基于模糊PID控制的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)研究_弓正.pdf
<p>物聯(lián)網(wǎng)技術 2018年 / 第 8期 智能處理與應用Intelligent Processing and Application98基于模糊PID控制的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)研究弓 正，張 昊，胡欣宇（山西農(nóng)業(yè)大學， 山西 晉中 030800）摘 要 ： 模糊 PID控制器最初應用于工業(yè)控制領域 ， 但在多耦合 、 易擾動的溫室環(huán)境中存在著系統(tǒng)易超調(diào) 、 響應速度不夠快等缺陷 。 針對這一問題 ， 在常規(guī)模糊 PID控制系統(tǒng)的基礎上分別加入了積分單元的混合式模糊 PID控制器 、 開關式模糊PID控制器及參數(shù)自整定模糊 PID控制器 。 其可實現(xiàn)不同溫室環(huán)境的控制需求 ， 若溫室環(huán)境對控制精度要求較高 ， 可使用混合式模糊 PID控制器 ； 若需實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)性能好 、 響應速度快 、 易于實現(xiàn)的溫室環(huán)境高性能控制 ， 可使用開關式模糊 PID控制器 ；若溫室環(huán)境系統(tǒng)要求較長周期的精確控制 ， 可使用參數(shù)自整定模糊 PID控制器 。關鍵詞 ： 溫室 ； 環(huán)境控制 ； 模糊控制技術 ； PID控制技術中圖分類號 ： TP273 文獻標識碼 ： A 文章編號 ： 2095-1302（ 2018） 08-0098-03收稿日期 ： 2018-03-31 修回日期 ： 2018-05-02DOI ： 10.16667/j.issn.2095-1302.2018.08.0310 引 言溫室的實際生產(chǎn)過程存在著農(nóng)業(yè)的特殊性與復雜性 ， 以及諸多非線性環(huán)境因子 ， 且各環(huán)境參數(shù)之間相互耦合 。 因此 ，高效的溫室環(huán)境控制一直是現(xiàn)代化溫室的關鍵問題之一 ， 具有重要的研究意義 。 2015 年 ， 王君1提出了結(jié)合遺傳算法與模糊邏輯網(wǎng)絡智能算法 ， 并建立了作物生長模型 ， 構建了加入作物生長模型的溫室環(huán)境遠程智能控制系統(tǒng) ； 2015 年 ， 黃俠等2建立了傳統(tǒng)溫室控制與農(nóng)業(yè)專家相結(jié)合的控制系統(tǒng) ； 2017 年 ， 彭輝等3構建了一個包含溫室外部環(huán)境因素的數(shù)學模型 ， 提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡 、 遺傳優(yōu)化算法與模糊邏輯控制相結(jié)合的控制方案 。1 PID 溫室控制與模糊控制的復合策略模糊 PID 控制一般采用二維模糊控制器 ， 是以偏差 e 與偏差變化率 ec 作為控制器的輸入量 ， 通常這種控制器具有微分與比例的模糊控制作用4， 但缺乏積分部分的模糊控制作用 。 由于在常規(guī)的線性控制理論中 ， 往往比例控制單元能獲得較快的動態(tài)響應與較高的穩(wěn)態(tài)精度 ， 積分控制單元能夠消除穩(wěn)態(tài)偏差但動態(tài)響應速度慢 ， 因此將 PI 或 PID 控制與模糊 PID 溫室控制結(jié)合 ， 構成 Fuzzy-PI 或 Fuzzy-PID（ 即 “模糊比例 - 積分控制 ”或 “模糊比例 - 積分 -微分控制 ”） 的復合控制 ， 同時發(fā)揮比例單元與積分單元的優(yōu)勢 ， 使系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)精度高 、 動態(tài)響應迅速 、超調(diào)量小的良好性能 。2 混合式模糊 PID 控制器設計2.1 控制系統(tǒng)原理圖模糊 PID 溫室控制器由于未加入積分控制單元 ， 易使系統(tǒng)產(chǎn)生偏差 。 因此 ， 為消除系統(tǒng)余差 、 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 ， 在這一控制系統(tǒng)中加入了積分控制單元 ， 稱為 “混合式模糊 PID 控制器 ”。 