張衛(wèi)鋒 吳志強(qiáng) 葛國(guó)強(qiáng) 李敬涵

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

蠶屬于變溫動(dòng)物，環(huán)境溫度會(huì)極大影響其體溫［1］。蠶的不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度有特定的要求。在養(yǎng)蠶的過(guò)程中，控制好蠶室中溫度和濕度，可以提高蠶的成活率與吐絲質(zhì)量。目前農(nóng)村中普遍采用燒爐火取暖的這種原始的方法來(lái)調(diào)控蠶室內(nèi)溫濕度。這種人工調(diào)控方法不能夠準(zhǔn)確地控制蠶室內(nèi)溫濕度，可能會(huì)導(dǎo)致桑蠶孵化率和成活率低，幼蠶死亡較多，且會(huì)影響蠶的生長(zhǎng)狀況及蠶絲的品質(zhì)［2］。針對(duì)此問題，本文研究出一種基于模糊PID 算法的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)，使蠶室溫濕度自動(dòng)、準(zhǔn)確地調(diào)控，保證蠶正常地孵化生長(zhǎng)。

2 蠶室溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

不同階段蠶的生長(zhǎng)所需溫度不同，一般范圍在22℃～29℃，所需的相對(duì)濕度，小蠶為80%，大蠶為70%。實(shí)際中，養(yǎng)蠶室中的環(huán)境較為復(fù)雜，例如溫度，濕度，空氣濃度，光強(qiáng)等，這些影響因素往往會(huì)相互耦合［3~4］。本文研究的是對(duì)蠶室中溫度和濕度這兩個(gè)參數(shù)的控制，運(yùn)用信息融合技術(shù)對(duì)傳感器獲得的信息進(jìn)行融合處理［5］。整個(gè)控制系統(tǒng)包括感應(yīng)模塊，控制器模塊，執(zhí)行模塊，實(shí)際溫濕度顯示模塊。感應(yīng)模塊由多個(gè)溫濕度傳感器組成?？刂颇K選擇單片機(jī)STM32F103C8T6。執(zhí)行模塊為加熱器和加濕器?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

工作原理為多個(gè)溫濕度傳感器收集蠶室中不同空間位置的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行信息融合處理，得到給定值，通過(guò)相應(yīng)電路輸入到模糊PID 控制器中。輸入溫濕度的偏差e和偏差變化率ec，進(jìn)行模糊化、模糊推理、解模糊運(yùn)算，得到輸出調(diào)整值Δkp、Δki、Δkd，與PID 控制器中設(shè)置的初始值進(jìn)行疊加，得到最佳的參數(shù)，輸送到單片機(jī)中，產(chǎn)生控制信號(hào)，使加熱器和加濕器生成所需要的溫濕度，同時(shí)傳感器不斷將實(shí)際信息反饋到控制器，最終實(shí)現(xiàn)蠶室系統(tǒng)的溫濕度自動(dòng)調(diào)整。下面對(duì)信息融合，傳統(tǒng)PID 算法以及模糊PID 算法的原理流程逐一介紹。

3 信息融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于蠶室相對(duì)較大，所以蠶室中各個(gè)區(qū)域的溫濕度會(huì)有差異。因此，必須在蠶室中不同空間位置安裝溫濕度傳感器，這就需要多個(gè)傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù)信息。傳感器采集的數(shù)據(jù)信息較多，故要進(jìn)行信息融合處理以得到最佳輸入值。

本系統(tǒng)選取卡爾曼濾波融合算法，對(duì)多個(gè)溫濕度傳感器搜集的溫濕度的參數(shù)信息進(jìn)行融合計(jì)算。該算法基于權(quán)重估計(jì)和概率分布相結(jié)合，依靠增益誤差實(shí)現(xiàn)概率估計(jì)和參數(shù)校準(zhǔn)。此算法要對(duì)大量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。然后找出規(guī)律，再經(jīng)過(guò)不斷地遞推，得到最優(yōu)解［6］。該算法流程圖如圖2所示。

