◎潘曉貝

基于模糊PID的溫室大棚溫度控制系統(tǒng)研究

◎潘曉貝

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

確定了溫室大棚溫度模型，對溫室大棚溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計了溫室大棚溫度模糊自適應(yīng)PID控制器，并進(jìn)行仿真測試。仿真結(jié)果表明，該控制器具有良好的動態(tài)性能，輸出無超調(diào)，響應(yīng)時間快。測試證明，本系統(tǒng)對溫室溫度能起到一定的調(diào)控效果，可以為農(nóng)作物的生長創(chuàng)造適宜的環(huán)境。

溫室；溫度控制；模糊PID；MATLAB

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫室大棚應(yīng)用越來越廣泛。而溫室內(nèi)的溫度是影響農(nóng)作物生長的最重要的環(huán)境參數(shù)，它關(guān)系到農(nóng)作物的生長和農(nóng)產(chǎn)品的高產(chǎn)。因此，溫室大棚內(nèi)溫度的智能監(jiān)控就尤為重要。而傳統(tǒng)的溫室溫度控制大多由人工定期操作，溫度不穩(wěn)定，不利于農(nóng)作物的生長，已不能滿足現(xiàn)代智能溫室的要求。筆者進(jìn)行了基于模糊PID控制的溫室大棚溫度控制系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的智能化。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的控制量主要是溫室內(nèi)的溫度，執(zhí)行機構(gòu)主要有：加熱設(shè)備、加濕設(shè)備、降溫設(shè)備和風(fēng)機等，系統(tǒng)能對溫室大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)控，使其穩(wěn)定在滿足果蔬等農(nóng)作物生長所需的條件值。[1]

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括監(jiān)制平臺、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee節(jié)點、溫度傳感器和各種執(zhí)行機構(gòu)。[2]ZigBee無線傳感器節(jié)點采集溫室內(nèi)的溫度參數(shù)，采集來的溫度參數(shù)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送到DSP控制平臺，控制平臺根據(jù)溫室模型及控制理論算法，對溫度參數(shù)進(jìn)行分析處理后，發(fā)出命令去指揮相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)工作，從而起到自動調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)溫度的作用，使溫室內(nèi)溫度達(dá)到滿足農(nóng)作物生長的最佳條件。

2 溫度模型的建立

式中：V是溫室大棚的體積（m3）；Tin是溫室大棚內(nèi)的溫度（℃）；Qrad是照射在溫室大棚覆蓋層的單位面積的太陽輻射能（W/m2）；Qheat為加熱裝置的加熱功率（w），其表達(dá)式如下：Qheat（t）=ch×Heat（t） （2）

式（2）中：ch表征加熱源的傳熱系數(shù)。

經(jīng)過實地考察并查閱大量資料，提出溫室內(nèi)溫度動態(tài)模型如式（1）所示：

參考當(dāng)?shù)匾粶厥掖笈飪?nèi)影響果蔬生長的環(huán)境因子所得數(shù)據(jù)，并根據(jù)有關(guān)運算法則算出M（t）的相對平均值M。用M替代M（t）后對式(3)進(jìn)行推導(dǎo)計算得到：

式(4)中，Heat（S）是調(diào)控溫度的控制輸出傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)系數(shù)為：

綜上所述，溫室大棚內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型近似為帶時滯擾動的一階慣性系統(tǒng)。

3 溫度模糊PID控制器的設(shè)計

3.1 溫度模糊控制器結(jié)構(gòu)的確定

由于溫室大棚內(nèi)的溫度系統(tǒng)是時滯擾動的一階慣性系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制算法已不適用，本系統(tǒng)采用模糊PID控制算法，把常規(guī)控制和模糊控制融合起來，取二者之長。

溫度模糊控制器如圖2所示，該系統(tǒng)為兩輸入三輸出的結(jié)構(gòu)。輸入量是e（溫室大棚內(nèi)溫度偏差）和 ec（偏差變化率），輸出量是：kp、ki、kd，即控制的三個參數(shù)。[3]

3.2 模糊化

模糊上的論域是和的變化范圍,即：e，ec=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝

模糊子集是｛PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB｝，表示從正大到負(fù)大。

確定隸屬函數(shù)時考慮到要在保證穩(wěn)定性的前提下，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，本系統(tǒng)選用簡單高效的三角形函數(shù)作為隸屬函數(shù)。[4]

