PID控制方法与流程

本发明属于电气控制领域，具体涉及一种pid控制涉及一种恒温恒湿系统的pid控制方法。

背景技术：

目前，恒温恒湿系统的应用场合越来越多，例如在电子、医院、计量、纺织和光学仪器、食品等领域，特别是雪茄、红酒等对环境要求苛刻的领域，需要保证一些产品或操作处于恒温恒湿的环境。但是，目前的恒温恒湿系统存在以下问题：

制冷系统不能精确控制蒸发器（即换热器）的表面温度，在室内仅有制冷需求而无除湿需求时，随着压缩机启动后，蒸发器的温度在空气温度对应的露点温度以下，导致空气中的水分被冷凝，引起湿度下降，由此而导致系统的被动加湿，造成湿度波动和能耗的增加。

由于不能精确控制蒸发器的表面温度，在系统仅有除湿需求无制冷需求时，压缩机启动后，蒸发器温度远低于空气温度对应的露点温度，导致系统内的空气被动制冷，引起温度波动，由于温度降低后系统自动加热和升温，也会导致能耗的增加。

技术实现要素：

本发明的目的是:提供一种精确控制且耗能低的恒温恒湿系统的pid控制方法。

为此，本发明提供了pid控制方法，包括：

步骤a：采集系统内的温度和湿度；

步骤b：根据设定温度和设定湿度、采集到的当前温度和当前湿度，控制系统内ptc加热器、循环水泵、循环风扇的输出功率；

步骤c：利用增量式pid算法，根据所述设定温度与当前温度的差值、设定湿度与当前湿度的差值计算，同时根据调节ptc加热器、循环水泵、循环风扇的输出功率。

所述步骤a具体为：每隔n秒采集一次系统内的当前温度和当前湿度，1≤n≤5。

所述步骤c中的增量式pid算法通过如下公式计算和调节ptc加热器：

△u(k)=lp×[e(k)-e(k-1)]+li×e(k)+ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

其中△u(k)为ptc加热器的输出功率增值变化率，lp为比例参数，li积分参数，ld为微分参数；e(k)为采集到的当前温度与设定温度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值，最终ptc开启的时间（时间由增值决定，如果增值一直是+，那加热器会一直工作，增值-，直到pwm为零，加热器停止工作）为：pwm（加热器最终输出功率）=pwm1（当前加热器输出功率）+△u(k)。

在本发明的实施例中，为了保证调节精度和快速反应，在ptc加热器的pid控制中没有设定死区温度，所述步骤c还包括（当采集到的当前温度≥设定温度时强制退出pid控制）无上死区，且（当采集到的当前温度＜设定温度时，进入pid控制）无下死区。

在本发明的实施例中，为了保证调节精度和快速反应，在湿度调节过程中，所述步骤c中的增量式pid算法通过如下公式计算和调节循环水泵：

△u(k)=hp×[e(k)-e(k-1)]+hi×e(k)+hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

其中△u(k)为循环水泵的输出功率增值（增值趋势：当前湿度大于设定湿度+死区相对湿度则增加输出功率，当前湿度小于设定湿度-死区相对湿度则减小功率输出），hp为比例参数，hi积分参数，hd为微分参数；e(k)为设定湿度与当前湿度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。

进一步，所述步骤c中还包括：当设定湿度-死区湿度diff≤采集到的当前湿度≤设定湿度+死区湿度diff时强制退出pid控制,其中0≤死区相对湿度diff≤5%。

在本发明的实施例中，为了保证调节精度和快速反应，在湿度调节过程中，所述步骤c中的增量式pid算法通过如下公式计算和调节循环风扇：

△u(k)=hp×[e(k)-e(k-1)]+hi×e(k)+hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

其中△u(k)为循环风扇的输出功率负增值（增值趋势：当前湿度大于设定湿度+死区相对湿度则减小输出功率，当前湿度小于设定湿度-死区相对湿度则加大功率输出），hp为比例参数，hi积分参数，hd为微分参数；e(k)为设定湿度与当前湿度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。

进一步，所述步骤c中还包括：当设定湿度-死区湿度diff≤采集到的当前湿度≤设定湿度+死区湿度diff时强制退出pid控制,其中0≤死区相对湿度diff≤5%。

在本发明的实施例中，为了提高控制精度，步骤a还包括通过卡尔曼滤波对采集到的温度、湿度进行校正。

本发明的有益效果：

1.本发明提供的pid控制方法，能精确控制系统内的蒸发器（即室内换热器）表面温度温度，不是静态的，而是基于实际室温和实际温度与该设定值的差值对系统内进行校正、自动调整。采用闭环自动控制，避免被控区间空气温湿度频繁波动、恒温恒湿系统高能耗的运行，降低了整体运行成本，提高了温湿度控制精度。

