繡片柜模糊PID溫濕度控制系統(tǒng)

簡睿 彭莉

摘?要：

為解決繡片儲(chǔ)存在高溫、高濕環(huán)境中出現(xiàn)的繡線變色、繡布破損問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)繡片柜模糊PID（Proportional?Integral?Derivative）溫濕度控制系統(tǒng)。采用單片機(jī)STM32、風(fēng)扇等元件共同構(gòu)建硬件控制系統(tǒng)。通過將模糊PID控制溫濕度值作為輸入變量，脈沖寬度調(diào)制（PWM）紅外管和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速作為輸出變量，實(shí)現(xiàn)對存儲(chǔ)環(huán)境中溫濕度的控制；使用矩陣實(shí)驗(yàn)室軟件Matlab對模糊PID控制進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制相比，加入模糊控制后，對溫濕度的超調(diào)量分別由18.75%和15.34%降低至2.51%和2.46%，并且系統(tǒng)不易受外界干擾，能夠快速穩(wěn)定運(yùn)行。以上結(jié)果說明模糊PID控制滿足繡片儲(chǔ)存的溫濕度環(huán)境要求。

關(guān)鍵詞：繡片儲(chǔ)存；STM32；模糊PID；溫濕度控制

中圖分類號：TP273??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0?引言（Introduction）

非物質(zhì)文化遺產(chǎn)是我國人民長期生活實(shí)踐的產(chǎn)物，保護(hù)和傳承非物質(zhì)文化遺產(chǎn)有助于社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展［1］。繡片作為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，是苗繡的精髓體現(xiàn)，必須保存好原有樣貌，才能保留其原生態(tài)的民間藝術(shù)價(jià)值。如果繡片被隨意擺放在倉庫，其存儲(chǔ)環(huán)境中的溫濕度未受管制，容易造成繡線變色、繡布破損問題。因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)溫濕度控制系統(tǒng)，改善繡片的儲(chǔ)存環(huán)境，為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)工作提供重要支持。

對溫濕度的控制，通常使用傳感器檢測當(dāng)前環(huán)境中的溫濕度，然后采用模糊PID控制器調(diào)節(jié)相應(yīng)的運(yùn)行設(shè)備。張坤鰲等［2］設(shè)計(jì)了溫濕度聯(lián)合控制系統(tǒng)，引入模糊灰狼PID算法，達(dá)到了優(yōu)化系統(tǒng)性能的效果。ALIMUDDIN等［3］的溫濕度控制系統(tǒng)采用模糊PID控制算法調(diào)節(jié)硬件設(shè)備，這些設(shè)備共同工作，將溫濕度控制在設(shè)定點(diǎn)范圍。裴剛等［4］通過模糊PID控制滾筒內(nèi)的溫濕度，并且在Matlab平臺上進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。本文對繡片柜的溫濕度控制系統(tǒng)的整體框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用模糊PID控制，利用Matlab進(jìn)行仿真研究，探索模糊PID對繡片儲(chǔ)存環(huán)境溫濕度控制的可行性。

1??繡片柜溫濕度控制系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)（Overall?frame?design?of?the?temperature?and?humidity?control?system）

繡片柜溫濕度控制系統(tǒng)主要由主控制器、溫濕度采集電路、啟停按鍵模塊、光電耦合繼電器模塊等部件組成（圖1），主要硬件包括單片機(jī)STM32、陶晶馳串口顯示屏、溫濕度傳感器DHT22、TLP521繼電器驅(qū)動(dòng)電路等，主要被控參數(shù)是溫濕度值。通過繡片柜內(nèi)的溫濕度傳感器收集存儲(chǔ)環(huán)境的溫濕度參數(shù)，并取平均值，然后與預(yù)先設(shè)定繡片儲(chǔ)存溫濕度進(jìn)行差值比較，運(yùn)用模糊PID算法控制輸出PWM信號占空比控制繼電器開閉的頻率，再控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、紅外管功率和加濕模塊，實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的調(diào)控。外部電路由蜂鳴器和燈組成報(bào)警裝置。

1.1?溫濕度傳感器數(shù)據(jù)提取

繡片柜為長方體，柜內(nèi)不同位置的傳感器的工作性能直接影響溫濕度數(shù)據(jù)的可信度，因此選取兩個(gè)位置布置溫濕度傳感器收集溫濕度數(shù)據(jù)，以更好地掌握整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，溫濕度傳感器布置圖如圖2所示。