圖2 卡爾曼濾波融合算法流程圖

卡爾曼濾波融合算法首先設(shè)定初始狀態(tài)，初始值為P(0|0)，協(xié)方差初始值為P(0|0)。到達(dá)k時(shí)刻后，得到k時(shí)的狀態(tài)值（k|k-1），以及k-1 時(shí)的協(xié)方差矩陣P（k|k-1）。之后在時(shí)間k更新最優(yōu)估計(jì)X（k|k），并更新卡爾曼增益Kg（k）。最后更新k時(shí)刻的協(xié)方差矩陣P（k|k）。按照這樣的方式進(jìn)行疊加，就可以找到最佳輸入值。之后輸入到控制器中。

4 傳統(tǒng)PID控制算法

4.1 傳統(tǒng)PID控制算法的原理

PID 控制器，是應(yīng)用較普遍的一種控制器［7~8］，其原理簡(jiǎn)單，易于控制，應(yīng)用領(lǐng)域廣，控制穩(wěn)定性好，調(diào)試和運(yùn)行方便。其控制原理框圖如圖3 所示。

圖3 PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID 控制算法要計(jì)算系統(tǒng)中設(shè)定的目標(biāo)值r(t)與實(shí)際值y(t)的偏差e(t)，即：

然后把偏差的比例、積分、微分的相加量，進(jìn)行輸出控制，其數(shù)學(xué)公式為

此公式可簡(jiǎn)化為

傳遞函數(shù)為

由以上數(shù)學(xué)公式中可以看出，PID 控制算法結(jié)合了比例、微分、積分三個(gè)部分。實(shí)際的輸出值與系統(tǒng)中設(shè)定的目標(biāo)值存在偏差e(t)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)立即輸出與偏差e(t)成比例大小的控制信號(hào)到執(zhí)行元件，其目的是減少偏差e(t)直到為零。PID 控制算法的實(shí)際控制效果與系數(shù)KP，Ti，Td有關(guān)。所以合理選擇系數(shù)至關(guān)重要。

4.2 PID控制算法在實(shí)際中的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，PID 算法又分為位置式和增量式［9］。對(duì)于位置式PID 算法來(lái)說(shuō)，較為直觀，易變換為實(shí)際的應(yīng)用值，但是其缺點(diǎn)是抗干擾的能力較差，計(jì)算量較大。而對(duì)于增量式PID 控制算法，算式中不需要累加，內(nèi)存要求不是很高的控制器上較易實(shí)現(xiàn)。且增量式PID 控制抗干擾能力強(qiáng)，控制更為精確［10］。

當(dāng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件對(duì)位置的絕對(duì)值不需要時(shí)，而僅僅需要控制量的增量，可以使用增量式。增量式PID 控制，其輸出是增量ΔM(n)，輸入輸出關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，Mi是控制系統(tǒng)回路的初始值。

由式（4）經(jīng)遞推可以得到第n-1時(shí)的輸出值，則：

可簡(jiǎn)寫為

因此，本文研究的蠶室溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)將使用增量式PID 控制算法。圖4為增量式PID 算法的控制流程圖。

圖4 增量式PID控制算法流程圖

通過(guò)以上的分析，可以發(fā)現(xiàn)PID 控制算法要有很多準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)公式，且PID 控制算法的三個(gè)重要參數(shù)往往不易設(shè)置。因此使用該算法可能難以實(shí)現(xiàn)精確的控制效果。對(duì)于蠶室溫濕度控制系統(tǒng)，具有非線性，時(shí)變滯后性以及多變量耦合性等特點(diǎn)［11］。如果使用傳統(tǒng)PID 控制算法，蠶室溫濕度的控制可能會(huì)不精確，影響桑蠶的生長(zhǎng)。本文研究設(shè)計(jì)的蠶室溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合使用模糊控制理論與增量PID 控制算法，形成了模糊PID 控制算法。下面對(duì)模糊PID控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 模糊控制器原理

