人工氣候室需要控制的參數主要是溫度和濕度，而控制難點(diǎn)也在于其對象的滯后性、無(wú)準確數學(xué)模型以及存在不確定干擾，同時(shí)溫濕度存在耦合現象。目前國內外對溫濕度的控制主要通過(guò)開(kāi)關(guān)控制或是單純的采用PID控制或是模糊控制來(lái)實(shí)現。顯然，開(kāi)關(guān)控制效果非常粗糙，同時(shí)會(huì )造成設備的頻繁啟停，降低設備使用壽命；PID控制對于非線(xiàn)性時(shí)變、滯后較大的溫濕度控制系統來(lái)說(shuō)，魯棒性不強；而單純的模糊控制器存在靜差，控制精度不夠高，同時(shí)也很難解決溫濕度的耦合問(wèn)題。綜上所述，同時(shí)又考慮到相對于溫度的變化對濕度的影響，濕度變化對溫度的影響可以忽略，因此，本文設計出一種PID搭配模糊PID的控制算法，先對溫度進(jìn)行控制，當溫度達到控制要求后再用模糊算法對濕度進(jìn)行控制，并進(jìn)行現場(chǎng)調試。
1 控制方案
人工氣候室是具有恒溫、恒濕、恒CO2、恒光照功能，同時(shí)也具備調溫、調濕、調CO2、調光照功能的大型實(shí)驗設備，是生物、遺傳、醫學(xué)、農林業(yè)等生產(chǎn)和科研部門(mén)的理想實(shí)驗設備，廣泛應用于植物的發(fā)芽、育苗、組織細胞和微生物的培養等。它主要由主控制柜、溫濕度控制設備、CO2濃度控制設備及光照強度控制設備等組成。
在內蒙古大學(xué)生物學(xué)院人工氣候室控制系統性能要求中，對溫度的控制要求最高，要求控制精度在±1℃，其次是對濕度的控制要求，控制精度要求在±5～±10％。同時(shí)，為了模擬植物生長(cháng)環(huán)境的周期性特點(diǎn)，系統設有分時(shí)段運行控制，不同時(shí)段的溫濕度設定值不同。因此，人工氣候室溫濕度控制的主要難點(diǎn)有：
1)溫濕度控制對象的非線(xiàn)性時(shí)變性、大滯后性等；
2)溫度濕度的耦合性；
3)在由一個(gè)時(shí)段運行結束跳轉至下一時(shí)段運行時(shí)，系統溫濕度瞬時(shí)誤差可能很大，對控制造成很大困擾；
4)對光照、CO2進(jìn)行控制時(shí)的內部干擾和系統本身的外部環(huán)境干擾嚴重。
由理論可知，PID控制能夠做到無(wú)靜差控制，模糊控制抗干擾能力強適應性強，同時(shí)響應速度快。根據以上理論同時(shí)綜合考慮該人工氣候室溫濕度控制的難點(diǎn)，提出以下控制方案如圖1所示，即：
1)相對于溫度變化對濕度的影響，濕度變化對溫度的影響可忽略，因此先對溫度進(jìn)行控制，直到溫度控制滿(mǎn)足系統要求再對濕度進(jìn)行控制，解決溫濕度耦合問(wèn)題；
2)濕度控制精度要求不高，但需要克服多種干擾，因此，用模糊控制對濕度進(jìn)行控制既可以滿(mǎn)足要求；
3)溫度控制除了涉及精度、干擾等問(wèn)題，同時(shí)還有時(shí)段跳轉時(shí)的平滑快速控制問(wèn)題，因此用模糊控制與模糊PID控制分時(shí)復用的方法對溫度進(jìn)行控制。用模糊控制的快速適應性實(shí)現平滑快速的控制，用模糊PID控制實(shí)現強抗干擾性的精確控制。
2 控制器設計
2．1 濕度模糊控制器
模糊控制是建立在模糊數學(xué)的基礎上，模仿人的思維方式，總結人的操作經(jīng)驗，并用模糊語(yǔ)言和一系列的模糊條件語(yǔ)句，描述控制策略；然后通過(guò)計算機或專(zhuān)用模塊實(shí)現這些規則，完成控制作用。模糊控制的一個(gè)優(yōu)越性在于它不依賴(lài)被控對象的精確數學(xué)模型，因此，在工業(yè)過(guò)程中，對于那些無(wú)法獲得數學(xué)模型或模型粗糙復雜的、非線(xiàn)性的、時(shí)變的或是耦合十分嚴重的系統，模糊控制非常適合。就二維模糊控制，其原理圖如圖2所示。
濕度模糊控制器的輸入為濕度誤差eh和濕度誤差變化率ehc，輸出為濕度控制執行器加濕器的開(kāi)和關(guān)狀態(tài)。根據系統實(shí)際運行環(huán)境可知，濕度誤差eh和濕度誤差變化率ehc的實(shí)際論域均為[-30％，30％]。
