基于模糊PID算法的食用菌大棚溫度控制系統(tǒng)研究

李再新,陳繼飛

(1.西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院,昆明 650224;2.玉溪農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,云南 玉溪 653106)

0 引言

我國(guó)是最早栽培食用菌的國(guó)家之一,食用菌總產(chǎn)量占全球七成以上,目前,我國(guó)已是全球最大的食用菌生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)和出口國(guó)[1]。由于食用菌對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求非常嚴(yán)格,不同生長(zhǎng)階段對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求也不盡相同,因此,對(duì)食用菌的人工種植帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。在栽培食用菌的過(guò)程中,溫度是影響食用菌生長(zhǎng)的重要因素之一,若能實(shí)現(xiàn)對(duì)食用菌大棚的溫度控制,可大大提升食用菌的品質(zhì)和產(chǎn)量。常用的食用菌大棚溫度控制有簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量控制、PID控制、模糊控制、模糊自適應(yīng)PID控制等。其中開(kāi)關(guān)量控制最為簡(jiǎn)單,其原理是通過(guò)實(shí)時(shí)采集的溫度來(lái)控制調(diào)溫設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié),但該方法存在控制效果不穩(wěn)定、精度低等缺陷;PID控制相比于開(kāi)關(guān)量控制,在精度、滯后性、非線性上都有了很大的提升,但常規(guī)的PID控制中超調(diào)量較大,會(huì)導(dǎo)致局部溫度過(guò)高,從而影響食用菌的生長(zhǎng)。因此,針對(duì)食用菌的生長(zhǎng)特性研發(fā)超調(diào)量低、響應(yīng)速度快的溫度控制系統(tǒng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

食用菌的生長(zhǎng)受溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等多種因素的影響,但溫度作為影響食用菌生長(zhǎng)的重要因素之一,對(duì)食用菌的生長(zhǎng)、產(chǎn)量及質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。因此,本研究只針對(duì)溫度控制這一參數(shù)進(jìn)行探究,在研究過(guò)程中,為了使該系統(tǒng)有更好的拓展性,采用有51個(gè)I/O口的STM32F103CRT6增強(qiáng)型單片機(jī)芯片為核心,通過(guò)空氣溫濕度傳感器DHT11對(duì)食用菌大棚內(nèi)溫濕度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,信號(hào)線將采集的數(shù)據(jù)傳送至STM32F103CRT6單片機(jī),從而將采集的溫濕度信號(hào)送至顯示器進(jìn)行顯示。同時(shí),中央處理器會(huì)將此時(shí)的溫度值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比,在模糊PID的運(yùn)算和處理后,輸出控制信號(hào)至光耦固態(tài)繼電器模塊,利用光耦固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)(圖1)。

圖1 食用菌大棚溫度控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

食用菌大棚溫度控制系統(tǒng)主要由供電模塊、中央處理器模塊、固態(tài)繼電器輸出模塊、空氣溫濕度傳感器模塊、按鍵模塊、顯示模塊、電熱風(fēng)機(jī)模塊等組成。下面將對(duì)上述重點(diǎn)模塊進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 供電模塊

本系統(tǒng)的供電電源采用220 V交流輸入,通過(guò)開(kāi)關(guān)電源將220 V交流電變成9 V直流電源后,經(jīng)過(guò)7805穩(wěn)壓芯片組成的穩(wěn)壓電路,將電壓轉(zhuǎn)換為5 V,穩(wěn)壓后的5 V直流電源通過(guò)AMS1117穩(wěn)壓器將其轉(zhuǎn)換為3.3 V直流電源,再為單片機(jī)供電。具體電源電路詳見(jiàn)圖2。

圖2 供電模塊原理圖

2.2 中央處理器模塊

本系統(tǒng)以STM32F103CRT6為核心,芯片為ARM32位Cortex-M3 CPU,最高工作頻率72 MHz,1.25 DMIPS/MHz,芯片上集成512 KB的Flash存儲(chǔ)器,6～64 kB的SRAM存儲(chǔ)器。2.0～3.6 V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動(dòng)電壓等,具有功耗低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和可擴(kuò)展性高等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。因此,該芯片滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的所有需求。

2.3 溫度采集模塊

DHT11是一款數(shù)字信號(hào)輸出的復(fù)合型傳感器,可以測(cè)量空氣溫度和濕度,該傳感器還具有極高的可靠性和穩(wěn)定性,因此非常適合應(yīng)用在該系統(tǒng)中。DHT11有四個(gè)引腳,其中1號(hào)引腳接5 V的電源,4號(hào)引腳接電源負(fù)極GND,2號(hào)引腳接上拉電阻后連接單片機(jī)I/0口。具體連接詳見(jiàn)圖3。

圖3 溫度采集模塊原理圖

2.4 固態(tài)繼電器輸出模塊

輸出電路利用單片機(jī)輸出I/0口直接與光耦芯片EL871連接,通過(guò)光耦隔離單片機(jī)與輸出電路,從而起到保護(hù)單片機(jī)的作用[4]。光耦的輸出端連接NPN型三極管的基極,利用控制集電極與發(fā)射極之間的導(dǎo)通狀態(tài),控制固態(tài)繼電器的吸合達(dá)到對(duì)熱風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的控制,從而對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。固態(tài)繼電器模塊原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 固態(tài)繼電器模塊原理圖

