陳青

（1、撫順中煤科工檢測(cè)中心有限公司，遼寧撫順 113122 2、中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧撫順113122 3、煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧撫順 113122）

1 概述

濕度表示空氣中的水蒸氣的含量，是反映大氣干燥度的一個(gè)重要指標(biāo)。水分飽和器是模擬人呼氣時(shí)所產(chǎn)生的氣體溫度與濕度的儀器，標(biāo)準(zhǔn)要求模擬人體呼出的氣體溫度在37℃±0.5℃，濕度大于95%RH。目前大部分水分飽和器采用數(shù)顯溫度計(jì)控制加熱管的方式進(jìn)行溫度控制，由于數(shù)顯溫度計(jì)使用的是位式繼電器控制，即通過(guò)繼電器去控制加熱管，當(dāng)溫度低于所需溫度后，加熱管加熱，此時(shí)繼電器處于閉合狀態(tài)，當(dāng)溫度達(dá)到所需溫度后，加熱管暫停加熱，此時(shí)繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)。這種控制方式很難達(dá)到±0.5℃的溫度控制，對(duì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性有著極大的影響。同時(shí)，水分飽和器的補(bǔ)水方式是用塑料瓶倒扣的方式，由于呼吸過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的阻力會(huì)發(fā)生變化，所以水分飽和器內(nèi)部的水位也會(huì)有較大的波動(dòng)，直接影響溫度與濕度的標(biāo)準(zhǔn)要求。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本文研究設(shè)計(jì)了一種智能水分飽和器氣體輸出控制系統(tǒng)及方法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)智能水分飽和器輸出氣體的控制。通過(guò)該控制系統(tǒng)及方法解決數(shù)顯溫度計(jì)使用時(shí)難以達(dá)到±0.5℃的溫度控制的問(wèn)題，開(kāi)創(chuàng)性的使用PLC 觸控一體機(jī)控制加熱管的方式，采用PID 算法進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度控制，極大改善由位式繼電器控制的數(shù)顯溫度計(jì)所存在的問(wèn)題。

2 智能水分飽和器氣體輸出控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此氣體輸出控制系統(tǒng)主要由PLC 控制器、液位監(jiān)測(cè)模塊、溫濕度采集模塊、溫濕度恒定模塊組成。圖1 為此水分飽和器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 智能水分飽和器氣體輸出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 PLC控制器。PLC控制器，替代了傳統(tǒng)的繼電器在工業(yè)控制應(yīng)用方面實(shí)現(xiàn)了邏輯控制，是一種自帶小型處理器的電子裝置，這種控制器在自動(dòng)化控制上應(yīng)用較為廣泛。該P(yáng)LC控制器的存儲(chǔ)器可支持程序編制，并能在任何時(shí)候把控制指令載入到存儲(chǔ)器中。PLC能夠接收（即輸入）和發(fā)送（即輸出）各種電氣信號(hào)或電子信號(hào)，這一特性可對(duì)大多數(shù)機(jī)械和電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)督。本系統(tǒng)中采用觸屏PLC一體機(jī)，觸屏PLC 一體機(jī)用于設(shè)置水分飽和器溫濕度參數(shù)，顯示溫濕度及液位高度數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，以曲線/動(dòng)畫(huà)形式描繪水分飽和器氣體輸出自動(dòng)化控制過(guò)程，對(duì)配套設(shè)備的產(chǎn)品性能、規(guī)律分析提供參考。

2.2 系統(tǒng)原理。液位監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水分飽和器主箱體內(nèi)的液位高度信息并傳輸?shù)絇LC 控制器；溫濕度采集模塊采集水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度信息并傳輸?shù)絇LC控制器，溫濕度采集模塊包括溫度傳感器和濕度傳感器，其中溫度傳感器采集水分飽和器主箱體內(nèi)的溫度，濕度傳感器采集水分飽和器氣體出口處濕度。

PLC控制器接收用戶設(shè)定的溫濕度信息，并根據(jù)溫濕度采集模塊采集水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度信息向溫濕度恒定模塊發(fā)送控制信號(hào)。

