劉雪飛 ，蘇師師 ，蒯亮 ，王帥 ，閔曉霜

(1.中國電子信息產業(yè)集團有限公司第六研究所，北京 102209；2.中軟信息系統(tǒng)工程有限公司，北京 102209)

0 引言

控制算法的研究一直是整流罩空調機組控制的核心。李佳杰結合Smith 預估器及模糊PID 控制技術，實現了預估模糊PID 控制器[1]；王偉提出用細菌覓食最優(yōu)化策略對模糊PID 控制器參數尋優(yōu)的方法，用于動態(tài)控制中央空調冷卻水控制系統(tǒng)[2]；王長濤提出粒子群優(yōu)化PID[3]；喻鍇提出遺傳蟻群算法優(yōu)化控制[4]?？刂扑惴ㄖ?，傳統(tǒng)PID 算法[5-6]、專家PID 算法[7-9]、模糊自適應PID 算法[10-13]應用較為廣泛。常用算法中，專家PID 算法控制的實質是，基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，利用專家經驗在考慮參數之間的互聯關系后設計PID 算法的10 個參數。模糊自適應整定PID 控制算法是以模糊集合論、模糊數學、模糊語言形式的知識表達和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎的新型計算機控制方法。

優(yōu)化后算法的共同點是對現場調試人員的經驗、暖通空調知識、控制理論知識依賴性太強，且調試難度系數高。為克服專家PID 算法、模糊自適應整定PID 算法、蟻群算法的不足之處，本文提出一種新型PID 算法。

1 整流罩空調機組

整流罩空調控制系統(tǒng)的核心任務是將回風口和新風口混合后的進風處理到所要求的送風狀態(tài)，送入整流罩，使整流罩內空氣的溫度、相對濕度、潔凈度等參數控制在任務保障需求范圍內。機組控制原理如圖1 所示，主要有制冷系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)。涉及的執(zhí)行 設備包括：6 臺壓縮機、8個風閥、4 組前級電加熱器、4 組再生電加熱器、3 組后級電加熱器、進風機、送風機、再生風機、8 個溫濕度傳感器、1 臺電熱加濕器、轉輪除濕機。

圖1 整流罩空調機組控制原理圖

1.1 設計參數

空氣處理后送風參數：溫度10 ℃～20 ℃可調(控制精度±2 ℃)，相對濕度35%～55%(控制精度±5%），送風量1 000～4 000 m3/h(可調)。

1.2 空氣調節(jié)過程

機組運行時，室外空氣W和大廳空氣N′混合后狀態(tài)點為C，狀態(tài)點C 的混合風經過空氣過濾器后，進入表冷器冷卻減濕系統(tǒng)，達到機器露點狀態(tài)L。L 狀態(tài)點的空氣進入轉輪除濕系統(tǒng)，控制轉輪后含濕量比目標送風狀態(tài)含濕量小2，空氣狀態(tài)到達P 點。P 點空氣經后級壓縮機進行減濕降溫處理，到達O 點。然后經過加熱器加熱至所需的送風狀態(tài)Q。Q 點進行等焓加濕處理，達到用戶送風狀態(tài)N，送入整流罩內。整個處理過程如圖2 所示。

圖2 空氣調節(jié)過程

1.3 熱濕交換過程

空氣調節(jié)過程實質是電動熱備、電熱設備、制冷設備與空氣熱濕交換的過程。

(1)電動設備

電動機在帶動工藝設備進行生產的過程中向機組內空氣散發(fā)的熱量為：

式中，N為電動設備的安裝功率，單位是kW；η為電動機效率；n1為利用系數；n2為同時使用系數；n3為負荷系數。

(2)電熱設備

對于機組內的電熱設備，按下式計算：

式中，n4為考慮排風帶走熱量的系數。

(3)表面式冷卻器熱濕交換過程

表面式冷卻器是在整流罩風道空氣與緊貼換熱器外表面的邊界層空氣之間的溫差和水蒸氣分壓力差作用下進行的。由傳熱學可知，換熱器的換熱量可以寫成：

式中，K為傳熱系數，單位是W/(m2·℃)；F為傳熱面積，單位是m2；Δtd為對數平均溫差，單位是℃。

在不考慮其他附加熱阻時，往往把表面式冷卻器的傳熱系數K 值經驗式簡化為[14]：

式中，Vy為空氣迎面風速，單位是m/s；w為表冷器管內制冷劑流速，單位是m/s；A、B、m、n為由實驗室得出的系數和指數。

1.4 控制干擾因素

整流罩機組的非線性、滯后性、時變性、強耦合由多種因素造成。對調試過程發(fā)現的主要因素進行分析，有助于調試。

(1)直接干擾因素

在調試過程發(fā)現直接干擾因素有漏風率、瞬時冷負荷、電加熱器熱惰性、轉輪除濕機工作原理、壓縮機工作特性、直冷器。其中，①轉輪除濕機轉輪以每小時數轉的速度緩慢旋轉，潮濕空氣由轉輪一側的3/4 部分進入干燥區(qū)。再生空氣從轉輪另一側1/4 部分進入再生區(qū)。再生進風量大小、再生電加熱器制熱量、轉輪轉速是影響除濕機性能的重要因素。②直冷器的結構(光滑繞片、串片、扎片、二次翻邊片)、安裝(豎直、水平、傾斜)直接影響空氣的擾動、傳熱性能。③壓縮機回油管理功能、短周期控制保護功能、電動機保護功能的設置，會影響制冷系統(tǒng)調節(jié)的連續(xù)性。

