MATLAB的PID算法在溫室大棚中的溫濕度串級控制中的應用研究

王俊偉 　溫榮

摘要：針對內蒙古河套地區落后的農業結構和自動化程度低的問題，設計了基于MATLAB的增量式PID算法在溫室大棚中溫濕度控制的串級控制系統中，并將計算機PID算法應用到該串級控制系統中，使該串級控制系統具有較好的快速性、抗干擾性和控制質量、穩定性、精度高的特性。

Abstract： To the problem of the underdeveloped agricultural structure and the poor levels of automation in Hetao area of Inner Mongolia，we design a cascade control system that can control the temperature and humidity in greenhouses. We also apply the PID algorithm to this intelligent control system. Through this method， the cascade control system has a lot of advantages， such as the better rapidity and anti-interference. In addition to this， it can control the quality， stability and accuracy better than before.

關鍵詞：增量式PID算法；串級控制；溫濕度控制

Key words： incremental PID algorithm；cascade control；temperature and humidity control

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）05-0169-02

0 引言

內蒙古河套地區的農業技術相對落后，溫室大棚技術方面還停留在傳統的農業結構上。尤其是對于溫室大棚中溫濕度的測量和控制還停留在傳統的溫濕度計測量和人工經驗來實現的，一些比較先進的溫室大棚將開環控制應用到溫濕度控制上，在一定程度上節省了人力成本，但是作物的產量不是很高，再加上溫濕度的強耦合性和相互之間的影響，針對這種情況，筆者設計了將PID的整定技術和增量式PID算法的MATLAB程序結合的無自衡串級溫溫度控制系統，該控制系統具有較好控制效果。

1 串級控制系統特點介紹

與單回路系統相比，串級控制系統加入了副回路和主回路的的閉環反饋控制，對于控制系統存在干擾信號和控制精度要求較高的場合宜采用。串級控制系統的主回路是一個恒值控制系統，副回路是一個隨動系統，具有調節速度快、抑制擾動強的特點。為了提高主要參數的控制質量，盡可能的將主要擾動放在二次擾動中，一次擾動盡量減小。時間常數的匹配度的是主、副回路設計必須考慮的問題。該參數是防止串級控制系統共振、安全生產和提高產品質量的重要條件。

2 基于MATLAB的串級控制系統介紹

2.1 串級控制系統結構

該系統研究的對象是溫濕度相互影響的無自恒過程，當溫室大棚的溫度發生改變時，通過空調來調節溫度的高低，由于溫度發生改變相應的濕度也要發生變化，這時需要加濕器來達到濕度的恒定，濕度發生變化將影響溫度的變化。當濕度恒定時，加濕器的頻率恒定，濕度的控制構成了一個積分不變的時間常數。所以以濕度RH為定值主控制變量，以溫度T為副控制變量。過程數學模型結構式如下：

=e-τs（1）

從公式可知，該系統是有時間延遲的二階無自恒定系統，溫度的變化滯后于濕度的變化，所以采用單回路設計需要經過一定的時間才能使被控變量有所反應。由于串級控制系統在克服容量純滯后和滯后的效果比較理想，所以設計了如圖1所示的串級控制系統。

該串級控制系統以大棚中的溫度為副參數，以濕度為主參數，系統工作時，溫度傳感器和濕度傳感器將檢測到溫濕度的信號，通過A/D轉換器送入到STM32控制器，使其與控制器中的兩個調節器的設定值進行比較，根據偏差的大小對空調作相應動作的調整，使溫濕度達到作物的理想值。

上位機調用MATLAB的PID算法程序，包括兩段PID算法程序，通過空調信號的給定來達到溫濕度的控制。

2.2 增量式PID算法

由于當前的控制量輸出與過去的狀態有關，而且偏差的累加會占用比較大的內存，因此采用增量式PID算法。模擬PID控制器的控制規律如下：

u（t）=kp[e（t）+e（t）dt+TD]+u0 （2）

由于單片機控制是采樣控制，而不能像模擬控制那樣連續輸出控制量，所以公式中的積分和微分項不能直接使用，需要對上式進行離散化，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分。格式如下：

uk=kp[ek+KIej+KD（ek-ek-1）]+u0 （3）

式中：

K——采用信號（K=0，1，2，3…）；

KI——積分系數；

KD——微分系數；

KP——比例系數；

ek——第K次采樣時刻輸入的偏差值；

ek-1——第K-1次采樣時刻輸入的偏差值；

Uk——第K次采樣時刻的計算機輸出值；

Uo——開始進行PID控制的原始值。

根據式（3）得出uk-1，將uk與uk-1，作差得出增量式PID算法公式，如下：

Δuk=uk-uk-1=kp[ek-ek-1+KIeK+KD（ek-2ek-1+ek-2）] =kp（1+KI+KD）ek-Kp（1+2Kd）ek-1+KpKDek-2=Aek-Bek-1+Cek-2（4）

由式（4）可以知，如果計算機采用恒定的采樣周期T，只要確定A、B、C系數和前后三次測量的偏差值，就可以通過式4計算出控制量，由于計算簡單，該方法在實際應用比較廣泛。

2.3 控制結果

反復試驗，使濕度逐漸趨于設定值，此時反饋值和設定值是相同的。待濕度穩定后，在溫度控制上加擾動，經過副回路的調節，還影響溫度值，在此基礎上適當調整主回路，從而克服擾動使溫度調節到給定值上。當擾動加到濕度控制上時，濕度會發生變化，利用主回路的校正功能，可以減小擾動對濕度的干擾作用，使濕度趨于穩定。在這一過程中，副回路也起到了校正作用，在一定程度上降低了擾動對濕度的影響程度。上位機監控軟件得到圖2所示的曲線。

3 結束語

對于純滯后的溫濕度無自恒過程，采用單回路控制系統實現的效果很不理想，而采用串級控制系統可以得到較為理想的效果。將MATLAB的PID算法應用到串級控制系統的溫濕度控制上，實踐表明，由于計算機控制算法的方便和靈活性，上位機調用MATLAB算法程序即可實現現場控制。

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