姜陳欣，高立娥，張文博，李 樂，劉衛(wèi)東

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072)

0 引言

隨著我國深入推進(jìn)建設(shè)海洋強(qiáng)國進(jìn)程的不斷加快，載人潛水器和潛水艇的發(fā)展取得了長足進(jìn)步[1-3]，但相比傳統(tǒng)陸上環(huán)境，水下環(huán)境復(fù)雜，且作業(yè)條件多變，加之水下密閉艙室溫度高，濕度高，陸上設(shè)備和傳感器的穩(wěn)定性和可信度可能會因環(huán)境改變而受到影響，為了對傳感器和其他設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定和校驗(yàn)，測試常規(guī)條件設(shè)備在特種溫濕度條件下的性能，于是，較為精確地模擬潛艇艙室溫濕度環(huán)境有著極其重要的理論價值和工程價值。艙室本身的熱量喪失、艙室內(nèi)部設(shè)備和運(yùn)動體工作時對艙室溫度的影響、溫度變化對相對濕度的影響，水下作業(yè)人員各項(xiàng)生命活動造成的溫濕度改變導(dǎo)致增加了水下密閉艙室溫濕度動態(tài)控制的不確定性。國內(nèi)外對于溫濕度控制的研究已經(jīng)較為成熟[4-6]，但涉及非確定性水下密閉艙室的溫濕度動態(tài)控制系統(tǒng)較為少見，本文針對這一問題展開研究。

模糊PID是模糊邏輯控制理論與傳統(tǒng)PID控制的結(jié)合，在PID算法的基礎(chǔ)上，以誤差E、誤差變化率Ec作為輸入，利用模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，并查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，以滿足不同時刻的E和Ec對PID參數(shù)自整定的要求。文獻(xiàn)[7]提出了一種數(shù)據(jù)融合和模糊解耦的控制策略，有效解決了溫濕度控制系統(tǒng)中傳感器可靠性低、溫濕度耦合的問題。文獻(xiàn)[8]將模糊自整定PID控制算法應(yīng)用于3D生物打印設(shè)備，提高了系統(tǒng)魯棒性，降低了達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間，并大大降低了超調(diào)量。文獻(xiàn)[9]將自適應(yīng)模糊PID算法與前饋補(bǔ)償解耦算法結(jié)合設(shè)計(jì)的控制器應(yīng)用于焓差實(shí)驗(yàn)室，仿真結(jié)果較好，實(shí)現(xiàn)了溫濕度的完全解耦。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于模糊PID參數(shù)自整定的細(xì)胞培養(yǎng)箱溫度控制算法，在控制穩(wěn)定性方面獲得了比傳統(tǒng)PID控制更好的控溫效果。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于模型參考自適應(yīng)PID的高壓釜溫度控制方式，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明,該控制方案能夠有效減少超調(diào)量，改善動態(tài)特性。

研究表明，溫度變量和濕度變量具有耦合性，當(dāng)絕對濕度不變時，溫度每上升1 ℃，相對濕度下降約5%，而濕度對溫度的影響較弱。且環(huán)境溫度相較環(huán)境濕度，前者變化速度較慢。針對這一特性，對溫度和濕度進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償解耦，使原本耦合的溫度變量和濕度變量等效成為兩個獨(dú)立的溫度和濕度控制子系統(tǒng)[12-15]。本控制方法在具體實(shí)現(xiàn)的過程中，先以艙室溫度為主要控制對象進(jìn)行控制，達(dá)到控制要求后，再對濕度進(jìn)行控制。

1 溫濕度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

溫濕度控制系統(tǒng)的硬件主要由主控設(shè)備、循環(huán)除濕機(jī)、加濕器、恒溫緩沖水箱、加熱制冷循環(huán)機(jī)、溫濕度傳感器組以及艙體和管道等組成，具體組成如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)硬件框圖

其中主控設(shè)備為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。循環(huán)除濕機(jī)和加濕器控制艙室濕度，兩設(shè)備與管道鼓風(fēng)機(jī)以及艙室間通過PU軟管相連，并在艙室前蓋門處安裝風(fēng)機(jī)，使艙室空氣均勻分布，提高溫濕度傳感器信度。艙室外壁以3 cm為間隔均勻密布紫銅管，恒溫水箱進(jìn)出水口和加熱制冷循環(huán)機(jī)進(jìn)出水口與銅管相連，接口處連接電磁閥，銅管內(nèi)注水，通過調(diào)節(jié)水溫以熱傳導(dǎo)方式控制艙室內(nèi)部溫度，銅管與艙室外壁間隙間通過填充導(dǎo)熱硅脂以增加接觸面積，使艙室內(nèi)部升溫均勻，減少熱量散耗，銅管外貼合包裹發(fā)泡橡膠以減少熱量散失，外層再安裝鋁蓋板提高艙室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。密閉艙室結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)前艙室蓋門處于開啟狀態(tài)，各溫濕度傳感器均勻布放在艙室內(nèi)部以實(shí)時監(jiān)測艙室內(nèi)部溫濕度情況，溫濕度傳感器兼具溫度測量和濕度測量功能，其敏感探頭伸入艙室內(nèi)部，模擬水下溫濕度環(huán)境時，蓋門關(guān)閉，艙室內(nèi)部設(shè)置需要標(biāo)定和校驗(yàn)的各類儀器設(shè)備和運(yùn)動體。

