基于模糊自整定PID控制的奶牛飼喂裝置溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張東虞　曹衛(wèi)彬　楊弈卓

摘要：采用AT89C52作為現(xiàn)場(chǎng)控制裝置，設(shè)計(jì)了一種基于模糊自整定PID控制的奶牛飼喂裝置溫控系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)PT100熱電偶作為溫度傳感器采集溫度信號(hào)，傳送至MAX6675控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，與單片機(jī)進(jìn)行通信，自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)加熱板、報(bào)警裝置等設(shè)備的精密控制；具有加熱區(qū)恒溫控制特性好、精度高、自調(diào)整能力強(qiáng)、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，達(dá)到了對(duì)冬季寒冷地區(qū)奶牛養(yǎng)殖裝置溫控系統(tǒng)的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：PID；模糊控制；飼喂裝置；溫度控制；奶牛

中圖分類(lèi)號(hào)： S818；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）11-0492-03

收稿日期：2014-11-25

基金項(xiàng)目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)科技支疆項(xiàng)目（編號(hào)：2013AB024）。

作者簡(jiǎn)介：張東虞（1980—），女，貴州銅仁人，碩士，講師，主要從事智能化檢測(cè)與自動(dòng)控制技術(shù)研究。E-mail：zdy800809@163.com。

通信作者：曹衛(wèi)彬，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。E-mail：cwb-mac@shzu.edu.cn。奶產(chǎn)業(yè)作為畜牧產(chǎn)業(yè)的一種，具有高效率、高效益雙重特點(diǎn)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中占據(jù)非常重要的地位，一個(gè)國(guó)家的牛奶產(chǎn)量和人均占有量是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度和綜合國(guó)力的重要指標(biāo)。因此，奶業(yè)是世界各國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)之一，在發(fā)達(dá)國(guó)家，奶業(yè)產(chǎn)值比重占到了畜牧業(yè)總產(chǎn)值的30%左右。而在我國(guó)奶業(yè)現(xiàn)階段還處于粗放發(fā)展階段，與奶業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然存在如下問(wèn)題：（1）我國(guó)的奶牛養(yǎng)殖技術(shù)仍然落后，自動(dòng)化程度較低，裝置比較落后；（2）養(yǎng)殖規(guī)?；潭鹊?，散戶(hù)養(yǎng)殖占大多數(shù)比例，導(dǎo)致單產(chǎn)水平低、飼養(yǎng)管理水平落后、奶牛的品種問(wèn)題很難提高等問(wèn)題。分析表明，奶牛品種和飼養(yǎng)管理水平的問(wèn)題影響整個(gè)奶業(yè)比例分別占30%、70%。而在飼養(yǎng)過(guò)程中，飼養(yǎng)條件的優(yōu)劣直接影響奶牛的產(chǎn)奶量和牛奶品質(zhì)。因此，如何提高奶牛的飼喂技術(shù)，將成為我國(guó)奶業(yè)發(fā)展急需解決的問(wèn)題[1-2]。

我國(guó)新疆、內(nèi)蒙古、河北、甘肅等奶牛養(yǎng)殖大?。ㄗ灾螀^(qū)），冬季氣候寒冷，在冬季進(jìn)行奶牛喂養(yǎng)過(guò)程中，飼料溫度過(guò)低，影響奶牛的飼喂質(zhì)量，因此本研究在現(xiàn)有的精準(zhǔn)飼喂裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于模糊自整定PID控制的溫控系統(tǒng)應(yīng)用于廣大北方地區(qū)的奶牛精準(zhǔn)飼喂裝置中。

1飼喂裝置溫控系統(tǒng)對(duì)溫度控制的要求

溫控系統(tǒng)中電加熱系統(tǒng)具有較大的純滯后、非線(xiàn)性和慣性滯后等問(wèn)題，常規(guī)的PID控制算法簡(jiǎn)單，是在某一特定的條件下整定完成，對(duì)于線(xiàn)性穩(wěn)定的控制對(duì)象非常有效，而對(duì)于工況時(shí)常發(fā)生改變的過(guò)程，PID的參數(shù)很難適應(yīng)不同的變化過(guò)程，而溫度控制屬于非線(xiàn)性、時(shí)變和大滯后過(guò)程，傳統(tǒng)的PID難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

