張翠

【摘? ?要】 本文介紹了一種基于STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊PID控制雞舍大棚內(nèi)溫度控制方法;為解決常規(guī)PID控制算法無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的、非線性的、時(shí)變的控制系統(tǒng)問(wèn)題，采用熱電偶傳感器對(duì)雞舍溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合熱電偶本身的非線性特點(diǎn)，采用單片機(jī)與模糊PID相結(jié)合進(jìn)行溫度控制，從而提高響應(yīng)的速度和對(duì)溫度的控制精度，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】 模糊PID;熱電偶;單片機(jī);溫度控制

中圖分類號(hào)：S24? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)識(shí)別碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1073（2020）02-0070-73

Design of intelligent temperature control system for coop

based on fuzzy PID

ZHANG Cui

（Bowen College of Management Guilin University of Technology? ?Guilin， Guangxi? ?541006）

[Abstract] This paper introduces a fuzzy PID control method based on STC89C52 MCU for temperature control in chicken coop. In order to solve the conventional PID control algorithm cannot adapt to the complex， nonlinear， time-varying control system， using the temperature real-time monitoring of the henhouse thermocouple sensor， based on the nonlinear features of the thermocouple itself， and combined with fuzzy PID temperature control by single chip microcomputer， thus improve the response speed and control precision of temperature， has a certain practical value.

[Key words]? ?fuzzy PID; thermocouple; single chip microcomputer; temperature control

1? 引言

溫度是工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最重要的控制因素之一[1]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)靠天吃飯，有較強(qiáng)的季節(jié)性，而且產(chǎn)量較低。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正在朝規(guī)?；F(xiàn)代化方向發(fā)展，可以利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制、干預(yù)，達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。在家禽養(yǎng)殖業(yè)中，不同的時(shí)期需要不同的溫度環(huán)境，而且不能變動(dòng)太大，保證家禽的疾病最少，快速生長(zhǎng)，達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益。

本文采用模糊PID控制器與單片機(jī)結(jié)合構(gòu)建一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，并在雞舍中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)溫度控制，改善雞舍的溫度環(huán)境。系統(tǒng)采用單片機(jī)與模糊PID相結(jié)合進(jìn)行溫度控制[2]，有效解決雞舍溫度變化過(guò)快，系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，從而使得雞舍的溫度與期望值相吻合。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1? 總設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)為控制中心，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，并在各模塊間進(jìn)行控制信息的傳送。溫度采集模塊中采用熱電偶采用雞舍的溫度信息，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送到單片機(jī);單片機(jī)獲得新的溫度信息后，與系統(tǒng)設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)偏差值，模糊PID控制模塊對(duì)偏差值進(jìn)行控制處理，并將處理信息返回值單片機(jī)，如果偏差值過(guò)大，則激發(fā)蜂鳴器報(bào)警，且啟動(dòng)加溫、降溫處理模塊進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)，完成溫度控制。溫度顯示模塊負(fù)責(zé)所有的溫度及變化信息的顯示。按鍵模塊用與用戶的交互，用戶通過(guò)此模塊根據(jù)自己的需求設(shè)定溫度值。系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊用于按時(shí)間序列存儲(chǔ)溫度信息，為用戶了解環(huán)境的溫度變化及決策提供幫助。除上述模塊外，還有一些其它的外圍模塊，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

2.2? 溫度采集轉(zhuǎn)換與溫度存儲(chǔ)模塊

雞舍的生產(chǎn)環(huán)境較差，對(duì)電偶的需求量較大，本系統(tǒng)采用K型熱電偶進(jìn)行溫度采集，選擇此電偶可降低系統(tǒng)成本。熱電偶測(cè)量采用的溫度的原理是根據(jù)電偶的正端與負(fù)端之間的電勢(shì)差得到。

本系統(tǒng)利用單片K型熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675，首先讀取K型熱電偶傳感器檢測(cè)的溫度，然后，進(jìn)行信號(hào)放大及轉(zhuǎn)換處理，在處理過(guò)程中，要解信號(hào)變抽換的決線性化、冷端補(bǔ)償、模數(shù)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。該轉(zhuǎn)換器最大可以分辯0.25℃的溫度差。系統(tǒng)采用AT24C02數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片作溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，兩個(gè)模塊與單片相連的電路圖如圖2所示。

