基于模糊自適應PID的紡織廠溫濕度控制系統

摘要：文章針對紡織空調具有非線性、時變、大慣性、純滯后、多干擾和強耦合等特性，以阿克蘇巨鷹紡織廠為例，提出了模糊自適應PID溫濕度控制系統。該系統采用串級控制、分程調節，將模糊控制算法融入PID調節器，用于控制細紗車間的溫度和濕度。

關鍵詞：紡織空調；模糊PID；溫濕度控制；串級控制；分程調節

中圖分類號：TS108 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0051-04

棉花品質是獲得高質量棉紗的基礎，先進的棉紡生產工藝和溫濕度控制系統則是獲得高質量棉紗的技術保障。在不同的溫濕度條件下，棉纖維的物理特性和機械特性（如回潮率、強力、伸長度、柔軟性及導電性等）都會產生不同程度的變化。棉紡工藝從清棉、梳棉、并條、細紗到絡筒，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的人工調節，往往造成滯后現象嚴重，溫濕度大范圍波動，調節精度達不到要求。紡織廠空調系統的控制性能差、能耗高始終是制約企業發展的重要因素，也是企業亟待解決的難點之一。

本文以阿克蘇巨鷹紡織廠為例，將模糊控制算法融入PID調節器形成模糊自適應PID控制器，用于細紗車間空調系統，不僅可以實時準確控制車間溫濕度，而且可以節約能源，減少工人勞動強度，從而在動態變化的外界環境和內部負荷條件下，保證系統穩定運行，并以最小的代價（能耗）滿足工藝對溫濕度和環境舒適性的要求。

1 紡織廠空氣調節過程

紡織廠空氣調節的基本方法是采用空調室送風系統。根據送風系統對空氣進行處理的方式不同，一般采用直接接觸式和表面式兩種方式，目前國內外紡織廠多數都是采用直接接觸式，即在空調室內進行噴水，如圖1所示。

2 控制系統的組成

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

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

其中，TS表示設定溫度值，HS表示設定濕度值，TC表示實際溫度，HC表示實際濕度；前級執行機構包括執行溫度控制器指令的變頻器、風機、調節閥等執行器；后級執行機構包括執行濕度控制器指令的變頻器、水泵、調節閥等。溫度控制器為模糊自適應PID控制器。

3 模糊PID控制器的設計

模糊自適應PID控制就是根據模糊數學的基本理論和方法，用模糊集表示規則的條件、操作，并將這些規則及相關信息存入計算機知識庫中，然后計算機根據系統的響應，運用模糊推理，自動完成PID參數的調整。

首先確定語言變量、語言值和隸屬度函數，本文涉及的模糊控制器有兩個輸入信號和一個輸出信號。輸入語言變量之一，記為e，是給定溫度r與實際溫度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，經模糊化后變量e變為E，偏差變化率ec變為EC；輸出語言變量為PID參數ΔKp、ΔKi、ΔKd。輸入語言變量E的取值為{負大（NB），負中（NM），負小（NS），零（ZE），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}。

模糊自適應PID參數的整定就是在PID算法的基礎上，找出KP、Ki、Kd3個參數與e和ec之間的模糊關系，在運行中不斷檢測e和ec，然后利用模糊規則對系統參數進行模糊推理，查詢模糊矩陣表，對PID三個參數進行調整。

4 PLC模糊控制器的設計

模糊控制器的輸入為細紗車間的溫濕度設定值與測量值的誤差e1，e2及誤差變化率ec1，ec2，輸出為細紗車間的風機轉速和水泵閥門開度U1，U2，其中溫度和濕度控制規律相似，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。根據前面的知識給出變量E的賦值如表2所示。

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

根據模糊規則表取定的每一條模糊條件語句，就可以計算出相應的模糊控制量U，如表4所示，然后根據最大隸屬度法得出實際控制量u，經D/A轉換后去控制變頻器的頻率。

模糊控制算法在PLC中實現，首先利用A/D模塊將輸入量采集到PLC的DB數據區，經過限幅量化處理后，根據它們所對應的輸入模糊論域中的相應元素，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際輸出量u，由D/A模塊輸出對變頻器頻率進行控制。

5 結語

基于模糊PID的紡織廠溫濕度控制系統，利用模糊控制理論和PID控制技術構成的自適應模糊PID控制算法，能實時地整定PID控制參數，能夠根據棉紡車間內溫度的變化很好地控制風機和水泵的轉速，實時控制車間溫濕度，使其保持恒定，從而確保棉紗質量和工人的身體健康。運行表明：該控制系統能有效地控制被控對象的運行狀態，具有控制精度高、穩定性好等特點，在棉紡織行業具有一定的使用和推廣價值。

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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有限責任公司工程師，研究方向：紡織機電技術；高玉萍（1966—），女，河南濮陽人，新疆阿克蘇職業技術學院副教授，研究方向：機電一體化技術及紡織廠環境控制。