基于PID控制的空调系统温湿度控制
摘 要
针对汽车涂装车间喷漆室空调温湿度控制精度高且需持续稳定的要求，本文提出了一种基于PID的温湿度控制方法。首先，根据焓湿图，将空调系统全年空气状态分成7个区。其次，根据实时温湿度值，调用相应的PID控制策略。这样，多模型之间要经常切换，就存在温湿度的波动、阀门切换动作频繁两个问题。针对这两个问题，分别采取了对应措施，保证了多模型之间的平稳过渡。然后，详细描述系统程序的设计过程。最后，通过现场试验，验证温度约110s进入稳态，稳态误差保持在±0.5℃以内，湿度约150s进入稳态，稳态误差保持在±1%以内，远优于系统的设计要求。
【关键词】PID控制 温湿度控制 焓湿图 空调系统
随着汽车业的竞争日趋激烈，提高车体的漆膜质量、增加漆膜质量的稳定性已成为各企业重点研究的课题之一。影响漆膜质量的因素较多，其中使喷漆室始终处于一个稳定的温湿度环境是保证漆膜质量的重要因素之一。由于喷漆室内温度与湿度之间存在交叉耦合情况，即温度控制会引起湿度变化，湿度控制也会引起温度变化；并且，喷漆室空调的进风方式为全新自然风，受外界天气影响很大，不容易控制。因此，涂装车间喷漆室的温湿度控制是一种非线性的、滞后的、时变的复杂过程，这种系统如果采用传统的仪表控制显然是不合适的。针对涂装车间喷漆室空调温湿度控制精度高且需持续稳定的要求，本文提出了一种基于PID的温湿度控制方法。
1 系统结构
涂装车间喷漆室空调系统主要由空调箱体、风机、冷盘管、热盘管、送风机构和加湿装置等组成，各部件由管网彼此联系在一起。空调温湿度的控制系统主要分为四个控制段，分别为一次加热段、表冷段、喷淋段、二次加热段，每个部件具有各自的特性，因此可以将其看为是一个个子系统，在约束条件给定后，一个输入对应一个输出。一般可由质能平衡的角度去描述部件的特性。进入表冷段和加热段的冷水量和热水量分别由他们各自管路上的冷、热水阀来控制，而进入喷淋段的水喷淋量则由调节喷林泵的变频器的输出频率来实现。系统结构如图1所示。
2 系统总体方案设计
2.1 系统功能及设计要求
系统能够实现对涂装车间喷漆室空调温湿度的实时采集，利用LCD液晶显示屏显示，经过数据分析处理后，控制升温、降温、加湿或除湿设备，实现对环境的监测和控制。要求温度控制精度为±1℃，相对湿度精度为±5%，基本达到恒温恒湿控制。在整个控制过程中要兼顾温湿度控制的快速性和稳定性，即从空调开机开始到温湿度达到控制目标，确保在30分钟之内完成。而且，基于PID的控制算法能够随季节变换而实现自动切换，提高设备的适应性，减少人工参与。
2.2 系统模块组成
系统由温湿度PID控制模块、温湿度数据采集模块、PLC数据传递模块、上位机模块、温湿度调节执行模块、液晶显示模块和报警模块等组成，如图2所示。
2.3 系统工作原理
温湿度信号由安装在喷漆室滤网上部的温湿度传感器检测得出，然后被转换成4～20mA电流信号后输入PLC数据传递模块。PLC数据传递模块是利用其OPC客户端程序来完成与温湿度PID控制模块和上位机模块的对接。PLC数据传递模块将温湿度当前值和设定值，以及KP、KI、KD等参数值输入温湿度PID控制模块，控制模块根据输入的这些值通过运算输出控制百分比，再由PLC数据传递模块将控制百分比转换成4～20mA电流信号分别来控制相应的上位机模块和温湿度调节执行模块。最后将输出分成加热、制冷或加湿信号，来分别控制热水阀、冷水阀和加湿泵变频器的开度，从而实现了对喷漆室温湿度的控制。实时温湿度可以通过LCD液晶屏显示出来，如果其值超出最大偏差值时，系统将启动报警功能，表示环境温湿度已经超过设备稳定工作的温湿度范围，该系统已经不能满足对此环境温湿度的调节，需要进行相应的人工应急处理。
3 系统控制方案设计
3.1 温湿度分区控制
对空调系统全年空气状态进行分区，并基于不同的分区对空调设备进行控制。焓值是一种能量的单位，代表的是一定容积量空气中含的水分和温度的综合量，是空气温度和湿度大小的综合衡量单位，其值的大小完全只由温度和湿度决定。所以，基于空气焓湿图，将焓湿图分为7个区域（目标区域除外），如图3所示，处于某一区域的室外空气状态，需经过与该区相对应的控制模式进行空气处理，并使其达到最终的控制目标。图3中，横坐标为空气含湿量d，纵坐标为温度t，斜线为等焓线h，包络线为等湿度线，每个区代表不同的环境温湿度状态，用以明确空调系统进风温湿度状态与调控目标之间的关系，由点1、点2、点3、点4组成的菱形区域为控制目标区，要先根据目标温湿度的设定范围计算出该区边界。
具体分区方法及判别条件：
3.1.1 菱形区域条件
当入口空气温湿度满足设定范围，即tn=25±0.5℃、φn=50%±2.5%时。
3.1.2 1区条件
当入口焓值hin小于焓值hd时。
3.1.3 2区条件
当入口焓值hin大于焓值hd，且小于焓值hl；空气含湿量小于点1含湿量d1时。
3.1.4 3区条件
入口焓值hin大于焓值hl，且小于焓值hx；入口温度tin大于设定温度tn+0.5，入口湿度φin大于设定湿度φn+3。
3.1.5 4区条件
入口焓值hin大于焓值hd，且小于焓值hx；入口温度tin小于设定温度tn-0.5；入口湿度φin大于设定湿度φn-3；入口空气含湿量din大于点1含湿量dl时，且小于点3含湿量d3时。
