山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 李雪蓮 鄭豐隆

基于模糊PID的溫室溫度控制器設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 李雪蓮 鄭豐隆

本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID的溫室溫度控制器來解決具有大時(shí)滯、非線性、時(shí)變性特點(diǎn)的溫室的溫度控制問題。本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制器，通過模糊規(guī)則不斷整定PID參數(shù)來取得最優(yōu)控制策略，使PID參數(shù)具有自適應(yīng)性。在Matlab/Simulink中建立了仿真模型，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)：模糊PID控制比傳統(tǒng)的PID控制具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)量小，控制效果平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。

溫室；溫度控制；模糊PID；仿真

1 引言

植物的發(fā)芽與溫度息息相關(guān)，對(duì)于溫室來說，最重要的一個(gè)關(guān)鍵因素是溫度控制。一天內(nèi)的不同時(shí)刻，不同季節(jié)空氣溫度有所變化，不符合植物發(fā)芽的條件，因此應(yīng)該根據(jù)具體情況采用恰當(dāng)措施對(duì)溫度進(jìn)行控制。

傳統(tǒng)的方法是在溫室內(nèi)放置數(shù)根溫度計(jì)，通過人工的讀取數(shù)值來獲悉溫度，然后采取一定的措施來獲得合適的溫度。這種方法極其的不方便，重要的是人工不可能實(shí)時(shí)觀測(cè)溫室溫度并及時(shí)的采取相應(yīng)的措施來調(diào)控溫度。溫度控制不及時(shí)植物的發(fā)芽生長(zhǎng)可能受到很大影響。一般溫室溫度控制系統(tǒng)采用的多為常規(guī)PID控制器。常規(guī)PID的三個(gè)控制參數(shù)通常按照控制性能要求通過經(jīng)驗(yàn)湊試得來。溫室溫度控制所面臨的是一個(gè)時(shí)變的、帶滯后的、復(fù)雜的控制對(duì)象，常規(guī)PID無法及時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)來進(jìn)行控制。模糊控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，基于豐富的操作經(jīng)驗(yàn)建立的模糊規(guī)則作為控制策略，適用于解決非線性系統(tǒng)的問題[1]。

2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

本文采用模糊控制與PID控制的結(jié)合，根據(jù)偏差和偏差變化率，由建立好的模糊規(guī)則調(diào)整PID參數(shù)，實(shí)質(zhì)即為參數(shù)自適應(yīng)控制算法。相較于與傳統(tǒng)控制方法，模糊控制利用人類專家控制經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于非線性、復(fù)雜對(duì)象的控制顯示了魯棒性好、控制性能高的優(yōu)點(diǎn)[2]。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由參數(shù)可調(diào)PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

模糊PID控制器的控制原理：系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec作為輸入，通過模糊推理方法對(duì)PID參數(shù)kp、ki、kd進(jìn)行在線整定，以滿足在不同的誤差e和誤差變化率ec的情況下對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能[3]。

圖1 控制器結(jié)構(gòu)

2.2 PID控制器參數(shù)自整定原則

PID參數(shù)的整定必須考慮在不同時(shí)刻3個(gè)參數(shù)的作用及相互之間的互相聯(lián)系。

根據(jù)參數(shù)kp、ki、kd對(duì)控制系統(tǒng)的控制作用，通過前人累積的大量工程經(jīng)驗(yàn)，可以得到以下三點(diǎn)參數(shù)自整定原則：

（1）當(dāng)偏差較大時(shí)，不管偏差變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)該以減小偏差為主，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為此選擇較大的kp和較小的kd。另外為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)、積分飽和，ki值要小，通常取ki=0。

（2）當(dāng)偏差向著增大的趨勢(shì)發(fā)展時(shí)，若此時(shí)偏差較大，應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)施加較強(qiáng)的控制作用，使偏差絕對(duì)值迅速減小，此時(shí)應(yīng)該選取較大的kp、ki要小，kd適中；若此時(shí)偏差較小，則對(duì)系統(tǒng)施加一般的控制作用來使偏差向著減小的發(fā)展趨勢(shì)即可。

（3）當(dāng)偏差向著減小的趨勢(shì)發(fā)展時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)是趨于穩(wěn)定的，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)即可[3]。

2.3 各變量隸屬度函數(shù)的確定

根據(jù)控制性能要求，將誤差e和誤差變化率ec作為輸入，PID控制器的三個(gè)參數(shù)kp、ki、kd的修正△kp、△ki、△kd作為輸出。取誤差e和誤差變化率ec及輸出△kp、△ki、△kd模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。誤差e和誤差變化率ec的論域?yàn)閇-6,6]，量化等級(jí)為{-6，-4，-2,0,2,4，6}[4]。

根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)階PID參數(shù)的模糊矩陣表，算出參數(shù)代入下列公式計(jì)算：

圖3 模糊PID控制系統(tǒng)仿真框圖

式中：0kp0、ki0、kd0為常規(guī)PID的控制參數(shù)?！鱧p、△ki、△kd為模糊控制器的3個(gè)輸出，

可以根據(jù)系統(tǒng)的輸入誤差和誤差變化率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。[5][6]。

在模糊邏輯工具箱的隸屬度函數(shù)編輯器中，將輸入量e，ec，輸出△kp、△ki、△kd的隸屬函數(shù)都選定為三角形（trimf），如圖2所示。

圖2 輸入量e，ec，輸出△kp、△ki、△kd的隸屬函數(shù)

表1 △kp的模糊控制規(guī)則表

2.4 建立模糊規(guī)則表

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)專家的大量工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)誤差和誤差變化率來設(shè)計(jì)減少系統(tǒng)輸出誤差的模糊控制規(guī)則。模糊控制的核心是模糊推理，它利用事先設(shè)計(jì)好的模糊規(guī)則對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行不停地計(jì)算整定，最終得出最優(yōu)控制量。本文總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表。根據(jù)以上所述的PID參數(shù)調(diào)整原則，建立了針對(duì)kp、ki、kd3個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表如表1、表2和表3所示[7]。

表2 △ki的模糊控制規(guī)則表

表3 △kd的模糊控制規(guī)則表

合并三表可以得出49條模糊控制規(guī)則。

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文的被控對(duì)象為溫室的溫度，范圍為0～20攝氏度，假設(shè)初始溫度為0攝氏度，對(duì)它進(jìn)行控制，使溫度穩(wěn)定在14攝氏度，調(diào)節(jié)時(shí)間盡可能的短。一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型[8]。假設(shè)溫度控制模型的傳遞函數(shù)為：