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CN114518776B - 一种VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法 - Google Patents

一种VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法 Download PDF

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CN114518776B
CN114518776B CN202210174444.1A CN202210174444A CN114518776B CN 114518776 B CN114518776 B CN 114518776B CN 202210174444 A CN202210174444 A CN 202210174444A CN 114518776 B CN114518776 B CN 114518776B
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杨晓琦
张宇昊
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Abstract

本发明涉及了一种VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，包括如下步骤：步骤A1：通过数据输入模块设定气候室的理想湿度值
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和理想温度值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；步骤A2：数据输入模块通过各种传感器获得相应的温度和湿度信号；步骤A3：数据输入模块将所采集数据发送至控制器，控制器对数据处理之后将处理结果发送至数据输出模块；数据输出模块输出第一控制信号
Figure DEST_PATH_IMAGE006
给控温水箱，控制其内的水温
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；输出第二控制信号
Figure DEST_PATH_IMAGE010
给露点湿度发生器，控制其内的水温
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；步骤四：重复步骤A2～步骤A3，致使
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。采用本技术方案，对VOCs释放量检测气候室的温湿度控制更为精确。

Description

一种VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法
技术领域
本发明涉及气候室温湿度控制技术领域，具体涉及一种VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法。
背景技术
挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)是影响环境空气质量的主要因素，严重威胁人类健康，己经被国际癌症研究机构确定为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
类致癌物质。目前，VOCs释放量气候室检测法被行政执法、检验机构和相关生产企业所接受和认可，并逐渐主导未来检测VOCs释放量的发展方向。
气候室内温湿度的精确控制是实现VOCs释放量检测的关键。
已有气候室控制方法多采用PID控制，如文献1，申请号为201810966286.7、名称为“一种自动调节气候室湿度的控制方法”的发明专利，提出了一种30m3气候室温湿度智能前馈PID控制方法，该类方法均没有精确考虑气候室温湿度控制中非线性因素，因此很难实现温湿度的精确控制。
有的气候室控制方法虽然考虑了温湿度控制中非线性因素，但具体控制过程中是将非线性模型简化为线性模型或直接建立线性模型，然后对线性模型进行控制器设计，并非真正的非线性控制。如文献2，名称为“基于模糊滑模变结构算法的大气候室控制研究”的博士学位论文，建立了气候室的非线性数学模型，并进行局部精确线性化，进而进行了模糊控制器设计。如文献3，名称为“人造板制品甲醛释放量检测用气候室高精度控制方法研究”的博士学位论文，建立了气候室的非线性数学模型，并分别利用精确反馈线性化、
Figure DEST_PATH_IMAGE003
控制和状态观测器，提出了气候室温湿度控制方法。上述方法是将非线性模型进行线性化后，再进行控制器设计，而没有针对非线性模型直接进行控制设计，由于气候室模型不满足严格反馈结构，且温湿度之间具有强耦合的特点，难以利用backstepping（反步）方法设计非线性控制器。
另外，文献2中的模糊控制器，其计算量会随着模糊逻辑规则的增加按指数规律增大，因此，当模糊规则较多时，容易造成计算爆炸；模糊规则较少时，近似的效果会变的较差。
上述现有技术中对气候室内温湿度的控制方法中均是将控温水箱和露点湿度发生器内水的质量假当作恒定值，而在气候室温湿度的实际控制过程中，上述容器内水的质量是随时间而变化的，如随着加湿过程的进行，露点湿度发生器内水的质量会不断减少等。因此，忽略水的质量变化也会对温湿度控制效果产生不利影响。
上述现有技术中对气候室内温湿度的控制方法中均未考虑控温水箱和露点湿度发生器内的加热制冷装置的输出功率变化问题，随着使用时间过久或水垢积累等问题，控温水箱和露点湿度发生器内的加热制冷装置的输出功率会出现不同程度的降低，忽略该因素也会对温湿度控制效果产生不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是弥补现有技术的不足，提供一种VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法。
要解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，包括如下步骤：
步骤A1：通过控制系统的数据输入模块设定气候室的理想湿度值
Figure 731245DEST_PATH_IMAGE004
和理想温度值
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤A2：控制系统的数据输入模块通过湿度传感器获得气候室中的湿度
Figure 397891DEST_PATH_IMAGE006
，通过第一温度传感器获得气候室中的温度
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；通过第二温度传感器获得控温水箱内的水温
Figure 947559DEST_PATH_IMAGE008
；通过第八温度传感器获得露点湿度发生器内的水温
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；通过第四温度传感器获得环境温度
Figure 76052DEST_PATH_IMAGE010
；通过第三温度传感器获得气候室的外表面温度