圖2 密閉艙室實(shí)物圖

1.2 軟件功能

溫濕度控制系統(tǒng)的軟件功能主要包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢查、溫度控制、濕度控制、人機(jī)交互界面、控制系統(tǒng)與主控機(jī)通信等基本功能。

1.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢查

主要檢查工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、加濕器、循環(huán)除濕機(jī)、加熱制冷循環(huán)機(jī)和恒溫緩沖水箱等主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時進(jìn)行故障診斷和報警提示。

1.2.2 溫度控制

溫度控制部分主要根據(jù)設(shè)定溫度和艙室當(dāng)前溫度，計(jì)算出預(yù)設(shè)溫度，并通過恒溫緩沖水箱執(zhí)行P控制和模糊PID控制對艙室溫度進(jìn)行預(yù)先粗控。在艙室溫度接近設(shè)定溫度時，溫度控制部分從恒溫緩沖水箱切換為加熱制冷循環(huán)機(jī)的PID控制。

1.2.3 濕度控制

主要根據(jù)設(shè)定濕度和艙室當(dāng)前濕度，計(jì)算出預(yù)設(shè)濕度，并對加濕器和除濕機(jī)進(jìn)行控制管理。當(dāng)艙室濕度超過設(shè)定濕度時，濕度控制部分通過循環(huán)除濕機(jī)對艙室空氣進(jìn)行循環(huán)除濕；當(dāng)艙室濕度低于設(shè)定濕度時，濕度控制部分控制加濕器對艙室空氣進(jìn)行加濕；當(dāng)艙室濕度達(dá)到設(shè)定濕度范圍時，濕度控制部分控制加濕器和循環(huán)除濕機(jī)暫停加濕或除濕工作。

1.2.4 交互界面

交互界面軟件主要用于顯示艙室的溫濕度監(jiān)測值，水管和氣管電磁閥的開/斷狀態(tài)，加濕器、循環(huán)除濕機(jī)、加熱制冷循環(huán)機(jī)和恒溫水箱等主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。為操作人員提供艙室溫濕度的狀態(tài)信息和系統(tǒng)運(yùn)行信息，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)軟件在后臺自動進(jìn)行溫濕度控制和系統(tǒng)運(yùn)行管理。

1.2.5 溫濕度控制系統(tǒng)與主控機(jī)通信

溫濕度控制系統(tǒng)與主控機(jī)采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，溫濕度控制系統(tǒng)主要接收主控機(jī)的溫度、濕度設(shè)定值，并實(shí)時地將檢測到的艙體溫濕度數(shù)據(jù)上傳到主控系統(tǒng)，以便主控系統(tǒng)及時了解溫濕度控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

溫濕度控制系統(tǒng)的主控操作界面如圖4所示。界面上方為各溫度傳感器和濕度傳感器采集數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示。中部為艙體和管道的物理位置布放示意。下方左部為溫度控制子系統(tǒng)界面，其中包括溫度預(yù)定總設(shè)置，當(dāng)前艙室溫度顯示以及恒溫緩沖水箱和加熱制冷循環(huán)機(jī)的單獨(dú)控制部分，下方右部為濕度控制系統(tǒng)，包括濕度預(yù)定總設(shè)置，當(dāng)前艙室濕度顯示以及除濕機(jī)和加濕器的單獨(dú)控制部分。

圖4 軟件操作界面

2 溫度控制系統(tǒng)

2.1 模糊PID算法

經(jīng)典PID控制方法原理簡單，可靠性強(qiáng)，廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，但其缺點(diǎn)也十分明顯，即控制對象參數(shù)稍作改變，經(jīng)典PID控制無法實(shí)時調(diào)整PID參數(shù)，而模糊PID控制很好的克服了這一問題，其主要方法是利用模糊邏輯并且根據(jù)一定的模糊規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化[16-18]。本文研究的模糊控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 模糊PID算法