3．3 建立模糊規(guī)則

自整定規(guī)律如下[5]：

（1）誤差的減小通過比例控制來實現(xiàn)，要想系統(tǒng)響應(yīng)越快Kp就得越大，但同時也會增大超調(diào)量。因此，在控制后期，Kp的值不宜過大。

（2）積分控制雖然有滯后性但靜差可消除。開始時Ki小些，后期慢慢增大，用以減少靜態(tài)誤差。

圖2 溫度模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

（3）微分控制能加速系統(tǒng)響應(yīng)速度，但過大容易產(chǎn)生振蕩，因此后期應(yīng)逐漸減小，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3．4 解模糊

從模糊集合變換到實際輸出就是解模糊。解模糊采用重心法。推理和合成規(guī)則分別為Min法和Max法。則輸出即為PID參數(shù)的修正值。經(jīng)過模糊后的PID參數(shù)計算公式見式（6）：

KP=K＇P+｛e,ec｝pKi=K＇i+｛e,ec｝iKd=K＇d+｛e,ec｝d（6）

圖3 日溫度變化示意

4 系統(tǒng)仿真

通過分析得到溫室內(nèi)的溫度系統(tǒng)是帶時滯擾動的一階慣性系統(tǒng)，傳遞函數(shù)如下：

參考某溫室的采樣數(shù)據(jù)，得到傳遞函數(shù)系數(shù)如下：1/K=4.440.31,T=713.628，τ=12

利用MATLAB軟件對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對傳統(tǒng)PID控制算法也進(jìn)行了仿真，得出結(jié)論：模糊PID控制算法的輸出曲線無超調(diào)，響應(yīng)時間快。[6]

5 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)調(diào)試后在實驗室內(nèi)用電暖氣模擬溫室內(nèi)的加熱裝置來對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬測試，以檢驗本系統(tǒng)的控制效果。為了對比效果，分別對未經(jīng)控制的室內(nèi)溫度和經(jīng)過控制的室內(nèi)溫度進(jìn)行了測量，并根據(jù)測量所得數(shù)據(jù)畫出日溫度變化示意圖，如圖3所示。

由圖3日溫度變化示意圖可以看出經(jīng)過控制的室內(nèi)溫度比未經(jīng)控制的溫度變化得緩慢一些。試驗證明：本系統(tǒng)對溫室溫度可以起到一定的調(diào)控效果，基本可以為農(nóng)作物的生長創(chuàng)造適宜的環(huán)境。當(dāng)然，由于測試環(huán)境所限，加上電暖氣的作用范圍小，故系統(tǒng)的調(diào)控效果并沒有完全顯現(xiàn)出來。

6 總結(jié)

筆者首先建立了溫室大棚溫度模型，分析得出了溫室大棚的溫度系統(tǒng)是帶時滯擾動的一階慣性系統(tǒng)，由此確定采用模糊PID控制算法，設(shè)計了溫室大棚溫度模糊自適應(yīng)PID控制器，并進(jìn)行仿真測試。仿真結(jié)果表明，該控制器具有良好的動態(tài)性能，輸出無超調(diào)，響應(yīng)時間快。實驗測試證明，本系統(tǒng)對溫室溫度可以起到一定的調(diào)控效果，可以為農(nóng)作物的生長創(chuàng)造適宜的環(huán)境。

[1]董文國.蔬菜溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[D].曲阜：曲阜師范大學(xué)，2012．

[2]潘曉貝，郭志冬.基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014（4）：112-116．

[3]程朗萍，張鳳翔.基于模糊控制的煤礦井下含塵氣體除濕系統(tǒng)研究[J].西南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016(3):45-50．

[4]暴翔,何小剛.基于模糊PID控制器的等速采樣系統(tǒng)[J].煤炭技術(shù)，2017(6)：273-275．

[5]高峰，姬長英，王海青，等.基于自整定模糊PID的DSP溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(18)．

[6]胡波，陳阿林，孫小濤.基于Matlab/Simulink的遙感圖像處理[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，29（4）:102-106．

TP272

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1671-9123（2017）03-0137-04

2017-08-18

河南省高等學(xué)校重點科研項目資助性計劃（16A510030）

潘曉貝（1982-），女，河南靈寶人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院講師。

（責(zé)任編輯 卞建寧）