基于模糊自整定PID控制的奶牛飼喂裝置溫控系統的設計

張東虞　曹衛彬　楊弈卓

摘要：采用AT89C52作為現場控制裝置，設計了一種基于模糊自整定PID控制的奶牛飼喂裝置溫控系統。本系統通過PT100熱電偶作為溫度傳感器采集溫度信號，傳送至MAX6675控制器進行A/D轉換，直接輸出溫度的數字信號，與單片機進行通信，自動地實現加熱板、報警裝置等設備的精密控制；具有加熱區恒溫控制特性好、精度高、自調整能力強、系統運行穩定等特點，達到了對冬季寒冷地區奶牛養殖裝置溫控系統的技術要求。

關鍵詞：PID；模糊控制；飼喂裝置；溫度控制；奶牛

中圖分類號： S818；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0492-03

收稿日期：2014-11-25

基金項目：新疆生產建設兵團科技支疆項目（編號：2013AB024）。

作者簡介：張東虞（1980—），女，貴州銅仁人，碩士，講師，主要從事智能化檢測與自動控制技術研究。E-mail：zdy800809@163.com。

通信作者：曹衛彬，博士，教授，主要從事農業機械化研究。E-mail：cwb-mac@shzu.edu.cn。奶產業作為畜牧產業的一種，具有高效率、高效益雙重特點，在現代農業中占據非常重要的地位，一個國家的牛奶產量和人均占有量是衡量一個國家經濟發達程度和綜合國力的重要指標。因此，奶業是世界各國發展經濟的重要產業之一，在發達國家，奶業產值比重占到了畜牧業總產值的30%左右。而在我國奶業現階段還處于粗放發展階段，與奶業發達國家相比，仍然存在如下問題：（1）我國的奶牛養殖技術仍然落后，自動化程度較低，裝置比較落后；（2）養殖規模化程度低，散戶養殖占大多數比例，導致單產水平低、飼養管理水平落后、奶牛的品種問題很難提高等問題。分析表明，奶牛品種和飼養管理水平的問題影響整個奶業比例分別占30%、70%。而在飼養過程中，飼養條件的優劣直接影響奶牛的產奶量和牛奶品質。因此，如何提高奶牛的飼喂技術，將成為我國奶業發展急需解決的問題[1-2]。

我國新疆、內蒙古、河北、甘肅等奶牛養殖大省（自治區），冬季氣候寒冷，在冬季進行奶牛喂養過程中，飼料溫度過低，影響奶牛的飼喂質量，因此本研究在現有的精準飼喂裝置基礎上，設計了一種基于模糊自整定PID控制的溫控系統應用于廣大北方地區的奶牛精準飼喂裝置中。

1飼喂裝置溫控系統對溫度控制的要求

溫控系統中電加熱系統具有較大的純滯后、非線性和慣性滯后等問題，常規的PID控制算法簡單，是在某一特定的條件下整定完成，對于線性穩定的控制對象非常有效，而對于工況時常發生改變的過程，PID的參數很難適應不同的變化過程，而溫度控制屬于非線性、時變和大滯后過程，傳統的PID難以實現精準控制。

本系統采用模糊自整定理論的PID控制器，該控制器以單片機AT89C52作為現場控制裝置，通過編寫單片機程序來實現控制要求，根據誤差e和誤差率de對PID進行在線調節，具有較好的動態調節性能和魯棒性[3-4]。

1.1熱電偶的溫度控制

如圖1所示，根據控制要求利用單片機AT89C52為核心控制元件，通過設置溫度控制點，采用PT 100溫度傳感器采集現場溫度信號，實時傳送至MAX 6675熱電偶信號轉換器，該轉換器集信號放大、冷端補償、A/D轉換于一體，直接輸出溫度的數字信號，與單片機接口連接并采用動態掃描顯示方式，使硬件電路大大簡化，既降低了成本，又提高了系統可靠性和抗干擾性；整個溫控系統通過單片機與PT 100溫度傳感器以及執行裝置交互作用實現溫度的智能控制。

1.2加熱板的溫度控制

該溫控系統采用硅橡膠加熱板作為加熱裝置，硅橡膠加熱板的主要材質是鎳絡合金電熱絲、硅橡膠高溫絕緣層，硅橡膠絕緣層的主要材質是硅橡膠與玻璃纖維布，由兩者復合而成，形狀呈薄片狀，具有柔韌性好、強度高的特點，并且尺寸可以根據系統裝置的需要進行定制，具有加熱迅速、溫度分布均勻、熱轉化率高、機械強度高、使用方便、安全、壽命長、不易老化等優點。此加熱板可以直接與被加熱物體緊密接觸，加熱功率為0.5～0.7 W/cm2。該溫控系統選擇此加熱板作為加熱裝置非常適合。

