基于模糊PID的溫室溫度控制器設計

山東科技大學電氣與自動化工程學院 李雪蓮 鄭豐隆

基于模糊PID的溫室溫度控制器設計

山東科技大學電氣與自動化工程學院 李雪蓮 鄭豐隆

本文設計了一種基于模糊PID的溫室溫度控制器來解決具有大時滯、非線性、時變性特點的溫室的溫度控制問題。本文設計的模糊PID控制器，通過模糊規則不斷整定PID參數來取得最優控制策略，使PID參數具有自適應性。在Matlab/Simulink中建立了仿真模型，通過仿真分析發現：模糊PID控制比傳統的PID控制具有動態響應快，超調量小，控制效果平穩的優點。

溫室；溫度控制；模糊PID；仿真

1 引言

植物的發芽與溫度息息相關，對于溫室來說，最重要的一個關鍵因素是溫度控制。一天內的不同時刻，不同季節空氣溫度有所變化，不符合植物發芽的條件，因此應該根據具體情況采用恰當措施對溫度進行控制。

傳統的方法是在溫室內放置數根溫度計，通過人工的讀取數值來獲悉溫度，然后采取一定的措施來獲得合適的溫度。這種方法極其的不方便，重要的是人工不可能實時觀測溫室溫度并及時的采取相應的措施來調控溫度。溫度控制不及時植物的發芽生長可能受到很大影響。一般溫室溫度控制系統采用的多為常規PID控制器。常規PID的三個控制參數通常按照控制性能要求通過經驗湊試得來。溫室溫度控制所面臨的是一個時變的、帶滯后的、復雜的控制對象，常規PID無法及時調節參數來進行控制。模糊控制不需要建立精確的數學模型，基于豐富的操作經驗建立的模糊規則作為控制策略，適用于解決非線性系統的問題[1]。

2 模糊PID控制器的設計

本文采用模糊控制與PID控制的結合，根據偏差和偏差變化率，由建立好的模糊規則調整PID參數，實質即為參數自適應控制算法。相較于與傳統控制方法，模糊控制利用人類專家控制經驗，對于非線性、復雜對象的控制顯示了魯棒性好、控制性能高的優點[2]。

2.1 系統結構及原理

參數自適應模糊PID控制器的系統結構主要由參數可調PID和模糊控制系統兩部分構成，其結構如圖1所示。

模糊PID控制器的控制原理：系統誤差e和誤差變化率ec作為輸入，通過模糊推理方法對PID參數kp、ki、kd進行在線整定，以滿足在不同的誤差e和誤差變化率ec的情況下對控制器參數的不同要求，而使被控對象具有良好的動態、靜態性能[3]。

圖1 控制器結構

2.2 PID控制器參數自整定原則

PID參數的整定必須考慮在不同時刻3個參數的作用及相互之間的互相聯系。

根據參數kp、ki、kd對控制系統的控制作用，通過前人累積的大量工程經驗，可以得到以下三點參數自整定原則：

（1）當偏差較大時，不管偏差變化趨勢如何，都應該以減小偏差為主，加快系統的響應速度。為此選擇較大的kp和較小的kd。另外為了防止系統出現較大的超調、積分飽和，ki值要小，通常取ki=0。

（2）當偏差向著增大的趨勢發展時，若此時偏差較大，應該對系統施加較強的控制作用，使偏差絕對值迅速減小，此時應該選取較大的kp、ki要小，kd適中；若此時偏差較小，則對系統施加一般的控制作用來使偏差向著減小的發展趨勢即可。

（3）當偏差向著減小的趨勢發展時，此時系統是趨于穩定的，對控制參數進行適當的微調即可[3]。

2.3 各變量隸屬度函數的確定

根據控制性能要求，將誤差e和誤差變化率ec作為輸入，PID控制器的三個參數kp、ki、kd的修正△kp、△ki、△kd作為輸出。取誤差e和誤差變化率ec及輸出△kp、△ki、△kd模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。誤差e和誤差變化率ec的論域為[-6,6]，量化等級為{-6，-4，-2,0,2,4，6}[4]。

根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設計分數階PID參數的模糊矩陣表，算出參數代入下列公式計算：

圖3 模糊PID控制系統仿真框圖

式中：0kp0、ki0、kd0為常規PID的控制參數?！鱧p、△ki、△kd為模糊控制器的3個輸出，

可以根據系統的輸入誤差和誤差變化率進行自適應調整。[5][6]。

在模糊邏輯工具箱的隸屬度函數編輯器中，將輸入量e，ec，輸出△kp、△ki、△kd的隸屬函數都選定為三角形（trimf），如圖2所示。

圖2 輸入量e，ec，輸出△kp、△ki、△kd的隸屬函數

表1 △kp的模糊控制規則表

2.4 建立模糊規則表

根據經驗專家的大量工程經驗，根據誤差和誤差變化率來設計減少系統輸出誤差的模糊控制規則。模糊控制的核心是模糊推理，它利用事先設計好的模糊規則對控制參數進行不停地計算整定，最終得出最優控制量。本文總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表。根據以上所述的PID參數調整原則，建立了針對kp、ki、kd3個參數分別整定的模糊控制表如表1、表2和表3所示[7]。

表2 △ki的模糊控制規則表

表3 △kd的模糊控制規則表

合并三表可以得出49條模糊控制規則。

3 實驗分析

本文的被控對象為溫室的溫度，范圍為0～20攝氏度，假設初始溫度為0攝氏度，對它進行控制，使溫度穩定在14攝氏度，調節時間盡可能的短。一般可用一階慣性滯后環節來描述溫控對象的數學模型[8]。假設溫度控制模型的傳遞函數為：