2.湿度死区的设定是为了减少pid的频繁启动，延长系统的使用寿命。

3.温度无上下死区的设计是为了提高温度的控制精度，避免由于温度变化带来的湿度联动而导致的频繁的湿度pid控制的启动。

4.卡尔曼滤波方法对传感器的校准提高测量精度，提高了控制的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例中的pid控制方法的示意图；

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明提供了pid控制方法，包括：

步骤a：采集系统内的温度和湿度；

步骤b：根据设定温度和设定湿度、采集到的当前温度和当前湿度，控制系统内ptc加热器、循环水泵、循环风扇的输出功率（功率为0即为关闭）；

步骤c：利用增量式pid算法，根据所述设定温度与当前温度的差值、设定湿度与当前湿度的差值计算，同时调节ptc加热器和循环水泵、循环风扇的输出功率（功率为0即为关闭）。

所述步骤a具体为：每隔n秒采集一次系统内的当前温度和当前湿度，1≤n≤5。

所述步骤c中的增量式pid算法通过如下公式计算和调节ptc加热器：

△u(k)=lp×[e(k)-e(k-1)]+li×e(k)+ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

其中△u(k)为ptc加热器的输出功率增值变化率，lp为比例参数，li积分参数，ld为微分参数；e(k)为采集到的当前温度与设定温度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值，最终ptc开启的时间（时间由增值决定，如果增值一直是正（+），那加热器会一直工作，增值为负（-），直到pwm为零，加热器停止工作）为：pwm（加热器最终输出功率）=pwm1（当前加热器输出功率）+△u(k)。

在本发明的实施例中，为了保证温度调节精度和快速反应，在pid控制中没有设定死区温度，所述步骤c还包括（当采集到的当前温度≥设定温度时强制退出pid控制）无上死区，且当采集到的当前温度＜设定温度时，进入pid控制无下死区。

进一步，所述步骤c中还包括：为了保证湿度的pid控制频繁启动，延长相关元器件使用寿命及降低能耗，在pid控制中设定死区湿度，当设定湿度-死区湿度≤采集到的当前湿度≤设定湿度+死区湿度时强制退出pid控制,其中0≤死区相对湿度≤5%。

进一步，本发明中的恒温恒湿系统包括循环水泵和循环风扇。通常恒温恒湿系统还包括水箱、控制水箱温度的压缩机、加热装置，以及系统内的换热装置等。这些恒温恒湿的零部件或装置属于现有技术，在本发明中不在赘述。

在本发明中，死区是指pid控制不工作的温度区间或湿度区间。

下面结合上述方法，进一步说明ptc加热器和循环水泵、循环风扇具体的控制步骤：

通过lc时间（单位为秒）进行每次温度采集pid增值处理，采集时间为1-5秒，无上下死区限制。考虑在补偿过程其波动响应能够快速处理，初步设定：当其采集到的当前温度cur>=设定温度set+diff（目前diff经过整改初步设定为0）时，强制退出pid控制，增值强制设定为0。

if：当前温度cur>=设定温度set+diff：pwm=0；

else：△u(k)=lp×[e(k)-e(k-1)]+li×e(k)+ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

其中lp为比例参数，li积分参数，ld为微分参数，周期为lc；e(k)=当前温度（cur）-设定温度（set）；e(k-1)为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后ptc开启的时间为：pwm=pwm1+△u(k)。

在本发明的实施例中，为了保证调节精度和快速反应，在湿度调节过程中，所述步骤c中的增量式pid算法通过如下公式计算和调节循环水泵的输出功率（功率为0即为关闭）：

△u(k)=hp×[e(k)-e(k-1)]+hi×e(k)+hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

其中△u(k)为循环水泵的输出功率增值（增值趋势：当前湿度大于设定湿度+死区相对湿度则增加输出功率，当前湿度小于设定湿度-死区相对湿度则减小功率输出），hp为比例参数，hi积分参数，hd为微分参数；e(k)为设定湿度与当前湿度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。

在本发明的实施例中，为了保证调节精度和快速反应，在湿度调节过程中，所述步骤c中的增量式pid算法通过如下公式计算和调节循环风扇的输出功率（功率为0即为关闭）：

△u(k)=hp×[e(k)-e(k-1)]+hi×e(k)+hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

其中△u(k)为循环风扇的输出功率负增值，若当前湿度大于设定湿度+死区相对湿度则减小输出功率，当前湿度小于设定湿度-死区相对湿度则加大功率输出；

1、hp为比例参数，hi积分参数，hd为微分参数；e(k)为设定湿度与当前湿度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。具体的步骤如下：循环水泵控制

循环水泵不再涉及制冷控制，只需控制加湿除湿即可。循环水泵在调整过程中有diff死区，diff为设定湿度正负0-5%。周期为hc，故：

除湿加湿水泵增值为：△u(k)=lp×[e(k)-e(k-1)]+li×e(k)+ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

