基于模糊PID 的仔豬舍溫度控制系統(tǒng)

闞盼盼，程洪麗，李雪如

（1.濟寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟寧 272103；2.泰安技師學(xué)院，山東 泰安 271001）

我國北方地區(qū)嚴(yán)寒，并且進入冬季早，冬季十分漫長，由于受低氣溫的影響，新生幼豬在冬季非常容易死亡或生病。因此，在新生幼豬的培育中，要十分注意良好的豬舍環(huán)境溫度，以達(dá)到提升幼豬存活率的目的。對于溫度控制系統(tǒng)而言具有大慣性和大滯等特點，傳統(tǒng)的PID 控制策略不能達(dá)到很好的控制效果，因為其具有參數(shù)不能實時改變的缺點。針對大慣性和大滯后仔豬舍溫度控制系統(tǒng)，模糊PID 控制算法在傳統(tǒng)PID 算法基礎(chǔ)上，引入模糊控制規(guī)則，以實現(xiàn)精確控制的目的。模糊PID 控制策略參數(shù)可隨時根據(jù)系統(tǒng)進行調(diào)整，這樣控制效果會更好。本文采用模糊控制與PID 控制相結(jié)合的模糊PID 控制策略，隨時調(diào)整參數(shù)。本系統(tǒng)是以STM32 為核心控制器，將設(shè)計的模糊PID 控制策略，通過STM32 應(yīng)用到仔豬舍溫度控制系統(tǒng)。

1 仔豬舍溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計

本仔豬舍溫度控制系統(tǒng)主要由控制器、LCD 顯示屏、鍵盤、溫度傳感器和加熱器組成。根據(jù)本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，需要1 個運行速度和控制精度都要高，并且價格便宜的控制器。STM32F103ZET6 芯片的ARM 微處理器，其具有更強勁的性能、更高的代碼密度、更好的實時性、更低的成本及低功耗等眾多優(yōu)勢，所以本文選用STM32F103Z ET6 芯片。溫度傳感器DS18B20 具有價格便宜，體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點，出于性價比考慮采用溫度傳感器DS18B20。溫度傳感器DS18B20 將采集到的仔豬舍溫度信號傳送給STM32 進行溫度實時監(jiān)測，然后STM32 將采集到的溫度與設(shè)定的溫度進行比較，根據(jù)模糊PID 控制策略輸出控制信號，控制加熱器對系統(tǒng)進行加熱，實現(xiàn)對仔豬舍溫度實時監(jiān)控控制。LCD 顯示屏用來顯示設(shè)定溫度和實際溫度。仔豬舍溫度控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 仔豬舍溫度控制系統(tǒng)框圖

2 PID 控制算法

PID 控制器大約已經(jīng)有1 個世紀(jì)的歷史了，就是比例、積分、微分控制器在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，其優(yōu)點是原理簡單、通用性強、魯棒性好并且使用方便。PID 的kp、ki、kd 3 個參數(shù)決定PID 控制算法效果。比例控制用于改變信號的增益，其根據(jù)偏差信號進行控制，控制效果是使偏差變小，達(dá)到控制目的。kp 的數(shù)值對系統(tǒng)影響主要體現(xiàn)在：kp 小的時候，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用慢；kp 大的時候，調(diào)節(jié)速度快，如果kp 非常大，系統(tǒng)會出現(xiàn)穩(wěn)定性低和超調(diào)量過大。只有比例環(huán)節(jié)的話，是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差的，所以引入了積分環(huán)節(jié)，偏差值存在時，積分控制具有減偏差的作用。當(dāng)系統(tǒng)存在偏差時，積分控制起到作用，ki 數(shù)值決定積分控制的強弱，ki 數(shù)值越小積分控制作用越弱，ki 數(shù)值越大積分控制作用越強。微分控制對系統(tǒng)的動態(tài)過程中起到作用，引入微分控制可以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，對穩(wěn)態(tài)無影響。綜合上述PID 控制策略主要表現(xiàn)是kp的作用是提高系統(tǒng)的靈敏度，系統(tǒng)有偏差產(chǎn)生時，偏差就會減小、ki 的作用是減小靜態(tài)誤差、kd 的作用是在偏差剛出現(xiàn)時及時抑制偏差減小調(diào)節(jié)時間。PID 控制原理框圖如圖2 所示。

圖2 PID 控制原理圖

3 模糊PID 控制算法的實現(xiàn)

