基于模糊PID 的仔豬舍溫度控制系統

闞盼盼，程洪麗，李雪如

（1.濟寧職業技術學院，山東 濟寧 272103；2.泰安技師學院，山東 泰安 271001）

我國北方地區嚴寒，并且進入冬季早，冬季十分漫長，由于受低氣溫的影響，新生幼豬在冬季非常容易死亡或生病。因此，在新生幼豬的培育中，要十分注意良好的豬舍環境溫度，以達到提升幼豬存活率的目的。對于溫度控制系統而言具有大慣性和大滯等特點，傳統的PID 控制策略不能達到很好的控制效果，因為其具有參數不能實時改變的缺點。針對大慣性和大滯后仔豬舍溫度控制系統，模糊PID 控制算法在傳統PID 算法基礎上，引入模糊控制規則，以實現精確控制的目的。模糊PID 控制策略參數可隨時根據系統進行調整，這樣控制效果會更好。本文采用模糊控制與PID 控制相結合的模糊PID 控制策略，隨時調整參數。本系統是以STM32 為核心控制器，將設計的模糊PID 控制策略，通過STM32 應用到仔豬舍溫度控制系統。

1 仔豬舍溫度控制系統的整體設計

本仔豬舍溫度控制系統主要由控制器、LCD 顯示屏、鍵盤、溫度傳感器和加熱器組成。根據本系統所要實現的功能，需要1 個運行速度和控制精度都要高，并且價格便宜的控制器。STM32F103ZET6 芯片的ARM 微處理器，其具有更強勁的性能、更高的代碼密度、更好的實時性、更低的成本及低功耗等眾多優勢，所以本文選用STM32F103Z ET6 芯片。溫度傳感器DS18B20 具有價格便宜，體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點，出于性價比考慮采用溫度傳感器DS18B20。溫度傳感器DS18B20 將采集到的仔豬舍溫度信號傳送給STM32 進行溫度實時監測，然后STM32 將采集到的溫度與設定的溫度進行比較，根據模糊PID 控制策略輸出控制信號，控制加熱器對系統進行加熱，實現對仔豬舍溫度實時監控控制。LCD 顯示屏用來顯示設定溫度和實際溫度。仔豬舍溫度控制系統框圖如圖1 所示。

圖1 仔豬舍溫度控制系統框圖

2 PID 控制算法

PID 控制器大約已經有1 個世紀的歷史了，就是比例、積分、微分控制器在現代工業中應用非常廣泛，其優點是原理簡單、通用性強、魯棒性好并且使用方便。PID 的kp、ki、kd 3 個參數決定PID 控制算法效果。比例控制用于改變信號的增益，其根據偏差信號進行控制，控制效果是使偏差變小，達到控制目的。kp 的數值對系統影響主要體現在：kp 小的時候，控制系統的調節作用慢；kp 大的時候，調節速度快，如果kp 非常大，系統會出現穩定性低和超調量過大。只有比例環節的話，是不能消除穩態誤差的，所以引入了積分環節，偏差值存在時，積分控制具有減偏差的作用。當系統存在偏差時，積分控制起到作用，ki 數值決定積分控制的強弱，ki 數值越小積分控制作用越弱，ki 數值越大積分控制作用越強。微分控制對系統的動態過程中起到作用，引入微分控制可以提高控制系統的穩定性和響應速度，對穩態無影響。綜合上述PID 控制策略主要表現是kp的作用是提高系統的靈敏度，系統有偏差產生時，偏差就會減小、ki 的作用是減小靜態誤差、kd 的作用是在偏差剛出現時及時抑制偏差減小調節時間。PID 控制原理框圖如圖2 所示。

圖2 PID 控制原理圖

3 模糊PID 控制算法的實現

對于溫度這樣復雜的、多變的被控對象，如果使用傳統的PID 控制策略，其中kp、ki、kd 這3 個參數是無法進行實時調整的，系統會存在一系列問題，例如：精度不足、動態性能差和震蕩幅度大等缺點，達不到研究想要的效果。所謂模糊控制是指將人們的自然語言轉換成計算機能識別的數字或函數，通過計算機實現控制。模糊控制的特點主要有：不依賴精準數學模型，不依賴人們的操作經驗，好理解，魯棒性好，可以很好的在計算機上實現。將模糊控制思想與傳統的PID 控制算法相結合，本文利用模糊控制的方式對傳統的PID 算法進行改進，設計PID 參數自整定算法，通過模糊控制來實現PID3 個參數kp、ki、kd 根據系統實時改變，從而達到控制要求。這個算法中有2 個輸入分別為e 溫度偏差和ec 溫度偏差變化率，通過算法運算最終改變kp、ki、kd 這3 個值，達到控制要求。模糊PID結構圖如圖3 所示。

圖3 模糊PID 結構圖

模糊PID 控制系統設計的具體步驟主要包括：①模糊控制輸入量、輸出量的確定。定值與反饋值存在偏差e，然后可以運用數學公式計算出溫度偏差的變化率ec。模糊控制器的輸入是溫度偏差和溫度偏差的變化率，輸出部分是為kp、ki、kd 的對應變化量。②將變量模糊化，確定本系統的隸屬度函數。在設計系統的時候經常用隸屬度函數有梯形和三角形型，設計選用三角形隸屬度函數。設定e、ec、kp、ki、kd 的模糊論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，e、ec、kp、ki、kd的模糊集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。③對控制系統進行模糊控制規則設計。模糊推理的目的是求出kp、ki、kd 的變化量的模糊數值，利用每個模糊規則的計算公式，可以得到模糊規則（Ri）及模糊控制的總規則，進行反模糊化，計算出kp、ki、kd 的變化量的模糊控制表，最后利用公式，可以求出kp、ki、kd 的數值。

本文采用模塊化的編程方法，主程序主要由初始化程序、顯示屏程序、溫度采集程序、模糊PID 算法程序及溫度控制輸出等組成，其程序結構如圖4 所示。

圖4 程序結構圖

本文STM32 控制器的控制算法使用PID 和模糊控制相結合的方式。這樣的控制策略可以使kp、ki、kd 根據系統進行調節，所以使得控制效果較好。STM32 中實現模糊PID 控制采用模糊查詢的方式，PID 參數在線自校正工作流程圖如圖5 所示。

圖5 PID 參數在線自校正工作流程圖

在北方冬季新出生的小豬抵抗寒冷的能力差，可能造成豬生病或死亡，造成經濟損失，有一個良好環節非常重要，于是本文設計了基于模糊PID 的仔豬舍溫度控制系統對豬舍進行溫度控制，使豬舍有一個良好的溫度。在設計時了解到因仔豬舍溫度控制系統具有大慣性和大滯等特點，如果采用單純的PID 控制策略會存在一定的問題，因PID 控制策略具有參數不能實時改變的缺點，PID 控制策略不能達到很好的控制效果。

4 結束語

本文采用了模糊控制與PID 相結合，可以實時對PID 3 個參數調整。模糊PID 仔豬舍溫度控制系統，可以為冬季仔豬舍提供良好的溫度環境。采用模糊PID 控制策略，實現PID 控制器參數kp、ki、kd 在線實時調整，相比于傳統PID，提高了系統的精度及動態性而且節約了資源，取得了滿意的控制效果。