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；通过第五温度传感器获得检测室内的温度
Figure 644567DEST_PATH_IMAGE012
；通过第六温度传感器获得空气压缩机内的实时温度，通过计算后获得
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 673441DEST_PATH_IMAGE013
为空气压缩机内的实时温度与初始温度之差；通过第七温度传感器获得露点湿度发生器入风口的初始空气温度
Figure 488950DEST_PATH_IMAGE014
；
步骤A3：数据输入模块将所采集数据发送至控制器，控制器对数据处理之后将处理结果发送至数据输出模块，数据输出模块输出第一控制信号
Figure DEST_PATH_IMAGE015
给控温水箱中第一加热/制冷装置，数据输出模块输出第二控制信号
Figure 917789DEST_PATH_IMAGE016
给露点湿度发生器中第二加热/制冷装置；第一加热/制冷装置通过第一控制信号
Figure 476946DEST_PATH_IMAGE015
控制控温水箱内的水温
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，第二加热/制冷装置通过第二控制信号
Figure 94747DEST_PATH_IMAGE016
控制露点湿度发生器内的水温
Figure 222103DEST_PATH_IMAGE018
；
步骤四：重复步骤A2～步骤A3，致使
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 59609DEST_PATH_IMAGE020
；
所述控制器处理数据所依据的控制模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 828982DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE023
是空气压缩机送新风温度的时间常数，
Figure 442235DEST_PATH_IMAGE024
是拟合系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
是控温水箱中第一加热/制冷装置的制冷时间常数，
Figure 271650DEST_PATH_IMAGE026
是露点湿度发生器中第二加热/制冷装置的制冷时间常数；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
是水的比热容，
Figure 596453DEST_PATH_IMAGE028
是控温水箱的水泵速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
是水的密度，
Figure 402472DEST_PATH_IMAGE030
是气候室的容积，
Figure 965172DEST_PATH_IMAGE031
是等容比热容，
Figure 293385DEST_PATH_IMAGE032
是气候室的换气比，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
是空气与气候室表面之间的传热系数，
Figure 105483DEST_PATH_IMAGE034
是气候室外表面的面积，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
是经验参数，
Figure 856139DEST_PATH_IMAGE036
是控温水箱内水的质量，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
是露点湿度发生器内水的质量，
Figure 804504DEST_PATH_IMAGE038
是控温水箱与空气之间的传热系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
是露点湿度发生器与空气之间的传热系数，
Figure 975722DEST_PATH_IMAGE040
是控温水箱与空气之间的传热接触面积，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
是露点湿度发生器与空气之间的传热接触面积，
Figure 9537DEST_PATH_IMAGE042
是控温水箱中第一加热/制冷装置的制冷增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
是露点湿度发生器中第二加热/制冷装置的制冷增益，
Figure 157359DEST_PATH_IMAGE044
是控温水箱蒸发温度的经验值，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
是露点湿度发生器蒸发温度的经验值；
Figure 225810DEST_PATH_IMAGE046
表示控温水箱中第一加热/制冷装置的失效程度，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
表示露点湿度发生器中第二加热/制冷装置的失效程度，
Figure 302350DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure DEST_PATH_IMAGE049
的取值范围是[0,1]，取0时，表示装置完全失效，取1时，表示装置正常工作，取（0，1）时，表示部分失效；
将控制模型转换为矩阵形式，得控制模型矩阵：
Figure 89040DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
Figure 915920DEST_PATH_IMAGE052
Figure DEST_PATH_IMAGE053
Figure 838876DEST_PATH_IMAGE054
Figure DEST_PATH_IMAGE055
Figure 86318DEST_PATH_IMAGE056
Figure DEST_PATH_IMAGE057
Figure 858840DEST_PATH_IMAGE058
进一步地，所述控制器包括虚拟控制信号、实际控制信号和自适应律，
虚拟控制信号为：
Figure DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure 849930DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 627393DEST_PATH_IMAGE062
为正的设计参数，
Figure 639211DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
；
实际控制信号为：
Figure 869335DEST_PATH_IMAGE066
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE067
为Nussbaum偶函数（努斯鲍姆偶函数），变量
Figure 162651DEST_PATH_IMAGE068
和
Figure DEST_PATH_IMAGE069