溫濕度恒定模塊包括加熱管、電磁比例閥和補(bǔ)水接口，加熱管和補(bǔ)水接口均放置在水分飽和器主箱體內(nèi)；加熱管通過(guò)PLC 控制器的控制信號(hào)把水分飽和器主箱體內(nèi)的液體加熱到設(shè)定溫度，為更加清楚的顯示加熱管的工作狀態(tài)是否加熱，系統(tǒng)還包括與PLC 控制器連接的加熱指示燈加熱管加熱時(shí)指示燈顯示綠色，不加熱指示燈顯示紅色；電磁比例閥一端接到自來(lái)水管或儲(chǔ)水箱中，另一端與補(bǔ)水接口連接，當(dāng)PLC控制器判斷水分飽和器主箱體內(nèi)的液位低于設(shè)定值時(shí)，PLC控制器向電磁比例閥發(fā)送開(kāi)斷的控制信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)補(bǔ)水接口把水分飽和器主箱體內(nèi)的液位加到設(shè)定值。

3 基于PID 算法的PLC 可編程控制系統(tǒng)

PID 算法是指在過(guò)程控制中，根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID 控制器（也可以稱為PID調(diào)節(jié)器），是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。其原理簡(jiǎn)單、實(shí)施容易方便、應(yīng)用范圍寬泛、所控制的參數(shù)彼此獨(dú)立、參數(shù)容易選擇這些均是PID算法的優(yōu)點(diǎn)。PID算法是控制行業(yè)連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛，最能體現(xiàn)反饋控制思想的算法。該控制算法已經(jīng)有100 多年歷史?？刂频娜厥窍到y(tǒng)控制器、被控對(duì)象和系統(tǒng)反饋器。如果存在我們不能完全掌握被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，或者其數(shù)學(xué)模型較為模糊，以及其他的控制理論技術(shù)難以被充分運(yùn)用，而且又要求我們必須依靠經(jīng)驗(yàn)以及通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)這種情況時(shí)，最為方便的解決辦法就是采用PID控制技術(shù)。大量實(shí)踐表明，PID控制方法在工業(yè)領(lǐng)域中得到較好運(yùn)用，借以產(chǎn)生讓人滿意的結(jié)果。

3.1 PID原理。PID作為一個(gè)二階線性控制器，它具有無(wú)需建模、控制作用良好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。圖2 為PID控制原理圖。

圖2 PID 原理圖

3.2 PID控制公式。溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，管路作為連接通道貫穿于整個(gè)系統(tǒng)中，氣體在管路中的動(dòng)態(tài)運(yùn)行，要保持溫度和濕度穩(wěn)定，以不達(dá)到凝結(jié)為目的是管路對(duì)于溫度控制的精度要求，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PID邏輯算法達(dá)到對(duì)氣路加熱溫度進(jìn)行控制的目的，從而保證氣路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。PID 控制公式為：

式中：

公式中P 為邏輯算法的比例控制規(guī)律，在公式中采用P 控制的規(guī)律可以迅速壓制干擾動(dòng)態(tài)的影響。當(dāng)設(shè)備溫度和濕度與PLC設(shè)備原定設(shè)計(jì)值的誤差大于一定數(shù)值時(shí)，如果設(shè)備的被控制參數(shù)在算法一定范圍內(nèi)仍然有一些余差，可以通過(guò)增大調(diào)節(jié)P，提高加熱線的輸出功率。

公式中I 為邏輯算法的積分控制規(guī)律，邏輯算法的積分能在比例控制的基礎(chǔ)上減弱一定的誤差。管內(nèi)氣體隨加熱線的加熱，管內(nèi)氣體的溫度和濕度在逐漸上升的過(guò)程中，溫度和濕度會(huì)有特別慢的滯后現(xiàn)象，又因?yàn)樵O(shè)備所承受的荷載變化幅度比較小，為了能夠減弱這些比較穩(wěn)定且變化慢的誤差，在設(shè)備控制的系統(tǒng)中必需加入邏輯算法的“積分項(xiàng)”。邏輯算法的積分項(xiàng)是對(duì)這些比較穩(wěn)定且變化慢的誤差取氣體加熱時(shí)間的積分，隨著氣體加熱時(shí)間的上升，邏輯算法的積分項(xiàng)會(huì)慢慢的變大。因此系統(tǒng)使用邏輯算法的積分去控制規(guī)律后，設(shè)備控制器增大了輸出會(huì)讓穩(wěn)定且變化慢的誤差再次進(jìn)減弱，可使管路的氣體溫度在達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度之前降低加熱線的輸出功率，消除中間環(huán)節(jié)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。

