基于模糊自整定PID的溫室溫度控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真

余歡樂+方永鋒

摘要：溫室溫度系統(tǒng)是一個大時滯、非線性的復雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法效果不甚理想。因此，本研究設(shè)計一種基于模糊自整定PID控制方法的溫室溫度控制系統(tǒng)，可根據(jù)溫度偏差和溫度偏差變化率實時整定PID控制器的參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)以STC89C52單片機為控制核心，采用DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)對溫室溫度的采集，通過控制電加熱爐的加熱功率來調(diào)節(jié)溫室的熱量輸入，起到控制溫室溫度的作用。并在Matlab 11.0/Simulink環(huán)境下，建立模糊自整定PID控制器的仿真模型，通過仿真發(fā)現(xiàn)該方法比常規(guī)PID控制方法具有更好的魯棒性，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的控制效果。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；Matlab/Simulink仿真；單片機；溫室溫度；控制系統(tǒng)；魯棒性

中圖分類號： TP273；S625.5+1文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0383-03

收稿日期：2015-11-10

基金項目：貴州省科技廳省市院聯(lián)合基金（編號：黔科合J字LKB[2013]16號）。

作者簡介：余歡樂（1988—），男，貴州畢節(jié)人，助教，主要從事機械設(shè)計與仿真研究。E-mail：459238757@qq.com。

通信作者：方永鋒，博士，副教授，主要從事機械可靠性分析與設(shè)計、機械控制等研究。E-mail：fangyf_9707@126.com。

隨著大棚技術(shù)的發(fā)展和普及，溫室大棚已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的重要場所。但是，我國的溫室目前大都比較簡單，自動化程度低下，基本上各項操作作業(yè)都靠人工完成。由于人工操作的不準時、不精確，影響農(nóng)作物的生長環(huán)境，從而影響溫室生產(chǎn)效率和經(jīng)濟性。目前，單片機技術(shù)被廣泛應用到工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)生活提供了極大的便利。本研究將單片機應用于溫室溫度控制系統(tǒng)，對溫室溫度實行智能化控制，滿足農(nóng)作物的最佳生長溫度，使農(nóng)作物的生長環(huán)境得到優(yōu)化，有效提高土地產(chǎn)出和社會經(jīng)濟效益。而對于溫室溫度系統(tǒng)而言，因其具有非線性、大時滯和大慣性等特點，采用常規(guī)的PID控制方法難以取得滿意的控制效果。因此，本研究還提出一種模糊自整定PID控制方法，通過建立模糊控制規(guī)則，在線整定PID控制器的3個參數(shù)Kp、Ki、Kd，使其保持最佳控制狀態(tài)。

1系統(tǒng)簡介

在溫室大棚中，為了提高溫室所培育作物的產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，須要輔助以一定的人工熱源對溫室溫度進行有效控制。通常以電加熱爐作為管道端頭的熱源，通過調(diào)節(jié)電加熱爐的加熱功率進行溫度控制。溫室溫度控制系統(tǒng)也是個典型的嵌入式應用系統(tǒng)，[JP2]在目前低端嵌入式系統(tǒng)微處理器的市場中，51單片機占有絕對主流的地位[1]。所以，本系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，通過溫度傳感器DS18B20實時采集溫室溫度，然后上傳到單片機，與之前通過按鍵設(shè)定好的溫度進行運算，單片機輸出1個控制信號，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸送給溫度控制器，控制電加熱爐的加熱功率，從而對溫室溫度進行調(diào)節(jié)（圖1）[2]。

[FK（W7][TPYHL1.tif]

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

溫室溫度控制系統(tǒng)硬件主要包括溫度采集模塊、溫度設(shè)定和顯示模塊、核心控制模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和可控硅調(diào)功模塊，下面主要介紹核心控制模塊、溫度采集模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和可控硅調(diào)功模塊。

2.1核心控制模塊

本研究選用STC89C52芯片作為控制器，它是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 kB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。它的工作電壓范圍很寬，可在5.5～3.8V 范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，且有各種封裝，極大地方便了用戶。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案[1]。

2.2溫度采集電路

本研究利用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)溫度的采集，DS18B20 是一種改進型的智能溫度傳感器，其測溫范圍為-55～125 ℃，精度可達到0.067 ℃，溫室溫度變化的動態(tài)范圍為15～35 ℃，要求靜態(tài)精度為1 ℃，完全可以滿足系統(tǒng)要求。DS18B20只有3個引腳，連接比較簡單，VCC接電源，GND接地，數(shù)據(jù)線DQ單片機的P1.0引腳，用于數(shù)據(jù)傳輸，具體連接如圖2所示[3]。

