模糊PID控制在環境溫控中的應用

于　靜，方　強

（1．天津科技大學電子信息與自動化學院，天津　300222；2．天津市體育局基建工程管理中心，天津300051；3．天津職業技術師范大學電子工程學院，天津　300222）

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模糊PID控制在環境溫控中的應用

于靜1，2，方強3

（1．天津科技大學電子信息與自動化學院，天津300222；2．天津市體育局基建工程管理中心，天津300051；3．天津職業技術師范大學電子工程學院，天津300222）

摘要：目前溫室大棚和植物生長柜的溫度受外界環境影響波動比較大，常規的控制方法難以很好地控制環境溫度。本文結合溫度控制特性，針對常規PID控制自適應控制能力不強、控制效果欠佳等現象，提出一種模糊PID控制，并使用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

PID控制是在工業控制中被廣泛采用的較為簡單、穩定、易實現的一種控制方式，即使在各種先進控制技術快速發展的現今，PID控制技術仍是最先考慮的方法且在應用中占據著最重要的位置。PID的控制性能與比例（P）、積分（I）、微分（D），這3個參數的整定直接相關。只有整定合適的參數，PID控制器才能夠實現最優的控制，滿足控制速度和精度[1-2]。本文分析了常規PID控制系統和模糊PID控制的特點，結合兩者特點，探究模糊自整定PID控制算法，使其實現優勢互補。最后，在MATLAB溫控仿真實驗中驗證該算法的特點和優勢。

1　PID控制理論

常規的PID控制系統原理框圖如圖1所示。其中，PID控制器中r（t）、c（t）和e（t）這3個量之間的關系為：

控制量u（t）是由比例環節、積分環節以及微分環節3者線性組合而成。而在此線性組合之前e（t）經由3者作用，從而對被控制對象進行控制，其連續形式為：

式中：KP為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數[3]。

PID控制器各環節的具體控制作用包括比例調節作用、積分調節作用和微分調節作用。

積分調節作用：該調解由TI的大小決定，TI越大，積分作用就越弱，超調量相應也會減小；反之積分作用越強，靜差會呈減小趨勢，但是超調量會增大。因此，兩者間要注意把握平衡。

微分調節作用：此環節反應系統偏差的瞬時變化趨勢，進行超前控制，可有效改善系統的動態性能。微分調節作用的強弱由TD數值大小決定，TD值越大，抑制誤差變化的作用越強；反之，抑制誤差變化的作用越弱。但是，微分調節會放大噪音干擾，故而當微分控制作用過強時，會降低系統的抗干擾能力[4-6]。

圖1　常規的PID控制系統原理圖

2　模糊PID控制

2.1模糊控制的基本原理

模糊控制這種算法其原理是基于模糊邏輯的，模糊控制算法原理為：被控對象的狀態在控制的過程中被模糊化，經過模糊化后，就成為可用人類自己的語言所描述的模糊量，然后根據語言控制規則，再經過模糊化推理，得到輸出控制量的模糊值，而執行器所執行的精確控制量，就是將這種控制量的模糊值在解模糊化模塊中被轉換而來，由此即可在控制中發揮作用[7-9]。其系統結構如圖2所示。

圖2　模糊控制系統結構

由圖2可知，模糊控制器由4部分組成。

（1）模糊化模塊。模糊化模塊的作用就是將與控制相關的精確的輸入和輸出值經過一定的規則轉換成模糊的語言值，其設計步驟就是在論域上定義語言變量的過程。

（2）知識庫。知識庫由數據庫和規則庫組成。其中數據庫主要是由模糊變量的取值以及隸屬度函數的定義組成。規則庫是由模糊語言制定的控制規則組成，這種規則是在控制中總結的實踐經驗。

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（3）模糊推理模塊。所謂模糊推理，其本質就是在模糊輸入下，結合相關數據以及合適的控制規則推導出輸出模糊值的過程。

（4）解模糊化模塊。解模糊化過程就是將在模糊推理后得到的模糊值轉變成為執行器能夠執行的精確的控制量，以滿足精準控制的效果。常用的方法為加權平均法和最大隸屬度法。

2.2模糊自整定PID控制

由于模糊控制的提出以及使用是在人們日常生活中根據實踐經驗所建立的，所以模糊控制不需要精確的模型對象。另外，模糊控制具有穩定性較強、響應速度快、超調量小等優點，所以比較適用于控制具有滯后性的系統。但其控制規則比較難以總結而且不能夠實現在線更改。除此之外，模糊控制器缺失積分環節，所以其穩態精度低。因此，為實現快速以及精確地完成控制任務的目的，本文使用了模糊自整定PID參數的方法進行優勢互補從而達到控制目的，該系統結構如圖3所示。根據輸入量e和ec進行模糊推理后，模糊控制器便會輸出KP、KI和KD等精確的PID控制參數，再由PID控制器對溫室進行控制。

圖3　模糊自整定PID控制系統結構

3　模糊自整定PID控制算法

本設計中，模糊化模塊的設計步驟如下。

（1）確定輸入輸出變量。在現場調節控制量時，主要是依據實際的輸出和輸出變化率進行控制，因此模糊化模塊的輸入量為誤差e和誤差變化率ec。模糊控制器的輸出控制量有3個，分別為△KP、△KI和△KD。系統中，設定溫度為T，則e = T設定值- T當前值，ec = d （e當前值- e上一刻）/dt。結合現場控制的實際情況，系統設計中誤差e的正負方向取值范圍不能取對稱，否則超調量會過大。因此，輸入量e的取值范圍為[-4,12]、ec的取值范圍為[-1，1]，輸出量△KP的取值范圍為[-900，900]、△KI的取值范圍為[-12，12]、△KD的取值范圍為[-6 000，6 000]。

