于2 ℃，湿度小于10％)、控制精度高(温度±1℃，湿度±5％)，同时在时段切换点能做到快速平滑的控制要求。结合了模糊控制和PID控制的优点又避免了二者的不足，两者相结合，使人工气候室的温湿度控制效果达到最佳。