基于模糊自適應(yīng)PID的紡織廠溫濕度控制系統(tǒng)

摘要：文章針對(duì)紡織空調(diào)具有非線性、時(shí)變、大慣性、純滯后、多干擾和強(qiáng)耦合等特性，以阿克蘇巨鷹紡織廠為例，提出了模糊自適應(yīng)PID溫濕度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用串級(jí)控制、分程調(diào)節(jié)，將模糊控制算法融入PID調(diào)節(jié)器，用于控制細(xì)紗車間的溫度和濕度。

關(guān)鍵詞：紡織空調(diào)；模糊PID；溫濕度控制；串級(jí)控制；分程調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TS108 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）16-0051-04

棉花品質(zhì)是獲得高質(zhì)量棉紗的基礎(chǔ)，先進(jìn)的棉紡生產(chǎn)工藝和溫濕度控制系統(tǒng)則是獲得高質(zhì)量棉紗的技術(shù)保障。在不同的溫濕度條件下，棉纖維的物理特性和機(jī)械特性（如回潮率、強(qiáng)力、伸長度、柔軟性及導(dǎo)電性等）都會(huì)產(chǎn)生不同程度的變化。棉紡工藝從清棉、梳棉、并條、細(xì)紗到絡(luò)筒，每道工序所要求的溫度和濕度都是不同的。車間的溫度和濕度靠傳統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)，往往造成滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，溫濕度大范圍波動(dòng)，調(diào)節(jié)精度達(dá)不到要求。紡織廠空調(diào)系統(tǒng)的控制性能差、能耗高始終是制約企業(yè)發(fā)展的重要因素，也是企業(yè)亟待解決的難點(diǎn)之一。

本文以阿克蘇巨鷹紡織廠為例，將模糊控制算法融入PID調(diào)節(jié)器形成模糊自適應(yīng)PID控制器，用于細(xì)紗車間空調(diào)系統(tǒng)，不僅可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制車間溫濕度，而且可以節(jié)約能源，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，從而在動(dòng)態(tài)變化的外界環(huán)境和內(nèi)部負(fù)荷條件下，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并以最小的代價(jià)（能耗）滿足工藝對(duì)溫濕度和環(huán)境舒適性的要求。

1 紡織廠空氣調(diào)節(jié)過程

紡織廠空氣調(diào)節(jié)的基本方法是采用空調(diào)室送風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)送風(fēng)系統(tǒng)對(duì)空氣進(jìn)行處理的方式不同，一般采用直接接觸式和表面式兩種方式，目前國內(nèi)外紡織廠多數(shù)都是采用直接接觸式，即在空調(diào)室內(nèi)進(jìn)行噴水，如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)的組成

阿克蘇地區(qū)地下水資源較充裕，紡織廠噴水室水系統(tǒng)采用18℃的深井水噴淋，循環(huán)利用。夏季在噴水室噴射低溫水來降低送風(fēng)溫度，冬季抽取地下水用于噴淋，以確保車間濕度達(dá)到要求。

冬季時(shí)，使用鍋爐給車間供暖，回風(fēng)與新風(fēng)相比，比例稍大些，基本可保持室內(nèi)溫度恒定在25℃左右。控制室內(nèi)濕度，使相對(duì)濕度保持在50%～55%左右；夏季時(shí)，保證室內(nèi)溫度保持在30℃～32℃左右，使室內(nèi)濕度保持在55%～60%。

其中，TS表示設(shè)定溫度值，HS表示設(shè)定濕度值，TC表示實(shí)際溫度，HC表示實(shí)際濕度；前級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括執(zhí)行溫度控制器指令的變頻器、風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器；后級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括執(zhí)行濕度控制器指令的變頻器、水泵、調(diào)節(jié)閥等。溫度控制器為模糊自適應(yīng)PID控制器。

3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊自適應(yīng)PID控制就是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，用模糊集表示規(guī)則的條件、操作，并將這些規(guī)則及相關(guān)信息存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)，運(yùn)用模糊推理，自動(dòng)完成PID參數(shù)的調(diào)整。

首先確定語言變量、語言值和隸屬度函數(shù)，本文涉及的模糊控制器有兩個(gè)輸入信號(hào)和一個(gè)輸出信號(hào)。輸入語言變量之一，記為e，是給定溫度r與實(shí)際溫度y的偏差，e=r-y；輸入語言變量之二，記為ec=de/dt或ec=ei-ei-1，是溫度偏差的變化率，經(jīng)模糊化后變量e變?yōu)镋，偏差變化率ec變?yōu)镋C；輸出語言變量為PID參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd。輸入語言變量E的取值為{負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)小（NS），零（ZE），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}。

模糊自適應(yīng)PID參數(shù)的整定就是在PID算法的基礎(chǔ)上，找出KP、Ki、Kd3個(gè)參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中不斷檢測e和ec，然后利用模糊規(guī)則對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表，對(duì)PID三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4 PLC模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器的輸入為細(xì)紗車間的溫濕度設(shè)定值與測量值的誤差e1，e2及誤差變化率ec1，ec2，輸出為細(xì)紗車間的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和水泵閥門開度U1，U2，其中溫度和濕度控制規(guī)律相似，這里以溫度控制為例。

模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊3個(gè)部分。E和EC分別為e和ec模糊化后的模糊量，U為模糊控制量，u為U解模糊化后的精確量。根據(jù)前面的知識(shí)給出變量E的賦值如表2所示。

在本項(xiàng)目中采用IF E=X and EC=Y then U=Z的模糊條件語句所組成的推理規(guī)則，這樣的語句共有40多條，將它們總結(jié)為如表3的模糊控制狀態(tài)表，表中的“×”表示不可能出現(xiàn)的情況。

根據(jù)模糊規(guī)則表取定的每一條模糊條件語句，就可以計(jì)算出相應(yīng)的模糊控制量U，如表4所示，然后根據(jù)最大隸屬度法得出實(shí)際控制量u，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后去控制變頻器的頻率。

模糊控制算法在PLC中實(shí)現(xiàn)，首先利用A/D模塊將輸入量采集到PLC的DB數(shù)據(jù)區(qū)，經(jīng)過限幅量化處理后，根據(jù)它們所對(duì)應(yīng)的輸入模糊論域中的相應(yīng)元素，查模糊控制量表求出模糊輸出量U，再乘以輸出量化因子即可得到實(shí)際輸出量u，由D/A模塊輸出對(duì)變頻器頻率進(jìn)行控制。

5 結(jié)語

基于模糊PID的紡織廠溫濕度控制系統(tǒng)，利用模糊控制理論和PID控制技術(shù)構(gòu)成的自適應(yīng)模糊PID控制算法，能實(shí)時(shí)地整定PID控制參數(shù)，能夠根據(jù)棉紡車間內(nèi)溫度的變化很好地控制風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)控制車間溫濕度，使其保持恒定，從而確保棉紗質(zhì)量和工人的身體健康。運(yùn)行表明：該控制系統(tǒng)能有效地控制被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，具有控制精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在棉紡織行業(yè)具有一定的使用和推廣價(jià)值。

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作者簡介：王新生（1974—），男，河南正陽人，新疆阿克蘇巨鷹棉業(yè)有限責(zé)任公司工程師，研究方向：紡織機(jī)電技術(shù)；高玉萍（1966—），女，河南濮陽人，新疆阿克蘇職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)及紡織廠環(huán)境控制。