(2)間接干擾因素

許多被控對象隨著負荷變化或受干擾因素影響，其對象熱性參數或結構也會發(fā)生變化。

2 PID 控制原理

整流罩機組控制系統(tǒng)常用的控制算法有傳統(tǒng)PID算法、專家PID 算法、模糊自適應PID 控制算法。

2.1 專家PID 控制原理

專家PID 算法需要設置的參數如表1 所示。

表1 專家PID 算法參數

令e(k)表示目標溫度值與當前采樣時刻溫度值的差值，Δe(k)表示當前誤差和前一個采樣誤差的差值，u(k)為第k 次控制器的輸出；u(k-1)為第k-1 次控制器的輸出。以單臺壓縮機制冷過程介紹專家PID 控制原理：

當|e(k)|＞M1時，說明制冷誤差值很大。此時應考慮開環(huán)控制，即壓縮機以合適的最大頻率fmax運行，以最大速度減小當前環(huán)境溫度和目標溫度的差值。fmax應選擇得合適，過大會因機組滯后性，造成嚴重超調。

當e(k)Δe(k)＞0 時，說明制冷誤差在朝著增大方向變化，或者制冷誤差為某一常值，未發(fā)生變化。

如果|e(k)|≥M2，說明制冷誤差也比較大，可考慮壓縮機以較大的頻率運行，以達到扭轉誤差朝減小方向變化，并迅速減小誤差，控制器對壓縮機的輸出為：

如果|e(k)|＜M2，說明盡管制冷誤差朝增大方向變化，但誤差值并不太大，可考慮控制器對壓縮機實施一般的控制作用，扭轉誤差的變化趨勢，使誤差朝著減小方向變化，控制器對壓縮機輸出為：

當e(k)Δe(k)＜0、Δe(k)Δe(k-1)＞0 或者e(k)=0 時，制冷誤差值向減小趨勢變化，或者已經達到平衡狀態(tài)。此時，可以考慮采取保持控制器輸出不變。

當e(k)Δe(k)＜0、Δe(k)Δe(k-1)＜0，說明制冷 誤差處于極值狀態(tài)。如果此時誤差的絕對值較大，即|e(k)|≥M2，可考慮實時較強的控制作用：

如果此時誤差的絕對值較小，即|e(k)|＜M2，可以考慮實時較弱的控制作用：

當|e(k)|＜ε 時，說明誤差的絕對值很小，此時加入積分控制，以減少穩(wěn)態(tài)誤差。

2.2 模糊自適應整定PID 控制原理

本文以送風蒸發(fā)器后電加熱器控制溫度的過程，介紹模糊自適應PID 控制原理。自適應模糊PID 控制器以制熱溫度誤差e和誤差變化ec作為輸入，利用專家總結的模糊控制規(guī)則在線對傳統(tǒng)PID 算法參數kp、ki、kd進行實時更改，以達到提高電加熱器的控制效果。核心是找出PID 3 個參數與e和ec之間的模糊關系。自適應模糊控制器結構如圖3 所示。

圖3 自適應模糊控制器結構

將蒸發(fā)器后溫度跟蹤誤差和誤差變化量作為前提，第ij 條模糊控制規(guī)則的表達形式為[15]：

采用乘積推理機，規(guī)則前部分的隸屬函數為：

式中，μi(e)和μj(e)分別為e和Δe的隸屬度。

采用重心方法進行反模糊化，得到模糊控制器：

式中，uij的值由模糊規(guī)則表確定。

模糊規(guī)則表中每條規(guī)則輸出uij值可由模糊推理或可根據經驗確定。假設e和Δe 各有3 個隸屬函數，則共有9 條規(guī)則，模糊規(guī)則表的形式如表2 所示。

表2 控制規(guī)則表

2.3 新型PID 算法

新型PID 算法沿用了專家PID 算法分階段模式和快速減小誤差原則、模糊PID 自整定適應算法簡化、增量PID計算量小及實時性高的優(yōu)點。新型PID 算法的核心是：第一階段：應用公式計算得知理論投入量，加載到執(zhí)行設備，使空氣狀態(tài)以最快的速度達到設定狀態(tài)附近，此時|e(k)|≤M，M為設定的誤差界限。第二階段：以簡化模糊自適應PID 整定，調劑空氣狀態(tài)到設定值，其中PID算法是增量式PID。

