温度、湿度模型和MIMO控制算法

温度、湿度模型和MIMO控制算法

使用ecICP建模，控制器设计和参量设定，使用ecCST确定控制算法

本文以温度/湿度控制系统为例，介绍ecICP和ecCST在2x2的MIMO(Multiple Input / Multiple Output)系统中的应用。

上述的装配图是车用空调和加湿器的简化图。使用优化的控制系统，可以达到温度和湿度的设置点。这个操作的难点在于空气中的温度和湿度是高度相关的。换句话说,加热能增加空气温度而减少空气湿度，同样的，打开加湿阀门增加湿度，空气的温度就降低。

控制器的作用是实现温度和湿度达到驾驶员的设定值，特别是设定值需要改变的情况。这个控制器系统是非线形的，参数高度耦合。传感器用于温度和湿度检测，加热量Hp和加湿量Hv用于控制温度和湿度(THAC = temperature/humidity air condition system)。

为了得到THAC的特性，逐步变化加热量Hp、同时打开加湿阀门Hv。同时改变参量可以动态观察两个相关物理量之间的耦合。

图_1是测试结果，从上到下依次表示温度、湿度、加热量和加湿阀门开口。图中左侧和右侧红线之间的区域用来产生2x2的MIMO模型。

图_1: Hp（加热量）和Hv（加湿阀）同时变化的时候，测试的空气调节器的温度和湿度

为了获得优化的控制器参数，使用ecICP软件。不需要深入的建模和控制器设计的理论知识，ecICP 可以快速设计SISO（单输入单输出）和MIMO（多输入多输出）系统的控制器和参数。

ecICP使用图_1所示的测试数据，根据输入输出获得系统的模型特征。同时, ecICP自动生成控制器，及其去耦单元。

图_2a和图_2b是模型响应曲线。

 

图_2a: 相对于温度特性的模型的系数和对应的	图_2b: 相对于湿度特性的模型的系数和对应的
- 3个模型的应答特性 - 上：模型vs. 实际测量 中：输入加湿泵的步骤应答 下：输入加湿量的频率数应答	- 3个模型的应答特性 - 上：模型vs. 实际测量 中：输入加热量的步骤应答 下：输入加热量的频率数应答

 

图_3的a和b显示了ecICP自动设计和参数化的温度和湿度控制器的参数。如上所述,同时得到控制器去藕单元的参数。MIMO控制器的构成如图_4所示。

 

a) 温度控制	b) 湿度控制

 

图_3: 在ecICP中生成的主控制器参数

图_4: 包含去藕单元的MIMO控制器的构成图

ecICP自动检测控制器构成。本例中是类似PI/PID的构造。根据需要也可以设计低次或高次幂的控制器。从测试数据到模型生成和控制器的设计，整个过程只需要鼠标点击和几秒钟时间就能够完成。

ecCST是类似于Simulink和LabVIEW的模拟环境，用于实时的仿真。上述控制器参数可以提供给ecCST进行控制器算法仿真。ecCST控制算法也可以用于实时系统和ECU，以快速获得设计原型。

在THAC的例子中,两个主控制器和两个去藕单元有必要同时发挥功能。图_5显示了随着设置点的变化，温度和湿度控制在允许的误差范围内。

图_5: 使用双去藕单元的优化闭环结果。