設eh和ehc的語(yǔ)言變量值取為{NB，NS，Z，PS，PB}，模糊論域EH和：EHc均為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，輸出UH是加濕器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，故語(yǔ)言變量值為{ON，OFF}。EH和EHc的隸屬函數均選擇三函數，如圖3所示。
根據人工氣候室濕度控制的特性，可以總結出模糊控制規則如表1所示。
2．2 溫度模糊-模糊PID復合控制器
溫度控制器器結構上分為兩部分，模糊控制部分和模糊PID控制部分。
糊控制部分主要用于實(shí)現時(shí)段跳轉時(shí)的快速平滑控制，根據內蒙古大學(xué)人工氣候室的運行特點(diǎn)，其時(shí)段跳轉時(shí)的溫度跨度最大不超過(guò)10℃。因此溫差et和溫差變化率etc的基本論域選為[-10℃，10℃]。輸入溫差ET、溫差變化率ETc和輸出控制量UT語(yǔ)言變量均取為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，模糊論域均取為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，隸屬度函數仍然取三角函數如圖4所示。為了做到時(shí)段跳轉時(shí)快速將被控溫度控制在設定值±5℃，根據模糊控制器控制特點(diǎn)及現場(chǎng)情況，總結出控制規則如表2所示。
模糊PID控制部分主要實(shí)現系統的精確控制，運用模糊控制的強適應性，在線(xiàn)修改PID控制器的參數，使系統能夠在各種干擾情況下仍可實(shí)現高精度的控制。其控制原理如圖5所示。
由前面可知，設ET、ETc、△Kp、△Ki和△Kd的模糊論域均為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，并劃分成7檔的語(yǔ)言變量模糊集合：ET=ETc= △Kp=△Ki=△Kd={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，對應為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，隸屬函數仍選擇如圖4所示三角形分布。根據控制原則及PID參數整定原則，可以總結出△KP、△KI和△KD的控制規則的語(yǔ)言描述如下：
3 系統運行狀況
為了對設計好的溫濕度控制器進(jìn)行測試，在內蒙古大學(xué)生物學(xué)院人工氣候室的現場(chǎng)，設定2個(gè)運行時(shí)段，時(shí)段1設置參數為：溫度25℃、濕度60％、二氧化碳500p pm、光照3級；時(shí)段2設置參數為：溫度15℃、濕度70％、二氧化碳500 ppm、光照3級。為了便宜測試，各時(shí)段運行時(shí)間均設置為30分鐘，且循環(huán)運行。每分鐘記錄一次數據繪制出如圖6所示的實(shí)時(shí)溫濕度曲線(xiàn)。
系統運行前溫度為30℃，濕度為50％。由圖6可知：
時(shí)段1：先對溫度進(jìn)行模糊PID控制，溫度5分鐘內基本到達控制精度范圍(25℃±1)。然后對濕度進(jìn)行模糊控制，圖中顯示，濕度快速(大約7分鐘)到達控制精度范圍內(60％±5)。
時(shí)段2：當系統運行到30分鐘時(shí)，到達時(shí)段切換點(diǎn)進(jìn)入時(shí)段2。當前溫濕度為時(shí)段1的控制溫濕度25℃和60％，而時(shí)段2的設定溫濕度為15℃和70％，系統瞬時(shí)誤差很大。系統任然先對溫度進(jìn)行模糊控制，使其快速到達控制點(diǎn)15℃左右，然后用模糊PID對其進(jìn)行精確控制，使其控制在要求精度范圍(15℃±1)內。當溫度達到控制要求后，對濕度進(jìn)行模糊控制，同樣很快到達控制要求范圍(70％±5)內。
4 結論
不難看出，溫度的變化對濕度影響明顯大于濕度的變化對溫度的影響(由圖可知濕度變化時(shí)溫度基本沒(méi)有波動(dòng))，因此選擇先溫控后濕控的解耦方法是行之有效的。系統的響應速度較快(溫度5分鐘左右達到控制要求，濕度7分鐘左右達到控制要求)、超調量小(溫度小于2 ℃，濕度小于10％)、控制精度高(溫度±1℃，濕度±5％)，同時(shí)在時(shí)段切換點(diǎn)能做到快速平滑的控制要求。結合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)又避免了二者的不足，兩者相結合，使人工氣候室的溫濕度控制效果達到最佳。
