恒溫室房間溫度pid控制研究

1、恒溫室房間溫度PID控制研究         06-01-21 14:19:00     作者：傅允準(zhǔn) 張旭    編輯：凌月仙仙摘要： 某恒溫實(shí)驗(yàn)室的恒溫精度為27±0.2，但是由于實(shí)驗(yàn)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(gè)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

2、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14.7以及送風(fēng)溫度干擾量為0.1，滲透風(fēng)干擾量不大于0.3時(shí)，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(shí)驗(yàn)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±1及±0.5，也有±0.1。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±0.0056。但是在某些特殊的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室不僅恒溫精度很高，而且干擾量多

3、如滲透風(fēng)、設(shè)備散熱、送風(fēng)溫度波動(dòng)以及電熱器供電電壓的波動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jì)的一個(gè)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(diǎn)配置

4、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(jì)方法或者依靠現(xiàn)場試驗(yàn)方法來進(jìn)行PID控制器參數(shù)的計(jì)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(yàn). 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(shí)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

5、積625m2, 層高2.8m,總送風(fēng)量27500 m3/h, 送風(fēng)溫度13.5，房間設(shè)計(jì)溫度27±0.2，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(jì)溫度26±1。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(gè)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(gè)合適的數(shù)學(xué)模型。使用數(shù)學(xué)語言對實(shí)際對象進(jìn)行一些必要的簡化和假設(shè)：（1）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(jì)。（2）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(jì)。假如不考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性和室

6、溫調(diào)節(jié)對象的傳遞滯后，根據(jù)能量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入對象的能量減去單位時(shí)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(dòng)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空氣的比熱（KJ/kg）；GS送風(fēng)量（kg/h）；0電加熱器前的送風(fēng)溫度（）；1室內(nèi)空氣溫度，回風(fēng)溫度（）；QE電加熱器的熱量（KJ/h）；Qm設(shè)備散熱量（KJ/h）；QI 滲透風(fēng)帶入的熱量（KJ/h）；由式QIGI(It-1)cit （2）式中：GI滲透風(fēng)量（kg/h）；It滲透風(fēng)空氣溫度（）；cIt滲透風(fēng)空氣的比熱（KJ/kg）。把式（2）代入式（1），整理得式中：T1調(diào)

7、節(jié)對象的時(shí)間常數(shù)（h）,T1= Chrr /（GI cit+ GSC） （5）；K1調(diào)節(jié)對象的放大系數(shù), K1= GSc /（GI cit+ GSc）（6）；E電加熱器的調(diào)節(jié)量,換算成送風(fēng)溫度的變化（）， E =QE / GSC （7）；f干擾量換算成送風(fēng)溫度的變化（），；f送風(fēng)溫度干擾量（），f0“ （9）If滲透風(fēng)的干擾量（），If =QI / GSC （10）；Mf設(shè)備散熱量的干擾量（），Mf =QM / GSC （11）。由式（4）拉普拉斯變換，得（12）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）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)熱平衡原理，其熱量平衡方程式：(14) 式中：C2熱電阻的熱容（KJ/）；2熱電阻溫度（）；q2單位時(shí)間內(nèi)空氣傳給熱電阻的熱量（KJ/h）；2室