2.3? ?軟件方案設(shè)計(jì)

完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)布局以后，利用C語(yǔ)言和程序設(shè)計(jì)完成控制程序設(shè)計(jì)。第一步，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要由主機(jī)發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖，然后等待來(lái)自MAX6675的響應(yīng)，在此期間也對(duì)MAX6675進(jìn)行內(nèi)存設(shè)置。第二步，系統(tǒng)溫度的讀取及顯示。如果第一次開機(jī)，系統(tǒng)將進(jìn)入讀取溫度，計(jì)算出和刷新，然后由微控制器來(lái)轉(zhuǎn)換溫度，最后由LCD顯示;如果不是第一次打開，就會(huì)直接完成溫度轉(zhuǎn)換，顯示所測(cè)量的溫度值，再由PID算法進(jìn)行運(yùn)算，再由LCD顯示。這個(gè)過(guò)程的時(shí)間很短，子程序調(diào)用被實(shí)時(shí)顯示。在測(cè)溫過(guò)程中可以設(shè)定溫度的顯示范圍，如果超過(guò)設(shè)定溫度范圍，蜂鳴器和LED則會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并發(fā)出控制信號(hào)進(jìn)行加熱或降溫，主程序流程圖如圖3所示。

3? ?模糊PID控制設(shè)計(jì)

3.1? 常規(guī)PID控制

常規(guī)PID控制器具有算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，是過(guò)程控制中最廣泛的一類基本控制器[3]，它對(duì)于各種線性定常系統(tǒng)的控制，都能夠獲得滿意的控制效果，尤其適用于被控對(duì)象參數(shù)固定、非線性不很嚴(yán)重的系統(tǒng)，可以采用PID控制，PID控制的理想方程如公式（1）所示：

其中，U（t）表示模糊控制的有t時(shí)刻的輸出，K_P為比例增益，K_I積分增益，K_D為微分增益;PID算法對(duì)這三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，與t時(shí)刻產(chǎn)生的誤差e（t）線性相關(guān)。

由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中被控對(duì)象的負(fù)荷多變、干擾因素復(fù)雜，常規(guī)PID控制與輸出誤差成線性相關(guān)，當(dāng)變化的頻率、幅度較大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生振蕩。要獲得滿意的控制效果，就需要對(duì)PID的參數(shù)不斷地進(jìn)行在線調(diào)整。有時(shí)由于這些參數(shù)的變化無(wú)常，往往沒有確定不變的數(shù)學(xué)模型和規(guī)律可循，利用模糊控制器調(diào)節(jié)它們不失為一種實(shí)用、簡(jiǎn)便、可行的選擇。

雞舍所在的環(huán)境較復(fù)雜，一般都會(huì)選擇在野外、山林中，這些地方自然條件優(yōu)越，空氣較好，但是溫度變化無(wú)常，溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)大滯后、大慣性、非線性、時(shí)變性的控制系統(tǒng)，所以很難建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。因此，采用傳統(tǒng)的常規(guī)PID控制器會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)雞舍溫度波動(dòng)大或溫度分布不均從而影響雞的正常活動(dòng)，或出現(xiàn)疾病傳播的問(wèn)題。采用模糊PID控制器能充分利用操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)非線性調(diào)節(jié)的成功實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，充分發(fā)揮PID控制器的優(yōu)良控制作用，使得控制效果達(dá)到最優(yōu)。

3.2? 模糊PID控制原理

模糊PID控制的核心是以系統(tǒng)誤差e及其誤差的變化率ec的兩個(gè)參數(shù)作為系統(tǒng)的輸入，在系統(tǒng)中建立模糊變換規(guī)則[4]，由規(guī)則計(jì)算出?K_P、〖?K〗_I、〖?K〗_D，即K_P、K_I、K_D三個(gè)參數(shù)的變化值，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)誤差e及其誤差的變化率ec與PID控制參數(shù)的非線性關(guān)系，達(dá)到模糊控制效果，系統(tǒng)不斷的對(duì)e和ec進(jìn)行檢查，實(shí)時(shí)調(diào)整K_P、K_I、K_D三個(gè)參數(shù)的值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制要求?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖4所示。

