一种恒温恒湿气候室防结露的控制方法

1.本发明属于气候室控制应用技术领域，尤其涉及一种恒温恒湿气候室防结露的控制方法。


背景技术：

2.人工气候室就是在封闭的环境下创造一个适合动植物生产的坏境，它能模拟自然界的各种气象条件，按照实验要求精度控制室内的温度、湿度、光照、风向、风速及co2气体浓度等多种指标，再现各种复杂的气候环境。适用于环境试验、生态研究、农业科研(如作物育种、组织培养、栽培实验、植物保护、动物养殖)等领域。人工气候室的出现能缩短研究的周期，已成为科研、教学和生产的一种重要部分。
3.现有气候室内引起雾和结露现象的主要因素是传统的气候室温湿度控制方法为恒值控制，由于采用的阶跃输入在无约束的条件下，容易引起控制器的饱和输出或者零输出，导致气候室的控温控湿执行机构满负荷运行或不运行。例如，在进行检测室内调温调湿时，气候室内的表冷器为了降低气候室内的温度，需要以更低的温度进行调节。当表冷器的温度低于此刻气候室内的露点温度时，表冷器表面会形成结露现象；其次，当露点湿度发生器向气候室内输送饱和湿空气时，若吹进气候室的空气温度低于此刻的露点温度或高于气候室的温度，低温空气会在气候室内壁的不锈钢表面上产生结露现象。


