一種基于雙模糊控制理論的PID控制的溫濕度系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

張礦偉，張少杰，曾德斌，李玉慧

(1. 周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，河南周口，466000； 2. 玉溪師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，云南玉溪，653100； 3. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明市,650500)

通訊作者：李玉慧，女，1965年生，云南昆明人，碩士博士，教授；研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?。E-mail： 287386336@qq.com

0 引言

在我國北方豬舍的生長環(huán)境中豬舍的溫度以及濕度對生長育肥豬的整個(gè)生長過程、大型豬場的生產(chǎn)效率以及伴隨的經(jīng)濟(jì)效益都是極其重要的[1]。生長育肥豬對外界環(huán)境適應(yīng)能力差主要由于它的脂肪厚以及皮膚薄所導(dǎo)致的，豬舍溫度過高會導(dǎo)致其食量下降、甚至是抗病性降低；過低的豬舍溫度環(huán)境則會導(dǎo)致其要消耗一定量的脂肪去維持體溫平衡[2]，這對大型豬場所有主的經(jīng)濟(jì)收入是不利的；其次，豬舍中細(xì)菌滋生、生長育肥豬的疾病誘發(fā)以及整個(gè)豬舍的控制系統(tǒng)的電子器件侵蝕破壞等基本都是由豬舍中相對較高的空氣濕度所導(dǎo)致的[3-4]；而豬舍環(huán)境中的相對空氣濕度也不能太低，太低則會導(dǎo)致生長育肥豬的黏膜破壞以及皮膚干裂等問題出現(xiàn)；在生長育肥豬的豬舍環(huán)境中既要保持適宜的溫度以及空氣相對濕度，同時(shí)還要保障其通風(fēng)換氣量這在一定程度上存在矛盾性，但是這又對提高生產(chǎn)效益尤為重要[5]。

1 總體溫濕度控制方案設(shè)計(jì)

1.1 模糊控制原理

綜合豬舍內(nèi)溫濕度的控制要求，優(yōu)先引入模糊控制來解決溫濕度控制中實(shí)時(shí)性差的問題。溫濕度控制過程中，分別將溫度變化誤差與溫度變化誤差率和濕度變化誤差與濕度變化誤差率對其進(jìn)行模糊處理，將處理的參數(shù)分別用于溫度控制單元和濕度控制單元[6-7]，按照相應(yīng)的控制方案與知識庫進(jìn)一步進(jìn)行分析處理，將處理的結(jié)果送入控制器進(jìn)行模糊分析處理，取得被控模塊所要求的控制精度[8]，原理如圖1所示。

圖1 模糊控制器原理Fig. 1 Principle of fuzzy controller

1.2 豬舍溫濕度模型建立

豬舍內(nèi)環(huán)境溫度及相對濕度的控制，主要使用風(fēng)機(jī)及濕簾進(jìn)行調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)的作用是調(diào)節(jié)豬舍內(nèi)環(huán)境溫度，濕簾的作用是調(diào)節(jié)豬舍內(nèi)環(huán)境濕度[9-10]。對于極端天氣，將使用溫濕度綜合調(diào)控系統(tǒng)來保障豬舍內(nèi)溫濕度達(dá)標(biāo)。通過計(jì)算分析得到豬舍內(nèi)溫度控制系統(tǒng)屬于二階加純滯后系統(tǒng)，豬舍溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

(1)

式中：K1，K2——放大系數(shù)；

T1，T2——慣性時(shí)間常數(shù)；

τ1，τ2——控制器純滯后時(shí)間常數(shù)。

豬舍濕度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)同樣也滿足式(1)。豬舍溫濕度控制系統(tǒng)首先利用模糊選擇模塊判斷溫濕度值，分別計(jì)算溫度變化誤差值和濕度變化誤差率值用做于控制器的設(shè)定值，溫度控制單元和濕度控制單元結(jié)合豬舍內(nèi)環(huán)境溫濕度的真實(shí)變化情況進(jìn)行不斷調(diào)整，已到達(dá)很好的控制效果，使其豬舍內(nèi)溫濕度適宜生豬育肥。豬舍溫濕度控制系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 溫濕度系統(tǒng)模型Fig. 2 Temperature and humidity system model

1.3 雙模糊控制理論的PID豬舍溫濕度控制

豬舍雙模糊PID溫濕度控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 豬舍溫濕度雙模糊控制系統(tǒng)Fig. 3 Double fuzzy control system of temperature and humidity in pig house