满足：
Figure 794621DEST_PATH_IMAGE070
s2=[s21,s22]T
Figure DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure 524810DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为正常数，
Figure 6345DEST_PATH_IMAGE074
Figure DEST_PATH_IMAGE075
Figure 604817DEST_PATH_IMAGE076
Figure DEST_PATH_IMAGE077
Figure 91293DEST_PATH_IMAGE078
Figure DEST_PATH_IMAGE079
，
Figure 117018DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure DEST_PATH_IMAGE081
为正常数，
Figure 820269DEST_PATH_IMAGE082
Figure DEST_PATH_IMAGE083
自适应律为：
Figure 956852DEST_PATH_IMAGE084
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE085
2是
Figure 563414DEST_PATH_IMAGE086
2的估计值，
Figure DEST_PATH_IMAGE087
，
Figure 760040DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure DEST_PATH_IMAGE089
表示
Figure 685009DEST_PATH_IMAGE090
，
Figure DEST_PATH_IMAGE091
为正常数，
Figure 625283DEST_PATH_IMAGE092
表示
Figure 555193DEST_PATH_IMAGE093
，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
为正常数，
Figure 922720DEST_PATH_IMAGE095
。
进一步地，所述Nussbaum偶函数为
Figure DEST_PATH_IMAGE096
。
进一步地，
Figure 600564DEST_PATH_IMAGE097
的取值范围为4～6，
Figure DEST_PATH_IMAGE098
的取值范围为0.8～1.2。
进一步地，
Figure 78950DEST_PATH_IMAGE097
=5，
Figure 988000DEST_PATH_IMAGE098
=1。
进一步地，
Figure 995270DEST_PATH_IMAGE061
的取值范围为0.0008～0.0012，
Figure 989771DEST_PATH_IMAGE062
的取值范围为0.00008～0.00012，
Figure 6269DEST_PATH_IMAGE099
的取值范围为0.0008～0.0012，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
的取值范围为0.0004～0.0006。
进一步地，
Figure 963902DEST_PATH_IMAGE061
=0.001，
Figure 142074DEST_PATH_IMAGE062
=0.0001，
Figure 889450DEST_PATH_IMAGE099
=0.001，
Figure 178480DEST_PATH_IMAGE101
=0.0005。
进一步地，所述
Figure DEST_PATH_IMAGE102
和
Figure 468647DEST_PATH_IMAGE049
的取值范围是[0,1]，取0时，表示装置完全失效，取1时，表示装置正常工作，取（0，1）时，表示部分失效。
进一步地，所述
Figure 676774DEST_PATH_IMAGE103
和
Figure DEST_PATH_IMAGE104
的值分别为50%和25℃。
进一步地，
Figure 550927DEST_PATH_IMAGE035
的取值为0.5，
Figure 643648DEST_PATH_IMAGE044
的取值为20，
Figure 522742DEST_PATH_IMAGE045
的取值为25。
本发明可以达到的有益效果为：
（1）本申请的控制方法直接针对气候室非线性数学模型进行控制器设计，避免了模型简化过程以及简化引起的控制精度下降问题。
（2）本申请的控制方法是针对系统模型的纯反馈结构，利用隐函数定理，将非线性项作为整体进行处理，无需进行温湿度解耦。
（3）采用本申请的控制方法可更快速地达到设定的温湿度，并获得较高的温湿度控制精度，且控制平稳。
（4）由于本申请的控制方法未采用模糊逻辑系统，故有效避免了因模糊规则的增加而造成的控制器计算复杂性急剧增大的问题。
（5）充分考虑了控温水箱和露点湿度发生器内水的质量随控制时间的变化，控制更加精确。
（6）充分考虑了加热制冷装置的输出功率因使用时间过久或水垢积累等问题引起输出功率下降的问题，通过容错控制，使控制更加精确。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例仿真模拟所得的气候室内温、湿度变化曲线；
图3是本发明实施例仿真模拟所得的气候室内温、湿度控制误差曲线；
图4是本发明实施例仿真模拟所得的控温水箱、露点湿度发生器内水温变化曲线；
图5是本发明实施例仿真模拟所得的气候室湿度控制曲线；
图6是本发明实施例仿真模拟所得的气候室温度控制曲线；
图7是本发明实施例仿真模拟所得的Nussbaum偶函数变量变化曲线；
图8是本发明实施例仿真模拟所得的不同执行器失效程度下的气候室内温湿度变化曲线；
图9是本发明实施例仿真模拟所得的不同执行器失效程度下的气候室内温湿度控制误差曲线；
图中：1-检测室，2-气候室，3-表冷器，4-控温水箱，5-第一加热/制冷装置，6-第二温度传感器，7-第一温度传感器，8-湿度传感器，9-第三温度传感器，10-控制器，11-数据输入模块，12-数据输出模块，13-控制系统，14-第四温度传感器，15-第五温度传感器，16-第六温度传感器，17-空气压缩机，18-空气净化装置，19-第七温度传感器，20-第八温度传感器，21-第二加热/制冷装置，22-露点湿度发生器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
一种VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制系统，包括检测室1、气候室2、控温水箱4、表冷器3、露点湿度发生器22、空气压缩机17、空气净化装置18、多个温度传感器、湿度传感器8和控制系统13，气候室2、控温水箱4和露点湿度发生器22均设置于检测室1中。
气候室2的墙壁为铁或不锈钢材质，气候室2的体积为30m3，气候室2中设有表冷器3和湿度调节风口，表冷器3通过水管与控温水箱4的水循环口相连，湿度调节风口通过风管与露点湿度发生器22的出气口相连。
空气压缩机17用于向露点湿度发生器22的进风口输送压缩空气，空气净化装置18设置在空气压缩机17的出风口与露点湿度发生器22的进风口之间。