本系統(tǒng)采用模糊自整定理論的PID控制器，該控制器以單片機(jī)AT89C52作為現(xiàn)場(chǎng)控制裝置，通過(guò)編寫(xiě)單片機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制要求，根據(jù)誤差e和誤差率de對(duì)PID進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)節(jié)，具有較好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能和魯棒性[3-4]。

1.1熱電偶的溫度控制

如圖1所示，根據(jù)控制要求利用單片機(jī)AT89C52為核心控制元件，通過(guò)設(shè)置溫度控制點(diǎn)，采用PT 100溫度傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)，實(shí)時(shí)傳送至MAX 6675熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器集信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，與單片機(jī)接口連接并采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，使硬件電路大大簡(jiǎn)化，既降低了成本，又提高了系統(tǒng)可靠性和抗干擾性；整個(gè)溫控系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)與PT 100溫度傳感器以及執(zhí)行裝置交互作用實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。

1.2加熱板的溫度控制

該溫控系統(tǒng)采用硅橡膠加熱板作為加熱裝置，硅橡膠加熱板的主要材質(zhì)是鎳絡(luò)合金電熱絲、硅橡膠高溫絕緣層，硅橡膠絕緣層的主要材質(zhì)是硅橡膠與玻璃纖維布，由兩者復(fù)合而成，形狀呈薄片狀，具有柔韌性好、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，并且尺寸可以根據(jù)系統(tǒng)裝置的需要進(jìn)行定制，具有加熱迅速、溫度分布均勻、熱轉(zhuǎn)化率高、機(jī)械強(qiáng)度高、使用方便、安全、壽命長(zhǎng)、不易老化等優(yōu)點(diǎn)。此加熱板可以直接與被加熱物體緊密接觸，加熱功率為0.5～0.7 W/cm2。該溫控系統(tǒng)選擇此加熱板作為加熱裝置非常適合。

PT100溫度傳感器采集到加熱板的溫度信號(hào)，通過(guò)MAX6675控制器將信號(hào)傳送至單片機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的溫控點(diǎn)，單片機(jī)通過(guò)模糊自整定PID控制運(yùn)算，將采集信號(hào)傳輸至固態(tài)繼電器執(zhí)行，對(duì)加熱板進(jìn)行控制。溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，加熱板開(kāi)始加熱，溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，加熱裝置停止加熱，從而使整個(gè)溫度保持恒定。

2模糊自整定控制的設(shè)計(jì)

2.1Fuzzy-PID設(shè)計(jì)

應(yīng)用PID控制，首先要確定被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)溫度偏差e作為輸入量，通過(guò)計(jì)算，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)減小誤差，從而使被控對(duì)象趨于穩(wěn)定，PID計(jì)算式如下：

PID參數(shù)模糊自整定是找出PID中3個(gè)參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在控制系統(tǒng)運(yùn)行中循環(huán)計(jì)算e和ec的值，根據(jù)模糊控制原理（圖2）對(duì)Kp、Ki和Kd中的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修改，滿(mǎn)足不同e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能保持良好的狀態(tài)。系統(tǒng)整定應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮：（1）系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性；（2）系統(tǒng)的響應(yīng)速度和響應(yīng)時(shí)間；（3）系統(tǒng)參數(shù)的超調(diào)量；（4）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的精度等方面[5]。

Kp、Ki和Kd3個(gè)參數(shù)的作用分別是：（1）比例系數(shù)Kp：加快系數(shù)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度；（2）積分系數(shù)Ki：消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；（3）微分系數(shù)Kd：改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性[6]。