本文設(shè)計(jì)了一種雙模糊控制理論的PID控制器，以豬舍的溫度以及空氣的相對濕度的設(shè)定值與檢測值的溫度變化誤差e主要作為溫度控制模塊的輸入值，濕度變化誤差率ec主要作為濕度控制模塊的輸入值[11]。兩個(gè)控制模塊進(jìn)行模糊運(yùn)算后，將兩個(gè)控制模塊的輸出值綜合起來，用于保證輸入給PID控制器的三個(gè)參數(shù)增量Δkp、Δki以及Δkd能夠更為準(zhǔn)確有效。

圖3中，F(xiàn)uzzy1為溫度模糊控制器，F(xiàn)uzzy2為濕度模糊控制器，分別根據(jù)溫度變化誤差e與溫度變化誤差率ec和濕度變化誤差e以及濕度變化誤差率ec進(jìn)行模糊化，接著按照模糊化的結(jié)果再進(jìn)行模糊推理，最后使用反模糊化方法整定得到適合PID控制器的三個(gè)參數(shù)Δkp、Δki以及Δkp，進(jìn)一步利用根據(jù)預(yù)先規(guī)定的模糊規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)豬舍溫濕度的快速以及精確的調(diào)整，PID控制器過程參數(shù)

(2)

式中：kp0、ki0、kd0——系統(tǒng)預(yù)先賦值的初始值;

Δkp、Δki、Δkd——模糊自適應(yīng)控制器的輸出值。

1.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

基于雙模糊控制理論的PID控制的溫濕度系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。主要包括：上位監(jiān)控模塊、下位控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行模塊四大模塊。其中，上位機(jī)監(jiān)控模塊主要用于溫濕度參數(shù)設(shè)定及數(shù)據(jù)存儲與分析；下位控制模塊選用的是STM32F103微控制器，這款微控制器是以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位嵌入式系統(tǒng)[12]，主要用于控制變頻器、電磁閥等執(zhí)行元件；數(shù)據(jù)采集模塊主要使用DTH11溫濕度傳感器，對豬舍內(nèi)溫濕度進(jìn)行采集；執(zhí)行模塊主要包括溫度控制的執(zhí)行元件和濕度控制的執(zhí)行元件，分別有風(fēng)機(jī)、濕簾、加熱器、制冷片等。

圖4 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)框圖Fig. 4 Block diagram of the overall hardware design of the system

本系統(tǒng)通過DTH11溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及豬舍內(nèi)環(huán)境溫濕度值，將溫濕度信息傳輸?shù)絊TM32F103微控制模塊；控制模塊根據(jù)接收到的溫濕度參數(shù)值，使用擴(kuò)展總線和RS-485串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將溫濕度檢測值與設(shè)定值進(jìn)行比較后，實(shí)施對執(zhí)行模塊的控制，控制變頻器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制電磁閥開度來調(diào)節(jié)濕簾，使其能夠滿足對溫濕度得控制要求；最后，再通過上位監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的存儲與分析。

1.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

本文的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有上位操作站程序設(shè)計(jì)和下位控制站程序設(shè)計(jì)兩部分構(gòu)成。雙模糊自適應(yīng)PID控制流程圖及系統(tǒng)的主程序軟件流程圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 雙模糊自適應(yīng)PID控制流程圖Fig. 5 Flow chart of dual fuzzy adaptive PID control

系統(tǒng)啟動后，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，接著利用DTH11溫濕度采集模塊，采集豬舍內(nèi)的信息參數(shù)，主要包括：溫濕度，風(fēng)機(jī)參數(shù)等數(shù)據(jù)，然后，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)操作站，上位操作站將檢測值和設(shè)定值進(jìn)行對比分析，判斷檢測值是否達(dá)到溫濕度設(shè)定值，達(dá)到則循環(huán)檢測，反之則利用微控制器STM32控制驅(qū)動電路調(diào)節(jié)溫濕度設(shè)備，從而達(dá)到溫濕度的控制要求。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖Fig. 6 System main program flow chart

2 雙模糊控制器的設(shè)計(jì)

利用雙模糊控制器去整定PID控制器的三個(gè)參數(shù)Δkp、Δki以及Δkd具有較大的優(yōu)勢[13]。通過模糊選擇模塊對Fuzzy1以及Fuzzy2進(jìn)行選擇，當(dāng)檢測到的變量是溫度時(shí)，采用溫度模糊控制器對其進(jìn)行控制，能夠有效實(shí)現(xiàn)對溫度控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)；當(dāng)采集到的輸入變量是濕度時(shí)，則采用濕度模糊控制器對空氣的相對濕度進(jìn)行控制。通過對豬舍溫濕度控制系統(tǒng)的綜合分析，以溫度控制為例，利用二維的模糊控制器作為雙模糊控制理論的PID控制系統(tǒng)的控制器。

