基于模糊自整定PID的溫室溫度控制系統設計及仿真

余歡樂+方永鋒

摘要：溫室溫度系統是一個大時滯、非線性的復雜系統，傳統的控制方法效果不甚理想。因此，本研究設計一種基于模糊自整定PID控制方法的溫室溫度控制系統，可根據溫度偏差和溫度偏差變化率實時整定PID控制器的參數。控制系統以STC89C52單片機為控制核心，采用DS18B20溫度傳感器實現對溫室溫度的采集，通過控制電加熱爐的加熱功率來調節溫室的熱量輸入，起到控制溫室溫度的作用。并在Matlab 11.0/Simulink環境下，建立模糊自整定PID控制器的仿真模型，通過仿真發現該方法比常規PID控制方法具有更好的魯棒性，能夠實現良好的控制效果。

關鍵詞：溫室大棚；Matlab/Simulink仿真；單片機；溫室溫度；控制系統；魯棒性

中圖分類號： TP273；S625.5+1文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0383-03

收稿日期：2015-11-10

基金項目：貴州省科技廳省市院聯合基金（編號：黔科合J字LKB[2013]16號）。

作者簡介：余歡樂（1988—），男，貴州畢節人，助教，主要從事機械設計與仿真研究。E-mail：459238757@qq.com。

通信作者：方永鋒，博士，副教授，主要從事機械可靠性分析與設計、機械控制等研究。E-mail：fangyf_9707@126.com。

隨著大棚技術的發展和普及，溫室大棚已經成為農業生產活動的重要場所。但是，我國的溫室目前大都比較簡單，自動化程度低下，基本上各項操作作業都靠人工完成。由于人工操作的不準時、不精確，影響農作物的生長環境，從而影響溫室生產效率和經濟性。目前，單片機技術被廣泛應用到工業生產的各個領域，為人們的生產生活提供了極大的便利。本研究將單片機應用于溫室溫度控制系統，對溫室溫度實行智能化控制，滿足農作物的最佳生長溫度，使農作物的生長環境得到優化，有效提高土地產出和社會經濟效益。而對于溫室溫度系統而言，因其具有非線性、大時滯和大慣性等特點，采用常規的PID控制方法難以取得滿意的控制效果。因此，本研究還提出一種模糊自整定PID控制方法，通過建立模糊控制規則，在線整定PID控制器的3個參數Kp、Ki、Kd，使其保持最佳控制狀態。

1系統簡介

在溫室大棚中，為了提高溫室所培育作物的產量和生產效率，須要輔助以一定的人工熱源對溫室溫度進行有效控制。通常以電加熱爐作為管道端頭的熱源，通過調節電加熱爐的加熱功率進行溫度控制。溫室溫度控制系統也是個典型的嵌入式應用系統，[JP2]在目前低端嵌入式系統微處理器的市場中，51單片機占有絕對主流的地位[1]。所以，本系統以STC89C52單片機為核心，通過溫度傳感器DS18B20實時采集溫室溫度，然后上傳到單片機，與之前通過按鍵設定好的溫度進行運算，單片機輸出1個控制信號，再經D/A轉換輸送給溫度控制器，控制電加熱爐的加熱功率，從而對溫室溫度進行調節（圖1）[2]。

[FK（W7][TPYHL1.tif]

2系統硬件設計

溫室溫度控制系統硬件主要包括溫度采集模塊、溫度設定和顯示模塊、核心控制模塊、D/A轉換模塊和可控硅調功模塊，下面主要介紹核心控制模塊、溫度采集模塊、D/A轉換模塊和可控硅調功模塊。

2.1核心控制模塊

本研究選用STC89C52芯片作為控制器，它是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 kB在系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。它的工作電壓范圍很寬，可在5.5～3.8V 范圍內穩定工作，且有各種封裝，極大地方便了用戶。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、有效的解決方案[1]。

