基于PID算法的溫室內溫濕度智能控制系統

鮑義東，陳 果，鐘國榮

（貴州航天智慧農業有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

PID算法是一種采樣控制算法，通過對控制量的計算得出準確可行的計算機控制語言，由于該算法具有計算結果進準度高，計算過程中不需要建立數學模型，應用起來簡單快捷，被廣泛應用到各個領域中。溫室內溫濕度智能控制系統可用于農作物生長環境的實時監測，根據控制算法的設置，為溫室制造出最適合農作物生長的溫濕度環境。傳統溫室內溫濕度控制系統由于控制精準度低、控制不穩定等問題，已無法滿足植物養殖的需求[1]。所以運用PID算法設計溫室內溫濕度智能控制系統，提高系統對溫室溫濕度控制的精準度。

1 溫室內溫濕度智能控制系統設計

1.1 系統硬件設計

系統的硬件結構設計由微處理器、傳感器以及電源電路等設備構成。微處理器是系統的控制板塊，同時也是系統的核心部分，該設備是負責執行系統的控制指令[2]。為了保證系統對溫室溫濕度智能高效控制功能，此次選用14位SLZ系列單片機SLZ2016-558微處理器，該設備采用先進的PPC結構，絕大多數系統控制指令可以在15秒鐘內完成，具有較高的運行速度，該設備具有內外多種中斷工作模式，有利于系統中斷程序的設計和低電壓檢測功能的實現[3]。由于該微處理器具有低功耗特點，增加了系統的工作時間，在設備安裝時，設備工作電壓要控制在2.6～4.3V范圍內，保證微處理器平穩順利運行。

硬件設計上選用了溫度和濕度兩種傳感器。在溫室內外各安裝一套溫濕度傳感器，并將傳感器的傳輸方式設置為模擬量傳輸，其具體性能指標設置為：溫度傳感器型號為TL-W，測量范圍0～60℃，輸出為Rs600，誤差為0.01；濕度傳感器型號為TL-N，測量范圍0～95%RH，輸出為Rs500，誤差為0.01。

為了保證電源電壓穩定，系統在運行時一般采用4.5V電壓供電，并且分別在系統輸入端口和輸出端口安裝經線性穩壓電源LMIII9GT-3.0V和LMIII9GT-1.5V，將系統的供電電壓降低到3.0V和1.5V。其中3.0V供電電壓負責無線傳感器電壓，1.5V供電電壓是為微處理器提供電壓的。下圖為系統電源電路圖。

圖1 基于PID算法的溫室內溫濕度智能控制系統電源電路圖

1.2 系統軟件設計

軟件設計通過PID算法實現的，PID算法要與系統的調節指標保持一致，以此保證系統的控制效果。為設計出符合系統控制要求的目標函數，需要對溫室內溫濕度智能控制系統進行分析，選擇主要的控制變量和狀態變量，其中控制變量是溫室內要達到的溫濕度要求，它是系統的輸出變量，狀態變量是指溫室內的溫度和濕度情況，它是系統的輸入變量，在系統運行過程中，狀態變量要對系統的關鍵特征進行描述；對控制標量和狀態變量要運用目標函數對其進行推演計算，將計算出來的控制變量利用微處理器對其進行指令分配，由執行裝置執行控制指令，以此完成PID算法設計。PID算法實現步驟如下：

將溫室的溫度和濕度設為PID算法的目標函數，其函數公式如下：

式中，w為溫室內平均溫度；s為溫室內平均濕度；Mp為系統的超調量；ts為系統的調節時間；e-a為系統控制誤差。PID算法的具體步驟如下：

確定溫室溫度和濕度參數的大致范圍和編碼長度，對其進行編碼。將公式（1）計算出來的所有參數個體構成參數集，并將目標函數解集解碼成對應的參數值。最后通過誤差將所有的參數值進行調節，達到溫室內溫濕度的預定指標。

2 實驗對比

為了證明此次設計系統的可靠性和實用性，將其與傳統控制系統進行了一組對比實驗。將兩種系統應用于一個葡萄種植溫室，實現對該溫室的溫濕度環境參數的實時監控。兩種系統選用相同的控制系統Windows8，控制時間設置為8小時，系統每一個小時采集1次溫室內溫濕度數字信號。將基于PID算法的溫室內溫濕度智能控制系統用系統1表示，將傳統系統用系統2表示，表1為兩種系統采集到具體數據。

表1 兩種系統采集到溫室溫濕度數據

檢驗對比兩種系統在規定時間內對溫室內溫濕度控制的精準度。圖2為兩種系統的實驗結果。

圖2 兩種系統控制精準度

從圖2可知，基于PID算法的溫室內溫濕度智能控制系統在8小時內控制精準度都在80%以上，最優達到90%，比傳統系統高出10%。傳統系統在的控制精準度最低達63%，最高僅為82%，且對溫室內溫濕度的控制不穩定。實驗證明此次設計的系統可精準的控制溫室內的溫濕度。

3 結束語

將PID算法應用到溫室內溫濕度智能系統設計中，有效提高了系統的控制精準度，但由于該系統還有不足之處，還需在實際應用中不斷完善，保證系統對溫室內環境參數的最優控制，同時還要優化PID算法，使系統更為有效。