2.3D/A轉(zhuǎn)換電路

溫室溫度控制系統(tǒng)采用D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，與微處理器完全兼容，本研究中硬件連接電路圖如圖3所示。

[FK（W7][TPYHL2.tif]

2.4可控硅調(diào)功電路

溫度控制電路采用可控硅調(diào)功率方式，硬件電路如圖4所示。在本設(shè)計中利用TL494雙端脈寬調(diào)制集成元件實現(xiàn)可控硅觸發(fā)脈沖的形成及導通比控制，4引腳為控制電壓輸入端，改變4引腳輸入控制電壓即可改變輸出脈沖的寬度[4]。雙向可控硅串在50 Hz 交流電源和加熱絲電路中，在給定周期里改變可控硅開關(guān)的接通時間改變加熱功率，從而實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。

[FK（W10][TPYHL3.tif]

[FK（W12][TPYHL4.tif]

3控制算法設(shè)計

對于溫室溫度控制系統(tǒng)這樣一個大慣性、非線性的系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制方法效果并不是很理想，本研究提出一種模糊自適整定PID控制方法，即通過采集到的溫度值計算出溫度誤差以及誤差變化率，經(jīng)過模糊化和模糊推理，得到PID控制器的3個控制參數(shù)修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd，實現(xiàn)PID控制器的3個參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd在線修正，其計算公式如式（1）所示[3]，實現(xiàn)實時控制電加熱爐的加熱功率以調(diào)整溫室溫度。

[JZ（][JB（{]ΔKp=Kp0+ΔKp

ΔKi=Ki0+ΔKi

ΔKd=Kd0+ΔKd[JB）]。[JZ）][JY]（1）

模糊自整定PID控制器綜合了模糊控制和PID控制2種控制方法的優(yōu)點[4]，對于溫室溫度控制系統(tǒng)這樣一個非線性、大時滯的系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學模型，剛好模糊控制不要求掌握對象的精確數(shù)學模型；而 PID控制可以消除模糊控制存在的穩(wěn)態(tài)誤差[5]，使系統(tǒng)具有較高的控制精度、較快的響應速度和抗參數(shù)變化的適應性，其控制原理如圖5所示。模糊自整定PID控制器的設(shè)計是本系統(tǒng)的核心，關(guān)系到溫室溫度控制系統(tǒng)的控制性能的優(yōu)劣，下面詳細介紹其設(shè)計過程。

3.1模糊論域及隸屬度函數(shù)

溫室溫度實測值與目標值的誤差e和誤差變化率ec為模糊控制的輸入?yún)?shù)，PID控制器的參數(shù)修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出參數(shù)。它們的語言變量模糊子集都取為{NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大）}，量化為7個等級，模糊論域均取為{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，模糊子集也都選用三角形隸屬度函數(shù)[4]，隸屬度函數(shù)如圖6所示。

[FK（W9][TPYHL5.tif]

[FK（W9][TPYHL6.tif]

3.2制定控制規(guī)則

在常規(guī)PID控制中，比例系數(shù)ΔKp的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高調(diào)節(jié)精度；積分系數(shù)ΔKi的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分系數(shù)ΔKd的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，抑制偏差向任何方向變化[1]。模糊控制規(guī)則表是根據(jù)溫室作物的生長規(guī)律和人員經(jīng)驗，綜合考慮溫室溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、超調(diào)量及響應速度等因素而建立的關(guān)系表。通過分析和仿真調(diào)整，針對溫室溫度控制系統(tǒng)，制定PID控制器3個參數(shù)調(diào)整量的模糊規(guī)則，由于篇幅原因，僅列出ΔKp的模糊控制規(guī)則（表1）。

3.3輸出信息的解模糊

在溫室溫度控制系統(tǒng)中，經(jīng)過模糊邏輯推理后，得到PID的3個控制參數(shù)Kp、Ki、Kd的模糊集合，不能直接轉(zhuǎn)化為精確量輸出，必須經(jīng)過解模糊。本研究采用重心法解模糊，將輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd提前清晰化，轉(zhuǎn)化成響應的精確量，然后把運算結(jié)果填入模糊控制查詢表中，儲存在單片機的系統(tǒng)中，結(jié)果見表2（ΔKp的模糊控制查詢表）。在系統(tǒng)運行時，通過查詢表格，即可得出確定的輸出量，節(jié)省系統(tǒng)資源，提高響應速度，再乘上響應的比例因子，通過D/A轉(zhuǎn)換輸出，完成其控制任務(wù)。

