设计一种基于二自由度PID前馈解耦的恒温恒湿控制系统，利用阶跃响应实验测得系统响应曲线，结合机理法搭建数学模型，设计解耦环节，把多变量耦合控制系统处理为多回路互不干扰的单变量控制系统，使用二自由度PID控制器，调节PID参数，使外部干扰响应性能最优，目标值滤波器处理温湿度设定值，使目标值响应性能也达到最优。仿真结果表明，该控制系统减小了温度和相对湿度的互相干扰，保证了温湿度值平稳不抖动。

引言

随着科研技术的不断发展，对温湿度性能指标的控制提出了更高的要求。在进行生物、医药、化学等科研实验时需要温湿度恒定，温湿度的控制精度直接决定实验的成败[1]。但目前国内市场大部分的国产环境实验箱都只对温度或相对湿度单参数控制，无法满足实际实验需求[2]。部分进口实验箱虽然实现了温湿度联合控制，但是价格昂贵，后期也存在维护困难等缺点。

针对恒温恒湿箱的市场现状，开发了基于二自由度PID前馈解耦控制的恒温恒湿控制系统[3]。通过解耦技术和二自由度PID算法的运用，减小了温度和相对湿度的互相扰动，提高了控制精度[4],保证实验箱可以长时间稳定运行，同时通过引入物联网模块和触摸屏，既简化工作人员的操作流程，又可以在服务器端远程监管实验箱，提高了设备智能化水平。

1 硬件设计

系统硬件包括NX控制器、温控模块、除湿模块、加湿模块、温湿度传感器等。NX控制器通过Ethernet/IP与OMRON NA触摸屏通信，通过温湿度传感器采集信号，各传感器信号以模拟量形式被采集到NX控制器中，并对传感器信息进行分析，使用RS-485串口通信调节温控驱动板、除湿驱动板和无线发射器的工作状态，组成了整个系统的硬件结构。在NX控制器中，利用Sysmac Studio编程软件编写程序，实现了温湿度信号采集、数据转换、温湿度控制量计算等功能。系统的硬件结构如图1所示。

2 阶跃响应实验建模

在实际控制中，温湿度存在耦合情况，若不对温度和相对湿度两个回路进行解耦，两个回路之间互相干扰，会对控制效果产生极大的负面影响，严重时会导致温湿度振荡从而破坏系统的正常工作。在恒温恒湿试验箱系统的运行过程中，箱体内风机、LED灯等电子元件散热以及箱体缝隙处的内外空气交换也会对温湿度造成干扰[5]5],但是经过实验验证这些因素对温湿度的扰动极弱，因此可以忽略这些因素对温湿度的扰动，只考虑温湿度之间的耦合关系，将温湿度控制系统近似为双输入双输出系统[6]6],其控制原理如图2所示。