控温水箱4的控制器为第一加热/制冷装置5，露点湿度发生器22的控制器为第二加热/制冷装置21。
控制系统13包括控制器10、数据输入模块11和数据输出模块12，数据输入模块11和数据输出模块12均与控制器10相连；多个温度传感器和湿度传感器8均与数据输入模块11相连，第一加热/制冷装置5和第二加热/制冷装置21均与数据输出模块12相连。
多个温度传感器分别为：第一温度传感器7用于测量气候室2中的温度，第二温度传感器6用于测量控温水箱4内的水温，第三温度传感器9用于测量气候室2的表面温度，第四温度传感器14用于测量检测室1之外的环境温度，第五温度传感器15用于测量检测室1内的温度，第六温度传感器16用于测量空气压缩机17内的温度，第七温度传感器19用于测量露点湿度发生器22入风口的空气温度，第八温度传感器20用于测量露点湿度发生器22内的水温。
湿度传感器8用于测量气候室2中的湿度。
VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，具体包括如下步骤：
步骤A1：通过控制系统13的数据输入模块11设定气候室2的理想湿度值
Figure 167350DEST_PATH_IMAGE105
和理想温度值
Figure 499106DEST_PATH_IMAGE005
，根据国标GB/T 33043-2016，
Figure 520151DEST_PATH_IMAGE004
取值为50%，
Figure DEST_PATH_IMAGE106
取值为25℃。
步骤A2：控制系统13的数据输入模块11通过湿度传感器8获得气候室2中的湿度
Figure 283446DEST_PATH_IMAGE006
，通过第一温度传感器7获得气候室2中的温度
Figure 974321DEST_PATH_IMAGE107
；通过第二温度传感器6获得控温水箱4内的水温
Figure DEST_PATH_IMAGE108
；通过第八温度传感器20获得露点湿度发生器22内的水温
Figure 58952DEST_PATH_IMAGE018
；通过第四温度传感器14获得环境温度
Figure 759054DEST_PATH_IMAGE010
；通过第三温度传感器9获得气候室2的外表面温度
Figure 471795DEST_PATH_IMAGE109
；通过第五温度传感器15获得检测室1内的温度
Figure DEST_PATH_IMAGE110
；通过第六温度传感器16获得空气压缩机17内的实时温度，通过计算后获得
Figure 628845DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 200772DEST_PATH_IMAGE013
为空气压缩机17内的实时温度与初始温度之差；通过第七温度传感器19获得露点湿度发生器22入风口的初始空气温度
Figure 173407DEST_PATH_IMAGE014
。
步骤A3：数据输入模块11将所采集数据发送至控制器10，控制器10对数据处理之后将处理结果发送至数据输出模块12，数据输出模块12输出第一控制信号
Figure 740655DEST_PATH_IMAGE015
给控温水箱4的第一加热/制冷装置5，数据输出模块12输出第二控制信号
Figure 773333DEST_PATH_IMAGE016
给露点湿度发生器22中第二加热/制冷装置21；第一加热/制冷装置5通过第一控制信号
Figure 691610DEST_PATH_IMAGE015
控制控温水箱4内的水温
Figure 966471DEST_PATH_IMAGE008
，第二加热/制冷装置21通过第二控制信号
Figure 653805DEST_PATH_IMAGE016
控制露点湿度发生器22内的水温
Figure 857384DEST_PATH_IMAGE009
。
步骤四：重复步骤A2～步骤A3，致使
Figure 997378DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 577395DEST_PATH_IMAGE111
。
控制器10处理数据所依据的控制模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE112
（式1）
其中，
Figure 525760DEST_PATH_IMAGE022
如附表1中所示，
Figure 664355DEST_PATH_IMAGE023
是空气压缩机送新风温度的时间常数，
Figure 291645DEST_PATH_IMAGE024
是拟合系数，
Figure 409774DEST_PATH_IMAGE025
是控温水箱中第一加热/制冷装置的制冷时间常数，
Figure 71700DEST_PATH_IMAGE026
是露点湿度发生器中第二加热/制冷装置的制冷时间常数；
Figure 617082DEST_PATH_IMAGE027
是水的比热容，
Figure 466089DEST_PATH_IMAGE113
是控温水箱的水泵速度，
Figure 387908DEST_PATH_IMAGE029
是水的密度，
Figure 543821DEST_PATH_IMAGE030
是气候室的容积，
Figure 650317DEST_PATH_IMAGE031
是等容比热容，
Figure 861987DEST_PATH_IMAGE032
是气候室的换气比，
Figure 587497DEST_PATH_IMAGE033
是空气与气候室表面之间的传热系数，
Figure 958436DEST_PATH_IMAGE034
是气候室外表面的面积，
Figure 845621DEST_PATH_IMAGE035
是经验参数，
Figure 934799DEST_PATH_IMAGE036
是控温水箱内水的质量，
Figure 431377DEST_PATH_IMAGE037
是露点湿度发生器内水的质量，
Figure 922402DEST_PATH_IMAGE038
是控温水箱与空气之间的传热系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE114
是露点湿度发生器与空气之间的传热系数，
Figure 777225DEST_PATH_IMAGE040
是控温水箱与空气之间的传热接触面积，
Figure 963487DEST_PATH_IMAGE041
是露点湿度发生器与空气之间的传热接触面积，
Figure 889855DEST_PATH_IMAGE042
是控温水箱中第一加热/制冷装置的制冷增益，
Figure 110752DEST_PATH_IMAGE043
是露点湿度发生器中第二加热/制冷装置的制冷增益，
Figure 464373DEST_PATH_IMAGE044
是控温水箱蒸发温度的经验值，
Figure 636466DEST_PATH_IMAGE045
是露点湿度发生器蒸发温度的经验值；
Figure 366524DEST_PATH_IMAGE046
表示控温水箱（4）中第一加热/制冷装置（5）的失效程度，
Figure 441928DEST_PATH_IMAGE049
