基于模糊自适应PID的纺织厂温湿度控制系统
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于模糊自适应PID的纺织厂温湿度控制系统范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：文章针对纺织空调具有非线性、时变、大惯性、纯滞后、多干扰和强耦合等特性，以阿克苏巨鹰纺织厂为例，提出了模糊自适应PID温湿度控制系统。该系统采用串级控制、分程调节，将模糊控制算法融入PID调节器，用于控制细纱车间的温度和湿度。
关键词：纺织空调；模糊PID；温湿度控制；串级控制；分程调节
中图分类号：TS108 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）16-0051-04
棉花品质是获得高质量棉纱的基础，先进的棉纺生产工艺和温湿度控制系统则是获得高质量棉纱的技术保障。在不同的温湿度条件下，棉纤维的物理特性和机械特性（如回潮率、强力、伸长度、柔软性及导电性等）都会产生不同程度的变化。棉纺工艺从清棉、梳棉、并条、细纱到络筒，每道工序所要求的温度和湿度都是不同的。车间的温度和湿度靠传统的人工调节，往往造成滞后现象严重，温湿度大范围波动，调节精度达不到要求。纺织厂空调系统的控制性能差、能耗高始终是制约企业发展的重要因素，也是企业亟待解决的难点之一。
本文以阿克苏巨鹰纺织厂为例，将模糊控制算法融入PID调节器形成模糊自适应PID控制器，用于细纱车间空调系统，不仅可以实时准确控制车间温湿度，而且可以节约能源，减少工人劳动强度，从而在动态变化的外界环境和内部负荷条件下，保证系统稳定运行，并以最小的代价（能耗）满足工艺对温湿度和环境舒适性的要求。
1 纺织厂空气调节过程
纺织厂空气调节的基本方法是采用空调室送风系统。根据送风系统对空气进行处理的方式不同，一般采用直接接触式和表面式两种方式，目前国内外纺织厂多数都是采用直接接触式，即在空调室内进行喷水，如图1所示。
2 控制系统的组成
阿克苏地区地下水资源较充裕，纺织厂喷水室水系统采用18℃的深井水喷淋，循环利用。夏季在喷水室喷射低温水来降低送风温度，冬季抽取地下水用于喷淋，以确保车间湿度达到要求。
冬季时，使用锅炉给车间供暖，回风与新风相比，比例稍大些，基本可保持室内温度恒定在25℃左右。控制室内湿度，使相对湿度保持在50%～55%左右；夏季时，保证室内温度保持在30℃～32℃左右，使室内湿度保持在55%～60%。
其中，TS表示设定温度值，HS表示设定湿度值，TC表示实际温度，HC表示实际湿度；前级执行机构包括执行温度控制器指令的变频器、风机、调节阀等执行器；后级执行机构包括执行湿度控制器指令的变频器、水泵、调节阀等。温度控制器为模糊自适应PID控制器。
3 模糊PID控制器的设计
模糊自适应PID控制就是根据模糊数学的基本理论和方法，用模糊集表示规则的条件、操作，并将这些规则及相关信息存入计算机知识库中，然后计算机根据系统的响应，运用模糊推理，自动完成PID参数的调整。
首先确定语言变量、语言值和隶属度函数，本文涉及的模糊控制器有两个输入信号和一个输出信号。输入语言变量之一，记为e，是给定温度r与实际温度y的偏差，e=r-y；输入语言变量之二，记为ec=de/dt或ec=ei-ei-1，是温度偏差的变化率，经模糊化后变量e变为E，偏差变化率ec变为EC；输出语言变量为PID参数ΔKp、ΔKi、ΔKd。输入语言变量E的取值为{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（ZE），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}。
模糊自适应PID参数的整定就是在PID算法的基础上，找出KP、Ki、Kd3个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中不断检测e和ec，然后利用模糊规则对系统参数进行模糊推理，查询模糊矩阵表，对PID三个参数进行调整。
4 PLC模糊控制器的设计
模糊控制器的输入为细纱车间的温湿度设定值与测量值的误差e1，e2及误差变化率ec1，ec2，输出为细纱车间的风机转速和水泵阀门开度U1，U2，其中温度和湿度控制规律相似，这里以温度控制为例。
模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理和解模糊3个部分。E和EC分别为e和ec模糊化后的模糊量，U为模糊控制量，u为U解模糊化后的精确量。根据前面的知识给出变量E的赋值如表2所示。
在本项目中采用IF E=X and EC=Y then U=Z的模糊条件语句所组成的推理规则，这样的语句共有40多条，将它们总结为如表3的模糊控制状态表，表中的“×”表示不可能出现的情况。
根据模糊规则表取定的每一条模糊条件语句，就可以计算出相应的模糊控制量U，如表4所示，然后根据最大隶属度法得出实际控制量u，经D/A转换后去控制变频器的频率。
模糊控制算法在PLC中实现，首先利用A/D模块将输入量采集到PLC的DB数据区，经过限幅量化处理后，根据它们所对应的输入模糊论域中的相应元素，查模糊控制量表求出模糊输出量U，再乘以输出量化因子即可得到实际输出量u，由D/A模块输出对变频器频率进行控制。
5 结语
基于模糊PID的纺织厂温湿度控制系统，利用模糊控制理论和PID控制技术构成的自适应模糊pid控制算法，能实时地整定PID控制参数，能够根据棉纺车间内温度的变化很好地控制风机和水泵的转速，实时控制车间温湿度，使其保持恒定，从而确保棉纱质量和工人的身体健康。运行表明：该控制系统能有效地控制被控对象的运行状态，具有控制精度高、稳定性好等特点，在棉纺织行业具有一定的使用和推广价值。
参考文献
[1] 陈民全，张宗新，詹大栋.纺织厂空调工程[M].北京：中国纺织出版社，2001.
[2] 邓小龙，张建林，陆锦军，曹菁，叶露林.纺织空调系统的模糊PID控制研究及应用[J].仪器仪表学报，2011，（4）：763-767
[3] 易继锴，侯媛彬.智能控制技术[M].北京：北京工业大学出版社，2003.
[4] 李界家，马斌，叶选，等.参数自调整模糊控制器在空调控制系统中的应用[J].仪表技术与传感器，2005，（10）.
[5] 高东杰，等.应用先进控制技术[M].北京：国防工业出版社，2003.
[6] 廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
[7] 高玉萍.基于西门子PLC的纺织厂温湿度监控系统设计[J].中国高新技术企业，2009，（10）.
作者简介：王新生（1974—），男，河南正阳人，新疆阿克苏巨鹰棉业有限责任公司工程师，研究方向：纺织机电技术；高玉萍（1966—），女，河南濮阳人，新疆阿克苏职业技术学院副教授，研究方向：机电一体化技术及纺织厂环境控制。