地下工程內(nèi)部工況非常復(fù)雜，溫濕度控制本身又有大慣性、相互耦合的特點，采用傳統(tǒng)的?PID?調(diào)節(jié)，滯后現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，溫濕度控制的實時性很難保證，控制精度和工程內(nèi)的舒適性也效果不佳。盡管除濕機控制程序中，考慮了溫濕度控制允許的誤差，可以把溫度和濕度控制在某個區(qū)域范圍之內(nèi)，但如果除濕機的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，或者調(diào)試工作不完善就可能出現(xiàn)控制的超調(diào)，輸出頻繁或者不連續(xù)的改變，浪費能量。

1?系統(tǒng)的改進思路

由于工程內(nèi)溫濕度控制干擾因素特別多，如房間的泄漏、房間開門的次數(shù)、人數(shù)量的變化及設(shè)備發(fā)熱量的不同等，都是不確定的因素，難以建立工程內(nèi)余熱、余濕的精確數(shù)學(xué)模型，而且由于溫濕度的耦合性，即使建立了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，也很難簡化求解。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家控制、學(xué)習(xí)與自適應(yīng)控制等眾多智能控制技術(shù)中，只有模糊控制不需要精確的被控對象的數(shù)學(xué)模型，它根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則進行模糊推理提供適當(dāng)?shù)妮敵?，其具有控制精度高，過渡過程平緩，舒適性高等特點，是溫濕度控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的一種智能控制技術(shù)。本文在控制技術(shù)上采用模糊控制來取代?PID?控制，以提高系統(tǒng)的智能化程度和控制精度；目前地下工程內(nèi)使用的調(diào)溫除濕機大多使用西門子S7-200系列PLC，這個系列的?PLC?內(nèi)部邏輯功能較簡單。而新一代的西門子?S7-300系列?PLC，邏輯功能更強，內(nèi)部嵌入了許多功能化模塊來實現(xiàn)一些特定的算法，在程序編制上更是采用結(jié)構(gòu)化編程的方法，一些特別的功能塊子程序可以在程序中互相調(diào)用，使得程序的編制更加簡單，因此在硬件選擇上用西門子S7-300?系列?PLC?取代?S7-200?系列?PLC。

2?調(diào)溫除濕機的控制過程分析

全自動調(diào)溫除濕機有?3?種工作模式，即“除濕升溫”、“除濕調(diào)溫”、“除濕降溫”。采用“除濕升溫”模式時，冷卻水泵和冷卻塔不工作，冷卻水流量調(diào)節(jié)閥全關(guān)，所有冷凝熱全部用來加熱除濕機的出風(fēng)，風(fēng)量一定時，升溫的程度由冷凝器放熱的大小決定。有些情況下，如將除濕機系統(tǒng)的冷凝熱全部用來加熱空氣，工程內(nèi)空調(diào)房間的溫度將會超出要求范圍，此時，可以采用“除濕調(diào)溫”模式，自動給出信號開啟水泵，連鎖開冷卻塔風(fēng)機，并根據(jù)房間的設(shè)定溫度調(diào)節(jié)水冷冷凝器的水流量，將部分冷凝熱由冷卻水帶走。工程內(nèi)溫度較高時，可采用“除濕降溫”模式時，關(guān)閉進入風(fēng)冷冷凝器的電磁閥，并調(diào)節(jié)冷卻水流量調(diào)節(jié)閥，直到達到設(shè)定的出風(fēng)溫度。