其中，偏差信號(hào)e（t）=r（t）-y（t）;r（t）是期望輸入值;y（t）是實(shí)際反饋輸出值;偏差變化率

PID控制器的參數(shù)要根據(jù)模糊推理得到，可以實(shí)現(xiàn)誤差調(diào)節(jié)參數(shù)據(jù)根據(jù)誤差及誤差變化的情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，快速達(dá)到平衡。

模糊PID控制系統(tǒng)的輸入是誤差e及其誤差的變化率ec，它的輸出變化量?K_P、〖?K〗_I、?K_D，這三個(gè)參數(shù)分別對(duì)系統(tǒng)PID原來(lái)設(shè)計(jì)參數(shù)K_P、K_I、K_D進(jìn)行修正，系統(tǒng)實(shí)際的輸出取值分別是K_P+?K_P、K_I+?K_I、K_D+?K_D。

假設(shè)它們的模糊子集分別取{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}七個(gè)等級(jí)，論域的范圍是{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，常用的隸屬度函數(shù)有三角形函數(shù)，鐘形函數(shù)，高斯型函數(shù)，梯形函數(shù)以及Sigmoid型函數(shù)，本文采用的是三角形函數(shù)，如圖5所示。

模糊規(guī)則是模糊推理過(guò)程中比較重要的部分，根據(jù)誤差e及其誤差的變化率ec與比例、積分、微分三個(gè)系數(shù)之間的關(guān)系，用“If--Then”形式來(lái)描述的模糊推理規(guī)則。

規(guī)則1：If X is A1，且Y is B1， Then Z is C11

規(guī)則2：If X is A1，且Y is B2， Then Z is C12

……………

規(guī)則n：If X is An，且Y is B1， Then Z is Cn1依次類推。

模糊控制器的規(guī)則是使得對(duì)溫度的調(diào)節(jié)更加精確，更加及時(shí)，避免超調(diào)以及穩(wěn)定性等。

4? 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，采用Matlab2015a軟件中simulink模塊對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行仿真分析[5-6]，通過(guò)常規(guī)PID控制與模糊PID控制進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證了模糊PID控制的優(yōu)越性。假設(shè)雞舍加熱環(huán)境采用水暖管道加熱方式，采用單片機(jī)控制繼電器通斷電的方式從而實(shí)現(xiàn)加熱或降溫處理，在達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度值之前，會(huì)存在一定的延時(shí)，假設(shè)被控對(duì)象的溫度傳遞函數(shù)模型為：

其中參數(shù)K是被控對(duì)象的靜態(tài)增益，T為控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，τ為被控對(duì)象的延時(shí)時(shí)間，則通過(guò)simulink仿真（假設(shè)K=0.85，T=200， τ=40）得到的實(shí)驗(yàn)效果圖如下圖6所示。

5? ?結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的雞舍溫度控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為溫度控制的核心，結(jié)合模糊PID算法，達(dá)到提高控制穩(wěn)定性的效果。由Matlab仿真結(jié)果顯示，采用模糊PID控制時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量比常規(guī)PID有所減少，同時(shí)響應(yīng)的速度有所提高，參數(shù)自我調(diào)整的精確度和靈敏度也得到了改善，可靠性和穩(wěn)定性更強(qiáng)，控制效果良好，調(diào)節(jié)后的溫度值并通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送到用戶手機(jī)端以便于用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該方法在工業(yè)控制和養(yǎng)殖行業(yè)將具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉家琪，劉 嵩等.基于單片機(jī)的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].? ? ? ? ?湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，37：219-222.

[2] 李雪蓮，鄭豐隆.基于模糊 PID 的溫室溫度控制器設(shè)計(jì)[J].? ? ? ? ? 電子世界，2015（15）：66-67.

[3]許惠君，饒 偉.基于單片機(jī)的電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)? ? ? ? [J].科技廣場(chǎng)，2013（15）：65-68

[4]黃 斌，謝國(guó)進(jìn).基于混合型模糊PID的加熱爐溫度控制系統(tǒng)? ? ? ? 應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2018（48）：43-68 46.

[5] 石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真（第2版）[M].北? ? ? ?京：清華大學(xué)出版社，2018.3.

[6]李國(guó)勇，楊麗娟.神經(jīng)模糊預(yù)測(cè)控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)（第4? ? ? ? 版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018.11.

（編輯：赫亮）