其中hp为比例参数，hi积分参数，hd为微分参数；e(k)=设定湿度-当前湿度；e(k-1)为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后水泵输出开启的时间为：pwm=pwm1+△u(k)；

2、循环风扇控制

循环风扇只涉及加湿除湿控制，采用pid增量式调整，在调整过程中有diff死区。diff为设定湿度正负0-5%。需要遵从逻辑如下：

增值为：

△u(k)=hp×[e(k)-e(k-1)]+hi×e(k)+hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，其中hp为比例参数，hi积分参数，hd为微分参数，周期为hc；e(k)=设定湿度-当前湿度；e(k-1)为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后风扇输出开启的时间为：pwm=pwm1+△u(k)；

制冷方式：开启循环水泵，开启循环风扇（非主动控制，制冷为湿度控制同步被动制冷）；

制热方式：开启循环风扇，开启ptc加热器；

除湿方式：通过降低循环风扇转速、提高循环水泵流量的方式，将蒸发器温度降低至当前设定温湿度对应的露点温度以下；

加湿方式：开启循环风扇，保证蒸发器温度在当前设定温湿度对应的露点温度以上，如果一段时间后加湿效果仍然达不到要求，说明蒸发器上无水分残留，开启加湿水泵5s，向蒸发器上淋水；

制冷除湿：开启循环水泵，开启循环风扇，通过降低循环风扇转速、提高水泵流量的方式，运行时保证蒸发器温度低于当前设定温湿度对应的露点温度；

制冷加湿：开启循环水泵，开启循环风扇，通过升高循环风扇转速、减小水泵流量的方式，运行时保证蒸发器温度高于当前设定温湿度对应的露点温度，如果一段时间后加湿效果仍然达不到要求，说明蒸发器上无水分残留，开启加湿水泵5s，向蒸发器上淋水；

制热除湿：开启循环风扇，开启ptc加热器，开启循环水泵，通过降低循环风扇转速、增加水泵流量的方式，运行时保证蒸发器温度低于当前设定温湿度对应的露点温度；

制热加湿：开启循环风扇，开启ptc加热器，运行时保证蒸发器温度高于当前设定温湿度对应的露点温度，如果一段时间后加湿效果仍然达不到要求，说明蒸发器上无水分残留，开启5s加湿水泵，向蒸发器上淋水。

实施例2

1.ptc加热器的控制：

通过lc时间（单位为秒）进行每次温度采集pid增值处理，采集时间为1-5秒，优选1秒，无下死区限制。考虑在补偿过程其波动响应能够快速处理，初步设定：当其采集到的当前温度cur>=设定温度set+diff（diff为死区温度，diff可为0-3℃）时，强制退出pid控制，增值强制设定为0。

if：当前温度cur>=设定温度set+diff：pwm=0；

else：△u(k)=lp×[e(k)-e(k-1)]+li×e(k)+ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

其中lp为比例参数，li积分参数，ld为微分参数，周期为lc；e(k)=设定温度（set）-当前温度（cur）；e(k-1)为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后ptc开启的时间为：pwm+=△u(k)；

2.循环水泵控制

由于循环水泵涉及到加湿除湿和制冷。故需要对水泵进行两路pid控制。制冷作为同步ptc制热参数，作为一组pid控制；加湿除湿作为另一组参数进行pid控制。

运行过程中，pid调整优先级定义如下：

水泵除湿pid>水泵制冷pid>水泵加湿pid

水泵在调整过程中均无上下死区限制。周期为hc，故：

除湿加湿水泵增值为：△u(k)=hp×[e(k)-e(k-1)]+hi×e(k)+hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

其中hp为比例参数，hi积分参数，hd为微分参数；e(k)=设定湿度-当前湿度；e(k-1)为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后水泵输出开启的时间为：pwm+=△u(k)；

制冷水泵增值为：△u(k)=lp×[e(k)-e(k-1)]+lie(k)+ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

其中lp为比例参数，li积分参数，ld为微分参数；周期为lc；e(k)=当前湿度（cur）-设定湿度（set）；e(k-1)为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后水泵开启的时间为：pwm+=△u(k)；

3.循环风扇控制

循环风扇采用pid增量式调整，遵从逻辑如下：

（1）当无加湿除湿请求时，强制风扇输出为最小输出fan_min；目前为35%。

（2）当有加湿或除湿请求时，风扇输出依据增量式算法的出来的增值输出。

（3）风扇输出等级为：湿度控制请求>温度控制请求

（4）风扇pid调整无上下死区限制：

增值为：△u(k)=hp×[e(k)-e(k-1)]+hi×e(k)+hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

其中hp为比例参数，hi积分参数，hd为微分参数，周期为hc；e(k)=设定湿度-当前湿度；e(k-1)为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后水泵输出开启的时间为：pwm+=△u(k)。

在本发明的上述实施例中，为了提高控制精度，步骤a还包括通过卡尔曼滤波对采集到的温度、湿度进行校正。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。