基于PID算法的溫室內(nèi)溫濕度智能控制系統(tǒng)

鮑義東，陳 果，鐘國榮

（貴州航天智慧農(nóng)業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

PID算法是一種采樣控制算法，通過對控制量的計算得出準(zhǔn)確可行的計算機(jī)控制語言，由于該算法具有計算結(jié)果進(jìn)準(zhǔn)度高，計算過程中不需要建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用起來簡單快捷，被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域中。溫室內(nèi)溫濕度智能控制系統(tǒng)可用于農(nóng)作物生長環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)控制算法的設(shè)置，為溫室制造出最適合農(nóng)作物生長的溫濕度環(huán)境。傳統(tǒng)溫室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)由于控制精準(zhǔn)度低、控制不穩(wěn)定等問題，已無法滿足植物養(yǎng)殖的需求[1]。所以運(yùn)用PID算法設(shè)計溫室內(nèi)溫濕度智能控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)對溫室溫濕度控制的精準(zhǔn)度。

1 溫室內(nèi)溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計由微處理器、傳感器以及電源電路等設(shè)備構(gòu)成。微處理器是系統(tǒng)的控制板塊，同時也是系統(tǒng)的核心部分，該設(shè)備是負(fù)責(zé)執(zhí)行系統(tǒng)的控制指令[2]。為了保證系統(tǒng)對溫室溫濕度智能高效控制功能，此次選用14位SLZ系列單片機(jī)SLZ2016-558微處理器，該設(shè)備采用先進(jìn)的PPC結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)系統(tǒng)控制指令可以在15秒鐘內(nèi)完成，具有較高的運(yùn)行速度，該設(shè)備具有內(nèi)外多種中斷工作模式，有利于系統(tǒng)中斷程序的設(shè)計和低電壓檢測功能的實(shí)現(xiàn)[3]。由于該微處理器具有低功耗特點(diǎn)，增加了系統(tǒng)的工作時間，在設(shè)備安裝時，設(shè)備工作電壓要控制在2.6～4.3V范圍內(nèi)，保證微處理器平穩(wěn)順利運(yùn)行。

硬件設(shè)計上選用了溫度和濕度兩種傳感器。在溫室內(nèi)外各安裝一套溫濕度傳感器，并將傳感器的傳輸方式設(shè)置為模擬量傳輸，其具體性能指標(biāo)設(shè)置為：溫度傳感器型號為TL-W，測量范圍0～60℃，輸出為Rs600，誤差為0.01；濕度傳感器型號為TL-N，測量范圍0～95%RH，輸出為Rs500，誤差為0.01。

為了保證電源電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)在運(yùn)行時一般采用4.5V電壓供電，并且分別在系統(tǒng)輸入端口和輸出端口安裝經(jīng)線性穩(wěn)壓電源LMIII9GT-3.0V和LMIII9GT-1.5V，將系統(tǒng)的供電電壓降低到3.0V和1.5V。其中3.0V供電電壓負(fù)責(zé)無線傳感器電壓，1.5V供電電壓是為微處理器提供電壓的。下圖為系統(tǒng)電源電路圖。

圖1 基于PID算法的溫室內(nèi)溫濕度智能控制系統(tǒng)電源電路圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計通過PID算法實(shí)現(xiàn)的，PID算法要與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)指標(biāo)保持一致，以此保證系統(tǒng)的控制效果。為設(shè)計出符合系統(tǒng)控制要求的目標(biāo)函數(shù)，需要對溫室內(nèi)溫濕度智能控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，選擇主要的控制變量和狀態(tài)變量，其中控制變量是溫室內(nèi)要達(dá)到的溫濕度要求，它是系統(tǒng)的輸出變量，狀態(tài)變量是指溫室內(nèi)的溫度和濕度情況，它是系統(tǒng)的輸入變量，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，狀態(tài)變量要對系統(tǒng)的關(guān)鍵特征進(jìn)行描述；對控制標(biāo)量和狀態(tài)變量要運(yùn)用目標(biāo)函數(shù)對其進(jìn)行推演計算，將計算出來的控制變量利用微處理器對其進(jìn)行指令分配，由執(zhí)行裝置執(zhí)行控制指令，以此完成PID算法設(shè)計。PID算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

將溫室的溫度和濕度設(shè)為PID算法的目標(biāo)函數(shù)，其函數(shù)公式如下：

式中，w為溫室內(nèi)平均溫度；s為溫室內(nèi)平均濕度；Mp為系統(tǒng)的超調(diào)量；ts為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間；e-a為系統(tǒng)控制誤差。PID算法的具體步驟如下：

確定溫室溫度和濕度參數(shù)的大致范圍和編碼長度，對其進(jìn)行編碼。將公式（1）計算出來的所有參數(shù)個體構(gòu)成參數(shù)集，并將目標(biāo)函數(shù)解集解碼成對應(yīng)的參數(shù)值。最后通過誤差將所有的參數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到溫室內(nèi)溫濕度的預(yù)定指標(biāo)。

2 實(shí)驗對比

為了證明此次設(shè)計系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，將其與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了一組對比實(shí)驗。將兩種系統(tǒng)應(yīng)用于一個葡萄種植溫室，實(shí)現(xiàn)對該溫室的溫濕度環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控。兩種系統(tǒng)選用相同的控制系統(tǒng)Windows8，控制時間設(shè)置為8小時，系統(tǒng)每一個小時采集1次溫室內(nèi)溫濕度數(shù)字信號。將基于PID算法的溫室內(nèi)溫濕度智能控制系統(tǒng)用系統(tǒng)1表示，將傳統(tǒng)系統(tǒng)用系統(tǒng)2表示，表1為兩種系統(tǒng)采集到具體數(shù)據(jù)。

表1 兩種系統(tǒng)采集到溫室溫濕度數(shù)據(jù)

檢驗對比兩種系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)對溫室內(nèi)溫濕度控制的精準(zhǔn)度。圖2為兩種系統(tǒng)的實(shí)驗結(jié)果。

圖2 兩種系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度

從圖2可知，基于PID算法的溫室內(nèi)溫濕度智能控制系統(tǒng)在8小時內(nèi)控制精準(zhǔn)度都在80%以上，最優(yōu)達(dá)到90%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)高出10%。傳統(tǒng)系統(tǒng)在的控制精準(zhǔn)度最低達(dá)63%，最高僅為82%，且對溫室內(nèi)溫濕度的控制不穩(wěn)定。實(shí)驗證明此次設(shè)計的系統(tǒng)可精準(zhǔn)的控制溫室內(nèi)的溫濕度。

3 結(jié)束語

將PID算法應(yīng)用到溫室內(nèi)溫濕度智能系統(tǒng)設(shè)計中，有效提高了系統(tǒng)的控制精準(zhǔn)度，但由于該系統(tǒng)還有不足之處，還需在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善，保證系統(tǒng)對溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的最優(yōu)控制，同時還要優(yōu)化PID算法，使系統(tǒng)更為有效。