1) 確定系統(tǒng)的輸入輸出變量。本研究選用豬舍的溫度以及空氣的相對濕度的設(shè)定值與檢測值的溫度變化誤差e主要作為溫度模糊控制模塊的輸入值，濕度變化誤差率ec主要作為濕度模糊控制模塊的輸入值[13]，模糊控制器的輸出是以PID控制器所對應(yīng)的參數(shù)變化量Δkp、Δki、Δkd作為輸出。

2) 定義模糊子集。根據(jù)系統(tǒng)的模糊控制模塊處理后的三個(gè)參數(shù)Δkp、Δki、Δkd[14]分別作為PID控制器的輸入值。分別根據(jù)溫濕度的變化情況預(yù)定義了對應(yīng)的模糊子集，分別為{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，Z0 (零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，其次定義他們的模糊論域?yàn)閧-3，-2，-1，0，1，2，3}。

3) 確定隸屬函數(shù)。本文綜合分析了豬舍環(huán)境中的溫度變化的特性，結(jié)合幾種常用的隸屬度函數(shù)特點(diǎn)，以三角形隸屬度函數(shù)用于本系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)最為適合[15]。三角形隸屬度函數(shù)的具體形式如式(3)所示。

(3)

4) 建立模糊控制規(guī)則表。模糊控制器的輸入值對應(yīng)的溫度變化誤差e及溫度變化率ec能夠建立相應(yīng)的隸屬度函數(shù)[16]，按照控制要求建立的隸屬度函數(shù)如圖7所示，模糊控制器的輸出所對應(yīng)的PID的三個(gè)參數(shù)值Δkp、Δki、Δkp的模糊控制規(guī)則表如表1所示。

5) 模糊推理及解模糊。文中采用Mamdani推理方法對豬舍內(nèi)環(huán)境的溫度變化及相對濕度變化分別按推理方法進(jìn)行模糊推理，而在工業(yè)控制領(lǐng)域則主要采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊。輸出值由式(4)決定。

(4)

根據(jù)預(yù)先定義的模糊控制規(guī)則可以將模糊控制規(guī)則表改寫為以下的“IF THEN”形式，例如表1可以改寫

1. If (eis NB) and (ecis NB) then (kpis PB)

2. If (eis NB) and (ecis NM) then (kpis PB)

3. If (eis NB) and (ecis NS) then (kpis PM)

4. If (eis NB) and (ecis Z0) then (kpis PM)

5. If (eis NB) and (ecis PS) then (kpis PS)

6. If (eis NB) and (ecis PM) then (kpis Z0))

7. If (eis NB) and (ecis PB) then (kpis Z0)

8. If (eis NM) and (ecis NB) then (kpis PB)

9. If (eis NM) and (ecis NM) then (kpis PB)

………………

表1 模糊PID控制器的Δkp、Δki、Δkd的控制規(guī)則Tab. 1 Control rules of Δkp、Δki and Δkd of fuzzy PID controller

3 仿真測試

為了驗(yàn)證雙模糊控制理論的PID控制豬舍溫濕度控制系統(tǒng)的有效性，并且借助MATLAB2016a軟件首先完成了對模糊PID控制器得仿真對比處理，然后完成了文中所用的雙模糊自整定PID控制器的仿真對比處理，模糊PID控制以及雙模糊控制理論的PID控制兩個(gè)系統(tǒng)的初始PID控制參數(shù)kp、ki以及kd分別設(shè)為3.9、0.01以及3.0。結(jié)合國家頒布的《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)以及環(huán)境管理》文件要求中的豬舍內(nèi)最適宜生長育肥豬的適宜環(huán)境溫度為15 ℃～23 ℃以及豬舍中合適的空氣相對濕度為65%～75%，文中在2018年11月中下旬的某天0:00至第二天0:00的溫濕度變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要是針對某大型養(yǎng)豬場開展了雙模糊控制理論的溫濕度控制系統(tǒng)以及模糊PID控制對豬舍環(huán)境溫濕度的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7 溫度仿真對比曲線Fig. 7 Temperature comparison curve between the control system and the original control system

