一种博物馆大型展柜微环境湿度级联控制方法与流程

本发明涉及博物馆展柜微环境湿度控制技术领域，尤其涉及一种博物馆大型展柜微环境湿度级联控制方法。

背景技术：

在博物馆文物保存中，湿度是一个重要的影响因素，不同的文物需要不同的湿度环境，目前市场上已有一些湿度调控能力在3m³左右的小型恒湿机，可以起到检测、调节文物展柜内湿度的作用，使小型展柜内的文物得到合适的湿度环境。但是，对于体积v≥10m³的大型展柜来说，一方面，采用一台小型恒湿机调控能力有限，无法使大型展柜内的湿度快速到达目标值；另一方面，针对一台小型恒湿机所配备的一只恒湿机湿度传感器，其无法准确反映出大型展柜内的空间湿度值。

为解决上述问题，需要在大型展柜内安装多台小型恒湿机，多点测量和控制大型展柜内的湿度，但若多台小型恒湿机相互独立工作，则无法综合评判展柜内所处的湿度环境，也会使每台恒湿机的数据处理过于繁琐，同时增加恒湿机与微环境智能监控平台之间的通讯负担。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种博物馆大型展柜微环境湿度级联控制方法，以期通过准确的测量和控制算法控制多台小型恒湿机工作，克服博物馆大型展柜中湿度无法准确评判、湿度调控不合理，湿度分布不均的问题，并满足不同形状、不同体积的大型展柜的控湿需求。

本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种博物馆大型展柜微环境湿度级联控制方法的特点是：

将展柜利用下部平台分隔为上层空间和下层空间，所述上层空间为文物展示区，所述下层空间为设备区，在所述文物展示区中、处在下部平台的位置设置用于放置文物的展示台；在所述设备区内设置有n台恒温机，每台恒湿机一一对应配置有恒湿机湿度传感器，分布在展示台的外围的各恒湿机湿度传感器设置在所述下部平台上，n≥2；所述湿度级联控制方法是用于控制文物展示区内的湿度；

所述恒湿机包括加湿器件和除湿器件，利用恒湿机中的湿度控制器分别控制加湿器件和除湿器件使恒湿机处于加湿状态或除湿状态；所述湿度级联控制方法按如下步骤进行：

步骤1、确定权重系数

在展示台上放置一模拟文物，所述模拟文物与文物具有相同的外部形状；在文物展示区中、围绕模拟文物，且与所述模拟文物相距0.5m的位置处设置各空间湿度传感器，共计m只空间湿度传感器，m≥2；

使用恒湿机改变文物展示区内的湿度，使其湿度处于[30％rh，70％rh]内，以5％rh为梯度，将[30％rh，70％rh]分为8个区间段；利用m只空间湿度传感器和n只恒湿机湿度传感器测得v组湿度数据，v>n，且在每个区间段内均测得至少一组数据；利用式(1)建立回归方程，并计算获得所述回归方程中的回归系数p0和pi，所述回归系数pi即为第i台恒湿机的恒湿机湿度传感器的权重系数；

为第j组湿度数据中所有m只空间湿度传感器检测的平均湿度值，

为第j组湿度数据中第i台恒湿机的恒湿机湿度传感器的湿度检测值，

i∈[1,n]，j∈[1,v]；

步骤2、根据式(2)计算获得t时刻下文物展示区内的湿度综合值h(t)，以所述湿度综合值h(t)表征文物展示区内的湿度值；

hi(t)为第i台恒湿机的恒湿机湿度传感器在t时刻下的湿度检测值；

步骤3、判断t时刻下各恒湿机的工作状态，并计算获得t时刻下各台恒湿机的控制量；

将所述湿度综合值h(t)与设定的文物展示区的目标湿度值为hgoal进行比较，按以下三种不同形式分别进行控制：

形式一：h(t)<hgoal，表明文物展示区需要加湿，利用增量式pid算法，通过式(3)计算获得t时刻下恒湿机的加湿基础控制量qup(t)：

qup(t)＝kp1×(l(t)-l(t-1))+ki1×l(t)+kd1×(l(t)-2l(t-1)+l(t-2))+qup(t-1)(3)，

式(3)中，kp1、ki1和kd1分别是经实验获得的加湿状态下pid控制的比例系数、积分系数和微分系数；l(t)表示t时刻下湿度综合值与目标湿度值之间的差值，l(t-1)表示t-1时刻下湿度综合值与目标湿度值之间的差值，l(t-2)表示t-2时刻下湿度综合值与目标湿度值之间的差值，qup(t-1)表示t-1时刻下恒湿机的加湿基础控制量；