3 控制算法及仿真

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5-6],食用菌的菌柄一般處于20～30 ℃生長(zhǎng)最快,溫度在26 ℃為生長(zhǎng)速度最大值;食用菌子實(shí)重量在24 ℃時(shí)最大,超過(guò)26 ℃子實(shí)重量下降速度非常快。綜上所述,常規(guī)PID控制超調(diào)量較大,很難滿足食用菌的溫度控制要求,本次研究提出一種模糊自適應(yīng)PID控制方法,即通過(guò)處理器計(jì)算出溫度傳感器采集到的溫度值與設(shè)定溫度值的偏差e和偏差變化率ec,對(duì)e和ec進(jìn)行模糊化處理和模糊推理,然后經(jīng)清晰化處理得到PID控制器的三個(gè)修正量即ΔKp、ΔKi、ΔKd,最后再通過(guò)PID控制進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),本控制策略可以有效解決PID超調(diào)量過(guò)大的問(wèn)題,還能提升控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度[7]。模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖5所示。

圖5 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 模糊PID控制

圖5中模糊控制器的輸入變量為模糊子集E、EC,輸出變量為ΔKp、ΔKi、ΔKd[8]。它們的語(yǔ)言變量模糊子集都是取為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},7個(gè)量化等級(jí),模糊論域均取為{-1,-0.8,-0.6,-0.4,-0.2,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1},詳見(jiàn)圖6。

圖6 輸入輸出隸屬函數(shù)曲線

模糊推理是模糊控制的重要組成部分,是根據(jù)作物生長(zhǎng)規(guī)律和人類實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的一種語(yǔ)言控制規(guī)則[9-10]。本系統(tǒng)具體模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表[10]

將表一中的模糊規(guī)則編輯到模糊控制器中,在控制規(guī)則庫(kù)的觀測(cè)窗口中可以觀測(cè)出ΔKp、ΔKi、ΔKd與輸入變量e和ec的關(guān)系(圖7)。

圖7 ΔKp、ΔKi、ΔKd規(guī)則庫(kù)觀測(cè)窗

3.2 仿真試驗(yàn)

使用MATLAB/simulink軟件搭建常規(guī)PID控制系統(tǒng)和模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,采用式(1)的數(shù)學(xué)模型作為兩個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[2]。

(1)

設(shè)定PID控制系統(tǒng)參數(shù)初始值Kp′=4.1、Ki′=0.03、Kd′=20[3]。系統(tǒng)仿真模型框圖,如圖8、圖9所示。

圖8 系統(tǒng)仿真模型框圖

圖9 模糊自適應(yīng)PID子系統(tǒng)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其中圖9為圖8中模糊自適應(yīng)PID子系統(tǒng)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,它以偏差e和偏差變化率ec作為輸入量,經(jīng)模糊推導(dǎo)得到PID參數(shù)的修正量△Kp、△Ki、△Kd,再將修正量送入PID控制器中進(jìn)行PID控制,以此完成整個(gè)模糊PID自適應(yīng)控制。

食用菌生長(zhǎng)對(duì)溫度要求比較高,通常情況下在24～26 ℃最為適宜,結(jié)合這一特性,本次控制系統(tǒng)設(shè)置目標(biāo)溫度值為25 ℃,系統(tǒng)仿真時(shí)間設(shè)置為600 s,常規(guī)模糊PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制的溫度響應(yīng)曲線如圖10所示。

圖10 常規(guī)模糊PID與模糊自適應(yīng)PID控制的溫度響應(yīng)曲線對(duì)比圖

根據(jù)圖10中兩種控制方案的溫度響應(yīng)曲線可以計(jì)算出系統(tǒng)超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和峰值時(shí)間等參數(shù),結(jié)果如表2所示。

表2 兩種方案的仿真參數(shù)對(duì)比

從表2中可以看到模糊自適應(yīng)PID控制的超調(diào)量為2.35%,常規(guī)模糊PID控制的超調(diào)量高達(dá)26%;模糊自適應(yīng)PID控制的調(diào)節(jié)時(shí)間為129 s,常規(guī)模糊PID控制的調(diào)節(jié)時(shí)間為131 s。模糊自適應(yīng)PID控制方案各方面參數(shù)都優(yōu)于常規(guī)模糊PID控制,其系統(tǒng)超調(diào)量低、響應(yīng)時(shí)間快還比較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本研究是基于STM32F103CRT6單片機(jī)設(shè)計(jì)的一款針對(duì)與食用菌大棚的溫度控制系統(tǒng),本系統(tǒng)采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法,把常規(guī)模糊PID控制算法跟模糊自適應(yīng)PID控制算法進(jìn)行建模仿真對(duì)比分析,驗(yàn)證了模糊自適應(yīng)PID控制算法,調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量低的控制特性,滿足食用菌大棚溫度控制系統(tǒng)的各項(xiàng)要求,具有現(xiàn)實(shí)可行性。另外該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性,空余的I/O接口可為后續(xù)的濕度控制、二氧化碳濃度控制和水肥一體控制等功能研究提供了較大的便利。