王俊偉 　溫榮

摘要：針對(duì)內(nèi)蒙古河套地區(qū)落后的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于MATLAB的增量式PID算法在溫室大棚中溫濕度控制的串級(jí)控制系統(tǒng)中，并將計(jì)算機(jī)PID算法應(yīng)用到該串級(jí)控制系統(tǒng)中，使該串級(jí)控制系統(tǒng)具有較好的快速性、抗干擾性和控制質(zhì)量、穩(wěn)定性、精度高的特性。

Abstract： To the problem of the underdeveloped agricultural structure and the poor levels of automation in Hetao area of Inner Mongolia，we design a cascade control system that can control the temperature and humidity in greenhouses. We also apply the PID algorithm to this intelligent control system. Through this method， the cascade control system has a lot of advantages， such as the better rapidity and anti-interference. In addition to this， it can control the quality， stability and accuracy better than before.

關(guān)鍵詞：增量式PID算法；串級(jí)控制；溫濕度控制

Key words： incremental PID algorithm；cascade control；temperature and humidity control

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）05-0169-02

0 引言

內(nèi)蒙古河套地區(qū)的農(nóng)業(yè)技術(shù)相對(duì)落后，溫室大棚技術(shù)方面還停留在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)上。尤其是對(duì)于溫室大棚中溫濕度的測(cè)量和控制還停留在傳統(tǒng)的溫濕度計(jì)測(cè)量和人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一些比較先進(jìn)的溫室大棚將開(kāi)環(huán)控制應(yīng)用到溫濕度控制上，在一定程度上節(jié)省了人力成本，但是作物的產(chǎn)量不是很高，再加上溫濕度的強(qiáng)耦合性和相互之間的影響，針對(duì)這種情況，筆者設(shè)計(jì)了將PID的整定技術(shù)和增量式PID算法的MATLAB程序結(jié)合的無(wú)自衡串級(jí)溫溫度控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有較好控制效果。

1 串級(jí)控制系統(tǒng)特點(diǎn)介紹

與單回路系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)加入了副回路和主回路的的閉環(huán)反饋控制，對(duì)于控制系統(tǒng)存在干擾信號(hào)和控制精度要求較高的場(chǎng)合宜采用。串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)恒值控制系統(tǒng)，副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，具有調(diào)節(jié)速度快、抑制擾動(dòng)強(qiáng)的特點(diǎn)。為了提高主要參數(shù)的控制質(zhì)量，盡可能的將主要擾動(dòng)放在二次擾動(dòng)中，一次擾動(dòng)盡量減小。時(shí)間常數(shù)的匹配度的是主、副回路設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。該參數(shù)是防止串級(jí)控制系統(tǒng)共振、安全生產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要條件。

2 基于MATLAB的串級(jí)控制系統(tǒng)介紹

2.1 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)研究的對(duì)象是溫濕度相互影響的無(wú)自恒過(guò)程，當(dāng)溫室大棚的溫度發(fā)生改變時(shí)，通過(guò)空調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)溫度的高低，由于溫度發(fā)生改變相應(yīng)的濕度也要發(fā)生變化，這時(shí)需要加濕器來(lái)達(dá)到濕度的恒定，濕度發(fā)生變化將影響溫度的變化。當(dāng)濕度恒定時(shí)，加濕器的頻率恒定，濕度的控制構(gòu)成了一個(gè)積分不變的時(shí)間常數(shù)。所以以濕度RH為定值主控制變量，以溫度T為副控制變量。過(guò)程數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)式如下：

=e-τs（1）

從公式可知，該系統(tǒng)是有時(shí)間延遲的二階無(wú)自恒定系統(tǒng)，溫度的變化滯后于濕度的變化，所以采用單回路設(shè)計(jì)需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才能使被控變量有所反應(yīng)。由于串級(jí)控制系統(tǒng)在克服容量純滯后和滯后的效果比較理想，所以設(shè)計(jì)了如圖1所示的串級(jí)控制系統(tǒng)。