下面以前級壓縮機的控制方案和后級電加熱的控制方案闡述新型PID 算法。

(1)壓縮機控制

本文以整流罩空調機組前級壓縮機控制為例。第一階段：以空調器焓值法制冷量計算公式得理論制冷量，投入壓縮機，使前級蒸發(fā)器后空氣狀態(tài)TQJSD以最快的速度達到設定狀態(tài)附近TQJSD±2 ℃。第二階段：以簡化模糊自適應PID 整定。

計算進風焓值HJF和前級設定蒸發(fā)器后焓值HQJZFQ的差值ΔH：

其中，Pq為水蒸氣的壓力，單位是Pa；d為濕空氣的含濕量，單位是kg/kg干；B為大氣壓力，單位是Pa；Cp為空氣定壓比熱，單位是kJ/(kg·℃)。

計算所需前級制冷量QL：

(2)電加熱器控制

本文以整流罩空調機組后級電加熱器控制為例。第一階段：以溫差法制熱量計算公式得知理論制熱量，投入電加熱器，使送風空氣狀態(tài)TSFSD以最快的速度達到設定狀態(tài)附近TSFSD±2℃。第二階段：以簡化模糊自適應PID整定。

計算后級電加熱將后級蒸發(fā)器后的控制狀態(tài)調節(jié)到送風設定溫度時的制熱量QR：

其中，α為修正系數；ρ為空氣密 度，單位是kg/m3；T為濕空氣的熱力學溫度，單位是K。

(3)簡化模糊自適應PID

對于結構一定的機組，根據式(4)可知，風量設定值的變化是傳統(tǒng)PID 整定困難最大阻礙因素，為了克服調節(jié)困難，本文提出簡化模糊自適應整定PID 算法。簡化模糊自適應PID 是在傳統(tǒng)自適應模糊整定PID 算法的基礎上，結合整流罩空調機組性能指標風量，把傳統(tǒng)PID算法的系數kp、ki、kd組成矩陣，在運行過程中，依據不同的風量選擇適合的PID 整定系數。

3 試驗驗證

整流罩空調控制系統(tǒng)設計完成后，應用在某發(fā)射站。由專業(yè)技術人員對控制系統(tǒng)開機，依照表3 測試參數改變送風量、送風溫度、送風濕度，對現場控制系統(tǒng)進行了歷時8 h 的測試，并拷機試驗72 h。

表3 測試參數

圖4 是電子六所N 系列PLC 的上位機組態(tài)監(jiān)控軟件SC-ProView 記錄的歷時測試曲線。

圖4 系統(tǒng)測試結果

由圖4 分析可知，整流罩空調系統(tǒng)開機1 h 后，空調機組將空氣處理到所要求的送風狀態(tài)風量2 800 m3/h，溫度13 ℃，相對濕度43%。按照參數測試表，對空調機組進行了12 組送風狀態(tài)的變化，相對濕度控制精度均小于2%，溫度控制精度小于0.5 ℃。

圖5 是現場機組開機后1 h 內濕度控制曲線。從圖中可知，在15 min 時刻，因前級壓縮機等焓制冷，進風轉輪前濕度快速上升達到平衡。后級蒸發(fā)器后濕度變化平緩。轉輪后濕度曲線的變化反映了轉輪除濕系統(tǒng)的控制效果，送風濕度曲線反映了加濕系統(tǒng)控制效果。測試結果為，機組可以在30 min 中把進風濕度控制到用戶指定狀態(tài)，超調現象不明顯。

圖5 機組濕度控制曲線

圖6 是現場機組開機后1 h 內溫度控制曲線。進風溫度曲線表示現場混合后溫度變化曲線。轉輪前溫度曲線表示前級3 臺壓縮機控制效果。轉輪后溫度反映了轉輪除濕系統(tǒng)對進風狀態(tài)的影響程度，后級蒸發(fā)器后的溫度曲線反映了后級壓縮機控制效果，送風溫度曲線是后級3 級電加熱器控制的效果。測試結果為，機組可以在15 min 中把進風溫度控制到用戶指定狀態(tài)，無超調現象。

圖6 機組溫度控制曲線

4 結論

整流罩空調機組應用新型PID 算法，在一年四季均可具有“快、穩(wěn)、變”三字特性。“快”，指達到用戶設定狀態(tài)時間短?！胺€(wěn)”，指達到穩(wěn)定狀態(tài)后，抗擾動強?！白儭?，指機組設定溫度、濕度、風量可實時調節(jié)。新型PID 算法結合了傳統(tǒng)PID、專家PID、自適應模糊自整定PID 的優(yōu)點，在滿足功能需求后，具有易理解、易編程、周期短等特點，尤其對于新學者具有非常好的指導意義、參考價值。