恒温室房间温度PID控制研究3280.docx

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1、恒温室房间温度度PID控制制研究摘要： 某恒温温实验室的恒恒温精度为2270.2，但是由于于实验室的特特殊性，恒温温室的内外扰扰量多且某些些随机扰量的的大小难于确确定，而导致致了其恒温精精度很难达到到预期效果。为为了解决这个个问题，通过过建立恒温室室被控对象的的数学模型求求出其传递函函数，然后采采用参数寻优优方法确定PPID控制器器的参数，最最后采用MAATLAB仿仿真的方法，研研究恒温室内内外扰量对房房间温度的影影响。通过研研究，可以得得出，当设备备散热干扰量量为14.77以及送风温温度干扰量为为0.1，渗透风干干扰量不大于于0.3时，PIDD控制才能保保证恒温室的的恒温精度 。 关键词词：

2、 恒温室室，PID控控制 渗透风风干扰量 参参数寻优 温温度1 前言随着科学技术的的发展，各类类精密产品的的生产制造以以及特种科学学实验都要求求具有特定的的工作环境，恒恒温就成为了了不可缺少的的条件之一。目目前我国常见见的恒温室的的恒温精度为为1及0.5，也有0.1。而一些高高精度的恒温温室如光学仪仪器厂的刻线线室恒温精度度已达到了0.00556。但是在某某些特殊的科科学实验室不不仅恒温精度度很高，而且且干扰量多如如渗透风、设设备散热、送送风温度波动动以及电热器器供电电压的的波动等，且且某些干扰量量如渗透风其其最大值难于于确定而没有有采用相应的的措施控制渗渗透风扰量，导导致了房间温温度的波动过

3、过大，结果使使恒温室的恒恒温精度很难难达到要求。如如何使这些特特殊的科学实实验室恒温精精度达到使用用要求，也成成为了恒温室室的空调系统统和控制系统统设计的一个个巨大的难题题。由于传统的PIID控制算法法，其运算简简单、调整方方便、鲁棒性性强, 在过过程控制中, 这种控制制算法仍占据据相当重要的的地位.故目目前恒温室的的空调系统大大部分采用PPID控制。但但PID控制制的效果如何何, 在很大大程度上是取取决于控制器器参数的正确确整定。为此此, 人们提提出了各种不不同的参数整整定方法, 如误差积分分最小、固定定衰减比、极极点配置等方方法. 这些些方法主要是是用经典控制制理论中的一一些设计方法法或者

4、依靠现现场试验方法法来进行PIID控制器参参数的计算与与整定. 显显然, 这就就要求操作人人员具有较高高的理论基础础和现场调试试经验. 而而且, 被控控对象模型参参数难以确定定以及系统性性能稳定性较较差, 则需需频繁地进行行参数整定, 这必将影影响系统的正正常运行。对对于这些特殊殊的空调房间间温度的控制制，由于被控控对象具有较较大的惯性和和迟延，且受受各种因素变变化的影响，因因此对象的传传递函数具有有非线性和时时变特性，采采用传统的PPID控制难难于取得较好好的控制效果果。本文采用单纯形形法寻优PIID参数，然然后采用MAATLAB仿仿真确定渗透透风干扰量的的最大值，PPID控制才才能保证恒温

5、温室的恒温精精度。2 工程概况恒温室建筑面积积625m22, 层高22.8m,总总送风量277500 mm3/h, 送送风温度133.5，房间设计计温度270.2，设备散热热量135KKW，恒温室室建筑墙体、地地板采用绝热热材料，渗透透风来自外部部房间其设计计温度261。3 恒温室空调调过程建模3.1 恒温室室空调系统被被控对象的数数学模型要对一个恒温室室空调系统被被控对象进行行控制，须为为其建立一个个合适的数学学模型。使用用数学语言对对实际对象进进行一些必要要的简化和假假设：（1）由于该恒恒温室建筑墙墙体、地板采采用绝热材料料，故室内外外墙体和地板板热量传递忽忽略不计。（2）恒温室顶顶棚由盖

6、板组组成，存在缝缝隙，考虑有有一定的渗透透风，其他地地方如门窗的的渗透风忽略略不计。假如不考虑执行行机构的惯性性和室温调节节对象的传递递滞后，根据据能量守恒定定律，单位时时间内进入对对象的能量减减去单位时间间内由对象流流出的能量等等于对象内能能量蓄存量的的变化率，表表达式和图11如下所示：图1室温自动调调节系统 数学表达式为：式中：Chrrr恒温室的的热容（KJJ/）；C空气的比比热（KJ/kg）；GS送风量量（kg/hh）；0电加加热器前的送送风温度（）；1室内空空气温度，回回风温度（）；QE电加热热器的热量（KKJ/h）；Qm设备散散热量（KJJ/h）；QI 渗透透风带入的热热量（KJ/h

7、）；由式QIGII(It-1)cit （2）式中：GI渗透风量（kkg/h）；It渗透透风空气温度度（）；cIt渗透透风空气的比比热（KJ/kg）。把式（2）代入入式（1），整整理得式中：T1调节对象的的时间常数（hh）,T1= Chrrr /（GGI cit+ GSC） （55）；K1调节对对象的放大系系数, K1= GScc /（GII cit+ GSc）（6）；E电加热热器的调节量量,换算成送送风温度的变变化（）， E =QE / GSC （7）；f干扰量量换算成送风风温度的变化化（），；f送风风温度干扰量量（），f0“ （9）If渗透透风的干扰量量（），If =QII / GSC （1