模糊控制理論依據(jù)模糊數(shù)學(xué)，由模糊集合論、模糊邏輯、模糊語(yǔ)言組成，是一種非線性控制［12］。

模糊控制的一般流程是對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，然后利用規(guī)則庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模糊推理，之后對(duì)結(jié)果進(jìn)行解模糊化，最后輸出調(diào)整參數(shù)。相對(duì)于經(jīng)典PID 控制，模糊控制可以沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)公式。模糊控制魯棒性好，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)有良好的適應(yīng)性。蠶室的環(huán)境是一個(gè)多變量，時(shí)變與滯后的系統(tǒng)，使用模糊控制來(lái)控制蠶室內(nèi)溫濕度是合理的。模糊控制示意圖如下。

圖5 模糊控制器的示意圖

5.2 模糊PID控制系統(tǒng)

模糊PID 控制算法就是通過(guò)模糊推理的思想，結(jié)合了模糊控制與經(jīng)典PID 兩種控制算法，輸入誤差e和誤差的變化率ec［13］，調(diào)整PID控制器的參數(shù)KP，KI，KD。

模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為將輸入量進(jìn)行模糊化，構(gòu)造模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊推理，解模糊化。模糊PID控制原理圖如圖6所示。

圖6 模糊PID控制原理圖

本文研究設(shè)計(jì)的蠶室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)，把實(shí)際溫濕度和控制器中設(shè)定的目標(biāo)值的偏差e與偏差變化率ec作為輸入，輸送到模糊控制器內(nèi)，然后得到PID 控制器調(diào)整后的參數(shù)KP，KI，KD。模糊PID 控制器實(shí)際分為兩個(gè)部分，模糊控制器和常規(guī)PID 控制器。在模糊控制器內(nèi)，對(duì)輸入進(jìn)行模糊化、模糊推理、解模糊計(jì)算，確定參數(shù)KP，KI，KD與e、ec的模糊關(guān)系。在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)不同的e與ec對(duì)PID 控制器參數(shù)的需求模糊推理出參數(shù)的增量ΔKp、ΔKi和ΔKd。之后計(jì)算PID 算法中的公式得到最佳輸出，送入到單片機(jī)中，輸出控制信號(hào)。系統(tǒng)中常規(guī)PID控制器控制加熱器和加濕器，并把反饋值送入到輸入端，實(shí)現(xiàn)整個(gè)蠶室中溫度與濕度的控制在設(shè)定的目標(biāo)溫濕度。

以下是模糊PID控制算法的流程圖。

圖7 模糊PID控制算法的流程圖

6 蠶室溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

6.1 主控模塊

本系統(tǒng)選擇STM32F103C8T6 作為主控制部分。STM32F103C8T6 芯片是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核STM32 系列的32 位微控制器［14］。此單片機(jī)具有64 KB 的程序存儲(chǔ)容量，72MHz 的最高工作頻率，供電電壓是2.0V～3.6V，采用上電復(fù)位、斷電復(fù)位、可編程電壓檢測(cè)器，16MHz晶體振蕩器。

6.2 傳感器模塊

本系統(tǒng)中的傳感器選擇DHT11。DHT11 傳感器是數(shù)字式的溫濕度傳感器。它能夠直接將被測(cè)溫度的信息轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)［15~16］。該傳感器的溫度檢測(cè)范圍為20℃～+60℃，檢測(cè)精度約為2℃。濕度檢測(cè)的范圍是5%～95%RH，精度約為±5RH。檢測(cè)范圍完全滿足本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)范圍和精度。DHT11 傳感器的接口方式是單總線接口，與單片機(jī)連接后雙方是雙向通訊的，不需要任何外圍元件，只需與單片機(jī)的一個(gè)I/O口相連接即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。DHT11 和單片機(jī)連接電路如圖8所示。