技术实现要素：

4.本发明针对上述的气候室控制所存在的起雾、结露的技术问题，提出一种设计合理、方法简单且能够有效避免气候室内结露的恒温恒湿气候室防结露的控制方法。
5.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供一种恒温恒湿气候室防结露的控制方法，包括以下步骤：
6.a、首先利用焓湿图确定出气候室的露点温度；
7.b、根据确定的气候室露点温度通过二次多项式描述出气候室结露的约束条件，以最小二乘法拟合多项式系数，建立防结露约束模型，确定某一时刻气候室的露点温度；
8.c、然后以气候室内易结露部位的温度不触发防结露约束模型为条件，构建指数函数形式的渐次目标函数，将每个渐次目标作为控制器的输入，并经过控制器的计算后，输出加热功率，构建气候室渐次目标控制方式。
9.作为优选，所述b步骤中，具体包括以下步骤：
10.b1、设f
t
(t)为气候室的温度，fh(t)为气候室的相对湿度，f
dew
(f
t
(t),fh(t))为
11.这一温湿度条件下拟合的结露温度函数：
12.f
dew
(f
t
(t),fh(t))＝p0 p1fh(t) p2f
t
(t) p3f
2h
(t) p4fh(t)f
t
(t) p5f
2t
(t)
13.其中，pk为各项系数，0≤k≤5；
14.b2、根据焓湿图得出的露点对照表可得出第i行温度，j列相对湿度的一组
15.对应的露点温度f
dew
(t)
i,j
，则拟合曲面f
dew
(f
t
(t),fh(t))与焓湿
图
16.中露点温度f
dew
(t)
i,j
的偏差的平方和l(p)为：
[0017][0018]
其中，n为露点对照表的行数，m为露点对照表的列数；
[0019]
b3、为了使拟合的曲面无限接近拟合点，令偏差的平方和l(p)取最小，即则有：
[0020][0021]
计算得出:
[0022]
p0＝-27.77,p1＝0.475,p2＝0.8192,p3＝-2.047
×
103,p4＝1.944
×
103,p5＝-7.787
×
106；
[0023]
b4、根据计算得出的系数确定气候室的露点温度：
[0024]fdew
(t)＝-27.77 0.475fh(t) 0.8192f
t
(t) (-2.047
×
103)f
2h
(t) 1.944
×
103fh(t)f
t
(t) (-7.787
×
106)f
2t
(t)
[0025]
其中，f
t
(t)为t时刻气候室的温度，fh(t)为t时刻气候室的相对湿度，f
dew
(t)为t时刻气候室的露点温度。
[0026]
作为优选，所述c步骤中，指数函数的渐次目标为：
[0027]fcset
(t)＝(f
cset
(t0)-f
cset
(∞))e-τt
f
cset
(∞)
[0028]
其中，f
cset
(t0)为控制系统的初始值，f
cset
(∞)为最终期望值，τ为时间系数；
[0029]
上式经推导得出：
[0030][0031]
作为优选，所述c步骤中，气候室渐次目标控制模型为：
[0032]
首次跟踪目标时，令第一次设定值为f
cset
(t1)，则第1次设定值与实际测量
[0033]
值的差值为：
[0034]fcset
(t1)-fc(t)＝er(t)
[0035]
其中，fc(t)为系统此刻的实际测量值，将误差er(t)反馈至控制器中计算输出ur(t)，若此刻气候室的温度为tc(t)，气候室的相对湿度为hc(t)，通过防结露约束条件得此时对应的露点温度为f
dew
(t)，若露点湿度发生器水箱温度为th(t)，控温水箱温度为t
t
(t)，则当
[0036]
tc(t)＞th(t)＞f
dew
(t)&&t
t
(t)＞f
dew
(t)
[0037]
气候室内不会出现结露，控制器输出ur(t)继续输出。反之，若:
[0038]
fc(t)＞f
cset
(∞)
[0039]
则控制器满负荷输出，若：
[0040]
fc(t)＜f
cset
(∞)
[0041]
则输出值复位0，等待下次控制输出结果的判断，决定是否输出；其中，
[0042]
ur(t)＝k*er(t)
[0043]
式中k为控制器比例增益，即较大的误差会导致较大的输出功率；
[0044]
第二次跟踪目标时，令第二次设定值为f
cset
(t2)，则重复第一次的控制过程；
[0045]
当时间t
→
∞时，此时的设定目标为：
[0046]fcset
(t
m 1
)＝f
hset
(∞)
[0047]
即进入稳态控制阶段，最终达到期望的设定值，保持温湿度的恒定控制即可。
[0048]
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，
[0049]
本发明提供一种恒温恒湿气候室防结露的控制方法，通过建立防结露约束条件的数学模型，提出渐次目标跟踪控制算法，选定以时间为变量的指数函数渐次逼近目标的方式，该方式比传统的控制方法更快的到达设定值，减少了温湿度达到稳态的时间，在相对湿度的控制过程中产生的震荡幅度小于传统控制方法，并且在温湿度的控制过程中不会触发结露条件产生结露现象，大大提高了气候室实验的准确性。
具体实施方式
[0050]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0051]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
[0052]
实施例1，本实施例提供恒温恒湿气候室防结露的控制方法
[0053]
首先，根据恒温恒湿气候室的实际情况，确定要完成的目的，即构建防结露的约束控制目标。即防止表冷器表面结露以及防止露点湿度发生器向气候室内输送饱和湿空气引起结露。
[0054]
防止表冷器表面结露就需要确保表冷器的温度大于气候室内的露点温度，为此，约束目标为：
[0055]
{t|t
t
(t)＞t
dew
(t),t＝0,1,2...}
[0056]
其中，t
t
(t)为表冷器的温度，t
dew
(t)为t时刻气候室内的露点温度。
[0057]