8、00）；Mf设备备散热量的干干扰量（），Mf =QMM / GSC （111）。由式（4）拉普普拉斯变换，得得（12）如果考虑被控对对象传递滞后后，则恒温室室空调过程的的传递函数为为：（13）3.2 感温元元件和执行调调节机构的传传递函数感温元件采用热热电阻，根据据热平衡原理理，其热量平平衡方程式：(14) 式中：C2热电阻的热热容（KJ/）；2热电阻阻温度（）；q2单位时时间内空气传传给热电阻的的热量（KJJ/h）；2室内空空气与热电阻阻表面之间的的换热系数（KKJ/m2h）；F2热电阻阻的表面积（mm2）；1室内空空气温度，回回风温度（）。由式（14）拉拉普拉斯变换换，可得感温温元件的传递

9、递函数：(15) 同样执行调节机机构的传递函函数：(16) 3.3 恒温室室特性参数及及其他参数的的确定恒温室特性即房房间的特性，用用传递滞后、时间常数数T1和放大系数数K1这三个参数数来表示。（1）时间常数数T1和放大系数数K1由式5 (13) ，=45, GI= GS3%，通过式（5），式（6）计算可以得到，T1=18分，K1=0.971。（2）传递滞后后由经验公式55/ T1 =0.0075(155)，通过计计算则得=1.355分（3）由参考文文献5的附表表6-1，可可以得到感温温元件的时间间常数和不灵灵敏区为T33=50秒，22=0.055。电加热器的比例例系数K2=/N=0.0000

10、09, T2=50秒。4 单纯形法寻寻优方法控制系统参数最最优化是指对对被控对象已已知、控制器器的结构和形形式已确定，需需要调整或寻寻找控制系统统的某些参数数使整个控制制系统在某一一性能指标下下最佳。单纯形法的思想想很简单, 若要求一个个函数的最大大点(或最小小点) , 则可先计算算若干点处的的函数值, 进行比较, 并根据它它们的大小关关系确定函数数的变化趋势势作为搜索的的参考方向, 然后按参参考方向搜索索直到找到最最小值(或最最大值) 为为止。在三维空间内取取不同一平面面的四个点构构成单纯形(四面体) , 如图33 所示。图2 三维空间间的单纯形这四个点X0 、X1 、 X2、 XX3 对应

11、的的函数值为FF0、F1、FF2、F3 ,比较可看看出最大者(设F3 最最大) ,则则对应点X33 (记为XXH) 作为为差点,由此此可以推测好好点在差点XXH的对称点点X R 处处的可能性最最大,然后计计算XR 处处的函数值FFR , 若若有FR maxF0,F11，F2 , 说明从从XH前进的的步长太大, XR并不不一定比XHH好, 因此此可以压缩步步长在XH与与XR之间找找一点XS为为新点,然后后X0,F11,F2中最最大者说明情情况有所改善善, 但前进进和步长可能能还不够,还还可以加大步步长得XH与与XR延长线线上的一点XXE ,若XXE对应的函函数FE小于于FR 则以以XE 作为为新

12、点,并以以X0、X11 、 X22 构成新的的单纯形。最最后比较构成成新的单纯形形的各点处的的函数值, 若其中最大大者和最小者者之间的相对对差小于预先先给定的数EE , 则说说明最小值已已经找到, 否则继续重重复上述步骤骤直到找到止止。5 恒温室控制制系统仿真整个室温自动调调节系统包括括调节对象（空空调房间），调调节器、感温温元件以及PPID控制器器。根据参数数计算结果，最最后得到恒温温室恒温控制制系统如图33所示。图3 恒温室恒恒温控制系统统仿真框图? 恒温室实验设备备散热量相当当稳定，由式式（11）计计算可得，设设备散热量干干扰量Mf14.7是稳定的扰扰量。而送风风温度干扰量量主要包括电电

13、加热器供电电电压的波动动和换热器冷冷冻水温度的的波动以及管管道温升等引引起的送风温温度的变化，其其值为0.11。渗透风干干扰量是随机机扰量，其随随着恒温室外外面的房间温温度的变化和和渗透风风量量的变化而变变化，它是影影响恒温室的的房间温度最最重要的因数数。当渗透风风干扰量分别别0.1、0.2、0.3、0.4时， PIID控制的仿仿真曲线如图图4-图7所所示。图4 If为为0.1时PID控控制的仿真曲曲线图5 If为为0.2时PID控控制的仿真曲曲线图6 If为为0.3时PID控控制的仿真曲曲线图7 If为为0.4时PID控控制的仿真曲曲线分析图4-图77，可以得出出：当渗透风风扰量If不大于0

14、0.3时，恒温室室房间温度波波动小于0.2，满足恒温温室的恒温精精度要求。但但是当渗透风风扰量If为0.44时，恒温室室房间温度波波动大于0.2，超出允许许的波动范围围。 6 结论通过以上的仿真真和分析，可可以得出：恒温实验室的恒恒温精度为2270.2，但是由于于实验室的特特殊性，恒温温室的内外扰扰量多，只有有当设备散热热干扰量为114.7以及送风温温度干扰量为为0.1，渗透风干干扰量不大于于0.3时，PIDD控制才能保保证恒温实验验室的恒温精精度，达到使使用的要求 。参考文献1 王翠华, 戴玉龙，变变频中央空调调房间温度的的智能控制，山山东理工大学学学报(自然然科学版)，VVol.188 （1）：76-8002 吴为民,王王仁丽，温度度控制系统的的发展概况工工业炉VVol.244（2）：118-223 杨承志，参参数寻优智能能PID 控控制，昆明理理工大学学报报，Vol.23（5）：95-9994 邱黎辉,阙阙沛文,毛义义梅，模糊PPID 控制制在中央空调调系统中的应应用研究，计计算机测量与与控制， 22004 ，112(1)：57-6005 施俊良著，室室温自动调节节原理和应用用，中国建筑筑工业出版社社，19833