将第i台恒湿机的恒湿机湿度传感器在t时刻下湿度检测值记为：hi(t)，若：hi(t)<hgoal，则利用式(4)计算获得第i台恒湿机中加湿器的加湿实际控制量uup,i(t)，

若：hi(t)≥hgoal，则将第i台恒湿机中加湿器的加湿实际控制量uup,i(t)设置为定值a0；

以所述加湿实际控制量uup,i(t)作为恒湿机t时刻的控制量；

形式二：h(t)>hgoal，表明文物展示区需要除湿，利用增量式pid算法，通过式(5)计算获得t时刻下恒湿机的除湿基础控制量qdown(t)：

qdown(t)＝kp2×(l(t)-l(t-1))+ki2×l(t)+kd2×(l(t)-2l(t-1)+l(t-2))+qdown(t-1)(5)，

式(5)中，kp2、ki2和kd2分别是经实验获得的除湿状态下pid控制的比例系数、积分系数和微分系数；qdown(t-1)表示t-1时刻下恒湿机的除湿基础控制量；

将第i台恒湿机的恒湿机湿度传感器在t时刻下湿度检测值记为hi(t)，

若：hi(t)>hgoal，则利用式(6)计算获得第i台恒湿机中除湿器的除湿实际控制量udown,i(t)，

若：hi(t)≤hgoal，则将第i台恒湿机中除湿器的除湿实际控制量udown,i(t)设置为定值b0，

以所述除湿实际控制量udown,i(t)作为恒湿机t时刻的控制量；

形式三：h(t)＝hgoal，各恒湿机维持前一时刻的控制量不变。

本发明博物馆大型展柜微环境湿度级联控制方法的特点也在于：所述n台恒湿机挂载在一条总线上，所述n台恒湿机中包括一台具有数据处理、有线通讯和无线通讯功能的恒湿机主机，其它n-1台恒湿机均设置为具有数据处理和有线通讯功能的恒湿机从机；所述恒湿机主机利用有线通讯功能获得每台恒湿机从机的湿度检测值hi(t)；利用所述恒湿机主机的数据处理功能进行数据处理，以获得湿度综合值h(t)、目标湿度值hgoal、加湿基础控制量qup(t)及除湿基础控制量qdown(t)，并通过有线通讯功能发送给各恒湿机从机；利用各恒湿机自身的数据处理功能进行数据处理，获得各恒湿机t时刻的控制量；利用所述恒湿机主机的无线通讯功能，将湿度综合值h(t)和各台恒湿机的实时工作状态发送给微环境智能监控平台，并接收微环境智能监控平台发送的目标湿度值hgoal。

恒湿机湿度传感器放置在文物展示区的下部平台上，整个文物展示区内的湿度存在不均匀性，因此，仅仅依靠位于文物展示区下部平台上的多只恒湿机湿度传感器依旧无法准确衡量整个空间的湿度；同时，由于文物展示区内湿度的不均匀性，每台恒湿机的控制量需要合理分配，以免造成文物展示区局部湿度超标或者不达标的情况，不利于文物的保存；与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明中的湿度级联控制方法，通过展柜内多台级联恒湿机的恒湿机湿度传感器检测的湿度值，计算出湿度综合值，经增量式pid控制算法计算出湿度控制器件的基础控制量，再根据基础控制量求出每台恒湿机湿度控制器件的控制量，实现多点调控展柜内湿度，使大型展柜中的文物获得合适的湿度环境。

2、本发明中的湿度级联控制方法，使用多只空间湿度传感器检测的平均湿度值对n台恒湿机的恒湿机湿度传感器进行权重系数求取，然后通过公式计算出湿度综合值，此湿度综合值可以准确反映大型展柜中的湿度，补偿由于大型展柜中湿度分布不均而导致湿度测量准确性低的情况。

3、本发明中的湿度级联控制方法，湿度控制器件的基础控制量采用增量式pid算法求取，具有精度高、鲁棒性强，实时性强的特点。

4、本发明中的湿度级联控制方法，各台恒湿机根据基础控制量对恒湿机的控制量进行合理调整，简化计算量，实现大型展柜的湿度均匀控制。

5、本发明中的湿度级联控制方法，采用一台恒湿机主机与微环境智能监控平台通讯，并使微环境智能监控平台可掌握n台恒湿机的实时工作状态，有效缓解了恒湿机与微环境智能监控平台之间的通讯负担。

