溫度、濕度模型和MIMO控制算法

溫度、濕度模型和MIMO控制算法

使用ecICP建模，控制器設計和參量設定，使用ecCST確定控制算法

本文以溫度/濕度控制系統為例，介紹ecICP和ecCST在2x2的MIMO(Multiple Input / Multiple Output)系統中的應用。

上述的裝配圖是車用空調和加濕器的簡化圖。使用優化的控制系統，可以達到溫度和濕度的設置點。這個操作的難點在于空氣中的溫度和濕度是高度相關的。換句話說,加熱能增加空氣溫度而減少空氣濕度，同樣的，打開加濕閥門增加濕度，空氣的溫度就降低。

控制器的作用是實現溫度和濕度達到駕駛員的設定值，特別是設定值需要改變的情況。這個控制器系統是非線形的，參數高度耦合。傳感器用于溫度和濕度檢測，加熱量Hp和加濕量Hv用于控制溫度和濕度(THAC = temperature/humidity air condition system)。

為了得到THAC的特性，逐步變化加熱量Hp、同時打開加濕閥門Hv。同時改變參量可以動態觀察兩個相關物理量之間的耦合。

圖_1是測試結果，從上到下依次表示溫度、濕度、加熱量和加濕閥門開口。圖中左側和右側紅線之間的區域用來產生2x2的MIMO模型。

圖_1: Hp（加熱量）和Hv（加濕閥）同時變化的時候，測試的空氣調節器的溫度和濕度

為了獲得優化的控制器參數，使用ecICP軟件。不需要深入的建模和控制器設計的理論知識，ecICP 可以快速設計SISO（單輸入單輸出）和MIMO（多輸入多輸出）系統的控制器和參數。

ecICP使用圖_1所示的測試數據，根據輸入輸出獲得系統的模型特征。同時, ecICP自動生成控制器，及其去耦單元。

圖_2a和圖_2b是模型響應曲線。


圖_2a: 相對于溫度特性的模型的系數和對應的	圖_2b: 相對于濕度特性的模型的系數和對應的
- 3個模型的應答特性 - 上：模型vs. 實際測量中：輸入加濕泵的步驟應答下：輸入加濕量的頻率數應答	- 3個模型的應答特性 - 上：模型vs. 實際測量中：輸入加熱量的步驟應答下：輸入加熱量的頻率數應答

圖_3的a和b顯示了ecICP自動設計和參數化的溫度和濕度控制器的參數。如上所述,同時得到控制器去藕單元的參數。MIMO控制器的構成如圖_4所示。


a) 溫度控制	b) 濕度控制

圖_3: 在ecICP中生成的主控制器參數

圖_4: 包含去藕單元的MIMO控制器的構成圖

ecICP自動檢測控制器構成。本例中是類似PI/PID的構造。根據需要也可以設計低次或高次冪的控制器。從測試數據到模型生成和控制器的設計，整個過程只需要鼠標點擊和幾秒鐘時間就能夠完成。

ecCST是類似于Simulink和LabVIEW的模擬環境，用于實時的仿真。上述控制器參數可以提供給ecCST進行控制器算法仿真。ecCST控制算法也可以用于實時系統和ECU，以快速獲得設計原型。

在THAC的例子中,兩個主控制器和兩個去藕單元有必要同時發揮功能。圖_5顯示了隨著設置點的變化，溫度和濕度控制在允許的誤差范圍內。

圖_5: 使用雙去藕單元的優化閉環結果。

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