基于模糊PID的微雾发生装置控制方法与流程

本发明涉及加湿技术领域，尤其是一种加湿量自动调节的微雾发生装置。

背景技术：

高压微雾加湿技术的原理是利用高压柱塞泵将水压提高到3-8MPa，然后将加压后的水经高压管路输送至专业雾化喷嘴将其雾化，以1～15m的超微雾粒喷射到空间当中，雾粒在空气中吸收热量，汽化、蒸发，从而改变环境的湿度。

现有的高压微雾装置一般用于厂房等大空间或者空调段的加湿，水流量大且技术要求粗糙，很难实现小流量、低湿度的高精度控制，更加难以应用于液滴粒径要求较高的场合。同时，现有高压微雾发生装置水源大多直接取自中水或自来水，杂质含有率较高，容易引起系统管路杂质的沉积，也易对细微喷嘴形成堵塞。未经处理的常温水，其蒸发效率低下，难以满足湿度快速调节的目的；另外，现有的高压微雾发生装置自动化程度较低，不能与上位机通信或实现远程操作，这就给湿度监控、故障排查等带来了困难。

技术实现要素：

本发明提供一种微雾发生装置控制方法,能够控制雾化系统的流量、温度、压力、液滴粒径，同时保证较高的精确度和稳定性。本发明的技术方案如下：

一种基于模糊PID的微雾发生装置控制方法，所采用的控制系统包括控制器、反渗透水处理器(1)、储水池(4)、入水控制电磁阀(2)、液位仪(3)、恒温电加热控制器(12)、液压隔膜计量泵(15)和高压微细喷嘴(11)，其中，

经过反渗透水处理器(1)处理水通过入水控制电磁阀(2)进入储水池(3)，控制器根据液位仪(3)输入的对储水池(3)的液位监测信号调节入水口电磁阀(2)的开断，使得储水池(4)的水位保持在正常范围内；

储水池(4)的出口连通恒温电加热控制器(12)，从恒温电加热控制器(12)出来的水通过三通合流阀(13)与旁通水路的常温水合流，合流的水经过液压隔膜计量泵(15)后压力被抬升；

在三通合流阀(13)与液压隔膜计量泵(15)之间设置有温度传感器(14)，控制器根据温度传感器(14)的输入信号通过对三通合流阀(13)冷热两端开合比例的不同实现水温的控制；

液压隔膜计量泵(15)将管路中的压力抬升至足够的压力，其出口是高压管路，在高压管路中配置有脉动阻尼器(6)，经过脉动阻尼器(6)的高压水在到达高压微细喷嘴(11)之前通过压力表(7)和压力变送器(8)实现压力监测，脉动阻尼器(6)通过用于泄压保护的安全阀(5)与储水池(4)相连；在高压管路后端依次连接高压电磁阀(9)、单向止回阀(10)以及高压微细喷嘴(11)，所述的微雾发生装置还包含变频器和电机，控制器通过变频器控制电机的转速，从而改变液压隔膜计量泵(15)柱塞的往复频率实现流量控制。

流量控制的控制方式为：流量控制采用前馈—反馈控制方式，电机的频率为被控量；管路内部压力变化是主要扰动，通过压力表获取管路压力信息，进行前馈控制；根据液压隔膜计量泵的流量和转速成线性关系，通过对电机转速的监测转化为流量信息，实现流量的反馈控制。

温度控制采用前馈—反馈控制，管路水的温度是被控量，管路流量变化为主要扰动，控制器根据液压隔膜计量泵的电机转速得到的流量信息，调节三通合流阀开度比例，实现管路水温度的前馈控制；控制器根据温度传感器(14)输入的温度信号，采用模糊PID调节方式调节三通合流阀开度比例，进行管路水温度的反馈控制。