對于溫度這樣復(fù)雜的、多變的被控對象，如果使用傳統(tǒng)的PID 控制策略，其中kp、ki、kd 這3 個參數(shù)是無法進行實時調(diào)整的，系統(tǒng)會存在一系列問題，例如：精度不足、動態(tài)性能差和震蕩幅度大等缺點，達(dá)不到研究想要的效果。所謂模糊控制是指將人們的自然語言轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字或函數(shù)，通過計算機實現(xiàn)控制。模糊控制的特點主要有：不依賴精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，不依賴人們的操作經(jīng)驗，好理解，魯棒性好，可以很好的在計算機上實現(xiàn)。將模糊控制思想與傳統(tǒng)的PID 控制算法相結(jié)合，本文利用模糊控制的方式對傳統(tǒng)的PID 算法進行改進，設(shè)計PID 參數(shù)自整定算法，通過模糊控制來實現(xiàn)PID3 個參數(shù)kp、ki、kd 根據(jù)系統(tǒng)實時改變，從而達(dá)到控制要求。這個算法中有2 個輸入分別為e 溫度偏差和ec 溫度偏差變化率，通過算法運算最終改變kp、ki、kd 這3 個值，達(dá)到控制要求。模糊PID結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 模糊PID 結(jié)構(gòu)圖

模糊PID 控制系統(tǒng)設(shè)計的具體步驟主要包括：①模糊控制輸入量、輸出量的確定。定值與反饋值存在偏差e，然后可以運用數(shù)學(xué)公式計算出溫度偏差的變化率ec。模糊控制器的輸入是溫度偏差和溫度偏差的變化率，輸出部分是為kp、ki、kd 的對應(yīng)變化量。②將變量模糊化，確定本系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)。在設(shè)計系統(tǒng)的時候經(jīng)常用隸屬度函數(shù)有梯形和三角形型，設(shè)計選用三角形隸屬度函數(shù)。設(shè)定e、ec、kp、ki、kd 的模糊論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，e、ec、kp、ki、kd的模糊集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。③對控制系統(tǒng)進行模糊控制規(guī)則設(shè)計。模糊推理的目的是求出kp、ki、kd 的變化量的模糊數(shù)值，利用每個模糊規(guī)則的計算公式，可以得到模糊規(guī)則（Ri）及模糊控制的總規(guī)則，進行反模糊化，計算出kp、ki、kd 的變化量的模糊控制表，最后利用公式，可以求出kp、ki、kd 的數(shù)值。

本文采用模塊化的編程方法，主程序主要由初始化程序、顯示屏程序、溫度采集程序、模糊PID 算法程序及溫度控制輸出等組成，其程序結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 程序結(jié)構(gòu)圖

本文STM32 控制器的控制算法使用PID 和模糊控制相結(jié)合的方式。這樣的控制策略可以使kp、ki、kd 根據(jù)系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，所以使得控制效果較好。STM32 中實現(xiàn)模糊PID 控制采用模糊查詢的方式，PID 參數(shù)在線自校正工作流程圖如圖5 所示。

圖5 PID 參數(shù)在線自校正工作流程圖

在北方冬季新出生的小豬抵抗寒冷的能力差，可能造成豬生病或死亡，造成經(jīng)濟損失，有一個良好環(huán)節(jié)非常重要，于是本文設(shè)計了基于模糊PID 的仔豬舍溫度控制系統(tǒng)對豬舍進行溫度控制，使豬舍有一個良好的溫度。在設(shè)計時了解到因仔豬舍溫度控制系統(tǒng)具有大慣性和大滯等特點，如果采用單純的PID 控制策略會存在一定的問題，因PID 控制策略具有參數(shù)不能實時改變的缺點，PID 控制策略不能達(dá)到很好的控制效果。

4 結(jié)束語

本文采用了模糊控制與PID 相結(jié)合，可以實時對PID 3 個參數(shù)調(diào)整。模糊PID 仔豬舍溫度控制系統(tǒng)，可以為冬季仔豬舍提供良好的溫度環(huán)境。采用模糊PID 控制策略，實現(xiàn)PID 控制器參數(shù)kp、ki、kd 在線實時調(diào)整，相比于傳統(tǒng)PID，提高了系統(tǒng)的精度及動態(tài)性而且節(jié)約了資源，取得了滿意的控制效果。