由此可見，調(diào)溫除濕機3種模式處理空氣的第一步都是利用其蒸發(fā)器來冷凍除濕，所謂的“升溫”、“調(diào)溫”和“降溫”，只是在第二步再加熱時，加熱空氣所用的風(fēng)冷冷凝熱量大小不同。調(diào)溫除濕機溫度調(diào)節(jié)的上限值是除濕升溫工況的出風(fēng)溫度，下限值是除濕降溫工況的出風(fēng)溫度。如圖?1，在焓濕圖上，進風(fēng)狀態(tài)參數(shù)點1經(jīng)蒸發(fā)器處理到露點L，然后進行第二步處理，“除濕升溫”模式工作時，出風(fēng)溫度處理到點?2’；“除濕降溫”模式工作時，出風(fēng)溫度處理到點?2；“除濕調(diào)溫”模式工作時，出風(fēng)溫度處理到溫度介于點?2?和點2′?之的某點2”。當(dāng)除濕機的風(fēng)機風(fēng)量一定時，出風(fēng)溫度狀態(tài)點?2”?與設(shè)備的風(fēng)冷冷凝器釋放的熱量大小有關(guān)，假設(shè)壓縮機的功率和制冷效率一定時，冷凝熱的總量恒定，它可以在風(fēng)冷冷凝器和水冷冷凝器之間任意分配，則“除濕調(diào)溫”模式的出風(fēng)溫度可由經(jīng)過水冷冷凝器的冷卻水流量閥來調(diào)控，閥門開度越大，水冷冷凝器帶走的熱量越多，除濕機的出風(fēng)溫度就越低。

3?模糊控制器的設(shè)計

本系統(tǒng)側(cè)重于調(diào)溫除濕機的“調(diào)溫”，因為只要除濕機開，功率一定，“除濕”總是以單位時間多少除濕量發(fā)生的。改善調(diào)溫除濕機的性能重點在于對溫度的把握上，以溫度為主要控制對象，通過溫度控制來影響濕度。本設(shè)計采用二維模糊控制器，如圖?2?所示。其中輸入變量為溫度偏差?e和偏差變化率?ec，輸出變量為控制溫度的變量，冷凍水流量閥的開度?u。濕度的模糊邏輯用同樣的方法設(shè)計，下面僅討論溫度。

3.1?模糊化

3.1.1?輸入?/?輸出變量的選取及量化

溫度偏差?e?的實際論域為[-12℃，12℃（]超出范圍的越限值取上限或者下限值）。溫度偏差變化率?ec?的實際論域取[-3℃/min，+ 3?℃/min（]越限值處理同上）。實際偏差和偏差變化率值分別通過各自的比例因子轉(zhuǎn)換到模糊控制器的基本論域內(nèi)。這里?E?和EC?的論域都取[-6，-5，…，0，…，+ 5?，+ 6 ]?的離散區(qū)間。

則：ke = emax/ 6 = 2 ? ? ?ke = ecmax/ 6 = 0.5

為了計算方便，控制器輸出控制量u的論域也取為：

U?∈｛-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6｝

而輸出量為電壓信號，實際論域為[-10V，10V]，則：ku= umax/ 6 = 1.67。

3.1.2?輸入?/?輸出變量的模糊化

為了簡化計算，同時按照人一貫的思維，將事物的程度分為大、中、小3個等級，又分正、負兩個方向。這樣就定義出7?個模糊子集。即：PB（正大）、P M?（正中）、P S?（正小）、Z E（零）、N B?（負?。?、N M?（負中）及?N B?（負大）。前面的定義的模糊變量?E、EC、U?的模糊集合均為：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

輸出量?U?模糊子集的意義：NB?表示水流量調(diào)節(jié)閥負向大開；NM?表示水流量調(diào)節(jié)閥負向中開；NS?表示水流量調(diào)節(jié)閥負向小開；ZE?表示水流量調(diào)節(jié)閥保持當(dāng)前狀態(tài)；PS?表示水流量調(diào)節(jié)閥正向小開；PM表示水流量調(diào)節(jié)閥正向中開；PB表示水流量調(diào)節(jié)閥正向大開。采用三角分布隸屬度函數(shù)，按照模糊空間細分的標(biāo)準(zhǔn)，對論域在[-6，+6]的模糊變量進行賦值?？傻玫礁髂：兞康馁x值表如表1所示。由于論域與三角形隸屬函數(shù)完全相同，則偏差?E、偏差變化率?EC?及輸出?U?的賦值表完全相同。

3.2?模糊控制規(guī)則庫

模糊控制規(guī)則庫的選擇取決于整個控制系統(tǒng)的對象特性，根據(jù)專家知識和操作人員經(jīng)驗，抽象成一系列不精確的條件語句以形成模糊控制規(guī)則庫，如當(dāng)溫度誤差為正，目前系統(tǒng)本身有減小誤差的趨勢時，為了盡快消除誤差且又不超調(diào)，應(yīng)減少控制量。寫成對應(yīng)的語句：if E=PS and EC=NM then U=ZE文獻[2-5]給出了有關(guān)中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則庫，本文選擇的控制規(guī)則庫如表2所示。

