魏立明,　邢文白,　林　晶

(吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機學(xué)院, 吉林 長春　130118)

基于模糊自整定PID智能家居溫度控制系統(tǒng)研究

魏立明,邢文白,林晶

(吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機學(xué)院, 吉林 長春130118)

摘要：針對溫度控制系統(tǒng)的非線性和不確定性等特點以及常規(guī)PID的缺陷,提出一種模糊自整定PID控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線調(diào)整,通過輸出的控制量驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)來調(diào)節(jié)房間內(nèi)的溫/濕度,從而達到控制的目的。在MATLAB/Simulink建立仿真模型,對比常規(guī)PID控制和模糊自整定PID控制的仿真曲線。結(jié)果表明,模糊自整定PID控制系統(tǒng)具有更好的魯棒性和控制性能。

關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng); 模糊自整定PID控制; 常規(guī)PID控制; 仿真

0引言

房間的溫度受很多因素的干擾,如太陽輻射、照明設(shè)備、電氣設(shè)備以及人自身所產(chǎn)生的熱等,這些干擾因素存在著一定的不穩(wěn)定性和季節(jié)變化性。常規(guī)的PID控制一般適用于線性系統(tǒng),而針對一些非線性、不確定性系統(tǒng),常規(guī)的PID控制效果不理想,而且不能根據(jù)實際情況實時調(diào)整PID參數(shù)[1]。

針對常規(guī)PID控制的缺點,本文提出了一種模糊自整定PID控制的設(shè)計方法,利用模糊邏輯控制工具箱對控制器進行在線調(diào)整,滿足其控制要求。

1控制系統(tǒng)模型的建立

在溫度控制系統(tǒng)中,通過安裝在房間內(nèi)的溫/濕度傳感器,檢測室內(nèi)外環(huán)境溫/濕度等參數(shù),將測量到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送給控制器?？刂破靼凑漳：齈ID算法對檢測到的溫差值和原設(shè)定的溫差值的偏差進行運算,輸出到信號控制變頻器,再由變頻器控制空調(diào)中風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,改變風(fēng)量,從而調(diào)節(jié)房間內(nèi)的溫度、濕度[2-3]。房間溫度受室內(nèi)、室外等各種因素影響,具有多干擾性和不確定性。因此溫度控制系統(tǒng)采用帶滯后環(huán)節(jié)的一階簡化模型,其傳遞函數(shù)為

(1)

式中:K——放大系數(shù);

τ——純滯后時間;

T1——時間系數(shù)。

2模糊自整定PID控制器的設(shè)計

2.1控制器原理及結(jié)構(gòu)框圖

模糊PID控制器是以溫差e和溫差變化率ec作為模糊控制器的輸入,以PID參數(shù)Kp、Ki、Kd作為模糊控制器的輸出,利用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進行在線調(diào)整,通過輸出的控制量,驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)以減小偏差,直到把房間溫度控制在允許范圍內(nèi)。模糊自整定PID控制器如圖1所示。

圖1　模糊自整定PID控制器

2.2模糊PID控制器的算法設(shè)計

將溫差e和溫差變化率ec模糊化后,得到模糊量E和EC。設(shè)模糊量E、EC和Kp、Ki、Kd的模糊子集均為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB},論域均為[-33],量化因子Ke=1,Kec=3,各輸入輸出均服從三角形隸屬函數(shù)曲線分布。以溫差e為例,隸屬函數(shù)如圖2所示。根據(jù)參數(shù)整定原則和實際操作經(jīng)驗,得到Kp、Ki、Kd模糊整定規(guī)則,如表1所示。

圖2　隸屬函數(shù)曲線

Kp/Ki/KdNBNMNSZOPSPMPBecNBPB/NB/PSPB/NB/NSPM/NM/NBPM/NM/NBPS/NS/NBZO/ZO/NMZO/ZO/PSNMPB/NB/PSPB/NB/NSPM/NM/NBPS/NS/NMPS/NS/NMZO/ZO/NSNS/ZO/ZONSPM/NB/ZOPM/NM/NSPM/NS/NMPS/NS/NMZO/ZO/NSNS/PS/NSNS/PS/ZOZOPM/NM/ZOPM/NM/NSPS/NS/NSZO/ZO/NSNS/PS/NSNM/PM/NSNM/PM/ZOPSPS/NM/ZOPS/NS/ZOZO/ZO/ZONS/PS/ZONS/PS/ZONM/PM/ZONM/PB/ZOPMPS/ZO/PBZO/ZO/PSNS/PS/PSNM/PS/PSNM/PM/PSNM/PB/PSNB/PB/PBPBZO/ZO/PBZO/ZO/PMNM/PS/PMNM/PM/PMNM/PM/PSNB/PB/PSNB/PB/PB