圖8 DHT11和單片機(jī)連接電路圖

6.3 顯示屏幕模塊

一個(gè)智能控制系統(tǒng)需要人機(jī)交互模塊。本控制系統(tǒng)采用LCD1602 液晶顯示器。蠶室的實(shí)際溫濕度由傳感器采集并送入單片機(jī)中存儲(chǔ)，再通過(guò)LCD1602 點(diǎn)陣屏顯示時(shí)間、實(shí)際溫度和濕度。LCD1602引腳示意圖如下。其中D0～D7引腳與單片機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖9 LCD1602引腳示意圖

7 控制系統(tǒng)驗(yàn)證和結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本控制系統(tǒng)的控制效果是否可靠實(shí)用，現(xiàn)對(duì)蠶室的溫濕度控制情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選擇兩個(gè)蠶室，在各個(gè)區(qū)域均勻布置DHT11 溫濕度傳感器，安裝好加熱器和加濕器兩個(gè)執(zhí)行元件，以及LCD1602 液晶顯示器。還要在蠶室內(nèi)安裝上一個(gè)攝像頭，以觀察每段時(shí)間間隔內(nèi)溫度、濕度的變化情況。本次實(shí)驗(yàn)為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試對(duì)象是蠶室中的溫濕度，分別使用傳統(tǒng)PID 控制器系統(tǒng)和模糊PID控制器系統(tǒng)測(cè)試蠶室中的溫濕度。

桑蠶適于生長(zhǎng)的溫度范圍是22℃～29℃，其中最適合蠶生長(zhǎng)的溫度是27℃左右；適宜的相對(duì)濕度范圍為70%～90%。故測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)置溫度值為27℃，相對(duì)濕度設(shè)為80%。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間為30min，時(shí)間段為上午9：00～9：30，初始溫度是24.2℃，初始濕度是65%，每隔兩分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。最后將測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖10所示。

圖10 蠶室內(nèi)溫濕度變化曲線圖

結(jié)果分析：根據(jù)圖10 中的溫濕度變化曲線，可以看出使用傳統(tǒng)PID 控制的系統(tǒng)，溫度調(diào)控范圍是24.2℃～28.3℃，濕度調(diào)控范圍是65%～85%；使用模糊PID 控制的系統(tǒng)，溫度調(diào)控范圍是24.2℃～27.7℃，濕度調(diào)控范圍是65%～83%。兩組數(shù)據(jù)經(jīng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，模糊PID 控制在控制過(guò)程中超調(diào)量小于傳統(tǒng)PID；傳統(tǒng)PID 控制因溫濕度有耦合性而沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在目標(biāo)值附近上下振動(dòng)；模糊PID控制能很快到達(dá)穩(wěn)態(tài)，且能維持整體性能，對(duì)蠶室中溫濕度控制效果較好。

8 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于模糊PID 控制的蠶室溫濕度控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)選擇STM32F103C8T6 單片機(jī)為主控芯片，多個(gè)DHT11 溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度檢測(cè)，LCD1602 液晶顯示器顯示室內(nèi)溫濕度，利用了卡爾曼濾波融合算法將多個(gè)傳感器輸入的信息經(jīng)行融合處理，得到的結(jié)果送入控制器中，使用了把模糊控制與傳統(tǒng)PID 控制結(jié)合起來(lái)的模糊PID控制算法對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，最后得到最優(yōu)解并輸出控制信號(hào)，控制加熱器和加濕器工作。又進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試了傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)和模糊PID控制系統(tǒng)在不同時(shí)間的溫濕度值，并繪制出變化曲線圖進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模糊PID 控制的系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)，能快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，控制精度高，控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制，能有效控制蠶室中的溫濕度，克服人工調(diào)控溫濕度不精確的缺點(diǎn)，能提高桑蠶的孵化率與成活率，保障其正常生長(zhǎng)與吐絲。