一种VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法

一种vocs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法
技术领域
1.本发明涉及气候室温湿度控制技术领域，具体涉及一种vocs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法。


背景技术：

2.挥发性有机化合物(volatile organic compounds, vocs)是影响环境空气质量的主要因素，严重威胁人类健康，己经被国际癌症研究机构确定为类致癌物质。目前，vocs释放量气候室检测法被行政执法、检验机构和相关生产企业所接受和认可，并逐渐主导未来检测vocs释放量的发展方向。
3.气候室内温湿度的精确控制是实现vocs释放量检测的关键。
4.已有气候室控制方法多采用pid控制，如文献1，申请号为201810966286.7、名称为“一种自动调节气候室湿度的控制方法”的发明专利，提出了一种30m3气候室温湿度智能前馈pid控制方法，该类方法均没有精确考虑气候室温湿度控制中非线性因素，因此很难实现温湿度的精确控制。
5.有的气候室控制方法虽然考虑了温湿度控制中非线性因素，但具体控制过程中是将非线性模型简化为线性模型或直接建立线性模型，然后对线性模型进行控制器设计，并非真正的非线性控制。如文献2，名称为“基于模糊滑模变结构算法的大气候室控制研究”的博士学位论文，建立了气候室的非线性数学模型，并进行局部精确线性化，进而进行了模糊控制器设计。如文献3，名称为“人造板制品甲醛释放量检测用气候室高精度控制方法研究”的博士学位论文，建立了气候室的非线性数学模型，并分别利用精确反馈线性化、控制和状态观测器，提出了气候室温湿度控制方法。上述方法是将非线性模型进行线性化后，再进行控制器设计，而没有针对非线性模型直接进行控制设计，由于气候室模型不满足严格反馈结构，且温湿度之间具有强耦合的特点，难以利用backstepping（反步）方法设计非线性控制器。
6.另外，文献2中的模糊控制器，其计算量会随着模糊逻辑规则的增加按指数规律增大，因此，当模糊规则较多时，容易造成计算爆炸；模糊规则较少时，近似的效果会变的较差。
7.上述现有技术中对气候室内温湿度的控制方法中均是将控温水箱和露点湿度发生器内水的质量假当作恒定值，而在气候室温湿度的实际控制过程中，上述容器内水的质量是随时间而变化的，如随着加湿过程的进行，露点湿度发生器内水的质量会不断减少等。因此，忽略水的质量变化也会对温湿度控制效果产生不利影响。
8.上述现有技术中对气候室内温湿度的控制方法中均未考虑控温水箱和露点湿度发生器内的加热制冷装置的输出功率变化问题，随着使用时间过久或水垢积累等问题，控温水箱和露点湿度发生器内的加热制冷装置的输出功率会出现不同程度的降低，忽略该因素也会对温湿度控制效果产生不利影响。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是弥补现有技术的不足，提供一种vocs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法。
10.要解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种vocs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，包括如下步骤：步骤a1：通过控制系统的数据输入模块设定气候室的理想湿度值和理想温度值；步骤a2：控制系统的数据输入模块通过湿度传感器获得气候室中的湿度，通过第一温度传感器获得气候室中的温度；通过第二温度传感器获得控温水箱内的水温；通过第八温度传感器获得露点湿度发生器内的水温；通过第四温度传感器获得环境温度；通过第三温度传感器获得气候室的外表面温度；通过第五温度传感器获得检测室内的温度；通过第六温度传感器获得空气压缩机内的实时温度，通过计算后获得，为空气压缩机内的实时温度与初始温度之差；通过第七温度传感器获得露点湿度发生器入风口的初始空气温度；步骤a3：数据输入模块将所采集数据发送至控制器，控制器对数据处理之后将处理结果发送至数据输出模块，数据输出模块输出第一控制信号给控温水箱中第一加热/制冷装置，数据输出模块输出第二控制信号给露点湿度发生器中第二加热/制冷装置；第一加热/制冷装置通过第一控制信号控制控温水箱内的水温，第二加热/制冷装置通过第二控制信号控制露点湿度发生器内的水温；步骤四：重复步骤a2～步骤a3，致使，；所述控制器处理数据所依据的控制模型为：其中，