综上所述，本发明的微雾发生装置控制方法，具有以下有点：

1.反渗透水处理，净化能力强，过滤能力达0.0001m，避免对细微喷嘴形成堵塞；

2.采用液压隔膜计量泵作为流量调节对象，计量精度高，稳定性精度可达0.32％，最高压力可达124Bar，能够实现更大流量、更细微雾粒喷雾要求；

3.针对现有高压微雾装置无法改变系统温度的现状，增加温度调节功能，从而加快蒸发，同时有效提高蒸发效率，提升蒸发效果；

4.采用恒温冷、热水合流方式，通过调节合流阀两个入口开度比例调节水温，从而避免了现阶段加热滞后问题，提高了温度调节的快速性；

5.系统流量、温度调节采用前馈-反馈控制结构，对干扰量能够快速补偿，又能通过反馈控制进行精确调节，针对不同时域、多参数问题，系统采用模糊PID控制策略，有效提高系统的鲁棒性；

6.高压电磁阀、单向止回阀、不同型号和数量喷嘴组的结构形式能够满足不同雾粒大小、不同流量的多种喷雾场合，增大了应用的范围。

附图说明

图1为微雾发生装置系统工艺流程图

图2为流量及温度控制系统原理示意图

图3为流量及温度控制系统框图

图4系统模糊PID控制原理图

具体实施方式

为了能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

参见图1，加湿量自动调节的微雾发生装置包含反渗透水处理器1、入水控制电磁阀2、液位仪3、储水池4，通过液位仪3对水位的精确监测，通过控制器自动调节入水口电磁阀2的开断使得水位保持在正常范围内，当液位低于安全警戒水位时，系统停止工作并发出声光报警。储水池的出口连通恒温电加热控制器12，通过三通合流阀13与旁通水路的常温水合流，根据合流阀13冷热两端开合比例的不同实现水温的控制。水的温度可以通过温度传感器14进行监测。液压隔膜计量泵15既可以进行精确的计量，也可以将管路中的压力抬升至足够的压力。液压隔膜计量泵15的出口是高压管路，由于计量泵在运行过程中会产生较明显的脉动，因此在高压管路中配置一个脉动阻尼器6，具有缓冲作用，可以有效减小管路中的水纹脉动。为了保证管路安全，必须使管路中的压力在使用安全范围内，可以通过压力表7和压力变送器8实现压力监测。当压力过高时，系统有机械式的泄压保护措施，由安全阀5完成。高压管路后端接的是高压电磁阀9、单向止回阀10以及高压微细喷嘴11，高压喷嘴分为旋流式和撞针式，两种喷嘴喷雾的雾粒大小不同，可根据加湿要求选择不同的喷嘴型号。加湿量自动调节的微雾发生装置还包含变频器和电机，变频器通过变频输出方式控制电机的转速，从而改变计量泵柱塞的往复频率实现流量控制。系统的控制由PLC控制系统完成。具体流量、温度控制如下：

参见图2，计量泵是往复式容积式泵，只要柱塞的行程固定，则每次做往复运动的流量是固定的。泵由电机驱动，只要精确控制电机的转速就可以实现流量的精确控制。系统的流量可以通过对电机的转速测量计算，进行参数转化得到。在高压管路中，由于存在比较明显的流量脉动，因此，管道压力的变化会对流量产生比较大的干扰，对此干扰进行前馈控制。综上所述，系统中的流量控制采用前馈—反馈控制。前馈控制能够对系统快速调节，而反馈控制能降低前馈补偿器的要求，同时提高控制精确度。

主回路上的水通过恒温电加热控制器实现温度的提高并且维持在一定温度，系统的温度调节则通过调节三通合流阀冷、热两端入口的比例实现。为了调节和维持管路中的水温，在管路中设置有一个带数显的温度变送器TC，可以完成温度单回路反馈控制。由于水温受水流的影响较大，下游用水量发生变化时，对系统内部的水温形成较大的干扰，温度随即会偏离设定值。控制器接受流量变化信号FT，运算后改变合流阀的冷、热两端开合比例，从而改变冷热水的混合量，实现系统的温度控制TC。依上所述，采用前馈—反馈控制结构对系统水温实现控制。

参见图4，在流量、温度控制回路中，R₁(s)为系统流量设定值，G_c1(s)为流量控制器，G_ff1(s)为流量前馈控制器，D₁(s)为管路压力扰动，G_p1(s)为流量控制输出量，Y₁(s)为流量输出，H₁(s)为流量反馈，通过计量泵转速的测量间接得出。前馈信号存在于反馈控制器之后，在扰动的作用下，系统的输出为：