通過模糊推理,求得e、ec與Kp、Ki、Kd之間的模糊關(guān)系。控制系統(tǒng)采用最大隸屬度法進行解模糊判決,從而得到ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊調(diào)整規(guī)則,如表2所示。

表2ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊調(diào)整

ΔKp/ΔKi/ΔKd-3-2-10123ec-33/1/-33/-3/-23/-3/23/-1/-12/-3/-11/-3/00/1/0-23/1/-33/-3/-23/-3/-13/-1/-12/-3/-00/-3/00/1/0-12/0/-22/-2/22/-2/-12/-1/01/-2/00/-2/0-1/0/-102/0/11/-1/11/-1/00/-1/0-1/-1/0-1/-1/-1-1/0/-111/0/10/2/0-1/1/0-2/0/0-2/1/1-2/2/2-2/0/220/1/00/3/0-2/1/0-3/1/1-3/3/1-3/3/2-3/1/230/1/01/3/0-2/2/1-3/2/1-3/3/2-3/3/3-3/1/3

通過實時計算出的溫差e和溫差變化率ec,從表2中分別查出PID控制器三個參數(shù)的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd,然后計算出PID的實際參數(shù):

Kp=ΔKp+Kp0

Ki=ΔKi+Ki0

Kd=ΔKd+Kd0

(2)

式中:Kp0、Ki0、Kd0——參數(shù)初始值。

將Kp、Ki、Kd三個參數(shù)帶入增量式PID算法,即可實現(xiàn)對溫度的有效控制。

3MATLAB/Simulink仿真

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型,設(shè)房間溫度模型的傳遞函數(shù)[4]為

(3)

采用衰減曲線法整定PID參數(shù),設(shè)定PID控制器的參數(shù)Kp0=8.55、Ki0=9.7、Kd0=0.0416。衰減曲線法整定PID控制器參數(shù)如表3所示,其中tr為上升時間,Ts為兩個相鄰波峰間的時間間隔。

表3衰減曲線法整定PID控制器參數(shù)

控制器類型衰減比例度δs/%積分時間微分時間P100∞0PI1202tr或0.5Ts0PID801.2tr或0.3Ts0.4tr或0.1Ts

在Simulink環(huán)境中,常規(guī)PID控制和模糊自整定PID控制的仿真模型如圖3、圖4所示。

圖3　常規(guī)PID控制仿真模型

圖4　模糊自整定PID控制仿真模型

模糊自整定PID控制仿真模型中包括兩個封裝模塊PID控制器和PID控制器1,它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖5、圖6所示。

圖5　PID控制器的內(nèi)部封裝

圖6　PID控制器1的內(nèi)部封裝

設(shè)仿真時間為500 s,系統(tǒng)運行后仿真曲線如圖7所示。

由圖7可知,常規(guī)PID控制的最大超調(diào)量為33%,調(diào)節(jié)時間為300 s;模糊自整定PID控制的最大超調(diào)量為1%,調(diào)節(jié)時間為150 s,因此模糊自整定PID控制較常規(guī)PID控制的響應(yīng)速度快,超調(diào)量小,具有更好的魯棒性和適應(yīng)性。

圖7　系統(tǒng)運行后仿真曲線

4結(jié)語

針對復(fù)雜的溫度控制系統(tǒng),本文設(shè)計了模

糊自整定PID控制器,結(jié)合PID和模糊控制的優(yōu)勢,實現(xiàn)了對控制參數(shù)的在線修改。在Simulink環(huán)境中建立了常規(guī)PID控制和模糊自整定PID控制的仿真模型。仿真結(jié)果表明,模糊自整定PID控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小、動態(tài)特性和控制效果好等優(yōu)點,是室內(nèi)房間溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇。

[1]薄俊青.基于模糊自整定PID的中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].河北電力技術(shù),2014,33(4):14-15.

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Research About Room Temperature Control System Based on Fuzzy Logic Self-turning PID

WEI Liming,XING Wenbai,LIN Jing

(School of Electrical and Computer, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China)

Abstract：Aiming at the nonlinearity and uncertainty of temperature control system and the shortcomings of conventional PID,this paper proposed a new method of fuzzy logic self-turning PID control system,which realized the on-line adjustment of PID parameters.The output control volume drived the corresponding actuator to to control the temperature and humidity of room.A simulation model was established in MATLAB/Simulink,and the simulation curves of conventional PID control and fuzzy logic self-turning PID control were compared.The simulation results show that the fuzzy logic self-turning PID control system has better robustness and control performance.

Key words:temperature control system; fuzzy logic self-turning PID control; conventional PID control; simulation

中圖分類號：TU 855

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-8417(2016)05-0001-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.001

收稿日期：2016-04-28

邢文白(1992—),男,碩士研究生,研究方向為建筑電氣與智能化。

林晶(1990—),女,碩士研究生,研究方向為建筑電氣與智能化。