6、本发明中的湿度级联控制方法，适用于不同形状、不同体积的大型展柜，也适用于不同数量的级联恒湿机结构。

附图说明

图1是本发明中博物馆大型展柜微环境湿度级联控制系统示意图；

图2是本发明中恒湿机湿度传感器分布示意图；

图3是本发明中空间湿度传感器分布示意图；

图4是本发明控制方法流程图；

图中标号：1文物展示区；2下部平台；3设备区；4文物；4a模拟文物；5展示台；6恒湿机湿度传感器；7恒湿机主机；8恒湿机从机；9微环境智能监控平台；10空间湿度传感器。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本实施例中设置博物馆大型展柜微环境湿度级联控制系统为：

将展柜利用下部平台2分隔为上层空间和下层空间，上层空间为文物展示区1，下层空间为设备区3，在文物展示区1中、处在下部平台2的位置设置用于放置文物4的展示台5；在设备区3内设置有n台恒温机，每台恒湿机一一对应配置有恒湿机湿度传感器6，分布在展示台5的外围的各恒湿机湿度传感器6设置在下部平台2上，n≥2。恒湿机包括加湿器件和除湿器件，利用恒湿机中的湿度控制器分别控制加湿器件和除湿器件使恒湿机处于加湿状态或除湿状态；本实施例中湿度级联控制方法是用于控制文物展示区1内的湿度。

参见图4，本实施例中湿度级联控制方法按如下步骤进行：

步骤1、确定权重系数

在展示台5上放置一模拟文物4a，模拟文物4a与文物4具有相同的外部形状；在文物展示区1中、围绕模拟文物4a，且与模拟文物4a相距0.5m的位置处设置各空间湿度传感器10，共计m只空间湿度传感器，m≥2。采用模拟文物可以在权重系数求取过程中避免对文物本身造成破坏。

在文物保护装备产业化及应用协同工作平台标准中明确：恒湿机的湿度调控范围需达到30％rh-70％rh，根据这一标准，本实施例中使用恒湿机改变文物展示区内的湿度，使其湿度处于[30％rh，70％rh]内，以5％rh为梯度，将[30％rh，70％rh]分为8个区间段，在每次测量时，使m只恒湿机湿度传感器的湿度检测值均处于同一区间，利用m只空间湿度传感器和n只恒湿机湿度传感器测得v组湿度数据，v>n，且在每个区间段内均测得至少一组数据，使权重系数求取过程覆盖整个湿度控制范围；利用式(1)建立回归方程，并计算获得所述回归方程中的回归系数p0和pi，回归系数pi即为第i台恒湿机的恒湿机湿度传感器的权重系数；

为第j组湿度数据中所有m只空间湿度传感器检测的平均湿度值，为第j组湿度数据中第i台恒湿机的恒湿机湿度传感器的湿度检测值，i∈[1,n]，j∈[1,v]。

步骤2、根据式(2)计算获得t时刻下文物展示区内的湿度综合值h(t)，以湿度综合值h(t)表征文物展示区内的湿度值；

hi(t)为第i台恒湿机的恒湿机湿度传感器在t时刻下的湿度检测值，该步骤由恒湿机主机7完成。

步骤3、判断t时刻下各恒湿机的工作状态，并计算获得t时刻下各台恒湿机的控制量；

将湿度综合值h(t)与设定的文物展示区的目标湿度值为hgoal进行比较，目标湿度值hgoal由微环境智能监控平台9向恒湿机主机7发送，按以下三种不同形式分别进行控制：

形式一：h(t)<hgoal，表明文物展示区需要加湿，利用增量式pid算法，通过式(3)计算获得t时刻下恒湿机的加湿基础控制量qup(t)，该过程由恒湿机主机7完成：

qup(t)＝kp1×(l(t)-l(t-1))+ki1×l(t)+kd1×(l(t)-2l(t-1)+l(t-2))+qup(t-1)(3)，

式(3)中，kp1、ki1和kd1分别是经实验获得的加湿状态下pid控制的比例系数、积分系数和微分系数；l(t)表示t时刻下湿度综合值与目标湿度值之间的差值，l(t-1)表示t-1时刻下湿度综合值与目标湿度值之间的差值，l(t-2)表示t-2时刻下湿度综合值与目标湿度值之间的差值，qup(t-1)表示t-1时刻下恒湿机的加湿基础控制量；