2.2溫度采集電路

本研究利用數字式溫度傳感器DS18B20來實現溫度的采集，DS18B20 是一種改進型的智能溫度傳感器，其測溫范圍為-55～125 ℃，精度可達到0.067 ℃，溫室溫度變化的動態范圍為15～35 ℃，要求靜態精度為1 ℃，完全可以滿足系統要求。DS18B20只有3個引腳，連接比較簡單，VCC接電源，GND接地，數據線DQ單片機的P1.0引腳，用于數據傳輸，具體連接如圖2所示[3]。

2.3D/A轉換電路

溫室溫度控制系統采用D/A轉換芯片DAC0832，DAC0832是8位分辨率的D/A轉換集成芯片，與微處理器完全兼容，本研究中硬件連接電路圖如圖3所示。

[FK（W7][TPYHL2.tif]

2.4可控硅調功電路

溫度控制電路采用可控硅調功率方式，硬件電路如圖4所示。在本設計中利用TL494雙端脈寬調制集成元件實現可控硅觸發脈沖的形成及導通比控制，4引腳為控制電壓輸入端，改變4引腳輸入控制電壓即可改變輸出脈沖的寬度[4]。雙向可控硅串在50 Hz 交流電源和加熱絲電路中，在給定周期里改變可控硅開關的接通時間改變加熱功率，從而實現溫度調節。

[FK（W10][TPYHL3.tif]

[FK（W12][TPYHL4.tif]

3控制算法設計

對于溫室溫度控制系統這樣一個大慣性、非線性的系統，常規的PID控制方法效果并不是很理想，本研究提出一種模糊自適整定PID控制方法，即通過采集到的溫度值計算出溫度誤差以及誤差變化率，經過模糊化和模糊推理，得到PID控制器的3個控制參數修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd，實現PID控制器的3個參數ΔKp、ΔKi、ΔKd在線修正，其計算公式如式（1）所示[3]，實現實時控制電加熱爐的加熱功率以調整溫室溫度。

[JZ（][JB（{]ΔKp=Kp0+ΔKp

ΔKi=Ki0+ΔKi

ΔKd=Kd0+ΔKd[JB）]。[JZ）][JY]（1）

模糊自整定PID控制器綜合了模糊控制和PID控制2種控制方法的優點[4]，對于溫室溫度控制系統這樣一個非線性、大時滯的系統，很難建立精確的數學模型，剛好模糊控制不要求掌握對象的精確數學模型；而 PID控制可以消除模糊控制存在的穩態誤差[5]，使系統具有較高的控制精度、較快的響應速度和抗參數變化的適應性，其控制原理如圖5所示。模糊自整定PID控制器的設計是本系統的核心，關系到溫室溫度控制系統的控制性能的優劣，下面詳細介紹其設計過程。

3.1模糊論域及隸屬度函數

溫室溫度實測值與目標值的誤差e和誤差變化率ec為模糊控制的輸入參數，PID控制器的參數修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出參數。它們的語言變量模糊子集都取為{NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、Z（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）}，量化為7個等級，模糊論域均取為{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，模糊子集也都選用三角形隸屬度函數[4]，隸屬度函數如圖6所示。

[FK（W9][TPYHL5.tif]

[FK（W9][TPYHL6.tif]

3.2制定控制規則

在常規PID控制中，比例系數ΔKp的作用是加快系統的響應速度，提高調節精度；積分系數ΔKi的作用是消除系統的穩態誤差；微分系數ΔKd的作用是改善系統的動態特性，抑制偏差向任何方向變化[1]。模糊控制規則表是根據溫室作物的生長規律和人員經驗，綜合考慮溫室溫度控制系統的穩定性、超調量及響應速度等因素而建立的關系表。通過分析和仿真調整，針對溫室溫度控制系統，制定PID控制器3個參數調整量的模糊規則，由于篇幅原因，僅列出ΔKp的模糊控制規則（表1）。

3.3輸出信息的解模糊

在溫室溫度控制系統中，經過模糊邏輯推理后，得到PID的3個控制參數Kp、Ki、Kd的模糊集合，不能直接轉化為精確量輸出，必須經過解模糊。本研究采用重心法解模糊，將輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd提前清晰化，轉化成響應的精確量，然后把運算結果填入模糊控制查詢表中，儲存在單片機的系統中，結果見表2（ΔKp的模糊控制查詢表）。在系統運行時，通過查詢表格，即可得出確定的輸出量，節省系統資源，提高響應速度，再乘上響應的比例因子，通過D/A轉換輸出，完成其控制任務。