是空气压缩机送新风温度的时间常数，是拟合系数，是控温水箱中第一加热/制冷装置的制冷时间常数，是露点湿度发生器中第二加热/制冷装置的制冷时间常数；是水的比热容，是控温水箱的水泵速度，是水的密度，是气候室的容积，是等容比热容，是气候室的换气比，是空气与气候室表面之间的传热系数，是气候室外表面的面积，是经验参数，是控温水箱内水的质量，是露点湿度发生器内水的质量，是控温水箱与空气之间的传热系数，是露点湿度发生器与空气之间的传热系数，是控温水箱与空气之间的传热接触面积，是露点湿度发生器与空气之间的传热接触面积，是控温水箱中第一加热/制冷装置的制冷增益，是露点湿度发生器中第二加热/制冷装置的制冷增益，是控温水箱蒸发温度的经验值，是露点湿度发生器蒸发温度的经验值；表示控温水箱中第一加热/制冷装置的失效程度，表示露点湿度发生器中第二加热/制冷装置的失效程度，和的取值范围是[0,1]，取0时，表示装置完全失效，取1时，表示装置正常工作，取（0，1）时，表示部分失效；将控制模型转换为矩阵形式，得控制模型矩阵：其中，其中，
进一步地，所述控制器包括虚拟控制信号、实际控制信号和自适应律，虚拟控制信号为：其中，，，为正的设计参数，，；实际控制信号为：其中，为nussbaum偶函数（努斯鲍姆偶函数），变量和满足：s2=[s
21
,s
22
]
t
， 和为正常数，
ꢀꢀꢀꢀ
，和为正常数，为正常数，自适应律为：其中，2是2的估计值，，，表示，为正常数，表示，为正常数，。
[0011]
进一步地，所述nussbaum偶函数为。
[0012]
进一步地，的取值范围为4～6，的取值范围为0.8～1.2。
[0013]
进一步地，=5，=1。
[0014]
进一步地，的取值范围为0.0008～0.0012，的取值范围为0.00008～0.00012，的取值范围为0.0008～0.0012，的取值范围为0.0004～0.0006。
[0015]
进一步地，=0.001，=0.0001，=0.001，=0.0005。
[0016]
进一步地，所述和的取值范围是[0,1]，取0时，表示装置完全失效，取1时，表示装置正常工作，取（0，1）时，表示部分失效。
[0017]
进一步地，所述 和的值分别为50%和25℃。
[0018]
进一步地，的取值为0.5，的取值为20，的取值为25。
[0019]
本发明可以达到的有益效果为：（1）本技术的控制方法直接针对气候室非线性数学模型进行控制器设计，避免了模型简化过程以及简化引起的控制精度下降问题。
[0020]
（2）本技术的控制方法是针对系统模型的纯反馈结构，利用隐函数定理，将非线性项作为整体进行处理，无需进行温湿度解耦。
[0021]
（3）采用本技术的控制方法可更快速地达到设定的温湿度，并获得较高的温湿度控制精度，且控制平稳。
[0022]
（4）由于本技术的控制方法未采用模糊逻辑系统，故有效避免了因模糊规则的增加而造成的控制器计算复杂性急剧增大的问题。
[0023]
（5）充分考虑了控温水箱和露点湿度发生器内水的质量随控制时间的变化，控制更加精确。
[0024]
（6）充分考虑了加热制冷装置的输出功率因使用时间过久或水垢积累等问题引起输出功率下降的问题，通过容错控制，使控制更加精确。
附图说明
[0025]
图1是本发明实施例的结构示意图；图2是本发明实施例仿真模拟所得的气候室内温、湿度变化曲线；图3是本发明实施例仿真模拟所得的气候室内温、湿度控制误差曲线；图4是本发明实施例仿真模拟所得的控温水箱、露点湿度发生器内水温变化曲线；图5是本发明实施例仿真模拟所得的气候室湿度控制曲线；图6是本发明实施例仿真模拟所得的气候室温度控制曲线；图7是本发明实施例仿真模拟所得的nussbaum偶函数变量变化曲线；图8是本发明实施例仿真模拟所得的不同执行器失效程度下的气候室内温湿度变化曲线；图9是本发明实施例仿真模拟所得的不同执行器失效程度下的气候室内温湿度控制误差曲线；图中：1-检测室，2-气候室，3-表冷器，4-控温水箱，5-第一加热/制冷装置，6-第二温度传感器，7-第一温度传感器，8-湿度传感器，9-第三温度传感器，10-控制器，11-数据输入模块，12-数据输出模块，13-控制系统，14-第四温度传感器，15-第五温度传感器，16-第六温度传感器，17-空气压缩机，18-空气净化装置，19-第七温度传感器，20-第八温度传感器，21-第二加热/制冷装置，22-露点湿度发生器。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