表示露点湿度发生器（22）中第二加热/制冷装置（21）的失效程度，随着使用时间的推移，第一加热/制冷装置5和第二加热/制冷装置21上不可避免地会附着水垢等物质，再叠合其他原因导致实际输出功率小于期望输出功率，但是“失效程度”是个未知量，本实施例中通过定义
Figure 966450DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 127304DEST_PATH_IMAGE049
的取值范围来表示失效程度，具体定义为
Figure 661053DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 590963DEST_PATH_IMAGE049
的取值范围是[0,1]，取0时，表示装置完全失效，取1时，表示装置正常工作，取（0，1）时，表示部分失效。
为了便于进行控制器10的设计，将控制模型（式1）变换为矩阵形式，得控制模型矩阵：
Figure 286387DEST_PATH_IMAGE050
（式2）
其中，
Figure 433072DEST_PATH_IMAGE051
Figure 504933DEST_PATH_IMAGE052
Figure 554929DEST_PATH_IMAGE053
Figure 421254DEST_PATH_IMAGE054
Figure 291121DEST_PATH_IMAGE055
Figure 166673DEST_PATH_IMAGE056
Figure 805596DEST_PATH_IMAGE057
Figure 108401DEST_PATH_IMAGE058
。
控制器10设计：
控制器10包括虚拟控制信号、实际控制信号和自适应律：
虚拟控制信号为：
Figure 964099DEST_PATH_IMAGE059
（式3）
其中，
Figure 377763DEST_PATH_IMAGE115
，
Figure 136772DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 610479DEST_PATH_IMAGE062
为正的设计参数，
Figure 189359DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure DEST_PATH_IMAGE116
。
实际控制信号为：
Figure 78817DEST_PATH_IMAGE066
（式4）
其中，
Figure 816966DEST_PATH_IMAGE067
为Nussbaum偶函数，变量
Figure 835475DEST_PATH_IMAGE117
和
Figure DEST_PATH_IMAGE118
满足：
Figure 432810DEST_PATH_IMAGE119
（式4.1）
s2=[s21,s22]T
Figure 453856DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure 187456DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure 737386DEST_PATH_IMAGE073
为正常数，
Figure 556438DEST_PATH_IMAGE074
Figure 115595DEST_PATH_IMAGE075
Figure 202238DEST_PATH_IMAGE076
（式4.2）
Figure 188648DEST_PATH_IMAGE077
Figure 494996DEST_PATH_IMAGE078
（式4.3）
备注：由于
Figure DEST_PATH_IMAGE120
，所以
Figure 998789DEST_PATH_IMAGE121
存在且唯一，从而保证
Figure DEST_PATH_IMAGE122
存在且唯一；
Figure 238141DEST_PATH_IMAGE079
，
Figure 769354DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure 422052DEST_PATH_IMAGE081
为正常数，
Figure 463958DEST_PATH_IMAGE082
Figure 151291DEST_PATH_IMAGE083
（式4.4）。
自适应律为：
Figure 354870DEST_PATH_IMAGE084
（式5）
其中，
Figure 494865DEST_PATH_IMAGE123
是
Figure 809302DEST_PATH_IMAGE086
的估计值，
Figure DEST_PATH_IMAGE124
，
Figure 256202DEST_PATH_IMAGE125
，
Figure 489737DEST_PATH_IMAGE089
表示
Figure DEST_PATH_IMAGE126
，
Figure 523552DEST_PATH_IMAGE127
为正常数，
Figure 641681DEST_PATH_IMAGE092
表示
Figure 303606DEST_PATH_IMAGE093
，
Figure DEST_PATH_IMAGE128
为正常数，
Figure 19627DEST_PATH_IMAGE129
。
控制器10的稳定性证明：
（1）构建第一个Lyapunov函数（李雅普诺夫函数）如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE130
对式
Figure 540739DEST_PATH_IMAGE131
求导，并结合
Figure DEST_PATH_IMAGE132
的定义和（式2），得到：
Figure 993717DEST_PATH_IMAGE133
（式6）
将虚拟控制信号（式3）带入（式6），可得
Figure 244569DEST_PATH_IMAGE134
（式7）
（2）选择第二个Lyapunov函数（李雅普诺夫函数）如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE135
（式8）
其中，
Figure 492011DEST_PATH_IMAGE136
。
对（式8）求导，结合
Figure DEST_PATH_IMAGE137
的定义和（式2），并带入（式7），可得
Figure 22391DEST_PATH_IMAGE138
（式9）
根据
Figure 482322DEST_PATH_IMAGE137
的定义，
Figure DEST_PATH_IMAGE139
可表示为：
Figure 259786DEST_PATH_IMAGE140
(式10)
由于
Figure DEST_PATH_IMAGE141
、
Figure 678129DEST_PATH_IMAGE142
和
Figure DEST_PATH_IMAGE143
中包含未知常数
Figure 672367DEST_PATH_IMAGE144
，将
Figure DEST_PATH_IMAGE145
中的未知项与已知项分开，利用（式4.4），可得如下表达式：
Figure 201569DEST_PATH_IMAGE146
=
Figure 427014DEST_PATH_IMAGE147
(式11)