（2）設計語言變量論域。在e和ec的論域上分別定義語言變量誤差E和誤差變化EC，在△KP、△KI和△KD的論域上分別定義語言變量控制量△KP、控制量△KI和控制量△KD。

式中：<>代表取整運算。

（3）定義變量的語言值。E的模糊子集是{NS（負小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}，EC和△KP、△KI、△KD的模糊子集是{ NB（負大），NM（負中），NS（負小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}。

（4）確定隸屬函數。模糊控制器的2個輸入，誤差E的輸入范圍適中，EC的輸入范圍偏小，因此兩者適合采用分辨率較高的三角形隸屬函數。由于3個輸出量的值放大了1 000倍，考慮到實際對溫度的影響需要快速靈敏，因此同樣采用三角形隸屬函數。由于三角形函數的輸入引起的輸出變化比較大，所以這種函數具有較高的控制靈敏度特點，其具有較尖的形狀，而且具有較高的分辨率。

（5）建立模糊控制規則。PID參數的整定需要考慮KP、KI、KD各自的作用和產生的效果。依靠實際的控制經驗是模糊PID自整定控制的關鍵之處。所以，需要通過在實踐中不斷測試、修改和總結來建立一個滿足控制要求的控制規則。

△KP的控制規則。△KP的值不僅關系到控制器在系統中的響應速度的快慢程度，還會使系統的偏差變小。在調節前期，為了加快系統的響應，應該將△KP值調大。而在調節中期，將△KP的值調到合適大小，以保證實現防止過大的超調量和響應速度；對于調節后期，應該適當調節△KP的值，以達到系統穩定以及防止過大超調量的產生。

△KI的控制規則。△KI可以很好地調控系統的穩態誤差。通常情況下△KI的取值較小以防止積分飽和而產生較大超調量；調節中期，應適當將△KI的取值增大以發揮積分作用；調節后期，△KI的取值較大，可以有效減小系統的靜態誤差。

△KD的控制規則。△KD主要是調解系統的動態運行特性。調節前期，為了增大微分作用，可以調節△KD取較大的值，從而減小最終的超調量；調節中期，由于△KD的變化對動態特性影響比較大，適當減小△KD取值；調節后期，為有效減小擾動的影響，△KD的取值較小。

（6）解模糊化。模糊輸出值可以經過查詢模糊控制規則表得到，再通過解模糊化，轉換成精確的控制量，從而實現對執行器的控制。模糊語言變量是通過對控制規則表的查詢得到，對模糊語言變量的隸屬度的確定，可得到準確的輸出控制量。此系統采用最大隸屬度法進行解模糊過程。

4　模糊PID控制在溫控中的效果

該仿真試驗分別采取常規PID控制和模糊自整定PID控制2種方法，并依次記錄最終的控制效果。統計溫度計顯示的數據，每30 s記錄1次，并根據這一數據繪制控制效果圖。

設定執行器輸出溫度為30℃時常規PID和模糊自整定PID控制的溫控效果圖如圖4和圖5所示。通過分析發現，模糊自整定PID控制可以有效改善常規PID控制的超調過大問題，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4　設定溫度30℃時常規PID控制效果圖

圖5　設定溫度30℃時模糊PID控制效果圖

設定執行器輸出溫度為40℃時的PID和模糊自整定PID控制的溫控效果圖如圖6和圖7所示。通過比較圖6和7可以看出，后者比常規PID控制的曲線顯得圓滑，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。

圖6　設定溫度40℃時常規PID控制效果圖

圖7　設定溫度40℃時模糊PID控制效果圖

設定執行器輸出溫度為50℃時的PID和模糊自整定PID控制的溫控效果圖如圖8和圖9所示。通過比較圖8和圖9可以看出，對于實現適當減小超調以及改善動態特性方面，模糊自整定PID控制相對于常規PID具有優勢。

圖8　設定溫度50℃時PID控制效果圖

圖9　設定溫度50℃時模糊PID控制效果圖

5　結束語

對該算法在MATLAB平臺上的仿真分析可知，利用模糊自整定PID控制方法對溫度進行控制比常規PID控制具有更好的魯棒性和可靠性，能夠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，具有較高的實際應用價值。

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Application of fuzzy PID control temperature in the environment

YU Jing1，2，FANG Qiang3
（1.School of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Sports Bureau Infrastructure Project Management Center，Tianjin 300051，China；3.School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：Currently the greenhouse，plant growth cabinet's temperature fluctuations in the external environment is relatively large，so it is really difficult for the conventional control method to well control the ambient temperature.Combining with some characteristics of the temperature control，as to the problems such as poor adaptive control capability for conventional PID，and the ineffective control，a fuzzy PID control is proposed，and it is verified by using MATLAB.Simulation results show that the control strategy has good robustness and stability，control more accurate.

Key words：temperature control; fuzzy control; control algorithm; MATLAB simulation

作者簡介：于靜（1981—），女，工程師，研究方向為控制工程.

收稿日期：2016-01-19

中圖分類號：TP273.4

文獻標識碼：A

文章編號：2095－0926（2016）01－0045－04