公式中D為邏輯算法的微分控制規(guī)律，在邏輯算法比例的基礎(chǔ)上加入積分，能減弱誤差，再引入微分，可以再次提升設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)氣溫的變化趨勢(shì)和速度兩個(gè)角度可以控制加熱功率。例如：相同時(shí)間內(nèi)，加熱功率隨溫度下降為原溫度的二分之一，也會(huì)下降為原來(lái)的一半。

只能識(shí)別離散的數(shù)字量是基于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有的特性，對(duì)常規(guī)的PID邏輯公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行離散化的處理，可以獲得PID的增量型計(jì)算公式：

在公式中，Kp為增量型比例、Ki為增量型積分、Kd為增量型微分系數(shù)。

3.3 PID參數(shù)的整定。PID控制器必須整定的參數(shù)主要有KP（增量型比例）、TI（積分時(shí)間常數(shù)）、TD (微分時(shí)間常數(shù))和TS (采樣周期)，如果改變了這四個(gè)主要參數(shù)中隨意一個(gè)參數(shù)，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)最后的控制效果會(huì)存在一定的影響。

在調(diào)節(jié)函數(shù)P(比例)、I(積分)、D(微分)的過(guò)程中，當(dāng)溫度濕度誤差信號(hào)部分變化時(shí)，比例部分也會(huì)發(fā)生相同的變化，他們?cè)跁r(shí)間變化上保持一致，當(dāng)誤差信號(hào)開(kāi)始逐漸出現(xiàn)的時(shí)，比例部分將會(huì)自動(dòng)對(duì)此信號(hào)偏差方向產(chǎn)生與使其方向成正比例的調(diào)節(jié)作用。比例系數(shù)KP 的數(shù)值變化越大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的作用效果就越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度就會(huì)越高。

積分作用與控制器當(dāng)前輸出溫濕度偏差的大小以及輸出誤差的歷史狀況等均互有關(guān)聯(lián)，每當(dāng)輸出偏差值不為正零時(shí)，系統(tǒng)控制器當(dāng)時(shí)的輸出偏差也就會(huì)因其積分變化而不斷發(fā)生改變，直到輸出偏差完全消失，系統(tǒng)再次到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，積分部分就不會(huì)隨控制器的偏差再發(fā)生改變。由此可得，積分部分在一定程度上能夠減弱系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的誤差，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)控制的精度。也存在另一種狀況，如果積分作用的變化的過(guò)程非常緩慢，它會(huì)減弱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。如果積分時(shí)間常數(shù)TI逐漸增大時(shí)，積分效應(yīng)逐漸下降，這樣的變化，可能使系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)性能(穩(wěn)定性)有著明顯提高，但是會(huì)造成減弱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的速率會(huì)逐漸降低。

微分部分的作用是根據(jù)系統(tǒng)誤差變動(dòng)的快慢，提前進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)比與比例部分，微分部分的調(diào)節(jié)會(huì)比較及時(shí)和準(zhǔn)確，這體現(xiàn)出微分部分有著超前預(yù)測(cè)的特征，體現(xiàn)出了系統(tǒng)變動(dòng)的內(nèi)在趨勢(shì)。當(dāng)微分時(shí)間常數(shù)TD逐漸增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致超調(diào)量逐漸下降，動(dòng)態(tài)特性逐漸提升，但對(duì)于控制高頻擾動(dòng)的力量會(huì)逐漸減弱。

對(duì)于選擇采樣周期TS時(shí)，選擇數(shù)據(jù)需要有合理的依據(jù)，有一定的局限性。選取的采樣值需要具有代表性，特殊性。在選擇時(shí)需要及時(shí)突出模擬量的變化狀態(tài)，在選擇采樣周期TS時(shí)，所選取的數(shù)值越小越好。但是還存在這樣一種狀況，如果選取采樣數(shù)值太小又將會(huì)導(dǎo)致電腦運(yùn)行的計(jì)算量增加，而且還會(huì)使最近所選取的兩次采樣值非常接近，甚至兩次數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生什么改變，因此采樣周期TS取值不能太小，應(yīng)使它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)階躍響應(yīng)的純滯后時(shí)間或上升時(shí)間。