调用 (式10)和(式11)， (式9)可转化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE148
（式12）
（式12）中的
Figure 281837DEST_PATH_IMAGE149
可计算为：
Figure DEST_PATH_IMAGE150
（式13）
将实际控制信号（式4）及（式4.1）带入（式13）可得
Figure 999257DEST_PATH_IMAGE151
（式14）
并且
Figure DEST_PATH_IMAGE152
可以表示为：
Figure 96264DEST_PATH_IMAGE153
（式15）
利用(式14)和(式15)，
Figure DEST_PATH_IMAGE154
重写如下:
Figure 848319DEST_PATH_IMAGE155
（式16）
将（式4.2）和（式4.3）带入（式16），可得
Figure DEST_PATH_IMAGE156
（式17）
更进一步地，将自适应率（式5）带入（式17），则有
Figure 342886DEST_PATH_IMAGE157
（式18）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE158
把（式18）中的
Figure 547602DEST_PATH_IMAGE159
移到该算式左边，并且在该算式两边同时乘以
Figure DEST_PATH_IMAGE160
，得到：
Figure 182721DEST_PATH_IMAGE161
对上式两边求积分，得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE162
通过简单的计算得到：
Figure 54862DEST_PATH_IMAGE163
（式19）
通过（19）式，结合引理1可知，本发明提出的控制方法可保证闭环系统内所有信号有界。
引理1：假设
Figure DEST_PATH_IMAGE164
为Lyapunov函数，
Figure 985909DEST_PATH_IMAGE165
是一阶可微的函数。如果不等式
Figure DEST_PATH_IMAGE166
在
Figure 677921DEST_PATH_IMAGE167
内成立，则，
Figure DEST_PATH_IMAGE168
，
Figure 851151DEST_PATH_IMAGE169
和
Figure DEST_PATH_IMAGE170
在
Figure 312220DEST_PATH_IMAGE171
上是有界的（闭环系统解的有界性使
Figure DEST_PATH_IMAGE172
扩展到
Figure 820692DEST_PATH_IMAGE173
）。其中
Figure DEST_PATH_IMAGE174
表示一个正常数，
Figure 498536DEST_PATH_IMAGE175
表示某个合适的常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE176
表示一个非零有界函数，
Figure 711343DEST_PATH_IMAGE177
是一个Nussbaum偶函数。
仿真验证：
为验证本发明提出的控制方法有效性，使用Matlab进行仿真。
选择初始条件为：
Figure DEST_PATH_IMAGE178
，
Figure 292497DEST_PATH_IMAGE179
，
Figure DEST_PATH_IMAGE180
，
Figure 362084DEST_PATH_IMAGE181
。
目标相对湿度和目标温度分别设置为：
Figure DEST_PATH_IMAGE182
，
Figure 668169DEST_PATH_IMAGE183
。
Nussbaum偶函数变量的参数为
Figure DEST_PATH_IMAGE184
。
选取Nussbaum偶函数为
Figure 684667DEST_PATH_IMAGE185
，
并且在
Figure DEST_PATH_IMAGE186
中有
Figure 385907DEST_PATH_IMAGE187
，
Figure DEST_PATH_IMAGE188
；在
Figure 859351DEST_PATH_IMAGE189
中有
Figure 216514DEST_PATH_IMAGE190
，
Figure 895757DEST_PATH_IMAGE191
。
Figure 654766DEST_PATH_IMAGE192
，
Figure DEST_PATH_IMAGE193
，
Figure 534997DEST_PATH_IMAGE194
。
Figure DEST_PATH_IMAGE195
和
Figure 143571DEST_PATH_IMAGE196
为0.9，这意味着温湿度控制装置部分失效。
Figure 95346DEST_PATH_IMAGE197
，
Figure 974441DEST_PATH_IMAGE198
，
Figure 619048DEST_PATH_IMAGE199
和
Figure 950804DEST_PATH_IMAGE200
为别取值为25℃，21℃，25℃和18.1℃。其他参数为
Figure 706270DEST_PATH_IMAGE201
，
Figure 174292DEST_PATH_IMAGE202
，
Figure 989801DEST_PATH_IMAGE203
和
Figure 307388DEST_PATH_IMAGE204
。
仿真结果如图2-9所示，
图2中，给出了气候室2中温度、相对湿度的变化曲线。
图3中，可以清楚地看到气候室2中温度、相对湿度的跟踪误差收敛于范围
Figure 866545DEST_PATH_IMAGE205
、
Figure 454652DEST_PATH_IMAGE206
内。
图4中，给出了温度控制箱中的水温
Figure 441063DEST_PATH_IMAGE207
和露点湿度发生器中的水温
Figure 747410DEST_PATH_IMAGE208
的变化曲线，且有界收敛。
图5-图6中，给出了相对湿度和温度控制输入信号的变化曲线，两者都有边界，并且收敛到一个小范围区域内。
图7中，给出了Nussbaum偶函数变量
Figure 844679DEST_PATH_IMAGE209
和
Figure 552872DEST_PATH_IMAGE210
的变化曲线。
此外，还验证了该控制器在不同程度执行器故障情况（
Figure 444605DEST_PATH_IMAGE211
具有不同的取值，
Figure DEST_PATH_IMAGE212
）下的有效性，结果见图8-图9。
其中，图8(a)和图9(a)为
Figure 267942DEST_PATH_IMAGE213
时的变化曲线，
图8(b)和图9(b)为
Figure DEST_PATH_IMAGE214
、
Figure 575427DEST_PATH_IMAGE215
时的变化曲线，
图8(c)和图9(c)描述了无损失情况下的系统性能（
Figure DEST_PATH_IMAGE216
）。
Figure 544651DEST_PATH_IMAGE217
Figure 872864DEST_PATH_IMAGE218