3.1.6 5区条件
入口焓值hin大于焓值hx，且入口空气含湿量din大于点1含湿量d1时。
3.1.7 6区条件
入口焓值hin大于焓值hx，且入口空气含湿量din小于点1含湿量d1时。
3.1.8 7区条件
入口焓值hin小于焓值hx，且入口空气含湿量din大于点3含湿量d3时，且入口温度tin小于设定温度tn-0.5时。
根据图3中标识情况，点1的参数为（tn-0.5，φn-3%），点2的参数为（tn+0.5，φn-3%），点3的参数为（tn+0.5，φn+3%），点4的参数为（tn-0.5，φn+3%）。d点的含湿量与点1的含湿量相同，hl和点1的焓值相同，hx和点3的焓值相同。
3.2 多模型切换平稳控制
为了保证多模型之间的平稳过渡，利用焓湿图分区控制，当环境的温湿度变换分区时，系统会切换不同的阀门控制组合，有二个问题必须加以解决。
（1）切换时会有阀门关闭退出工作，也会有阀门启动工作，这样就会导致温湿度的波动。
针对这个问题，控制程序采用了递减退出方案，即对于新分区中要关闭的阀门，按当前开度按一定速度逐渐关闭（比如每控制周期开度减1，直到开度为0），新开的冷门按正常的温湿度控制即可。
（2）当环境温湿度刚好处理分区边界附近时，由于传感器的原因，会造成在一段时间内，控制分区会在二个分区间来回摆动，导致阀门切换动作频繁。
针对这个问题，采用延时切入，即当系统检测到分区切换时启动一个计数和分区标记，如果计数未到又回到原分区，则计数清零，如果计数值到表示稳定进入了新环境分区，则启动新的分区控制方案，并刷新标记。
3.3 程序设计
系统程序设计包括系统初始化程序、温湿度的采集程序、温湿度判断程序、PID控制程序、PLC数据传递程序、液晶模块显示程序、报警程序等。程序流程如图4所示。
3.3.1 主控程序设计
主控程序用于控制空调系统按设定的温湿度工作，包括按照入风温湿度自动分区切换控制阀门的功能，其界面如图5所示。
（1）连接PLC的功能
程序连接PLC的OPC服务器所用的item名称是通过OPC测试程序写入注册表的。点击“连接OPC”按钮即可连接，通过OnBtConnetOpc函数完成。
（2）温湿度控制
点击“开始控制”按钮（OnBtStartControl函数），控制开始，其中的InitPIDparamate函数用于初始化变量，包括PID控制所用参数、变量和界面上的设定数据。
（3）函数调用
ReadData（）函数用于读取PLC的温湿度，其中湿度转为0到1的百分小数。ReadOPC2（）是为了从PLC读取设定的湿度，以PLC的设定为准。GetPannalParameter（）是从界面读取设置的PID参数等数值。GetMode（）是计算分区的函数。PIDControl （m_LastMode， T_in， Wet_in）；就是按分区选择阀门，调用各自的PID参数，计算各阀门的开度。
3.3.2 PID参数整定程序设计
开发的PID参数整定程序采用临界比例整定法，该程序可以通过单阀整定功能，确定单个阀门对温湿度闭环PID控制的参数；同时该程序还可以使用整定好的参数对单个阀门或双阀门联调进行测试，以检验PID参数的运行效果，并可以通过手动调整以满足工作现场的特殊要求。PID整定程序界面如图6所示。经测试，使用上述方法整定出的PID参数不受季节变化的影响。
4 试验验证
本文算法与控制程序，在某汽车制造厂涂装车间做了设备运行试验。该厂涂装车间共有16台空调机组，其中4台带有二次加热装置，用于喷漆室温湿度控制，其他为车间送风空调，由于企业正在生产中，只有车间送风空调允许试验，本文试验对象为没有二次加热阀的空调机组，试验时间为冬季（1区，一次加热与喷淋同时工作）。图7为实测的一个温湿度控制试验结果，目标温度24℃、湿度55%，采样与控制周期为1s。温度约110s进入稳态，稳态误差保持在±0.5℃以内，湿度约150s进入稳态，稳态误差保持在±1%以内，远优于系统的设计要求：温度小于±1℃，湿度小于±5%，30min进入稳态响应。
5 结论
本文设计的汽车涂装车间喷漆室空调温湿度PID控制方法，适用于一年四季不同的空气状态，在扰动随机变化的情况下，可以较好地将温湿度迅速稳定在目标值附近，避免了电动阀执行机构的频繁动作，减小了电动执行机构的能量消耗，延长了其使用寿命。
参考文献
[1]张川，曲银燕，马力.涂装工艺空调设计与控制若干问题分析[J].上海涂料， 2009（4）：41-44.
[2]马利英.洁净空调自控系统温湿度解耦控制研究[D].西安：西安建筑科技大学，2008.
[3]叶宇程，赵旭辉.应用焓值分析的车间温湿度分区控制[J].河南科技大学学报（自然科学版），2014，35（4）：64-67.
[4]付主木，高爱云，费树岷等.集装箱桥吊多模型参考切换双闭环防摇控制[J].机械工程学报，2011，47（23）：161-166.
[5]赵嘉庆，季福坤.基于STC12C5620AD单片机温湿度控制系统设计[J].国外电子测量技术，2014，33（12）：31-34.
[6]覃振，罗祖宪.涂装车间喷房温湿度控制[J].自动化博览，2010（8）：106-110.