预测PID在馆藏湿度控制系统中的应用研究

吴攀 曹珍贯 朱克亮

摘 要：馆藏湿度控制系统是一个大滞后环节系统，控制模型难以建立，常规控制算法响应速度慢、超调严重，控制效果不理想。为提高库房湿度的控制效果与精度，将预测控制算法与PID算法相结合，取两种算法的优点，提出利用预测PID算法实现对库房湿度的控制，并将该算法移植到ARM中，构建馆藏湿度控制系统，进行运行测试。实际应用表明，预测PID控制算法能够快速使馆藏库房的湿度稳定在设定值，上下波动范围较小，控制精度高，该算法的实施对现有库房的湿度控制有较好的应用意义。

关键词：预测PID；湿度控制；馆藏系统

中图分类号： G251 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）05-0034-05

Abstract：Library Collection humidity control system， with control model difficult to be established and low response speed and serious overshoot of conventional algorithm， is a big lagging link system and thus the control effect is not satisfactory. In order to enhance the control effect and precision of the warehouse humidity， the predictive control algorithm was combined with PID in this paper and the predictive PID algorithm was used to control the library collection humidity. Furthermore， this algorithm was transplanted into the ARM， constructing the library collection humidity control system to have a running test. It was shown from the practical application that the predictive PID control algorithm had a good effect on the warehouse humidity control with small fluctuation and high control precision， which could achieve the control requirements of the collection humidity system.

Key words：Predictive PID； humidity control； library collection system

在图书馆和档案馆管理中，档案资料和纸质图书室中的重要藏书，需要在科学合理的温湿度环境下才能长期保存，通常保持相对湿度50%～60%RH以及10～18℃的温度环境可以

防止资料虫蛀、变质，因此需要配置空调机、除湿机来对馆藏系统的温度、湿度进行控制，使温湿度保持在合理的范围之内[1]。对于温度而言，现有的空调系统能够完全满足库房的温度控制需要，而馆藏系统的湿度则需要通过除湿机及加湿机来调节。湿度的控制是一个大滞后的环节，常规的控制算法，很难达到理想的控制效果，且馆藏系统的湿度模型很难建立，且空调在运行过程中会使空气干燥，使房间湿度降低，对湿度的控制产生影响[2]。文献[3]设计了图书馆智能温湿度控制系统，该系统中主要对历史的温度与湿度进行采集计算，建立温度与湿度之间的关系，进而实现温湿度PID控制。文献[4]对图书馆的温湿度研究主要集中在数据传输与组网方面，利用无线传感网络实现图书馆温湿度的控制。图书馆温湿度控制方面的研究，主要集中在利用新技术的发展，对环境参数的检测手段与数传输方面，而具体的控制算法上，依然采用传统的PID算法较多[5]。湿度的控制干扰因素多、模型建立难、一般的控制算法效果差，而预测控制算法在大滞后系统中的控制效果较好，且不需要精确的数学模型，现已成功应用于石油、化工等过程控制系统中，取得了较好的控制效果[6-7]。因此，本文将预测控制算法与PID算法相结合，充分利用两种算法的优点，对馆藏系统的湿度控制进行研究。

1 PID 型广义预测控制器设计

1.1 广义预测控制

文献[8]提出了基于参数模型的广义控制，其实质是在广义最小方差的基础上引入了多步预测的思想，因此其随机噪声、抗负载扰动和时延变化等能力有了显著的提高，有较强的鲁棒性，适用于开环不稳定、有时延的非最小相位系统。其算法的基本形式如下，被控对象的数学模型采用下列离散差分方程描述[9]

2 系统的实现

在馆藏系统中，当档案库房温湿度超出了规范要求的范围，就会对档案造成损害，《纸、纸张和纸浆试样处理和试验的标准大气条件》規定的测定纸张物理强度的温度为23℃±1℃，相对湿度为50%±2%。根据标准可以看出，馆藏系统对湿度的要求，一般要比大气环境的湿度要低，考虑在大气环境湿度高情况下的湿度控制问题，因此湿度的控制主要由除湿器来完成，大气环境湿度低情况下的湿度控制将进一步研究。本文将基于PID的预测控制算法移植到ARM中，ARM控制器通过键盘显示来完成湿度的显示与控制值设定，利用SHT11传感器来检测库房的温度和湿度，进而来控制除湿器的工作，实现对库房湿度的调节，并通过Zigbee模块进行无线远程监控，馆藏系统湿度控制系统的控制结构框图如图1所示[14]。

预测PID控制算法是将预测控制与PID算法结合在一起，通过预测控制对湿度进行模型预测，并根据预测结果来校正湿度反馈，并完成PID比例、微分、积分系数的自动更新，实现自适应的PID控制，其控制原理图如图2所示[15]。

在ARM程序中，利用定时器定时实现周期采样与周期控制，将预测PID控制算法编写成一个子程序，在定时器控制周期到来时，进行子程序调用，根据上节的算法推理，预测PID控制子程序的算法实现如图3所示。

为检验该控制算法的控制效果，将该系统应用于一间40m2密闭库房，库房启用了集中空调和除湿机，配备一台山井SK-501 型除湿机，日除湿量50L，设定相对湿度目标值为50%，记录间隔为15min/条。为检验控制效果，以梅雨季节为例，表1所示为库房采用预测PID控制算法后一天的湿度数据表。

通过表1可以看出，在采用預测PID控制算法后，其湿度值保持在目标值50%上下波动，控制效果较好，由于湿度控制的大的滞后性，加之传感器的检测误差，部分时间段的湿度数据有一定的误差，但该湿度能够完全满足库房的国标要求。

3 结论

预测PID控制算法是将PID算法与预测控制算法相结合，利用预测控制算法进行PID参数的自整定，馆藏系统湿度的控制系统是一个大滞后的控制系统，常规PID控制效果不理想，本文对预测PID控制算法进行推理，提出将该算法移植到ARM中，对库房湿度进行控制，实际应用表明，预测PID控制算法控制效果好、精度高，能够满足馆藏系统的湿度控制要求，但该系统还不够完善，需要进一步改进，实现温度与湿度的解耦控制。

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（责任编辑：李 丽，吴晓红，编辑：丁 寒）