選取繡片柜對角線布置兩個(gè)傳感器，設(shè)定兩個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)（①號、②號），得到兩個(gè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)并求平均值，進(jìn)而更準(zhǔn)確地了解繡片柜內(nèi)的溫濕度信息，減少單點(diǎn)數(shù)據(jù)可能存在的誤差，提高數(shù)據(jù)的可靠性。

1.2?控制系統(tǒng)溫度調(diào)控

每塊繡片均為手工制作，儲(chǔ)存環(huán)境的溫濕度會(huì)影響繡片的保存時(shí)間和質(zhì)量。如果環(huán)境溫度過高或濕度過大，會(huì)導(dǎo)致繡線變色、發(fā)霉、變形等［5］。控制系統(tǒng)對溫度的控制表現(xiàn)為當(dāng)溫度低于設(shè)定數(shù)值時(shí)，關(guān)閉風(fēng)扇并啟動(dòng)加熱裝置提升溫度；當(dāng)溫度高于設(shè)定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)打開風(fēng)扇并關(guān)閉加熱裝置，實(shí)現(xiàn)降溫處理。

1.3?控制系統(tǒng)濕度調(diào)控

常規(guī)的繡片儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)：濕度范圍為45%RH?～55%RH，低于最低濕度45%RH時(shí)，關(guān)閉風(fēng)扇打開加濕設(shè)備；高于最高濕度55%RH時(shí)，打開風(fēng)扇。如果溫濕度都不是最佳數(shù)值時(shí)，先以溫度調(diào)控為主。

1.4?溫濕度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路由主控制器、溫濕度控制電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路、顯示電路及報(bào)警電路組成，溫濕度控制系統(tǒng)硬件電路圖如圖3所示。本系統(tǒng)選取STM32F103RET6作為主控器；溫濕度傳感器選取DHT22，檢測2個(gè)傳感器取平均值得到環(huán)境溫濕度值；繼電器驅(qū)動(dòng)電路選取繼電器驅(qū)動(dòng)紅外管、超聲波霧化模塊加濕和電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇；觸摸顯示屏可以設(shè)定和顯示實(shí)時(shí)溫濕度值。

1.4.1?溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊

由于繡片柜的內(nèi)部空間較大，因此選取設(shè)計(jì)緊湊的溫濕度一體化傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊。溫濕度傳感器DHT22適用于對環(huán)境溫濕度的測量，并被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、溫度控制及冷鏈物流等領(lǐng)域。溫度測量范圍為-40?℃～80?℃，濕度測量范圍為0%～100%。傳感器通過單線數(shù)字信號進(jìn)行通信，適合與微控制器連接。此外，DHT22傳感器還具有卓越的穩(wěn)定性和快速的響應(yīng)時(shí)間，能夠準(zhǔn)確地測量環(huán)境的溫濕度［6］。

1.4.2?繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

TLP521是一款主要用于電路隔離和控制的光耦輸出器件，其工作原理是利用輸入端的光電二極管控制輸出端的光敏三極管，從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離，并且能夠有效地實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的控制［7］。對于加熱模塊，可以使用TLP521繼電器開關(guān)紅外管。通過將TLP521繼電器的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路連接，可以實(shí)現(xiàn)對紅外管的啟停控制，也可以利用TLP521繼電器控制加濕裝置的開關(guān)。通過將TLP521繼電器的輸出端與加濕裝置的控制電路連接，可以實(shí)現(xiàn)對加濕裝置的啟停控制。整個(gè)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活地調(diào)節(jié)紅外管和加濕裝置的工作狀態(tài)，滿足溫濕度控制系統(tǒng)的需求。

1.4.3?報(bào)警模塊

報(bào)警模塊的主要作用是實(shí)時(shí)檢測繡片柜內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。例如，當(dāng)溫度超過閾值（0?℃～30?℃）且相應(yīng)模塊無響應(yīng)超過5?min，蜂鳴器和LED燈自動(dòng)啟動(dòng)，直至按下復(fù)位按鈕，蜂鳴器和LED燈停止工作。報(bào)警模塊通過聲光信號及時(shí)提醒工作人員查看繡片柜內(nèi)的情況，并采取必要的措施。

