恒溫恒濕控制.docx
摘要：某恒溫實驗室的恒溫精度為27±0.2°C，但是由于實驗室的特殊性，恒溫室的內(nèi)外擾量多且某些隨機(jī)擾量的大小難于確定，而導(dǎo)致了其恒溫精度很難達(dá)到預(yù)期效果。為了解決這個問題，通過建立恒溫室被控對象的數(shù)學(xué)模型求出其傳遞函數(shù)，然后采用參數(shù)尋優(yōu)方法確定PID控制器的參數(shù)，最后采用MATLAB仿真的方法，研究恒溫室內(nèi)外擾量對房間溫度的影響。通過研究，可以得出，當(dāng)設(shè)備散熱干擾量為14.7C以及送風(fēng)溫度干擾量為0.1C，滲透風(fēng)干擾量不大于0.3C時，PID控制才能保證恒溫室的恒溫精度。
關(guān)鍵詞：恒溫室，PID控制滲透風(fēng)干擾量參數(shù)尋優(yōu)溫度1前言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類精密產(chǎn)品的生產(chǎn)制造以及特種科學(xué)實驗都要求具有特定的工作環(huán)境，恒溫就成為了不可缺少的條件之一。目前我國常見的恒溫室的恒溫精度為±1C及±0.5C，也有±0.1C。而一些高精度的恒溫室如光學(xué)儀器廠的刻線室恒溫精度已達(dá)到了±0.0056C。但是在某些特殊的科學(xué)實驗室不僅恒溫精度很高，而且干擾量多如滲透風(fēng)、設(shè)備散熱、送風(fēng)溫度波動以及電熱器供電電壓的波動等，且某些干擾量如滲透風(fēng)其最大值難于確定而沒有采用相應(yīng)的措施控制滲透風(fēng)擾量，導(dǎo)致了房間溫度的波動過大，結(jié)果使恒溫室的恒溫精度很難達(dá)到要求。如何使這些特殊的科學(xué)實驗室恒溫精度達(dá)到使用要求，也成為了恒溫室的空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計的一個巨大的難題。
由于傳統(tǒng)的PID控制算法，其運(yùn)算簡單、調(diào)整方便、魯棒性強(qiáng)在過程控制中，這種控制算法仍占據(jù)相當(dāng)重要的地位.故目前恒溫室的空調(diào)系統(tǒng)大部分采用PID控制。但PID控制的效果如何，在很大程度上是取決于控制器參數(shù)的正確整定。為此，人們提出了各種不同的參數(shù)整定方法，如誤差積分最小、固定衰減比、極點配置等方法.這些方法主要是用經(jīng)典控制理論中的一些設(shè)計方法或者依靠現(xiàn)場試驗方法來進(jìn)行PID控制器參數(shù)的計算與整定.顯然，這就要求操作人員具有較高的理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗.而且，被控對象模型參數(shù)難以確定以及系統(tǒng)性能穩(wěn)定性較差，則需頻繁地進(jìn)行參數(shù)整定，這必將影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對于這些特殊的空調(diào)房間溫度的控制，由于被控對象具有較大的慣性和遲延，且受各種因素變化的影響，因此對象的傳遞函數(shù)具有非線性和時變特性，采用傳統(tǒng)的PID控制難于取得較好的控制效果。
本文采用單純形法尋優(yōu)PID參數(shù)，然后采用MATLAB仿真確定滲透風(fēng)干擾量的最大值，PID控制才能保證恒溫室的恒溫精度。
2工程概況恒溫室建筑面積625m2,層高2.8m，總送風(fēng)量m3/h，送風(fēng)溫度13.5C，房間設(shè)計溫度27±0.2C，設(shè)備散熱量135KW，恒溫室建筑墻體、地板采用絕熱材料，滲透風(fēng)來自外部房間其設(shè)計溫度26±1C。
3恒溫室空調(diào)過程建模3.1恒溫室空調(diào)系統(tǒng)被控對象的數(shù)學(xué)模型要對一個恒溫室空調(diào)系統(tǒng)被控對象進(jìn)行控制，須為其建立一個合適的數(shù)學(xué)模型。使用數(shù)學(xué)語言對實際對象進(jìn)行一些必要的簡化和假設(shè)：
?。?）由于該恒溫室建筑墻體、地板采用絕熱材料，故室內(nèi)外墻體和地板熱量傳遞忽略不計。
?。?）恒溫室頂棚由蓋板組成，存在縫隙，考慮有一定的滲透風(fēng)，其他地方如門窗的滲透風(fēng)忽略不計。
假如不考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性和室溫調(diào)節(jié)對象的傳遞滯后，根據(jù)能量守恒定律，單位時間內(nèi)進(jìn)入對象的能量減去單位時間內(nèi)由對象流出的能量等于對象內(nèi)能量蓄存量的變化率，表達(dá)式和圖1如下所示：
圖1室溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中：Chrr——恒溫室的熱容（KJ/°C）；C——空氣的比熱（KJ/kg?C）；GS一送風(fēng)量（kg/h）；oo/——電加熱器前的送風(fēng)溫度（C）；01——室內(nèi)空氣溫度，回風(fēng)溫度（C）；Qe——電加熱器的熱量（KJ/h）；Qm——設(shè)備散熱量（KJ/h）；Qj——滲透風(fēng)帶入的熱量（KJ/h）；由式Qi=GNM）&（2）式中：Gj—滲透風(fēng)量（kg/h）；oit——滲透風(fēng)空氣溫度（°C）；clt——滲透風(fēng)空氣的比熱（KJ/kg.°C）。
21%5=爵|7+烏+陞+器也G^+Gcdi"ES
7；岑+§=%（&+&+明（4）
式中：T1——調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù)（h）,T1=Chrr/（Gi"+GSC）（5）；
K1——調(diào)節(jié)對象的放大系數(shù)，K1=GSc/（GIc.t+GSc）（6）；
oE一電加熱器的調(diào)節(jié)量，換算成送風(fēng)溫度的變化（C）,0E=Qe/GSC（7）；
of—干擾量換算成送風(fēng)溫度的變化（C）,8廣為+8熠+席⑧.,of‘——送風(fēng)溫度干擾量（C）,°f‘=°o“（9）
oif一滲透風(fēng)的干擾量（C）,0If=QI/GSC（10）；0Mf設(shè)備散熱量的干擾量（C）,0Mf=Qm/GSC（11）。
由式（4）拉普拉斯變換，得（.邛+1淚（滬M扇+%+弟I.y
如果考慮被控對象傳遞滯后，則恒溫室空調(diào)過程的傳遞函數(shù)為:
(13
(13)
3.2感溫元件和執(zhí)行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)感溫元件采用熱電阻，根據(jù)熱
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