以上所述仅是本发明的其中一种实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思路的前提下所做出的若干改进和润饰均为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤A1：通过控制系统（13）的数据输入模块（11）设定气候室（2）的理想湿度值
Figure 713193DEST_PATH_IMAGE001
和理想温度值
Figure 684560DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤A2：控制系统（13）的数据输入模块（11）通过湿度传感器（8）获得气候室（2）中的湿度
Figure 488568DEST_PATH_IMAGE003
，通过第一温度传感器（7）获得气候室（2）中的温度
Figure 561697DEST_PATH_IMAGE004
；通过第二温度传感器（6）获得控温水箱（4）内的水温
Figure 109353DEST_PATH_IMAGE005
；通过第八温度传感器（20）获得露点湿度发生器（22）内的水温
Figure 935227DEST_PATH_IMAGE006
；通过第四温度传感器（14）获得环境温度
Figure 18458DEST_PATH_IMAGE007
；通过第三温度传感器（9）获得气候室（2）的外表面温度
Figure 437938DEST_PATH_IMAGE008
；通过第五温度传感器（15）获得检测室（1）内的温度
Figure 913919DEST_PATH_IMAGE009
；通过第六温度传感器（16）获得空气压缩机（17）内的实时温度，通过计算后获得
Figure 735244DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 22000DEST_PATH_IMAGE010
为空气压缩机（17）内的实时温度与初始温度之差；通过第七温度传感器（19）获得露点湿度发生器（22）入风口的初始空气温度
Figure 928777DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤A3：数据输入模块（11）将所采集数据发送至控制器（10），控制器（10）对数据处理之后将处理结果发送至数据输出模块（12），数据输出模块（12）输出第一控制信号
Figure 942869DEST_PATH_IMAGE012
给控温水箱（4）中第一加热/制冷装置（5），数据输出模块（12）输出第二控制信号
Figure 884280DEST_PATH_IMAGE013
给露点湿度发生器（22）中第二加热/制冷装置（21）；第一加热/制冷装置（5）通过第一控制信号
Figure 574893DEST_PATH_IMAGE012
控制控温水箱（4）内的水温
Figure 968966DEST_PATH_IMAGE014
，第二加热/制冷装置（21）通过第二控制信号
Figure 786749DEST_PATH_IMAGE013
控制露点湿度发生器（22）内的水温
Figure 582667DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤四：重复步骤A2～步骤A3，致使
Figure 211225DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 552249DEST_PATH_IMAGE016
；
所述控制器（10）处理数据所依据的控制模型为：
Figure 455614DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 11098DEST_PATH_IMAGE018
Figure 918880DEST_PATH_IMAGE019
是空气压缩机（17）送新风温度的时间常数，
Figure 349862DEST_PATH_IMAGE020
是拟合系数，
Figure 994601DEST_PATH_IMAGE021
是控温水箱（4）中第一加热/制冷装置（5）的制冷时间常数，
Figure 624165DEST_PATH_IMAGE022
是露点湿度发生器（22）中第二加热/制冷装置（21）的制冷时间常数；
Figure 453581DEST_PATH_IMAGE023
是水的比热容，
Figure 417864DEST_PATH_IMAGE024
是控温水箱（4）的水泵速度，
Figure 115561DEST_PATH_IMAGE025
是水的密度，
Figure 84785DEST_PATH_IMAGE026
是气候室（2）的容积，
Figure 350682DEST_PATH_IMAGE027
是等容比热容，
Figure 287414DEST_PATH_IMAGE028
是气候室（2）的换气比，
Figure 929748DEST_PATH_IMAGE029
是空气与气候室（2）表面之间的传热系数，
Figure 783172DEST_PATH_IMAGE030
是气候室（2）外表面的面积，
Figure 79024DEST_PATH_IMAGE031
是经验参数，
Figure 909577DEST_PATH_IMAGE032
是控温水箱（4）内水的质量，
Figure 434230DEST_PATH_IMAGE033
是露点湿度发生器（22）内水的质量，
Figure 33839DEST_PATH_IMAGE034
是控温水箱（4）与空气之间的传热系数，
Figure 766171DEST_PATH_IMAGE035
是露点湿度发生器（22）与空气之间的传热系数，
Figure 552862DEST_PATH_IMAGE036
是控温水箱（4）与空气之间的传热接触面积，
Figure 645320DEST_PATH_IMAGE037
是露点湿度发生器（22）与空气之间的传热接触面积，
Figure 99436DEST_PATH_IMAGE038
是控温水箱（4）中第一加热/制冷装置（5）的制冷增益，
Figure 737090DEST_PATH_IMAGE039
是露点湿度发生器（22）中第二加热/制冷装置（21）的制冷增益，
Figure 152022DEST_PATH_IMAGE040
是控温水箱（4）蒸发温度的经验值，
Figure 674270DEST_PATH_IMAGE041
是露点湿度发生器（22）蒸发温度的经验值；
Figure 107526DEST_PATH_IMAGE042
表示控温水箱（4）中第一加热/制冷装置（5）的失效程度，
Figure 57027DEST_PATH_IMAGE043
表示露点湿度发生器（22）中第二加热/制冷装置（21）的失效程度，
Figure 926632DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure 252571DEST_PATH_IMAGE043
的取值范围是[0,1]，取0时，表示装置完全失效，取1时，表示装置正常工作，取（0，1）时，表示部分失效；
将控制模型转换为矩阵形式，得控制模型矩阵：
Figure 540333DEST_PATH_IMAGE045
其中，
