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 張旭    編輯：凌月仙仙摘要： 某恒溫實驗室的恒溫精度為27±0.2，但是由于實驗室的特殊性，恒溫室的內(nèi)外擾量多且某些隨機擾量的大小難于確定，而導致了其恒溫精度很難達到預期效果。為了解決這個問題，通過建立恒溫室被控對象的數(shù)學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，當設備散熱干擾量為14.7以及送風溫度干擾量為0.1，滲透風干擾量不大于0.3時，PID控制才能保證恒溫室的恒溫精度 。 關鍵詞： 恒溫室，PID控制 滲透風干擾量 參數(shù)尋優(yōu) 溫度  1 前言隨著科學技術的發(fā)展，各類精密產(chǎn)品的生產(chǎn)制造以及特種科學實驗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儀器廠的刻線室恒溫精度已達到了±0.0056。但是在某些特殊的科學實驗室不僅恒溫精度很高，而且干擾量多

3、如滲透風、設備散熱、送風溫度波動以及電熱器供電電壓的波動等，且某些干擾量如滲透風其最大值難于確定而沒有采用相應的措施控制滲透風擾量，導致了房間溫度的波動過大，結(jié)果使恒溫室的恒溫精度很難達到要求。如何使這些特殊的科學實驗室恒溫精度達到使用要求，也成為了恒溫室的空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設計的一個巨大的難題。由于傳統(tǒng)的PID控制算法，其運算簡單、調(diào)整方便、魯棒性強, 在過程控制中, 這種控制算法仍占據(jù)相當重要的地位.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計方法或者依靠現(xiàn)場試驗方法來進行PID控制器參數(shù)的計算與整定. 顯然, 這就要求操作人員具有較高的理論基礎和現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗. 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, 則需頻繁地進行參數(shù)整定, 這必將影響系統(tǒng)的正常運行。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,總送風量27500 m3/h, 送風溫度13.5，房間設計溫度27±0.2，設備散熱量135KW，恒溫室建筑墻體、地板采用絕熱材料，滲透風來自外部房間其設計溫度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)學模型要對一個恒溫室空調(diào)系統(tǒng)被控對象進行控制，須為其建立一個合適的數(shù)學模型。使用數(shù)學語言對實際對象進行一些必要的簡化和假設：（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。（2）恒溫室頂棚由蓋板組成，存在縫隙，考慮有一定的滲透風，其他地方如門窗的滲透風忽略不計。假如不考慮執(zhí)行機構的慣性和室

6、溫調(diào)節(jié)對象的傳遞滯后，根據(jù)能量守恒定律，單位時間內(nèi)進入對象的能量減去單位時間內(nèi)由對象流出的能量等于對象內(nèi)能量蓄存量的變化率，表達式和圖1如下所示：圖1室溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng) 數(shù)學表達式為：式中：Chrr恒溫室的熱容（KJ/）；C空氣的比熱（KJ/kg）；GS送風量（kg/h）；0電加熱器前的送風溫度（）；1室內(nèi)空氣溫度，回風溫度（）；QE電加熱器的熱量（KJ/h）；Qm設備散熱量（KJ/h）；QI 滲透風帶入的熱量（KJ/h）；由式QIGI(It-1)cit （2）式中：GI滲透風量（kg/h）；It滲透風空氣溫度（）；cIt滲透風空氣的比熱（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,換算成送風溫度的變化（）， E =QE / GSC （7）；f干擾量換算成送風溫度的變化（），；f送風溫度干擾量（），f0“ （9）If滲透風的干擾量（），If =QI / GSC （10）；Mf設備散熱量的干擾量（），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)機構的傳遞函數(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單位時間內(nèi)空氣傳給熱電阻的熱量（KJ/h）；2室