基于PID的蔬菜大棚溫控系統(tǒng)

郭維樹，余世欣

（成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山　614007）

基于PID的蔬菜大棚溫控系統(tǒng)

郭維樹，余世欣

（成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山614007）

溫度變化的慣性比較大，傳統(tǒng)的非連續(xù)控制法的精度較低。設(shè)計了系統(tǒng)硬件，根據(jù)PID算法構(gòu)建了蔬菜大棚溫控數(shù)學(xué)模型，采用Vb編寫了計算機(jī)用戶控制界面。結(jié)果表明：PID控制方式能使被控對象在長時間范圍內(nèi)不出現(xiàn)太大的漂移變化，實現(xiàn)較為精確的控制。

系統(tǒng)硬件；PID算法；Vb；控制界面

現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)中對溫度控制的運用場合較多，鑒于溫度的變化相對其它物理量來說相對較慢，而且慣性比較大，傳統(tǒng)的非連續(xù)控制法采用儀表和開關(guān)進(jìn)行，造成控制精度較低［1-2］。文獻(xiàn)［3］在 PID（Proportion？Integration？Differentiatio，比例-積分-微分）算法基礎(chǔ)上，只采用單片機(jī)控制溫度，沒有將數(shù)據(jù)存儲到計算機(jī)，也不能通過計算機(jī)實現(xiàn)人機(jī)對話；文獻(xiàn)［4］融合了模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和PID控制，使得處理器的算法復(fù)雜度大大提高，性價比不高。文中根據(jù)PID算法構(gòu)建了蔬菜大棚溫控數(shù)學(xué)模型，采用單片機(jī)與計算機(jī)相結(jié)合的方式對其管理與控制。結(jié)果表明：基于PID算法的溫控系統(tǒng)，溫度能在長時間范圍內(nèi)不出現(xiàn)太大的漂移變化，實現(xiàn)較為精確的控制。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1總體設(shè)計方案

如圖1所示：在蔬菜大棚里各個位置放置n個傳感器節(jié)點，將溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，單片機(jī)采集到這些數(shù)字溫度值以后，經(jīng)過處理再傳送給計算機(jī)，管理人員可以實時查看、存儲溫度數(shù)據(jù)，而且想改變大棚內(nèi)溫度控制的閾值時，可以通過鼠標(biāo)點擊相應(yīng)按鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，單片機(jī)收到新的控制閾值，就會根據(jù)PID控制法則自適應(yīng)調(diào)節(jié)棚內(nèi)相應(yīng)加熱器的閉合度，使其維持在一個恒定的閾值溫度。

1.2溫度傳感器

溫度傳感器主要負(fù)責(zé)將大棚內(nèi)的溫度物理量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，此處選用數(shù)字溫度計DS18B20［5］，它輸出的是單片機(jī)可以直接處理的數(shù)字量，避免模擬式溫度計還需A/D轉(zhuǎn)換器的麻煩。DS18B20屬于單總線結(jié)構(gòu)，也就是指數(shù)據(jù)的輸入與輸出共享一個管腳來完成，這樣節(jié)省了單片機(jī)的I/O口開銷，其管腳電氣連接如圖2所示。

圖1　溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2　傳感器電氣連接

值得注意的是：為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕珼S18B20的數(shù)據(jù)口必須接一個4.7k的上拉電阻，使總線閑置時處于高電平狀態(tài)。其讀取數(shù)據(jù)的時序圖［6］如圖3所示。

1.3單片機(jī)采集器

單片機(jī)的任務(wù)是根據(jù)PID控制法則自適應(yīng)調(diào)節(jié)棚內(nèi)相應(yīng)加熱器的閉合度，采用STC15系列單片機(jī)LQFP44［7］，如圖4所示，其引腳數(shù)共有44個，其中包含42個I/O口，可以看出STC15單片機(jī)不同于傳統(tǒng)的51單片機(jī)：它不需要太多的外部控制腳如RST、INTO、INT1和XTAL1等，這主要是將其直接集成在內(nèi)部，要么就是使用引腳復(fù)用的方法來實現(xiàn)。因此STC15單片機(jī)除去電源和地兩個腳之后，其他引腳都可以用作I/O口供外部設(shè)備使用。

圖3　讀取數(shù)據(jù)時序

圖4　單片機(jī)引腳

2　PID控制溫度算法及驗證

2.1PID控制算法

如果是單回路控制結(jié)構(gòu)，由于系統(tǒng)不可預(yù)知的擾動作用使被控溫度會偏離設(shè)定值，從而產(chǎn)生溫度偏差與飄移。鑒于此，溫度控制系統(tǒng)的單片機(jī)將來自傳感器的測量值與農(nóng)戶設(shè)定值相比較，將其產(chǎn)生的偏差數(shù)值進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分（D）處理，從而實時、預(yù)知性地調(diào)節(jié)輸出控制量，以實現(xiàn)對大棚內(nèi)溫度的恒溫控制。其原理結(jié)構(gòu)如圖5所示［1］。