Y₁(s)＝G_d1(s)D₁(s)+G_ff1(s)G_p1D₁(s)-H₁(s)G_c1(s)G_p1Y₁(s)

则输出流量对压力扰动的闭环传递函数为

$\frac{Y_1\left(s\right)}{D_1\left(s\right)}=\frac{G_{d1}\left(s\right)+G_{ff1}\left(s\right)G_{p1}}{1+H_1\left(s\right)G_{c1}\left(s\right)G_{p1}}.$

R₂(s)为系统温度设定值，G_c2(s)为温度控制器，G_ff2(s)为温度前馈控制器，G_p2(s)为温度控制输出量，Y₂(s)为温度输出，H₂(s)为温度反馈。由于流量对温度控制形成干扰，因此温度控制系统框图中，流量输出即为温度控制的扰动输入。扰动同样存在于反馈控制器之后，在扰动作用下，系统的输出为：

Y₂(s)＝G_d2(s)Y₁(s)+G_ff2(s)G_p1Y₁(s)-H₂(s)G_c2(s)G_p2Y₂(s)

则输出温度对流量扰动的闭环传递函数为

$\frac{Y_2\left(s\right)}{Y_1\left(s\right)}=\frac{G_{d2}\left(s\right)+G_{ff2}\left(s\right)G_{p2}}{1+H_2\left(s\right)G_{c2}\left(s\right)G_{p2}}.$

参见图4，计量泵的精确控制取决于电机的恒速运行，管道内部压力变化存在非线性和不确定性，因此控制器采用普通的PID很难实现稳定流量控制。针对被控对象的众多扰动因素和控制器的高性能要求，本系统在传统增量式PID控制基础上，结合模糊控制策略，采用模糊控制方式，提高系统的鲁棒性。当系统误差比较大时，控制器需要做到能够快速跟踪；而在偏差比较小时，控制器又需要实现电机精确控制从而实现流量的稳定、精确控制。由于这两个控制要求不在同一时域，如果单纯追求快速追踪，则在偏差小时容易振荡、超调；反之，如果单纯追求控制的精确度，则会牺牲比较大的控制时间，无法满足快速、准确的要求。模糊PID控制系统结构中，r₁(k)表示被控电机目标转速，y₁(k)表示被控电机实际转速输出，e(k)表示r₁(k)和y₁(k)之间的差值，u(k)表示模糊控制器的输出控制量，则本控制器中的控制变化量为：

Δu(k)＝u(k)-u(k-1)＝(K_p+K_i+K_d)e(k)+(-K_p-2K_d)e(k-1)+K_de(k-2)

只与最近三次的采样值有关，不需关联过去的整个状态，提高了控制的可靠性和稳定性。现对模糊PID控制器及其参数整定进行介绍。

模糊PID控制器的控制参数可以根据模糊规则来推理，属于二维控制器。其输入为系统的流量设定值与实际值的偏差e和流量偏差的变化率Δe，输出为比例、积分、微分参数作用的大小ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d。其整定过程为，先找出传统增量式PID参数与e和Δe的模糊关系，不停的进行测试完善该模糊关系，同时再根据这个模糊关系对ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d三个参数进行在线整定，输入PID控制器中对参数进行修正，获取新的K_p、K_i、K_d。本系统的输入、输出变量语言值为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，即负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。偏差e和偏差变化率Δe的论域取[-3，3]，ΔK_p的论域取[-0.3，0.3]，ΔK_i的论域取[-0.06，0.06]、ΔK_d的论域取[-3，3]。由此方法整定出来的PID控制参数能够实现快速、稳定的控制作用，有效提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的控制性能。

上述具体实施方式是对本发明的装置结构和控制策略等的技术方案进行详细解释，本发明不仅仅局限于上述实施例程，对于本领域一般技术人员而言，依上述原理和精神在本发明基础上改进、代替，都属于在本发明的保护范围内。