Figure 660736DEST_PATH_IMAGE046
Figure 50260DEST_PATH_IMAGE047
Figure 914311DEST_PATH_IMAGE048
Figure 791000DEST_PATH_IMAGE049
Figure 721784DEST_PATH_IMAGE050
Figure 457659DEST_PATH_IMAGE051
Figure 984456DEST_PATH_IMAGE052
Figure 122176DEST_PATH_IMAGE053
。
2.根据权利要求1所述的VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，其特征是：所述控制器（10）包括虚拟控制信号、实际控制信号和自适应律，
虚拟控制信号为：
Figure 725327DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure 682918DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 278985DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 271212DEST_PATH_IMAGE057
为正的设计参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 747061DEST_PATH_IMAGE059
；
实际控制信号为：
Figure 582162DEST_PATH_IMAGE060
其中，
Figure 326127DEST_PATH_IMAGE061
为Nussbaum偶函数，变量
Figure 48227DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 976868DEST_PATH_IMAGE063
满足：
Figure 909052DEST_PATH_IMAGE064
s 2=[s 21,s 22]T
Figure 96189DEST_PATH_IMAGE065
，
Figure 63008DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure 162551DEST_PATH_IMAGE067
为正常数，
Figure 847610DEST_PATH_IMAGE068
Figure 74323DEST_PATH_IMAGE069
Figure 630069DEST_PATH_IMAGE070
Figure 900514DEST_PATH_IMAGE071
Figure 807290DEST_PATH_IMAGE072
Figure 336229DEST_PATH_IMAGE073
，
Figure 12061DEST_PATH_IMAGE074
和
Figure 718986DEST_PATH_IMAGE075
为正常数，
Figure 113058DEST_PATH_IMAGE076
Figure 681574DEST_PATH_IMAGE077
自适应律为：
Figure 477492DEST_PATH_IMAGE078
其中，
Figure 89738DEST_PATH_IMAGE079
2是
Figure 79429DEST_PATH_IMAGE080
2的估计值，
Figure 576269DEST_PATH_IMAGE081
，
Figure 351327DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure 275421DEST_PATH_IMAGE083
表示
Figure 519452DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure 554404DEST_PATH_IMAGE085
为正常数，
Figure 183968DEST_PATH_IMAGE086
表示
Figure 278963DEST_PATH_IMAGE087
，
Figure 977667DEST_PATH_IMAGE088
为正常数，
Figure 816310DEST_PATH_IMAGE089
。
3.根据权利要求2所述的VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，其特征是：所述Nussbaum偶函数为
Figure 565960DEST_PATH_IMAGE090
。
4.根据权利要求3所述的VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，其特征是：
Figure 831856DEST_PATH_IMAGE091
的取值范围为4～6，
Figure 784900DEST_PATH_IMAGE092
的取值范围为0.8～1.2。
5.根据权利要求4所述的VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，其特征是：
Figure 161654DEST_PATH_IMAGE091
=5，
Figure 765811DEST_PATH_IMAGE092
=1。
6.根据权利要求2所述的VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，其特征是：
Figure 310931DEST_PATH_IMAGE056
的取值范围为0.0008～0.0012，
Figure 469380DEST_PATH_IMAGE057
的取值范围为0.00008～0.00012，
Figure 649825DEST_PATH_IMAGE093
的取值范围为0.0008～0.0012，
Figure 124800DEST_PATH_IMAGE094
的取值范围为0.0004～0.0006。
7.根据权利要求6所述的VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，其特征是：
Figure 998078DEST_PATH_IMAGE056
=0.001，
Figure 784769DEST_PATH_IMAGE057
=0.0001，
Figure 893539DEST_PATH_IMAGE093
=0.001，
Figure 347654DEST_PATH_IMAGE095
=0.0005。
8.根据权利要求1所述的VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，其特征是：所述
Figure 500156DEST_PATH_IMAGE096
和
Figure 774142DEST_PATH_IMAGE097
的值分别为50%和25℃。
9.根据权利要求1所述的VOCs释放量检测气候室温湿度非线性控制方法，其特征是：
Figure 421024DEST_PATH_IMAGE031
的取值为0.5，
Figure 729646DEST_PATH_IMAGE040
的取值为20，
Figure 554513DEST_PATH_IMAGE041
的取值为25。
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