基于人工氣候室的溫濕度控制

作者：時間：2013-10-21 來源：網絡

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人工氣候室需要控制的參數主要是溫度和濕度，而控制難點也在于其對象的滯后性、無準確數學模型以及存在不確定干擾，同時溫濕度存在耦合現象。目前國內外對溫濕度的控制主要通過開關控制或是單純的采用PID控制或是模糊控制來實現。顯然，開關控制效果非常粗糙，同時會造成設備的頻繁啟停，降低設備使用壽命；PID控制對于非線性時變、滯后較大的溫濕度控制系統來說，魯棒性不強；而單純的模糊控制器存在靜差，控制精度不夠高，同時也很難解決溫濕度的耦合問題。綜上所述，同時又考慮到相對于溫度的變化對濕度的影響，濕度變化對溫度的影響可以忽略，因此，本文設計出一種PID搭配模糊PID的控制算法，先對溫度進行控制，當溫度達到控制要求后再用模糊算法對濕度進行控制，并進行現場調試。

1 控制方案
人工氣候室是具有恒溫、恒濕、恒CO2、恒光照功能，同時也具備調溫、調濕、調CO2、調光照功能的大型實驗設備，是生物、遺傳、醫學、農林業等生產和科研部門的理想實驗設備，廣泛應用于植物的發芽、育苗、組織細胞和微生物的培養等。它主要由主控制柜、溫濕度控制設備、CO2濃度控制設備及光照強度控制設備等組成。
在內蒙古大學生物學院人工氣候室控制系統性能要求中，對溫度的控制要求最高，要求控制精度在±1℃，其次是對濕度的控制要求，控制精度要求在±5～±10％。同時，為了模擬植物生長環境的周期性特點，系統設有分時段運行控制，不同時段的溫濕度設定值不同。因此，人工氣候室溫濕度控制的主要難點有：
1)溫濕度控制對象的非線性時變性、大滯后性等；
2)溫度濕度的耦合性；
3)在由一個時段運行結束跳轉至下一時段運行時，系統溫濕度瞬時誤差可能很大，對控制造成很大困擾；
4)對光照、CO2進行控制時的內部干擾和系統本身的外部環境干擾嚴重。
由理論可知，PID控制能夠做到無靜差控制，模糊控制抗干擾能力強適應性強，同時響應速度快。根據以上理論同時綜合考慮該人工氣候室溫濕度控制的難點，提出以下控制方案如圖1所示，即：
1)相對于溫度變化對濕度的影響，濕度變化對溫度的影響可忽略，因此先對溫度進行控制，直到溫度控制滿足系統要求再對濕度進行控制，解決溫濕度耦合問題；

2)濕度控制精度要求不高，但需要克服多種干擾，因此，用模糊控制對濕度進行控制既可以滿足要求；
3)溫度控制除了涉及精度、干擾等問題，同時還有時段跳轉時的平滑快速控制問題，因此用模糊控制與模糊PID控制分時復用的方法對溫度進行控制。用模糊控制的快速適應性實現平滑快速的控制，用模糊PID控制實現強抗干擾性的精確控制。

2 控制器設計
2．1 濕度模糊控制器
模糊控制是建立在模糊數學的基礎上，模仿人的思維方式，總結人的操作經驗，并用模糊語言和一系列的模糊條件語句，描述控制策略；然后通過計算機或專用模塊實現這些規則，完成控制作用。模糊控制的一個優越性在于它不依賴被控對象的精確數學模型，因此，在工業過程中，對于那些無法獲得數學模型或模型粗糙復雜的、非線性的、時變的或是耦合十分嚴重的系統，模糊控制非常適合。就二維模糊控制，其原理圖如圖2所示。