根據(jù)誤差E和誤差的變化量Ec自動調(diào)節(jié)PID控制的參數(shù)，根據(jù)給定模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，在線輸出PID控制參數(shù)[19-20]。在制定模糊PID算法的規(guī)則時，以溫度偏差E以及溫度偏差變化率Ec器的輸入變量，ΔKp，ΔKi，ΔKd作為模糊控制器的輸出變量，建立雙輸入-三輸出模糊控制系統(tǒng)，將模糊值分為7檔，即NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)以及PB(正大)，其中輸入變量E和Ec的模糊論域均取[-6，6]，輸入變量E和Ec的物理論域分別取[-20,20]、[-0.4，0.4]，輸出變量ΔKp，ΔKi，ΔKd的模糊論域均取[-3，3]，輸出變量ΔKp，ΔKi，ΔKd的物理論域分別取[-10,10]、[-1,1]和[-6,6]。結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，調(diào)整規(guī)則如下：

1)當(dāng)誤差|E|較大時，為了使系統(tǒng)具有較快速的跟蹤能力，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd，但為了避免超調(diào)，應(yīng)適當(dāng)限制積分作用，故需取較小的Ki；

2)當(dāng)偏差|E|為中等大小時，為了降低系統(tǒng)的超調(diào)量，Kp應(yīng)取較小值，且為了兼顧系統(tǒng)的響應(yīng)速度，Ki和Kd的取值應(yīng)為中等大小，且Kd的值對系統(tǒng)影響相對較大；

3)當(dāng)誤差|E|為較小值時，為了使系統(tǒng)獲得更好的穩(wěn)定性，Ki和Kd的值應(yīng)取較大值，且為了兼顧系統(tǒng)的抗干擾性能，當(dāng)|Ec|值較大時，Kd應(yīng)取較小值；當(dāng)|Ec|的值較小時，Kd應(yīng)取較大值。

基于以上分析，得到模糊規(guī)則表如表1，根據(jù)設(shè)定的模糊控制規(guī)則，得到ΔKp，ΔKi，ΔKd的曲面觀測窗如圖6～8所示，得到E和Ec的隸屬度函數(shù)曲線如圖9所示，ΔKp，ΔKi，ΔKd的模糊規(guī)則表建立好后，運(yùn)行過程中，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果進(jìn)行處理、查表和運(yùn)算，對ΔKp，ΔKi，ΔKd進(jìn)行在線自動調(diào)整，即可完成對Kp，Ki，Kd的實(shí)時整定。Kp，Ki，Kd的計(jì)算公式如式(1)，式中Kp、Ki、Kd是PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)；K′p、K′i、K′d是最初整定的PID參數(shù)；ΔK′p、ΔK′i、ΔK′d是通過模糊推理得到的PID參數(shù)增量值。

圖6 ΔKp曲面觀測窗

表1 模糊控制器ΔKp，ΔKi，ΔKd模糊規(guī)則表

(1)

圖7 ΔKi曲面觀測窗

圖8 ΔKd曲面觀測窗

圖9 隸屬度函數(shù)曲線

2.2 溫度控制流程

溫度控制過程中，設(shè)定目標(biāo)溫度為T′，當(dāng)前溫度為T，以T′和T的差值為依據(jù)利用P-Fuzzy-PID控制方法進(jìn)行分段控制。

當(dāng)|T′-T|≥10%時，首先啟動恒溫水箱執(zhí)行P控制進(jìn)行調(diào)節(jié)；

當(dāng)5%≤|T′-T|≤10%時，恒溫水箱執(zhí)行模糊PID控制進(jìn)行調(diào)節(jié)；

當(dāng)|T′-T|≤5%時，關(guān)閉恒溫水箱，啟動加熱制冷循環(huán)機(jī)執(zhí)行PID控制方法繼續(xù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，直至實(shí)時監(jiān)測艙室溫度等于設(shè)定溫度，而后加熱制冷循環(huán)機(jī)待機(jī)，程序流程圖如圖10所示。

圖10 溫度控制程序流程

2.3 溫度控制結(jié)果

在溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中，密閉艙室在零時刻的初始溫度為21℃，設(shè)定目標(biāo)溫度為55℃。給定PID控制的初始值K′p=8、K′i=0.5 、K′d=1，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過對模糊邏輯規(guī)則結(jié)果進(jìn)行處理、查表和運(yùn)算，即可完成對Kp，Ki，Kd的實(shí)時整定。實(shí)驗(yàn)共持續(xù)120 min，控制過程分P控制、模糊PID控制和PID控制3個階段，艙室內(nèi)的空氣溫度由均勻布放在艙室兩側(cè)內(nèi)壁的8個溫度傳感器測得，各傳感器的具體物理位置布放示意見圖4中部所示，溫度變化曲線如圖11所示。