4算法仿真及分析

溫室溫度控制系統是一個非常復雜的系統，其溫度受散熱裝置的散熱系數、溫室通風率、室外溫度以及溫室空氣濕度的影響，這些因素相互關聯耦合，共同作用溫室的溫度。根據經驗，溫室溫度控制模型可以近似地看成是有擾動參與的一階慣性時滯環節，傳遞函數表示為式（2）所示[1]：

[JZ（]G（s）=[SX（]k·e-τs[]Ts+1[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：k表示對象的靜態增益；T表示對象的時間常數；s表示時間變量；τ表示對象的純滯后時間。

在溫室內種植的農作物對溫度要求比較高，一般適合生長的溫度范圍為15～35 ℃，低于15 ℃不利于作物發育，高于35 ℃病蟲害發生率激增，會增加防治成本。本研究中溫度設定為25 ℃，要求調節時間短、超調量小，穩態誤差控制在1 ℃內。溫度控制模型數學參數取k=1、T=140、τ=30，則控制對象的數學模型[6]為：

[JZ（]G（s）=[SX（]e-30s[]140s+1[SX）]。[JZ）][JY]（3）

4.1仿真模型

[JP2]在Matlab 11.0/Simulink環境中分別建立模糊自整定PID控制系統和常規PID控制系統，根據仿真曲線對二者性能進行對比和分析，仿真模型如圖7所示。根據整定法，則得到PID控制器的3個控制參數（Kp=4.1、Ki=0.03、Kd=20[1]）。

[FK（W+78mm][TPYHL7.tif]

4.2仿真結果及分析

通過1 000 s的仿真，得到了如圖8所示的溫度曲線，階躍信號的幅度為25[1]。通過圖8所示仿真曲線和表3所示的結果對比可以看出，在上述仿真條件下，模糊自整定PID控制器所得到的系統動態響應曲線在峰值時間和超調量上都明顯優于常規PID控制器，系統響應更快、更穩定。

5結論

本研究基于STC89C52單片機設計了一款溫室溫度控制系統，硬件結構簡單，成本低廉。針對復雜的溫室溫度控制系統，提出了模糊自整定PID控制算法，并在Matlab 11.0/Simulink[CM（24]環境中進行計算機建模和仿真。仿真結果表明，本研究[CM）]

[TPYHL8.tif]

[FK（W6][HT6H][JZ]表3仿真結果對比[HTSS]

[HJ*5][BG（！][BHDFG3，WK4，WK9，WK4。4W]目標溫度（℃）算法超調量（%）峰值時間（s）調節時間（s）穩態誤差（%）

[BHDG1*2，WK4，WK9，WK4。4W]25PID控制算法241003600

[BHDWG3]模糊自整定PID控制算法8803600[][BG）F]

設計的模糊自整定PID控制器能夠根據輸入量溫度誤差的變化，實時調整PID控制器的參數Kp、Ki、Kd，并且相較于常規PID控制器系統具有更好的控制性能，滿足溫室溫度控制系統的要求，具有現實可行性。

參考文獻：

[1]王安，楊青青，閆文宇. 模糊自整定PID控制器的設計與仿真[J]. 計算機仿真，2012，29（12）：224-228.

[2]岳文杰，謝守勇，陳翀，等. 基于模糊 PID 的溫室溫度控制器設計與仿真[J]. 農機化研究，2014，18（4）：194-197.

[3]王積偉，吳振順. 控制工程基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2001：201-218.

[4]張國良. 模糊控制及其MATLAB應用[M]. 西安：西安交通大學出版社，2002：152-169.

[5]賈芳云，王大為，屈毅. 蔬菜大棚模糊PID溫度控制系統的設計[J]. 湖北農業科學，2011，50（13）：2746-2749.

[6]王曉燕，周志文，吳韜. 溫室大棚溫度控制系統的設計[J]. 自動化與儀器儀表，2013，32（3）：63-64.