該控制器的原理如圖 1 所示 。圖 1 混合式模糊 PID 控制器原理圖2.2 控制系統(tǒng)的 Simulink 實現(xiàn)混合式模糊 PID 控制器的與模糊 PID 溫室控制器仿真對比原理圖 ， 如圖 2 所示 。2.3 Matlab 仿真模糊 PID 溫室控制器的仿真結(jié)果與混合式模糊 PID 控制器的仿真結(jié)果對比如圖 3 所示 。圖 2 混合式模糊 PID 控制器與模糊 PID 溫室控制器仿真對比原理圖2018年 / 第 8期 物聯(lián)網(wǎng)技術智能處理與應用Intelligent Processing and Application99圖 3 模糊 PID 溫室控制器的與混合式模糊 PID 控制器的仿真結(jié)果對比圖模糊 PID 溫室控制器與混合式模糊 PID 控制器的誤差對比如圖 4 所示 。圖 4 混合式模糊 PID 控制器與模糊 PID 溫室 控制器誤差曲線對比圖通過圖 3 與圖 4 可證明 ： 加入積分控制單元的模糊 PID控制器具有超調(diào)小 、 響應速度更快的特征 ， 并且系統(tǒng)輸出能夠在擾動后達到新的穩(wěn)態(tài)時 ， 實現(xiàn)更好的跟蹤設定值 。 通過觀察與對比混合式模糊 PID 控制器與模糊 PID 溫室控制器誤差曲線可知 ， 前者可實現(xiàn)比后者更強的消除系統(tǒng)誤差作用 。3 開關式模糊 PID 控制器設計3.1 控制系統(tǒng)原理圖開關式模糊 PID 控制器是基于傳統(tǒng) PID 控制與模糊 PID控制器的各自優(yōu)點 ， 將其結(jié)合使用 。 控制器原理如圖 5 所示 。圖 5 開關式模糊 PID 控制器的控制原理圖3.2 控制系統(tǒng)的 Simulink 仿真開關式模糊 PID 控制器的仿真模型如圖 6 所示 。圖 6 開關式模糊 PID 控制器的仿真模型3.3 Matlab 仿真開關式模糊 PID 控制器將模糊控制器與傳統(tǒng) PID 控制器相結(jié)合 ， 通過開關選擇調(diào)用其中一個控制單元進行控制 ， 仿真響應曲線如圖 7 所示 ： 在控制初期 ， 由模糊控制單元執(zhí)行控制 ， 對相應曲線進行粗略的調(diào)控 ， 以達到良好的穩(wěn)態(tài)性能 ；然而由于模糊控制單元未加入積分部分 ， 易出現(xiàn)積分飽和 ， 導致系統(tǒng)超調(diào) ， 因此當模糊控制使系統(tǒng)響應出現(xiàn)超調(diào)后 ， 切換轉(zhuǎn)入 PID 控制器單元進行控制 ， 減弱系統(tǒng)超調(diào) 、 實現(xiàn)精細調(diào)控 。仿真結(jié)果表明 ： 開關式模糊 PID 控制器可縮短系統(tǒng)過渡時間 、提高系統(tǒng)響應速度 ， 且實現(xiàn)了良好的穩(wěn)態(tài)性能 。圖 7 開關式模糊 PID 控制系統(tǒng)的響應曲線4 自整定模糊 PID 控制器設計4.1 控制系統(tǒng)的原理圖自整定模糊 PID 控制器采用二維模糊控制器作為控制結(jié)構 ， 通過模糊規(guī)對 PID 參數(shù)在線整定5， 滿足不同的輸入量偏差 e 與偏差變化率 ec 對于 PID 參數(shù)的比例因子 、 積分因子 、微分因子的不同要求 。 自整定模糊 PID 控制器的原理如圖 8所示 。圖 8 自整定模糊 PID 控制器的原理4.2 控制系統(tǒng)的 Simulink 實現(xiàn)自整定模糊 PID 控制器需要在控制過程中不斷的監(jiān)測6輸入量偏差 e 和偏差變化率 ec， 確定 e， ec 與 Kp， Ki， Kd之間的模糊關系并用模糊邏輯規(guī)則進行描述 ， 再通過模糊推理將 Kp， Ki， Kd修正整定并輸出 ， 從而得到滿足 e 和 ec 要求的PID 控制器參數(shù) ， 以實現(xiàn)控制系統(tǒng)良好的穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能 ， 發(fā)揮各控制單元的最大控制作用 。 其中 Kp'， Ki'， Kd' 為預 整定值 ： Kp=Kp'+ Kp， Ki=Ki'+ Ki， Kd=Kd'+ Kd。