該串級(jí)控制系統(tǒng)以大棚中的溫度為副參數(shù)，以濕度為主參數(shù)，系統(tǒng)工作時(shí)，溫度傳感器和濕度傳感器將檢測(cè)到溫濕度的信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器送入到STM32控制器，使其與控制器中的兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差的大小對(duì)空調(diào)作相應(yīng)動(dòng)作的調(diào)整，使溫濕度達(dá)到作物的理想值。

上位機(jī)調(diào)用MATLAB的PID算法程序，包括兩段PID算法程序，通過(guò)空調(diào)信號(hào)的給定來(lái)達(dá)到溫濕度的控制。

2.2 增量式PID算法

由于當(dāng)前的控制量輸出與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，而且偏差的累加會(huì)占用比較大的內(nèi)存，因此采用增量式PID算法。模擬PID控制器的控制規(guī)律如下：

u（t）=kp[e（t）+e（t）dt+TD]+u0 （2）

由于單片機(jī)控制是采樣控制，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，所以公式中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要對(duì)上式進(jìn)行離散化，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分。格式如下：

uk=kp[ek+KIej+KD（ek-ek-1）]+u0 （3）

式中：

K——采用信號(hào)（K=0，1，2，3…）；

KI——積分系數(shù)；

KD——微分系數(shù)；

KP——比例系數(shù)；

ek——第K次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；

ek-1——第K-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；

Uk——第K次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；

Uo——開(kāi)始進(jìn)行PID控制的原始值。

根據(jù)式（3）得出uk-1，將uk與uk-1，作差得出增量式PID算法公式，如下：

Δuk=uk-uk-1=kp[ek-ek-1+KIeK+KD（ek-2ek-1+ek-2）] =kp（1+KI+KD）ek-Kp（1+2Kd）ek-1+KpKDek-2=Aek-Bek-1+Cek-2（4）

由式（4）可以知，如果計(jì)算機(jī)采用恒定的采樣周期T，只要確定A、B、C系數(shù)和前后三次測(cè)量的偏差值，就可以通過(guò)式4計(jì)算出控制量，由于計(jì)算簡(jiǎn)單，該方法在實(shí)際應(yīng)用比較廣泛。

2.3 控制結(jié)果

反復(fù)試驗(yàn)，使?jié)穸戎饾u趨于設(shè)定值，此時(shí)反饋值和設(shè)定值是相同的。待濕度穩(wěn)定后，在溫度控制上加擾動(dòng)，經(jīng)過(guò)副回路的調(diào)節(jié)，還影響溫度值，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整主回路，從而克服擾動(dòng)使溫度調(diào)節(jié)到給定值上。當(dāng)擾動(dòng)加到濕度控制上時(shí)，濕度會(huì)發(fā)生變化，利用主回路的校正功能，可以減小擾動(dòng)對(duì)濕度的干擾作用，使?jié)穸融呌诜€(wěn)定。在這一過(guò)程中，副回路也起到了校正作用，在一定程度上降低了擾動(dòng)對(duì)濕度的影響程度。上位機(jī)監(jiān)控軟件得到圖2所示的曲線(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于純滯后的溫濕度無(wú)自恒過(guò)程，采用單回路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效果很不理想，而采用串級(jí)控制系統(tǒng)可以得到較為理想的效果。將MATLAB的PID算法應(yīng)用到串級(jí)控制系統(tǒng)的溫濕度控制上，實(shí)踐表明，由于計(jì)算機(jī)控制算法的方便和靈活性，上位機(jī)調(diào)用MATLAB算法程序即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐賢倫，仇國(guó)慶，李銀國(guó)，等.基于MATLAB的PID算法在串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（9）：61-63.

[2]張得豐，等.MATLAB自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，1.

[3]彭高豐.溫室大棚環(huán)境智能自動(dòng)測(cè)量與調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，2012（10）.

[4]霍罡，曹輝.可編程序控制器模擬量及PID算法應(yīng)用案例[M].北京：高等教育出版社，2008.

[5]姜忠良，陳秀云.溫度的測(cè)量與控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2006，11.