而防止露点湿度发生器向气候室内输送饱和湿空气引起结露则需整个控制过程的露点温度饱和湿气温度高于气候室内的结露温度，低于气候室内的温度，即：
[0058]
{t|t
dew
(t)＜th(t)＜tc(t),t＝0,1,2...}
[0059]
其中，th(t)为露点饱和湿空气的温度，tc(t)为t时刻气候室内的温度。然后根据上述约束目标，构建本实施例所提供的恒温恒湿气候室防结露的控制方法。
[0060]
首先利用焓湿图确定出气候室的露点温度，焓湿图(h-d)是调整空气温湿度等湿热工程应用中重要的一个工具，通过焓湿图可以确定空气状态及相应的状态参数、反应空气处理中的状态变化过程和确定不同空气混合后的状态点。在本实施例中，焓湿图在一定
大气压下，空气温度和相对湿度的确定，可以得出此刻的引起空气中水蒸气析出的露点温度。
[0061]
然后，根据确定的气候室露点温度通过二次多项式描述出气候室结露的约束条件，以最小二乘法拟合多项式系数，建立防结露约束模型，确定某一时刻气候室的露点温度。
[0062]
具体操作步骤为：设f
t
(t)为气候室的温度，fh(t)为气候室的相对湿度，f
dew
(f
t
(t),fh(t))为这一温湿度条件下拟合的结露温度函数：
[0063]fdew
(f
t
(t),fh(t))＝p0 p1fh(t) p2f
t
(t) p3f
2h
(t) p4fh(t)f
t
(t) p5f
2t
(t)
[0064]
其中，pk为各项系数，0≤k≤5；
[0065]
根据焓湿图得出的露点对照表可得出第i行温度，j列相对湿度的一组对应的露点温度f
dew
(t)
i,j
，则拟合曲面f
dew
(f
t
(t),fh(t))与焓湿图中露点温度f
dew
(t)
i,j
的偏差的平方和l(p)为：
[0066][0067]
代入得：
[0068][0069]
其中，n为露点对照表的行数，m为露点对照表的列数，在本实施例中，n＝28，m＝14，则有1≤i≤28，1≤j≤14。
[0070]
为了使拟合的曲面无限接近拟合点，令偏差的平方和l(p)取最小，即则有：
[0071][0072]
计算得出:
[0073]
p0＝-27.77,p1＝0.475,p2＝0.8192,p3＝-2.047
×
103,p4＝1.944
×
103,p5＝-7.787
×
106；
[0074]
最后，根据计算得出的系数确定气候室的露点温度：
[0075]fdew
(t)＝-27.77 0.475fh(t) 0.8192f
t
(t) (-2.047
×
103)f
2h
(t)
[0076]
1.944
×
103fh(t)f
t
(t) (-7.787
×
106)f
2t
(t)
[0077]
其中，f
t
(t)为t时刻气候室的温度，fh(t)为t时刻气候室的相对湿度，f
dew
(t)为t时刻气候室的露点温度。
[0078]
然后以气候室内易结露部位的温度不触发防结露约束模型为条件，构建指数函数
形式的渐次目标函数，将每个渐次目标作为控制器的输入，并经过控制器的计算后，输出加热功率，构建气候室渐次目标控制方式。
[0079]
指数函数的渐次目标为：
[0080]fcset
(t)＝(f
cset
(t0)-f
cset
(∞))e-τt
f
cset
(∞)
[0081]
其中，f
cset
(t0)为控制系统的初始值，f
cset
(∞)为最终期望值，τ为时间系数；上式经推导得出：
[0082][0083]
最终，形成气候室渐次目标控制模型为：
[0084]
首次跟踪目标时，令第一次设定值为f
cset
(t1)，则第1次设定值与实际测量值的差值为：
[0085]fcset
(t1)-fc(t)＝er(t)
[0086]
其中，fc(t)为系统此刻的实际测量值，将误差er(t)反馈至控制器中计算输出ur(t)，若此刻气候室的温度为tc(t)，气候室的相对湿度为hc(t)，通过防结露约束条件得此时对应的露点温度为f
dew
(t)，若露点湿度发生器水箱温度为th(t)，控温水箱温度为t
t
(t)，则当
[0087]
tc(t)＞th(t)＞f
dew
(t)&&t
t
(t)＞f
dew
(t)
[0088]
气候室内不会出现结露，控制器输出ur(t)继续输出。反之，若:
[0089]
fc(t)＞f
cset
(∞)
[0090]
则控制器满负荷输出，若：
[0091]
fc(t)＜f
cset
(∞)
[0092]
则输出值复位0，等待下次控制输出结果的判断，决定是否输出；其中，
[0093]
ur(t)＝k*er(t)
[0094]
式中k为控制器比例增益，即较大的误差会导致较大的输出功率；
[0095]
第二次跟踪目标时，令第二次设定值为f
cset
(t2)，则重复第一次的控制过程；
[0096]
当时间t
→
∞时，此时的设定目标为：
[0097]fcset
(t
m 1
)＝f
hset
(∞)
[0098]
即进入稳态控制阶段，最终达到期望的设定值，保持温湿度的恒定控制即可。实验：在恒温恒湿气候室检测人造板及其制品中甲醛释放量
[0099]
人造板及其制品释放的甲醛是一种高致癌物，严重影响着人们的身体健康。所以高精确的检测人造板及其制品中甲醛释放量极其重要。现阶段国际上采用大气候室法检测人造板制品及建筑产品的甲醛释放量，但是由于检测室容积大，温湿度控制过程复杂，控制系统时滞现象明显，样品环境易出现结露现象，极大地影响了检测的精确性。
[0100]
根据本实施例所提供的方法，对系统进行控制，实验结果发现：本实施提供的方法能够解决气候室达到检测条件的过程中无雾和结露现象的问题，从而进行高精度甲醛释放量检测。同时实现了气候室内温度、相对湿度、空气流速和空气交换率气候参数的准确测定和精确调节，温度可在5～45℃，相对湿度在30％～75％，空气流速在0.1～0.8m/s，空气交换率在(1
±
0.05)次/h，可以更精确地模拟样品检测的环境。
[0101]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任
何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。