将第i台恒湿机的恒湿机湿度传感器在t时刻下湿度检测值记为：hi(t)；

恒湿机主机7将湿度综合值h(t)、目标湿度值hgoal、加湿基础控制量qup(t)发送给所有恒湿机从机8，各台恒湿机执行以下过程：

若：hi(t)<hgoal，则利用式(4)计算获得第i台恒湿机中加湿器的加湿实际控制量uup,i(t)，

若：hi(t)≥hgoal，则将第i台恒湿机中加湿器的加湿实际控制量uup,i(t)设置为定值a0；

以加湿实际控制量uup,i(t)作为恒湿机t时刻的控制量；

形式二：h(t)>hgoal，表明文物展示区需要除湿，利用增量式pid算法，通过式(5)计算获得t时刻下恒湿机的除湿基础控制量qdown(t)，该过程由恒湿机主机7完成：

qdown(t)＝kp2×(l(t)-l(t-1))+ki2×l(t)+kd2×(l(t)-2l(t-1)+l(t-2))+qdown(t-1)(5)，

式(5)中，kp2、ki2和kd2分别是经实验获得的除湿状态下pid控制的比例系数、积分系数和微分系数；qdown(t-1)表示t-1时刻下恒湿机的除湿基础控制量；

将第i台恒湿机的恒湿机湿度传感器在t时刻下湿度检测值记为hi(t)；

恒湿机主机7将湿度综合值h(t)、目标湿度值hgoal、除湿基础控制量qdown(t)发送给所有恒湿机从机8，各台恒湿机执行以下过程：

若：hi(t)>hgoal，则利用式(6)计算获得第i台恒湿机中除湿器的除湿实际控制量udown,i(t)，

若：hi(t)≤hgoal，则将第i台恒湿机中除湿器的除湿实际控制量udown,i(t)设置为定值b0，

以除湿实际控制量udown,i(t)作为恒湿机t时刻的控制量；

形式三：h(t)＝hgoal，各恒湿机维持前一时刻的控制量不变。

具体实施中，n台恒湿机挂载在一条总线上，n台恒湿机中包括一台具有数据处理、有线通讯和无线通讯功能的恒湿机主机7，其它n-1台恒湿机均设置为具有数据处理和有线通讯功能的恒湿机从机8；恒湿机主机7利用有线通讯功能，获得每台恒湿机从机8的湿度检测值hi(t)；利用恒湿机主机7的数据处理功能进行数据处理，以获得湿度综合值h(t)、目标湿度值hgoal、加湿基础控制量qup(t)和除湿基础控制量qdown(t)，并通过有线通讯功能发送给各恒湿机从机8；利用各恒湿机自身的数据处理功能进行数据处理，获得各恒湿机t时刻的控制量；利用恒湿机主机7的无线通讯功能，将湿度综合值h(t)和各台恒湿机的实时工作状态发送给微环境智能监控平台9，并接收微环境智能监控平台9发送的目标湿度值hgoal。

本实施例中恒湿机设置为八台，八台恒湿机挂载在一条rs485总线上，八台恒湿机中包括一台具有数据处理、rs485有线通讯和无线通讯功能的恒湿机主机7和七台具有数据处理和有线通讯功能的恒湿机从机8；恒湿机主机首先利用rs485有线通讯功能获得七台恒湿机从机8在t时刻下的湿度检测值hi(t)；之后恒湿机主机7利用式(2)进行计算，获得t时刻下文物展示区内的湿度综合值h(t)；由恒湿机主机7判断文物展示区1在t时刻下的状态，若为加湿状态，则依据式(3)计算获得加湿基础控制量qup(t)，并将湿度综合值h(t)、目标湿度值hgoal和加湿基础控制量qup(t)通过rs485总线发送给七台恒湿机从机，一台恒湿机主机和七台恒湿机从机根据由式(4)计算获得的各自加湿器的加湿实际控制量uup,i(t)作为t时刻的控制量；除湿状态同理；若此时文物展示区既不需要加湿也不需要除湿，则此时各台恒湿机不需要重新计算各自的控制量，维持前一时刻不变。恒湿机主机7的无线通讯功能可以用于接收微环境智能监控平台9发送的目标湿度值hgoal，并能将文物展示区在t时刻下的湿度综合值h(t)和各台恒湿机在t时刻下的实时工作状态发送给微环境智能监控平台，便于微环境智能监控平台的实时监控。