2??繡片柜溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Design?of?temperature?and?humidity?control?system?for?embroider?patch?cabinet）

設(shè)定適宜溫度，由兩個(gè)傳感器檢測溫濕度值，由主控制器計(jì)算平均值，并得到溫濕度差值。采用模糊PID控制紅外管將環(huán)境溫度加熱到設(shè)定溫度，超聲波加濕模塊將環(huán)境濕度加濕到設(shè)定濕度，直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)風(fēng)扇散熱除濕，達(dá)到自動(dòng)控制調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度的目的。溫濕度控制流程圖如圖4所示。

3??模糊PID控制算法設(shè)計(jì)（Design?of?fuzzy?PID?control?algorithm）

3.1?PID控制算法

PID控制算法是一種常用的控制算法，它將系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)之間的誤差作為控制輸入變量，通過比例、積分、微分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。PID的輸出量一般是控制系統(tǒng)的操作量，在溫濕度控制中的輸出量為各個(gè)模塊的PWM值［8］。PID控制算法公式如下：

u（t）=Kpe（t）+Ki∫e（t）dt+Kdde（t）dt[JZ）][JY]（1）

其中：e（t）是溫濕度誤差，u（t）是PWM值，Kp、Ki、Kd分別是比例、積分、微分系數(shù)，將計(jì)算好的PWM值輸入各個(gè)模塊，達(dá)到所需的控制效果。在實(shí)驗(yàn)過程中，選用Z＼|N法得到初始PID參數(shù)，再經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，得到溫度系數(shù)Kp1=0.8，Ki1=0.01，Kd1=3；濕度系數(shù)Kp2=1，Ki2=0.01，Kd2=5。

3.2?模糊PID算法設(shè)計(jì)

高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致繡片褪色，繡線變硬失去光澤。潮濕環(huán)境會(huì)導(dǎo)致繡片發(fā)霉，繡線腐爛變形，并且高溫和潮濕環(huán)境都會(huì)使繡片纖維變得脆弱，容易斷裂，因此精確控制繡片的儲(chǔ)存環(huán)境就顯得尤為重要［9］。傳統(tǒng)PID算法中的Kp、Ki、Kd參數(shù)為常量，不能精確地控制溫濕度，而模糊PID在控制器的輸出計(jì)算上使用模糊邏輯，把常量參數(shù)替換為模糊參數(shù)，這些模糊參數(shù)可以通過模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，得到更好的溫濕度控制效果。模糊PID控制原理圖如圖5所示。

以溫度控制為例，將偏差e1、偏差變化率ec1作為輸入值，模糊PID控制參數(shù)ΔKp1、ΔKi1、ΔKd1作為輸出值。繡片儲(chǔ)存溫度要求控制在18?℃～20?℃，濕度控制在45%RH～55%RH。根據(jù)實(shí)際需求溫度偏差e1論域?yàn)椋?4，4］，溫度偏差變化率ec1論域?yàn)椋?3，3］，濕度偏差e2論域?yàn)椋?2，2］，濕度偏差變化率ec2論域?yàn)椋?3，3］。為了更好地描述控制變量，模糊子集{-3，-2，-1，0，1，2，3}分別對應(yīng){NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。通過輸入溫度偏差e1、溫度偏差變化率ec1，可以確定繡片存儲(chǔ)環(huán)境的控制變量，溫度誤差、溫度誤差變化率隸屬度函數(shù)圖如圖6所示。

選取三角形隸屬度函數(shù)，其形狀簡單，參數(shù)少，方便計(jì)算，因此適用于各種模糊邏輯和模糊控制［10］。[HJ1.5mm]

為達(dá)到最佳的控制效果，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐總結(jié)，對ΔKp、ΔKi、ΔKd進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整過程中需要遵循以下原則。

（1）在溫度偏差較大時(shí)，為了使系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，同時(shí)防止微分過飽和引起超調(diào)，需要將ΔKp設(shè)置較大，將ΔKi、ΔKd設(shè)置較小。

（2）在溫度偏差中等時(shí)，為了保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)降低超調(diào)量，需要將Kp設(shè)置較小，并且不斷調(diào)節(jié)ΔKi，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。

（3）在溫度偏差較小時(shí)，為了提升系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性，需要增大ΔKp、ΔKi。