[0027]
一种vocs释放量检测气候室温湿度非线性控制系统，包括检测室1、气候室2、控温水箱4、表冷器3、露点湿度发生器22、空气压缩机17、空气净化装置18、多个温度传感器、湿度传感器8和控制系统13，气候室2、控温水箱4和露点湿度发生器22均设置于检测室1中。
[0028]
气候室2的墙壁为铁或不锈钢材质，气候室2的体积为30m3，气候室2中设有表冷器3和湿度调节风口，表冷器3通过水管与控温水箱4的水循环口相连，湿度调节风口通过风管与露点湿度发生器22的出气口相连。
[0029]
空气压缩机17用于向露点湿度发生器22的进风口输送压缩空气，空气净化装置18设置在空气压缩机17的出风口与露点湿度发生器22的进风口之间。
[0030]
控温水箱4的控制器为第一加热/制冷装置5，露点湿度发生器22的控制器为第二加热/制冷装置21。
[0031]
控制系统13包括控制器10、数据输入模块11和数据输出模块12，数据输入模块11和数据输出模块12均与控制器10相连；多个温度传感器和湿度传感器8均与数据输入模块11相连，第一加热/制冷装置5和第二加热/制冷装置21均与数据输出模块12相连。
[0032]
多个温度传感器分别为：第一温度传感器7用于测量气候室2中的温度，第二温度传感器6用于测量控温水箱4内的水温，第三温度传感器9用于测量气候室2的表面温度，第四温度传感器14用于测量检测室1之外的环境温度，第五温度传感器15用于测量检测室1内的温度，第六温度传感器16用于测量空气压缩机17内的温度，第七温度传感器19用于测量露点湿度发生器22入风口的空气温度，第八温度传感器20用于测量露点湿度发生器22内的水温。
[0033]
湿度传感器8用于测量气候室2中的湿度。
[0034]
vocs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，具体包括如下步骤：步骤a1：通过控制系统13的数据输入模块11设定气候室2的理想湿度值和理想温度值，根据国标gb/t 33043-2016，取值为50%，取值为25℃。
[0035]
步骤a2：控制系统13的数据输入模块11通过湿度传感器8获得气候室2中的湿度，通过第一温度传感器7获得气候室2中的温度；通过第二温度传感器6获得控温水箱4内的水温；通过第八温度传感器20获得露点湿度发生器22内的水温；通过第四温度传感器14获得环境温度；通过第三温度传感器9获得气候室2的外表面温度；通过第五温度传感器15获得检测室1内的温度；通过第六温度传感器16获得空气压缩机17内的实时温度，通过计算后获得，为空气压缩机17内的实时温度与初始温度之差；通过第七温度传感器19获得露点湿度发生器22入风口的初始空气温度。
[0036]
步骤a3：数据输入模块11将所采集数据发送至控制器10，控制器10对数据处理之后将处理结果发送至数据输出模块12，数据输出模块12输出第一控制信号给控温水箱4的第一加热/制冷装置5，数据输出模块12输出第二控制信号给露点湿度发生器22中第二加热/制冷装置21；第一加热/制冷装置5通过第一控制信号控制控温水箱4内的水温，第二加热/制冷装置21通过第二控制信号控制露点湿度发生器22内的水温。
[0037]
步骤四：重复步骤a2～步骤a3，致使，。
[0038]
控制器10处理数据所依据的控制模型为：（式1）其中，如附表1中所示，是空气压缩机送新风温度的时间常数，是拟合系数，是控温水箱中第一加热/制冷装置的制冷时间常数，是露点湿度发生器中第二加热/制冷装置的制冷时间常数；是水的比热容，是控温水箱的水泵速度，是水的密度，是气候室的容积，是等容比热容，是气候室的换气比，是空气与气候室表面之间的传热系数，是气候室外表面的面积，是经验参数，是控温水箱内水的质量，是露点湿度发生器内水的质量，是控温水箱与空气之间的传热系数，是露点湿度发生器与空气之间的传热系数，是控温水箱与空气之间的传热接触面积，是露点湿度发生器与空气之间的传热接触面积，是控温水箱中第一加热/制冷装置的制冷增益，是露点湿度发生器中第二加热/制冷装置的制冷增益，是控温水箱蒸发温度的经验值，是露点湿度发生器蒸发温度的经验值；表示控温水箱（4）中第一加热/制冷装置（5）的失效程度，表示露点湿度发生器（22）中第二加热/制冷装置（21）的失效程度，随着使用时间的推移，第一加热/制冷装置5和第二加热/制冷装置21上不可避免地会附着水垢等物质，再叠合其他原因导致实际输出功率小于期望输出功率，但是“失效程度”是个未知量，本实施例中通过定义和的取值范围来表示失效程度，具体定义为和的取值范围是[0,1]，取0时，表示装置完全失效，取1时，表示装置正常工作，取（0，1）时，表示部分失效。
