模糊PID控制的設計

于靜　王岳軍　方強

摘 要：目前溫室大棚、植物生長柜的溫度受外界環境影響波動比較大，因此常規的控制方法確實難以很好地控制環境溫度。結合溫度控制的一些特性，針對常規PID控制的自適應控制能力不強，控制效果欠佳的現象，提出一種模糊PID控制，并用MATLAB進行驗證。仿真結果表明，該控制策略具有良好的魯棒性和穩定性，控制精度更高。

關鍵詞：溫度控制；模糊控制；控制算法；MATLAB仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.264

1 PID控制

（1）PID的理論可行性。常規的PID控制系統原理框圖如圖1所示。

通常情況下，一個完整的PID控制器是由比例環節、積分環節和微分環節三個環節構成。比例調節實時地對系統中的實際值與給定值之間的偏差e（t）作出反應，可有針對性減小偏差；積分調節主要用于消除靜態誤差；微分調節用于反應系統偏差的瞬時變化趨勢，可以有效改善系統的動態性能。

2 模糊PID控制

（1）模糊控制的基本原理。模糊控制是一種基于模糊邏輯的算法，其原理是，在控制過程中，對被控對象的狀態進行模糊化，變為用人類語言描述的模糊量，之后根據實際控制經驗制定的語言控制規則，再通過模糊推理，得到輸出控制量的模糊值，最后在解模糊化模塊中將控制量的模糊值轉換為執行器能夠執行的精確控制量，在控制中發揮作用。

模糊控制器由模糊化模塊、知識庫、模糊推理模塊、解模糊化模塊4個部分組成。

（2）模糊自整定PID控制。模糊控制具有2個極明顯的優點：首先模糊控制可以依靠人們在生產實踐中的控制經驗，這種情況下完成控制任務就不用去建立被控對象的精確模型；其次，模糊控制的穩定性強，響應速度快、超調量小，適用于控制具有滯后性的系統。其缺點也是顯而易見的，總結模糊控制規則比較困難，一旦規則建立不能在線更改，另外由于模糊控制器沒有積分環節，因此穩態精度不高。

因此，采用模糊控制和傳統的PID控制相結合，運用模糊自整定PID參數的方法進行優勢互補，從而快速、精確地完成控制任務。模糊控制器根據輸入量e和ec進行模糊推理，輸出精確的PID控制參數KP、KI和KD，再由PID控制器對溫室溫度進行控制。

3 模糊PID控制在溫控中的效果

試驗中分別采取常規PID控制和模糊自整定PID控制兩種方法，并分別記錄下了最終的控制效果。統計溫度計顯示的數據，每30秒記錄一次，并根據這一數據繪制出了控制效果圖。

圖2的（a）和（b）分別是設定溫度為30℃時的常規PID和模糊自整定PID控制的溫控效果圖，通過分析發現，模糊自整定PID控制可以有效改善了常規PID控制的超調過大的問題，最終趨于穩定的時間也有所縮短，并且最終結果滿足誤差在±2℃范圍以內的要求。

圖3的（a）和（b）分別是設定溫度為80℃時的PID和模糊自整定PID控制的溫控效果圖。通過比較圖（a）和（b）可以看出，后者比常規PID控制的曲線顯得圓滑，不那么突兀，超調量比PID控制要小，動態特性也相對較好。同時由于絕緣油與室溫的溫差較大，散熱效果較好，降溫所需時間明顯減少。

4 結論

通過仿真分析，利用模糊自整定的PID控制進行溫度控制與常規的PID控制相比，具有更好的魯棒性和可靠性。它可以有效地實現在農業生產、生物發酵過程中對溫度的精準控制，具有非常重要作用。

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