3.3?模糊推理

本文采用如“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。把控制規(guī)則編號，每條控制規(guī)則可以求出一個模糊蘊含關(guān)系，

即：Rij：if E=Ti??and EC=Tcj??then U-Uij

Rij?=Ti×?Tcj→Uij= Ti×?Tcj→Uij

4 9?條規(guī)則可以得到?4 9?個模糊關(guān)系矩陣?Ri j（i = 1?，2?，…，7?；j = 1?，2?，…，7?）。這些規(guī)則沒有先后之分，取“also”連接，則總的模糊關(guān)系求并運算：

3.4?模糊判決并計算輸出量

由表2已知的輸入模糊變量和求得的模糊關(guān)系矩陣，輸入量溫度偏差及變化率被量化為13?個等級，任取某個語言值，如?E?取?-5，m=2，EC?取- 4?，n = 3?。語言值屬于[ – 6?，- 5?，…?，0?，1?，…?，6 ]?，有：

用最大-?最小合成法，可以求出?Umn，然后采用加權(quán)平均法做清晰化計算得出判斷結(jié)果：

其中?i,j = 1，2，…，13。這樣?uij就構(gòu)成了模糊控制狀態(tài)表，如表3所示。模糊控制表由matlab軟件編程實現(xiàn)。

4?模糊控制算法在S7-300PLC上實現(xiàn)

求出模糊控制表后，可以在PLC上編制程序來實現(xiàn)模糊控制算法[6]。這樣模糊控制器的功能實現(xiàn)就可以分為在線和離線兩部分，離線部分控制查詢表已經(jīng)求出，在線部分的結(jié)構(gòu)見圖?3。

S7-300?的編程系統(tǒng)?Step7-v5.3?提供了豐富的指令和功能模塊[7 ]。我們比較模糊控制器的結(jié)構(gòu)與S7-300?結(jié)構(gòu)化編程思想，可以設(shè)計出模糊算法的結(jié)構(gòu)見圖4。STEP7的程序總是從組織塊OB1開始的，采用循環(huán)執(zhí)行的方式實現(xiàn)對整個程序的總體控制、子程序塊的調(diào)用和數(shù)據(jù)的采集與傳遞。FB10被用來實現(xiàn)模糊控制功能。它又由FC10-FC13?四個子程序塊組成。其中FC10完成溫度偏差e和偏差變化率?ec?的計算；FC11?進行模糊化處理，即完成精確量?e，ec?到模糊量?E，EC?的轉(zhuǎn)換；FC12?完成控制量表的查詢功能；FC12完成模糊控制量U到精確量?u?的轉(zhuǎn)化，并輸出?u。FB10?依次調(diào)用四個子模塊完成模糊控制各部分的功能，并實現(xiàn)他們之間的數(shù)據(jù)傳遞。FB10?模糊控制器編制完成后，保存在?STEP7標(biāo)準(zhǔn)庫中。這樣構(gòu)成的FB10就具有很強的靈活性和通用性，如同?S7-300?可編程控制器的內(nèi)置特殊功能的模塊一樣，可以在其他實現(xiàn)模糊功能的程序中方便調(diào)用，只需修改參數(shù)即可。實現(xiàn)模糊算法的流程圖如圖?5?所示。

5?結(jié)論

將模糊控制技術(shù)與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，既顯示了?PLC?的可靠、靈活及適應(yīng)性強的特點，也大大提高了除濕機控制系統(tǒng)的智能化程度。用西門子S7-300系列PLC代替原來調(diào)溫除濕機的控制器西門子?S7-200?系列?PLC，利用?300?系列?PLC?的結(jié)構(gòu)化編程的功能與模糊控制的原理相結(jié)合，設(shè)計出了結(jié)構(gòu)緊湊的模糊控制器，采用離線查表法直接在?S7-300?系列?PLC?的編程語言中實現(xiàn)模糊控制功能，改進了調(diào)溫除濕機溫濕度的控制方式。