由圖7分析可知，文中所用的雙模糊控制理論的PID控制對豬舍環(huán)境的溫度能有很好的調(diào)節(jié)作用，將豬舍的溫度很好的控制在19 ℃～22 ℃的范圍內(nèi)，并且豬舍環(huán)境中的溫度波動幅度不大，最大的波動溫差是2 ℃；然而相比之下模糊PID控制對整個(gè)豬舍環(huán)境的溫度控制波動幅度太大，最低溫度是14 ℃，最高溫度是接近29 ℃，這對生長育肥豬的成長是不利的，不符合國家頒發(fā)的《規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)以及環(huán)境管理》中的生長育肥豬溫度標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 濕度仿真對比曲線Fig. 8 Humidity comparison curve between the control system and the original control system

由圖8可以分析得知，文中采用的雙模糊控制理論的PID控制能夠很好的滿足豬舍環(huán)境中濕度值，將相對濕度很好的控制在65%～75%范圍內(nèi)，最低的空氣相對濕度為65%，最大的空氣相對濕度大約為74%，并且波動幅度不大；然而模糊PID控制對整個(gè)豬舍環(huán)境的濕度控制則是波動幅度太大，最低的空氣相對濕度大約為59%，最大的空氣相對濕度大約為85%，最大濕度偏差為15%。

4 試驗(yàn)測試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙模糊自適應(yīng)PID控制豬舍溫濕度控制系統(tǒng)的有效性，對部分豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，記錄留存2018年12月中旬，某兩天48小時(shí)的溫濕度變化數(shù)據(jù)。記錄數(shù)據(jù)兩天的外界環(huán)境溫度大約一致均為：最低溫度-5 ℃，最高溫度7 ℃；外界環(huán)境相對濕度較接近均為：最低相對濕度25%，最高相對濕度42%。通過溫濕度傳感器采集到的豬舍內(nèi)外溫度和相對濕度數(shù)據(jù)軌跡曲線如圖9和圖10所示。

圖9 內(nèi)外部溫度記錄曲線Fig. 9 Recording curve of internal and external temperature

通過圖9和圖10兩天的溫濕度實(shí)驗(yàn)記錄曲線可以得出，外界的溫度變化幅度明顯，最大溫差有12 ℃，內(nèi)部溫度很好的控制在20 ℃上下，最低溫度為19.5 ℃，最高溫度為21.5 ℃，最大偏差為2 ℃。內(nèi)部溫度變化幅度較小，與外部溫度變化關(guān)系不大，將溫度很好的控制在19 ℃～22 ℃。外部環(huán)境的相對濕度最低為25%，最高為42%，相對濕度偏離適宜值較大，并且變化幅度也較大。內(nèi)部相對濕度很好的控制在70%上下，最低相對濕度為65%，最大的空氣相對濕度大約為74%，最大偏差為5%。內(nèi)部相對濕度變化幅度較小，將相對濕度很好的控制在65%～75%范圍內(nèi)。溫濕度上下波動幅度均不大，溫濕度均能很好的達(dá)到控制要求，并且相比原溫濕度控制系統(tǒng)的控制精度有很好的提高。

圖10 內(nèi)外部相對濕度記錄曲線Fig. 10 Record curve of internal and external relative humidity

仿真驗(yàn)證和實(shí)際測試數(shù)據(jù)保持一致，驗(yàn)證了仿真測試的正確性以及雙模糊自適應(yīng)PID控制的優(yōu)越性。本研究提出的豬舍環(huán)境調(diào)控模型可以使豬舍溫度、相對濕度保持在適宜的范圍內(nèi)，也可以很好的解決豬舍通風(fēng)控制與保溫控制之間的矛盾，具有極大的研究意義。

5 結(jié)論

1) 文中針對生長育肥豬豬舍環(huán)境中的溫濕度具有時(shí)變性以及非線性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種雙模糊控制理論的PID控制系統(tǒng)與模糊PID控制對其環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行控制效果的對比，并對部分豬舍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)。

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明，雙模糊自適應(yīng)PID控制把豬舍的溫度控制在19 ℃～22 ℃之間，最低溫度為19.5 ℃，最高溫度為21.5 ℃，最大偏差為2 ℃；把豬舍環(huán)境的濕度控制在65%～75%的范圍內(nèi)，最低相對濕度為65%，最大的空氣相對濕度大約為74%，最大偏差為5%。

3) 實(shí)際測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)一致，證明了雙模糊控制理論的PID控制器不論是在對豬舍環(huán)境的溫度控制還是濕度控制效果相比之前的溫度、濕度控制方法都有很強(qiáng)的優(yōu)勢，該溫濕度控制系統(tǒng)應(yīng)用于豬舍環(huán)境溫濕度控制中有較高的價(jià)值。