4算法仿真及分析

溫室溫度控制系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，其溫度受散熱裝置的散熱系數(shù)、溫室通風率、室外溫度以及溫室空氣濕度的影響，這些因素相互關(guān)聯(lián)耦合，共同作用溫室的溫度。根據(jù)經(jīng)驗，溫室溫度控制模型可以近似地看成是有擾動參與的一階慣性時滯環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)表示為式（2）所示[1]：

[JZ（]G（s）=[SX（]k·e-τs[]Ts+1[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：k表示對象的靜態(tài)增益；T表示對象的時間常數(shù)；s表示時間變量；τ表示對象的純滯后時間。

在溫室內(nèi)種植的農(nóng)作物對溫度要求比較高，一般適合生長的溫度范圍為15～35 ℃，低于15 ℃不利于作物發(fā)育，高于35 ℃病蟲害發(fā)生率激增，會增加防治成本。本研究中溫度設(shè)定為25 ℃，要求調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差控制在1 ℃內(nèi)。溫度控制模型數(shù)學參數(shù)取k=1、T=140、τ=30，則控制對象的數(shù)學模型[6]為：

[JZ（]G（s）=[SX（]e-30s[]140s+1[SX）]。[JZ）][JY]（3）

4.1仿真模型

[JP2]在Matlab 11.0/Simulink環(huán)境中分別建立模糊自整定PID控制系統(tǒng)和常規(guī)PID控制系統(tǒng)，根據(jù)仿真曲線對二者性能進行對比和分析，仿真模型如圖7所示。根據(jù)整定法，則得到PID控制器的3個控制參數(shù)（Kp=4.1、Ki=0.03、Kd=20[1]）。

[FK（W+78mm][TPYHL7.tif]

4.2仿真結(jié)果及分析

通過1 000 s的仿真，得到了如圖8所示的溫度曲線，階躍信號的幅度為25[1]。通過圖8所示仿真曲線和表3所示的結(jié)果對比可以看出，在上述仿真條件下，模糊自整定PID控制器所得到的系統(tǒng)動態(tài)響應曲線在峰值時間和超調(diào)量上都明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制器，系統(tǒng)響應更快、更穩(wěn)定。

5結(jié)論

本研究基于STC89C52單片機設(shè)計了一款溫室溫度控制系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。針對復雜的溫室溫度控制系統(tǒng)，提出了模糊自整定PID控制算法，并在Matlab 11.0/Simulink[CM（24]環(huán)境中進行計算機建模和仿真。仿真結(jié)果表明，本研究[CM）]

[TPYHL8.tif]

[FK（W6][HT6H][JZ]表3仿真結(jié)果對比[HTSS]

[HJ*5][BG（！][BHDFG3，WK4，WK9，WK4。4W]目標溫度（℃）算法超調(diào)量（%）峰值時間（s）調(diào)節(jié)時間（s）穩(wěn)態(tài)誤差（%）

[BHDG1*2，WK4，WK9，WK4。4W]25PID控制算法241003600

[BHDWG3]模糊自整定PID控制算法8803600[][BG）F]

設(shè)計的模糊自整定PID控制器能夠根據(jù)輸入量溫度誤差的變化，實時調(diào)整PID控制器的參數(shù)Kp、Ki、Kd，并且相較于常規(guī)PID控制器系統(tǒng)具有更好的控制性能，滿足溫室溫度控制系統(tǒng)的要求，具有現(xiàn)實可行性。

參考文獻：

[1]王安，楊青青，閆文宇. 模糊自整定PID控制器的設(shè)計與仿真[J]. 計算機仿真，2012，29（12）：224-228.

[2]岳文杰，謝守勇，陳翀，等. 基于模糊 PID 的溫室溫度控制器設(shè)計與仿真[J]. 農(nóng)機化研究，2014，18（4）：194-197.

[3]王積偉，吳振順. 控制工程基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2001：201-218.

[4]張國良. 模糊控制及其MATLAB應用[M]. 西安：西安交通大學出版社，2002：152-169.

[5]賈芳云，王大為，屈毅. 蔬菜大棚模糊PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學，2011，50（13）：2746-2749.

[6]王曉燕，周志文，吳韜. 溫室大棚溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 自動化與儀器儀表，2013，32（3）：63-64.