Kp， Ki， Kd在穩(wěn)定性 、 調(diào)節(jié)精度 、 響應速度與穩(wěn)定性方面有如下特征7：其一 ， Kp作為比例系數(shù) ， 其值越大 ， 則調(diào)節(jié)時間越短 、調(diào)節(jié)精度越高 、 系統(tǒng)響應越快 ， 從而優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能 。物聯(lián)網(wǎng)技術 2018年 / 第 8期 智能處理與應用Intelligent Processing and Application100其二 ， Ki作為積分系數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)消除系統(tǒng)余差 、 減小穩(wěn)態(tài)誤差的目的 。 當 Ki較大時 ， 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消除迅速 ， 但 Ki過大則會導致響應初期過程產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象所引起的系統(tǒng)超調(diào) ； 反之 ， 若 Ki較小 ， 雖不會引起超調(diào)現(xiàn)象 ， 但難以消除靜態(tài)誤差 。其三 ， Kd是微分系數(shù) ， 微分系數(shù)能夠起到抑制響應過程中的偏差變化的作用 ， 從而提升系統(tǒng)的動態(tài)性能 ， 提前預報偏差的變化 ； 但 Kd越大則造成調(diào)節(jié)過程延時 ， 且系統(tǒng)的抗擾動性能也會相應降低 。Simulink 中 PID 控制器和模糊 PID 溫室控制器的模塊結(jié)構分別如圖 9 和圖 10 所示 。圖 9 PID 控制器圖 10 模糊 PID 溫室控制器將模糊 PID 控制器與 PID 控制器分別打包封裝與連接 ，如圖 11 所示 。4.3 Matlab 仿真自整定模糊 PID 控制系統(tǒng)響應曲線如圖 12 所示 ， 該控制系統(tǒng)的響應速度快 、 系統(tǒng)穩(wěn)定性好 、 調(diào)節(jié)精度高 ， 且未產(chǎn)生系統(tǒng)震蕩與超調(diào)現(xiàn)象 。通過實踐證明 ， 利用 Matlab 中的模糊邏輯控制工具箱可便捷地編輯 FIS 文件以實現(xiàn)模糊 PID 溫室控制系統(tǒng) ， 并且可靈活地設置與修改控制器參數(shù) ， 通過 Simulink 將控制系統(tǒng)仿真結(jié)果直觀呈現(xiàn) 。5 結(jié) 語控制系統(tǒng)仿真結(jié)果表明 ， 相較于單一 PID 控制與單一模糊邏輯控制 ， 模糊 PID 控制系統(tǒng)具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性及更小的誤差 ， 可有效抑制振蕩與超調(diào)產(chǎn)生 ， 響應速度也明顯提升 ，驗證了在溫室環(huán)境控制中運用模糊 PID 控制方法的良好控制性能與可行性 。圖 11 模糊 PID 溫室控制器與 PID 控制器的封裝圖 12 自整定模糊 PID 控制系統(tǒng)的響應曲線參考文獻1 雷 勇 ，李 澤 滔 . 溫室溫度系統(tǒng)的自適應模糊 PID 控制 J. 控制工程，2014（S1 ）：23-27.2 王君 . 基于模糊控制策略的溫室遠程智能控制系統(tǒng)的研究 D. 長春 ：吉 林 大 學， 2015.3 黃俠，吳艦，吳楠 . 大棚花卉種植智能輔助決策支持系統(tǒng)關鍵技術 J. 中國農(nóng)業(yè)信息， 2015（6 ）：60-62.4 王成閣，吳敏 . 參數(shù)自整定模糊控制器厚度監(jiān)控 AGC 的實現(xiàn) J. 有色金屬加工， 2004，33 （3 ）：42-46.5 宋立業(yè)，彭繼慎，程英，等 . 自適應模糊 PID 控制在壓射控制系統(tǒng)中的應用 J. 計算機系統(tǒng)應用， 2012，21 （3 ）：163-166.6 吳春，龐洪，陳明，等 . 一種自整定模糊 PID 控制仿真 J. 桂林航天工業(yè)學院學報， 2008，13 （4 ）：17-19.7楊 婷 婷 ，單 玉 波 . 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