PT100溫度傳感器采集到加熱板的溫度信號，通過MAX6675控制器將信號傳送至單片機，根據系統設置的溫控點，單片機通過模糊自整定PID控制運算，將采集信號傳輸至固態繼電器執行，對加熱板進行控制。溫度低于設定溫度時，加熱板開始加熱，溫度高于設定溫度時，系統報警，加熱裝置停止加熱，從而使整個溫度保持恒定。

2模糊自整定控制的設計

2.1Fuzzy-PID設計

應用PID控制，首先要確定被控對象的數學模型，根據溫度偏差e作為輸入量，通過計算，驅動執行機構減小誤差，從而使被控對象趨于穩定，PID計算式如下：

PID參數模糊自整定是找出PID中3個參數與e和ec之間的模糊關系，在控制系統運行中循環計算e和ec的值，根據模糊控制原理（圖2）對Kp、Ki和Kd中的3個參數進行在線修改，滿足不同e和ec對控制參數的不同要求，使被控對象的動態、靜態性能保持良好的狀態。系統整定應從以下幾個方面進行綜合考慮：（1）系統整體的穩定性；（2）系統的響應速度和響應時間；（3）系統參數的超調量；（4）系統穩態時的精度等方面[5]。

Kp、Ki和Kd3個參數的作用分別是：（1）比例系數Kp：加快系數響應速度，提高系統調節精度；（2）積分系數Ki：消除系統穩態誤差；（3）微分系數Kd：改善系統動態特性[6]。

總結人工整定經驗，結合操作歷史數據和理論分析結果，可歸納出e和ec與Kp、Ki和Kd 3個參數間存在如下關系[7-8]：（1）當︱e（k）︱較大時，加熱系統響應速度快，系統應設置較大的Kp，從而減小系統的時間常數和阻尼系數。當然Kp也不得設置過大，否則整個系統將不穩定；為避免在系統剛開始工作時，引起超范圍控制作用，Kd值應設置較小，使系統響應加快；為避免系統出現較大的超調量，積分作用可以除去。（2）當︱e（k）︱處于中等大小時，系統應設置較小的Kp，使系統響應的超調量稍小；整個系統中Kd的取值較為關鍵，為了使整個系統的響應速度得到保證，Kd的取值要恰當；此時Ki取值可適當增加一點，但不得過大。（3）當︱e（k）︱較小時，為使系統達到良好的穩態性能，Kp和Ki的取值可以較大，為避免系統在平衡點出現振蕩，Kd的取值要恰當。

2.2模糊控制規則的建立

本系統采用溫度誤差e和誤差變化率ec作為輸入語言變量，溫度控制量u作為輸出語言變量，模糊控制規則就是對參數Kp、Ki和Kd進行調整的規則。針對該系統的控制要求和特性，可以列出響應的參數Kp整定規則如Kp的模糊規則表（表1）。

2.3模糊控制算法的程序實現

溫度誤差e有下列3種情況：（1）e≥5 ℃，取值為 +5 ℃；（2）e≤-5 ℃，取值為-5 ℃；（3）-5 ℃

3飼喂裝置溫控系統的軟件系統設計

3.1溫度控制的軟件設計模塊

系統軟件設計主要3大模塊。（1）溫度采集模塊：MAX 6675 熱電偶信號轉換器的輸出作為單片機的外部中斷0輸入，根據高電平的時鐘周期個數判斷溫度值。（2）信號輸入模塊：根據采樣值和溫度設定值，通過模糊自整定PID算法，改變輸出型號的占空比來控制繼電器的通斷。（3）輸出模塊：包括顯示程序、鍵盤輸入程序以及報警裝置等。

3.2溫度控制的軟件流程

溫度控制的系統軟件流程如圖3所示。

3.3溫度控制模糊自整定PID算法的軟件實現

本系統采用數據處理且人機交互能力強的C51作為開發語言，利用MAX6675熱電偶信號轉換器與單片機進行通信，實時對現場溫度信號進行讀取。整個溫控系統的軟件編寫首先需要設定加熱的目標溫度T（k），系統開始加熱后，實時對溫度數據t（k）進行采集，同時對溫度數據加入PID算法中計算。通過比較實時溫度和目標溫度之間的誤差，計算出e和ec。程序在執行該步驟后，調用模糊PID自整定模塊，通過模糊控制規則的查表、運算及結果的處理，完成PID參數的在線自整定。

4結論

本研究根據奶牛飼喂裝置的溫控要求，設計了利用單片機AT89C52作為模糊自整定PID現場控制裝置對溫度進行智能控制。通過現場測試，采用模糊自整定PID系統整定的Kp、Ki和Kd的參數值對溫度控制具有結構簡單、軟件實現容易、編程量小、系統性能穩定、控制精度高等優點。

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