根據(jù)以上原則，采用溫度控制輸入e1、ec1和輸出ΔKp、ΔKi、ΔKd建立模糊規(guī)則表，如表1所示。

采用重心法進(jìn)行解模糊化處理。根據(jù)每個(gè)模糊集合的重心，計(jì)算加權(quán)平均值，最終得到的數(shù)值即解模糊后的控制動(dòng)作，表示整體的輸出值，輸出值由公式（2）計(jì)算得出。

U=∑[DD（]49[]k=1[DD）]UvVk（Vk）∑[DD（]49[]k=1[DD）]Uv（Vk）[JZ）][JY]（2）

其中：U表示輸出值，Vk表示模糊控制量論域的各項(xiàng)參數(shù)值，Uv（Vk）表示對應(yīng)的隸屬度值。

4?Matlab仿真（Matlab?simulation）

溫濕度變化通常具有慣性和滯后性的特點(diǎn)，因此采用階躍響應(yīng)建立溫濕度控制數(shù)學(xué)模型，即G（s）=ke-τsTs+1，根據(jù)該模型可得到繡片柜內(nèi)溫度的傳遞函數(shù)模型G1（s）=e-79s85s+1，濕度的傳遞函數(shù)模型G2（s）=e-53s49s+1，設(shè)定值分別為0?℃、0%RH，設(shè)定適宜溫濕度分別為20?℃、50%RH。

根據(jù)溫度傳遞函數(shù)建立仿真模型，其中包括傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制，溫度控制Simulink模型如圖8所示。

根據(jù)圖9中的結(jié)果，無論使用傳統(tǒng)PID控制還是模糊PID控制，都能夠?qū)囟瓤刂圃谀繕?biāo)范圍內(nèi)，即18?℃～20?℃。然而，傳統(tǒng)PID控制所需的溫度調(diào)節(jié)時(shí)間約為412?s且超調(diào)量達(dá)18.75%。相比之下，采用模糊PID控制后，溫度系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短至198?s且超調(diào)量幾乎為0。因此，采用模糊PID控制方式可以獲得更高的控制精度和更短的響應(yīng)時(shí)間，也可以更好地保持系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和溫濕度控制的準(zhǔn)確性。

根據(jù)圖11中的結(jié)果，無論使用傳統(tǒng)PID控制還是模糊PID控制，能夠?qū)穸瓤刂圃谀繕?biāo)范圍內(nèi)，即45%RH～55%RH。PID控制的調(diào)節(jié)時(shí)間約為301?s，超調(diào)量為15.34%。然而，采用模糊PID控制后，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間從原先的301?s降至224?s，超調(diào)量降至2.46%。綜合對比顯示，在濕度控制時(shí)采用模糊PID控制方式能夠獲得更好的控制效果，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短。

為了驗(yàn)證和評估傳統(tǒng)PID控制、模糊PID控制方法在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間對升溫或升濕指令的跟隨性和控制精度的效果，研究人員對溫度仿真模型進(jìn)行了一次在600?s時(shí)添加5?℃（5%RH）幅值的溫（濕）度突變。如圖12所示，可以觀察到模糊PID溫濕度控制都能有明顯改善。

5?結(jié)論（Conclusion）

本文針對繡片儲(chǔ)存環(huán)境惡劣和PID控制存在響應(yīng)速度不夠快和檢測精確度不足的缺陷，提出一種基于模糊PID繡片柜溫濕度控制系統(tǒng)。采用單片機(jī)STM32、溫濕度傳感器DHT22等元件對繡片柜溫濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，通過Matlab平臺搭建仿真模型。結(jié)果表明，采用模糊PID控制溫度調(diào)節(jié)時(shí)間由412?s降低至198?s，濕度調(diào)節(jié)時(shí)間由301?s降低至224?s，并且當(dāng)加入干擾因素后，系統(tǒng)的可調(diào)優(yōu)性變得更好且有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，其各項(xiàng)指標(biāo)比傳統(tǒng)PID控制都有明顯的提升，并且能夠滿足繡片儲(chǔ)存所需的溫濕度控制要求，保證繡片品質(zhì)，在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介：

簡?睿（1998＼|），女，碩士生。研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)，產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)。

彭?莉（1975＼|），女，碩士，副教授。研究領(lǐng)域：產(chǎn)品創(chuàng)新，產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)。