圖11 艙室溫度控制變化曲線

0～70 min，恒溫水箱執(zhí)行P控制，溫度上升較為迅速，在70 min時刻，艙室溫度達(dá)到49.59℃；70～90 min，恒溫水箱繼續(xù)單獨(dú)工作，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入模糊PID控制過程，在90 min時刻，艙室空氣平均溫度達(dá)到54.6℃；此時，恒溫水箱停機(jī)，加熱制冷循環(huán)機(jī)單獨(dú)工作，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入PID控制過程，在加熱制冷循環(huán)機(jī)單獨(dú)控制之下，艙室溫度在55.0±0.5℃附近基本保持不變，控制精度達(dá)到99.09%。

可以看出，溫度控制過程中，控制結(jié)果沒有超調(diào)量，且系統(tǒng)響應(yīng)較為迅速。但由于艙室長度較長、測定溫度的傳感器布放在艙壁的兩側(cè)且各自間距離較遠(yuǎn)、紫銅管中水回流不暢、導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱效果不佳等等物理原因，各傳感器溫度在后期出現(xiàn)了差距變大的現(xiàn)象。

3 濕度控制系統(tǒng)

3.1 濕度控制方法

濕度控制過程中，設(shè)定目標(biāo)濕度為RH′，當(dāng)前濕度為RH，若RH′>RH則啟動加濕器，若RH′

為了在不同論域內(nèi)采用不同的控制方法實(shí)現(xiàn)濕度的分段控制，濕度控制系統(tǒng)采用P-Fuzzy-PID控制方法，即起始|r(t)-c(t)|≥10%時，使用比例控制，以提高響應(yīng)速度，快速接近控制需求；當(dāng)|r(t)-c(t)|≤10%時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入模糊PID控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性，減小超調(diào)量；當(dāng)|r(t)-c(t)|≤5%時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入PID控制，利用積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，以提高系統(tǒng)的控制精度，控制原理圖如圖12所示。

圖12 P-Fuzzy-PID控制原理

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在進(jìn)行濕度控制時，輸入目標(biāo)濕度值為50%RH，初始濕度測量值為35%RH，溫度測量值為54.8℃，啟動控制過程。

0～30 min，加濕器執(zhí)行P控制，濕度上升較為迅速，30 min時，艙室濕度達(dá)到46.10RH%；30～90 min，加濕器執(zhí)行模糊PID控制，90 min時，艙室濕度達(dá)到49.77RH%；90 min之后，系統(tǒng)執(zhí)行PID控制，艙室濕度維持在50.0±1.0RH%附近并基本維持不變，控制精度達(dá)到98%，此時，艙室內(nèi)空氣溫度平均值為55.5℃。

艙室內(nèi)濕度變化曲線如圖13所示，可以看出，濕度控制過程中，濕度有少量超調(diào)，但達(dá)到初步精度的時間很短，達(dá)到目標(biāo)精度后艙室濕度較為穩(wěn)定，且濕度控制過程中對溫度的影響在溫度控制精度要求范圍內(nèi)。對比溫度和濕度的控制結(jié)果，溫度控制的精度要稍高于濕度控制，其原因在于，加濕方法主要是通過加濕器產(chǎn)生水蒸氣，再由鼓風(fēng)機(jī)鼓入艙室內(nèi)部，除濕方法主要是通過除濕機(jī)向艙室內(nèi)部鼓入干燥空氣，加濕過程和除濕過程的響應(yīng)均較快，波動稍大，而溫度控制方法來自于艙壁上密布的紫銅管的熱傳導(dǎo)，響應(yīng)較慢，波動較小。

圖13 艙室濕度控制變化曲線

4 結(jié)束語

1)本文對密閉艙室溫濕度控制策略進(jìn)行了深入研究，針對非確定性密閉艙室溫濕度控制需求，設(shè)計(jì)了一型溫濕度動態(tài)控制系統(tǒng)，基于模糊PID控制算法，在不同論域內(nèi)采用不同的控制方法實(shí)現(xiàn)分段控制，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)能夠在70分鐘內(nèi)使艙室溫度達(dá)到初步目標(biāo)精度，90分鐘內(nèi)滿足控制要求精度；設(shè)計(jì)的濕度控制系統(tǒng)能夠使艙室濕度在30分鐘內(nèi)使達(dá)到初步精度，90分鐘內(nèi)滿足控制要求精度，應(yīng)用的P-Fuzzy-PID控制方法在密閉艙室的溫濕度控制實(shí)踐過程中收到了較好效果。

2)本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，溫度控制過程中無超調(diào)量，濕度控制過程中達(dá)到初步目標(biāo)精度速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。設(shè)計(jì)并論證的系統(tǒng)較為精確地模擬了潛艇艙室溫濕度環(huán)境，研究結(jié)果有一定理論價值和工程價值。