3.4 濕度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。整個(gè)可編程控制系統(tǒng)的核心部分是濕度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，貫穿于整個(gè)濕度反饋發(fā)生系統(tǒng)中。濕度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器、PID 控制器、溫濕度采集器等部件組成。該系統(tǒng)的控制原理為：混氣罐中混合氣體檢測(cè)到的濕度通過(guò)溫濕度傳感器這一媒介反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)將反饋的濕度值與初始設(shè)置的給定值進(jìn)行比較后產(chǎn)生了偏差，然后根據(jù)濕氣濕度與干濕氣氣體流量之間的相互關(guān)系，使用PID 控制算法通過(guò)控制比例閥的開(kāi)度來(lái)控制干濕氣的氣體流量，消除兩者之間產(chǎn)生的濕度誤差?；赑ID 算法控制的濕度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)控制質(zhì)量流量控制器中比例閥的開(kāi)度控制干濕氣氣體的流量，以達(dá)到控制環(huán)境濕度的目的，是一個(gè)較為復(fù)雜的間接控制系統(tǒng)。

綜上所述，采用基于PID 算法控制的濕度反饋系統(tǒng)實(shí)質(zhì)為根據(jù)系統(tǒng)輸入的值與最后顯示比較值之間存在誤差，為了減弱這種穩(wěn)態(tài)的誤差，就需要在系統(tǒng)控制器中加入“積分項(xiàng)”進(jìn)行消除余差，再加入微分作用，抑制誤差的作用。采用比例、積分和微分它們所控制的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，從而控制系統(tǒng)輸出的運(yùn)算結(jié)果。PLC 可編程控制器通過(guò)采用PID邏輯算法對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)控，精度高，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并有一定的節(jié)能效果。

4 水分飽和器氣體輸出控制方法

水分飽和器氣體輸出控制系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的混合系統(tǒng)。采用了基于C程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)的便攜式濕度發(fā)生軟件控制系統(tǒng)的控制程序。系統(tǒng)中主要的軟件程序體系包括溫濕度采集傳感器、電加熱驅(qū)動(dòng)控制模塊、流量檢測(cè)模塊、流量控制模塊、人機(jī)交互界面顯示模塊等?；贑 語(yǔ)言設(shè)計(jì)的溫濕度控制系統(tǒng)主程序流程如圖3 所示。

圖3 溫濕度控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

通過(guò)PLC 控制器的觸摸屏界面輸入設(shè)定的溫濕度數(shù)據(jù)，PLC 控制器控制液位傳感器采集水分飽和器主箱體內(nèi)的液位高度信息，控制溫度傳感器和濕度傳感器采集水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度信息，并將采集的水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度信息與用戶設(shè)定的溫濕度信息進(jìn)行比較。如果水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度小于用戶設(shè)定的溫濕度，則PLC 控制器采用PID算法控制加熱管將水分飽和器主箱體內(nèi)的液體溫度加熱到設(shè)定溫度。PLC 控制器根據(jù)液位傳感器采集水分飽和器主箱體內(nèi)的液位高度信息和濕度傳感器采集水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度信息，計(jì)算水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度要達(dá)到設(shè)定值所需要的液體量，然后確定水分飽和器主箱體內(nèi)液位的高度，控制電磁比例閥的開(kāi)斷將液位增加到所需高度，進(jìn)而使水分飽和器輸出氣體達(dá)到設(shè)定的溫度與濕度。

5 結(jié)論

本文提出的智能水分飽和器氣體輸出控制系統(tǒng)及方法，可使水分飽和器采用PLC 觸控一體機(jī)控制加熱管的方式，采用PID 算法進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度調(diào)控，具有精度高、穩(wěn)定性好、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，另補(bǔ)水系統(tǒng)采用液位傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，控制液位的精度更高。能夠根據(jù)用戶輸入的溫度，與溫度傳感器返回的數(shù)值比較，通過(guò)加熱管使輸出的氣體達(dá)到一定的溫度與濕度，滿足實(shí)驗(yàn)所需要的標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)不僅具備高精度的溫濕度氣體輸出，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)水分飽和器內(nèi)水分的自動(dòng)補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn)了更長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)輸出氣體的能力，對(duì)相關(guān)配套使用的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)有著重要的意義。