圖5　PID控制體系結(jié)構(gòu)

在圖5中：I（s）與F（s）分別是輸入的溫度設(shè)定量和采集的實際溫度值，E（s）則是它們的誤差量，KP（1+1/TIs+TDs）是系統(tǒng)傳遞函數(shù)，其中Kp是比例系數(shù)，TI是積分時間常數(shù)，TD是微分時間常數(shù)。

2.2PID算法驗證

由于PID控制算法包含3個步驟：比例（P）、積分（I）、微分（D）處理，而比例控制方式最簡單，其輸出與輸入差值成比例關(guān)系，而且此時系統(tǒng)的輸出存在的誤差是穩(wěn)態(tài)的。比例積分控制方式能在比例的基礎(chǔ)上進(jìn)一步除去余差，使溫控系統(tǒng)在達(dá)到恒溫后沒有穩(wěn)態(tài)誤差。缺點就是積分器使輸出伴隨時間延長而不斷增大，故調(diào)節(jié)時間長，造成溫控調(diào)節(jié)不實時，降低系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。鑒于此，進(jìn)一步引入微分結(jié)構(gòu)，可以有效提高溫度的穩(wěn)定度。假設(shè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：G（s）=3/（25s+1）*e-7s，以階躍輸入信號為例，分析比例控制、比例積分控制、比例積分微分（PID）控制，其實驗結(jié)果如圖6所示，經(jīng)過MATLAB計算，得到的PID控制器的參數(shù)為：Kp=1.429，Ti=14，Td=3.5，則PID控制器的表達(dá)式結(jié)果為：Gc（s）=1.429（1+1/14s+3.5s/（0.35s+1）。

圖6　PID算法驗證

3　計算機(jī)控制平臺實驗結(jié)果

采用Vb編寫了計算機(jī)用戶控制界面如圖7所示，將計

圖7　計算機(jī)控制臺

算機(jī)的USB接口作為一個虛擬串口，通過該虛擬串口與單片機(jī)的串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)、命令雙向傳輸，可以實時查詢溫度數(shù)據(jù)，以十六進(jìn)制方式顯示；并且根據(jù)需求設(shè)置溫度閾值，控制加熱器的閉合。

4　結(jié)束語

根據(jù)PID算法的自適應(yīng)溫控特點，采用單片機(jī)與計算機(jī)相結(jié)合的方式對蔬菜大棚溫度進(jìn)行管理與控制，試驗結(jié)果表明：PID控制方式能使被控對象在長時間范圍內(nèi)不出現(xiàn)太大的漂移變化，實現(xiàn)較為精確的控制。

［1］呂占偉,戚曉晶.一種動態(tài)高精度溫度控制系統(tǒng)研究［J］.中國科技信息，2009（9）:144-145.

［2］向濤,魯五一,熊紅云.基于Labwindows/CVI的MODBUS通信在溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計算機(jī)，2005,18（10）: 41-42.

［3］于浩令.北方冬季室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.黑龍江科技信息,2010（26）:272.

［4］付華,徐耀松.CAN技術(shù)在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計算機(jī),2002,15（3）:25-27.

［5］黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽制作實訓(xùn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

［6］kexuenanhai,Ds18b20讀取時序［EB/OL］［2012-12-06］.http:// wenku.baidu.com/linkurl=6y4ZW_MWrG0imWx JjeQ3_BvbsZRb9rEtYaAjhkhkZXkwGNkNFgCNp_N3Dovc2TSARVHp4 rfOKca-VQsylssb2tCEnOk-D9qM-eP8dQzUgNq.

［7］禾邦電子有限公司,STC89C52RC-40I-LQFP44［EB/OL］［2015-01-06］.http://image.baidu.com/iword=LQ FP 44&ie= utf-8&tn=baiduimage.

The control system to temperature of vegetable greenhouse based on PID

GUO Wei-shu，YU Shi-xin
（College of Engineering and Technology，Chengdu University of Technology，Leshan 614007，China

The inertia of temperature change is larger,and the traditional non continuous control way's precision is low.The system hardware is designed,mathematical model for controlling temperature of vegetable greenhouse is constructed according to the PID algorithm.,and a control interface to computer user is writed by using Vb.The results show that:PID control method can make the object controlled is not too much of a drift in long range,and achieve more precise control.

system hardware；PID algorithm；Vb；control interface

TN02

A

1674－6236（2016）13-0016-02

2015-07-20稿件編號：201507140

郭維樹（1979—），男，四川內(nèi)江人，碩士，講師。研究方向：算法分析與研究、網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)與安全技術(shù)的教學(xué)與科研。