總結(jié)人工整定經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合操作歷史數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果，可歸納出e和ec與Kp、Ki和Kd 3個(gè)參數(shù)間存在如下關(guān)系[7-8]：（1）當(dāng)︱e（k）︱較大時(shí)，加熱系統(tǒng)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置較大的Kp，從而減小系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和阻尼系數(shù)。當(dāng)然Kp也不得設(shè)置過(guò)大，否則整個(gè)系統(tǒng)將不穩(wěn)定；為避免在系統(tǒng)剛開(kāi)始工作時(shí)，引起超范圍控制作用，Kd值應(yīng)設(shè)置較小，使系統(tǒng)響應(yīng)加快；為避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，積分作用可以除去。（2）當(dāng)︱e（k）︱處于中等大小時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置較小的Kp，使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量稍??；整個(gè)系統(tǒng)中Kd的取值較為關(guān)鍵，為了使整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到保證，Kd的取值要恰當(dāng)；此時(shí)Ki取值可適當(dāng)增加一點(diǎn)，但不得過(guò)大。（3）當(dāng)︱e（k）︱較小時(shí)，為使系統(tǒng)達(dá)到良好的穩(wěn)態(tài)性能，Kp和Ki的取值可以較大，為避免系統(tǒng)在平衡點(diǎn)出現(xiàn)振蕩，Kd的取值要恰當(dāng)。

2.2模糊控制規(guī)則的建立

本系統(tǒng)采用溫度誤差e和誤差變化率ec作為輸入語(yǔ)言變量，溫度控制量u作為輸出語(yǔ)言變量，模糊控制規(guī)則就是對(duì)參數(shù)Kp、Ki和Kd進(jìn)行調(diào)整的規(guī)則。針對(duì)該系統(tǒng)的控制要求和特性，可以列出響應(yīng)的參數(shù)Kp整定規(guī)則如Kp的模糊規(guī)則表（表1）。

2.3模糊控制算法的程序?qū)崿F(xiàn)

溫度誤差e有下列3種情況：（1）e≥5 ℃，取值為 +5 ℃；（2）e≤-5 ℃，取值為-5 ℃；（3）-5 ℃

3飼喂裝置溫控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1溫度控制的軟件設(shè)計(jì)模塊

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要3大模塊。（1）溫度采集模塊：MAX 6675 熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換器的輸出作為單片機(jī)的外部中斷0輸入，根據(jù)高電平的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)判斷溫度值。（2）信號(hào)輸入模塊：根據(jù)采樣值和溫度設(shè)定值，通過(guò)模糊自整定PID算法，改變輸出型號(hào)的占空比來(lái)控制繼電器的通斷。（3）輸出模塊：包括顯示程序、鍵盤(pán)輸入程序以及報(bào)警裝置等。

3.2溫度控制的軟件流程

溫度控制的系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

3.3溫度控制模糊自整定PID算法的軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)處理且人機(jī)交互能力強(qiáng)的C51作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，利用MAX6675熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)進(jìn)行讀取。整個(gè)溫控系統(tǒng)的軟件編寫(xiě)首先需要設(shè)定加熱的目標(biāo)溫度T（k），系統(tǒng)開(kāi)始加熱后，實(shí)時(shí)對(duì)溫度數(shù)據(jù)t（k）進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)溫度數(shù)據(jù)加入PID算法中計(jì)算。通過(guò)比較實(shí)時(shí)溫度和目標(biāo)溫度之間的誤差，計(jì)算出e和ec。程序在執(zhí)行該步驟后，調(diào)用模糊PID自整定模塊，通過(guò)模糊控制規(guī)則的查表、運(yùn)算及結(jié)果的處理，完成PID參數(shù)的在線(xiàn)自整定。

4結(jié)論

本研究根據(jù)奶牛飼喂裝置的溫控要求，設(shè)計(jì)了利用單片機(jī)AT89C52作為模糊自整定PID現(xiàn)場(chǎng)控制裝置對(duì)溫度進(jìn)行智能控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，采用模糊自整定PID系統(tǒng)整定的Kp、Ki和Kd的參數(shù)值對(duì)溫度控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件實(shí)現(xiàn)容易、編程量小、系統(tǒng)性能穩(wěn)定、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。

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