模糊解耦算法在温湿度控制中应用的研究

王洪航 高巍

摘要：温湿度试验箱控制系统是一种非线性、强耦合、大滞后的系统。探究了智能解耦方法以及先进的PID控制算法的原理和特点，设计了基于模糊算法的解耦补偿器，对温湿度进行串联补偿解耦，使原本耦合的温度、湿度变量等效成为两个独立的温度与湿度控制子系统。在于系统的控制方面，采用基于模糊算法的自整定模糊PID算法进行控制。使控制效果更加精确、科学，以满足试验对人工模拟环境温、湿度的要求和标准。本文给出了控制系统实现原理图以及仿真试验结果，试验结果表明：该方法能较好的对温度湿度进行控制且控制精度较高，响应快，能够满足温湿度试验箱温湿度控制的要求。

关键词：模糊控制;温湿试验箱;自适应PID。

中图分类号：TP23

文献标志码：A

1 引言

温湿度环境试验系统可以模拟并提供一个特定的温（湿）环境，主要用于评估产品在高低温、温（湿）环境中的性能和特性[3]。在包括汽车，摩托车，航空航天，工业，火箭，国防，大专院校，科研院所等的各个领域，电子元件和整个产品，他们都需要经过高低温（湿）度环境试验。

温湿试验箱的温湿度控制是一种非线性的、时变的、滞后的、复杂控制过程[10]，温湿度之间存在耦合等难题，文献[1]提及多数温湿度试验箱仍使用传统PID控制，采用了平衡温湿度控制方式（BTHC）。因此，多因素条件下的温湿度（或湿热）控制系统是一种多变量控制系统。

2 温湿度控制算法

2.1 温湿度试验箱数学模型

温湿度试验箱由多个系统组成，如图1温湿度试验箱系统组成示意图所示，包括：箱体、加热制冷、加湿除湿、空气循环以及测控等系统[11]。

实际控制对象存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等因素，因此一般无法获得系统的精确数学模型。温度和湿度的强耦合性，温湿度控制对象的非线性时变性、大滞后性决定了要实现上升速度快，过渡时间短且超调小的目标，传统PID控制很难达到。

温湿度试验箱可以近似看作一个封闭的系统，与外部环境仅依靠送风回风进行能量交换。在进行控制时，试验箱送风和回风温度存在一定温差，根据能量守恒定律，单位时间内送入试验箱的能量与送出的能量之差等于单位时间内试验箱内能量变化量，即：

温度变化会对湿度有影响，反之，湿度变化也会对温度有一定影响，即耦合性。热量传递的基本方式有：传导、对流和辐射。热量的在传导的过程中必然需要一段时间进行传递，从而引起在温湿度控制时输入与输出响应之间存在一定的延迟，即时滞。同理，水分子的运动可需要一定的时间，才能使试验箱内接近同一湿度，因此对于湿度，也可以近似写成一阶模型，湿度的响应也有一个滞后环节[45]。由式（2-7）可得：

2.2 模糊自适应PID控制算法

模糊自适应PID控制器设计成为一个输入为温度偏差e（t_n- t0），为第n次测量的试验箱内实际温度值，t0为设定值;第2个输入为温度偏差的变化率ec（即de/dt），输出分别为PID控制器的三个增益的调节量△Kp，△Ki，△Kd。

模糊控制设计的主要是根据理论知识和实际操作经验，建立相应的的模糊规则表，得到△Kp，△Ki，△Kd三个参数整定的模糊控制表[8]。

2.3 模糊解耦算法

本文分析研究了传统解耦方法的原理和思想、深入探究了智能解耦方法以及先进的PID控制算法的原理和特点，设计了基于模糊算法的解耦补偿器，对是温湿度进行串联补偿解耦，使原本耦合的温度、湿度变量等效成为两个独立的温度与湿度控制子系统[11]。在子系统的控制方面，采用基于模糊算法的自整定模糊算法进行控制，输出温湿度控制量。

以温度为例，图中采用一维模糊控制器[10]，Ke为量化因子，Ku为比例因子分别根据实际情况而定。设Ct为温度控制器输出，Cth为温度模糊控制输出对湿度控制的模糊补偿。

3 仿真试验

假定温湿度试验箱的广义温度对象近似为一阶时滞环节[60]61]，控制参数：τ=80，时间常数T-60，增益K=l。广义湿度对象的模型参数为：纯滞后τ=50，时间常数T=50，增益K=4。

自整定模糊PID与传统PID进行对比仿真实验框图如图4所示。

自整定模糊PID与传统PID进行对比仿真实验，其控制系统输出响应曲线，输入值交替变化的输出响应曲线如图5，图6所示。

由图5、图6，通过对比和分析两者的试验结果可以看出：传统PID控制的输出响应超调量较大，调节时间较长，存在一定的振荡。同时，为了消除传统PID控制的超调，达到稳定状态，需要再消耗一部分能源。而自整定模糊PID控制的输出响应调节时间短、超调量小，系统很快达到稳态，具有振荡小、鲁棒性好、无稳态误差等优点[10]。

当系统加随机扰动时控制系统的输出曲线，如图7所示：

如图7所示：当系统受到干扰时，传统PID控制就不能取得较好的控制效果，而自整定模糊PID控制很快达到稳定，表现出了较强的鲁棒性、稳定性。

綜上所述，在本设计中通过模糊算法进行有效的温湿度解耦后温湿度等效为两个独立控制的系统;在温湿度控制系统中，自整定模糊PID控制器在控制过程中，实现了控制参数在线整定和修正;系统的响应速度快;调节精度高;稳态性能好;这是传统PID控制器难以实现的，克服了传统PID控制超调大，响应周期长的缺点，并且还可以降低能耗、达到节能减排的目的。

4结论

相对现在常用的温湿度试验箱控制方法，本文对温湿度控制的精度较高，响应快，响应超调小。引入基于模糊解耦补偿算法的模糊控制形成模糊温湿度控制器，取长补短，发挥他们各自的优点，使控制效果更佳完美，算法适应性强。

参考文献

[1] 沈荣林，恒温恒湿箱的温湿度调节方法[J].环境技术，1994，（01）：42-45.

[2]吴志勇，毕德纯，温湿试验箱发展综述[J].装备环境工程，2009，6（5）：69-76.

[3]殷云华，樊水康，陈闽鄂，自适应模糊PID控制器的设计和仿真[J].火力与指挥控制.2008：90-99.

[4]黄力栎，胡斌，罗昕，温湿度解耦模糊控制系统的研究[J].农机化研究，2010：56-59.

[5]彭勇刚，韦巍，人工气候箱温湿度模糊控制[J].农业工程学报，2006，30（8）：166-169.

[6]刘东文，嵌入式温湿度控制器的研究与设计[D].贵阳：贵州大学，2008：65-79.

[7]栾瑞.无线温湿度监测系统的设计[D].长春：吉林大学，2013：45-69.

[8] 肖世海，基于ARM的温湿度控制器的设计[D].杭州：浙江大学，2007：32-78.

[9]顾德英，罗云林，马淑华，计算机控制技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2007：22-25.

[10] 王洪航，褚建新，张江明，等.基于模糊控制的温湿度试验系统的研究[J].化工仪表与自动化2015，（03）：300-302.

[11]王洪航，温湿度环境试验控制系统研究[D].上海：上海海事大学，2016：76-98.