[0039]
为了便于进行控制器10的设计，将控制模型（式1）变换为矩阵形式，得控制模型矩阵：（式2）其中，其中，其中，其中，其中，其中，其中，其中，。
[0040]
控制器10设计：控制器10包括虚拟控制信号、实际控制信号和自适应律：虚拟控制信号为：（式3）其中，，，为正的设计参数，，。
[0041]
实际控制信号为：（式4）其中，为nussbaum偶函数，变量和满足：（式4.1）s2=[s
21
,s
22
]
t
， 和为正常数，为正常数， （式4.2）（式4.2）（式4.3）备注：由于，所以存在且唯一，从而保证存在且唯一；，和为正常数，
（式4.4）。
[0042]
自适应律为：（式5）其中，是的估计值，，，表示，为正常数，表示，为正常数，。
[0043]
控制器10的稳定性证明：（1）构建第一个lyapunov函数（李雅普诺夫函数）如下：对式求导，并结合的定义和（式2），得到：（式6）将虚拟控制信号（式3）带入（式6），可得（式7）（2）选择第二个lyapunov函数（李雅普诺夫函数）如下：（式8）其中，。
[0044]
对（式8）求导，结合的定义和（式2），并带入（式7），可得（式9）根据的定义，可表示为：(式10)由于、和中包含未知常数，将中的未知项与已知项分开，利用（式4.4），可得如下表达式：=
ꢀꢀ
(式11)调用 (式10)和(式11)， (式9)可转化为：（式12）（式12）中的可计算为：（式13）将实际控制信号（式4）及（式4.1）带入（式13）可得
（式14）并且可以表示为：（式15）利用(式14)和(式15)，重写如下:（式16）将（式4.2）和（式4.3）带入（式16），可得
ꢀꢀ
（式17）更进一步地，将自适应率（式5）带入（式17），则有（式18）其中
把（式18）中的移到该算式左边，并且在该算式两边同时乘以，得到：对上式两边求积分，得到：通过简单的计算得到：（式19）通过（19）式，结合引理1可知，本发明提出的控制方法可保证闭环系统内所有信号有界。
[0045]
引理1：假设为lyapunov函数，是一阶可微的函数。如果不等式在内成立，则，，和在上是有界的（闭环系统解的有界性使扩
展到）。其中表示一个正常数，表示某个合适的常数，表示一个非零有界函数，是一个nussbaum偶函数。
[0046]
仿真验证：为验证本发明提出的控制方法有效性，使用matlab进行仿真。
[0047]
选择初始条件为：，，，。
[0048]
目标相对湿度和目标温度分别设置为：，。
[0049]
nussbaum偶函数变量的参数为。
[0050]
选取nussbaum偶函数为，并且在中有，；在中有，。，，。和为0.9，这意味着温湿度控制装置部分失效。，，和为别取值为25℃，21℃，25℃和18.1℃。其他参数为，，和。
[0051]
仿真结果如图2-9所示，图2中，给出了气候室2中温度、相对湿度的变化曲线。
[0052]
图3中，可以清楚地看到气候室2中温度、相对湿度的跟踪误差收敛于范围、内。
[0053]
图4中，给出了温度控制箱中的水温和露点湿度发生器中的水温的变化曲线，且有界收敛。
[0054]
图5-图6中，给出了相对湿度和温度控制输入信号的变化曲线，两者都有边界，并且收敛到一个小范围区域内。
[0055]
图7中，给出了nussbaum偶函数变量和的变化曲线。
[0056]
此外，还验证了该控制器在不同程度执行器故障情况（具有不同的取值，）下的有效性，结果见图8-图9。
[0057]
其中，图8(a)和图9(a)为时的变化曲线，图8(b)和图9(b)为、时的变化曲线，图8(c)和图9(c)描述了无损失情况下的系统性能（）。
[0058]
以上所述仅是本发明的其中一种实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思路的前提下所做出的若干改进和润饰均为本发明的保护范围。