基于Fuzzy-PID的人工氣候室智能控制系統(tǒng)設(shè)計

1、基于FuzzyPID的人工氣候室智能控制系統(tǒng)設(shè)計宋玉春，許倫輝，傅惠(韶關(guān)學(xué)院機(jī)電系，廣東韶關(guān)512005)摘要：介紹了控制對象人工氣候室的特點，闡述了FuzzyPID控制原理，并把通過開關(guān)切換實現(xiàn)的FuzzyPID控制算法實際應(yīng)用到人工氣候室智能控制系統(tǒng)中給出了該控制系統(tǒng)FuzzyPID控制器的總體設(shè)計方案、具體設(shè)計過程，解決了人工氣候室控制中的難點問題關(guān)鍵詞：人工氣候室：FuzzyPID；智能控制中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：10075348(2004)03004305人工氣候室是人工模擬自然、非自然氣候環(huán)境的設(shè)備，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、林業(yè)、環(huán)境科學(xué)及生物遺

2、傳工程等領(lǐng)域智能控制系統(tǒng)是人工氣候室的核心技術(shù)，它對氣候室內(nèi)的主要環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等運用智能控制技術(shù)進(jìn)行在線閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而形成被培養(yǎng)物種需要的氣候環(huán)境1 FuzzyPID控制器系統(tǒng)被控制的人工氣候室的技術(shù)指標(biāo)為：(1)公稱容積：lO50 1TI ；(2)溫度控制范圍：05O ；(3)溫度波動性允差：±1；(4)溫度均勻性允差：±3 ；(5)濕度控制范圍：50 90 ；(6)濕度波動性允差：±3；(7)濕度均勻性允差：4-5 ；(8)光照度：03000(LX±1)；(9)溫度保護(hù)報警：4-5 ；q 工作電源：AC220 4-20 V、50Hz

3、；工作時問：連續(xù)；工作環(huán)境：室內(nèi)這是一個容積較大，控制精度要求較高，具有大滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，并且無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型的控制對象為了實現(xiàn)控制目標(biāo)，選擇了模糊PID控制算法模糊技術(shù)的優(yōu)點是不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小PID控制的優(yōu)點是控制精度高將模糊控制和PID控制器兩者結(jié)合起來，揚長避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點這種FuzzyPID復(fù)合控制器，有些模式可以實時在線修正PID控制參數(shù)，有些則可以繞開建立復(fù)雜數(shù)學(xué)模型，從而擴(kuò)展了常規(guī)PID的控制范圍“j它對復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好

4、的控制效果，也是近年來十分熱門的研究課題筆者設(shè)計的基于FuzzyPID控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖12 FuzzyPID控制原理21 數(shù)字PID控制原理數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種普遍采用的控制方法，它由三個校正環(huán)節(jié)組成(1)比例環(huán)節(jié)：即時成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差(2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) ， ，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)(3)微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的速度，減少調(diào)節(jié)時間22 F

5、uzzyPID控制原理在工業(yè)控制過程中經(jīng)常會碰到大滯后、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)其中，有的參數(shù)未知或緩慢變化，有的存在滯后和隨機(jī)干擾，有的無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型此時，模糊控制是一種較好的解決方案模糊控制器是一種近年來發(fā)展起來的新型控制器，其優(yōu)點是不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實現(xiàn)的簡易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式這類控制器都是以系統(tǒng)誤差E和誤差變化EC為輸入語句變量，因此它具有類似于常規(guī)PD控制器的作用，采用該類模糊控制器的系統(tǒng)有可能獲得良好的動態(tài)特性，而靜態(tài)性能不能令人滿意由線

6、性控制理論可知，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)響應(yīng)慢，比例控制作用動態(tài)響應(yīng)快，而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較高的動態(tài)響應(yīng)因此，把PI控制策略引入Fuzzy控制器，構(gòu)成Fuzzy-PI(或PID)復(fù)合控制，是改善模糊控制器穩(wěn)態(tài)性能的一種途徑目前這種復(fù)合控制器有多種構(gòu)成形式，其工作原理亦有差異具體有引入積分因子的模糊PID控制器、Fuzzy-PID混合控制器等Fuzzy-PID混合控制器又有Fuzzy-PID開關(guān)切換控制器、Smith-Fuzzy控制器、設(shè)定值遷移模糊PID控制器等，本控制系統(tǒng)使用的是FuzzyPID開關(guān)切換控制器3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計控制系統(tǒng)包括三個部分：

7、溫度控制、濕度控制、光照控制，所以系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)的包含三個子控制器：溫度控制器、濕度控制器、光照控制器溫度控制器采用模糊PID控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)的高性能，從性能和實用兩方面考慮，選用FuzzyPID開關(guān)切換控制；濕度要求的精度比溫度稍低，采用模糊控制器；光照控制相對簡單，因為光照燈照度與加在光照燈上的電壓成函數(shù)關(guān)系，給定光照首先計算出對應(yīng)電壓，然后控制光照晶閘管控制器使之輸出此電壓系統(tǒng)控制原理見圖24 溫度模糊PID控制器設(shè)計41 溫度模糊PID控制器工作原理圖3為Fuzzy-PID開關(guān)切換控制原理圖，其基本控制思想是在大偏差范圍內(nèi)采用Fuzzy控制，在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換由微機(jī)

8、程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)Fuzzy-PID控制比PID控制有更快的動態(tài)響應(yīng)，更小的超調(diào)，顯然它比Fuzzy控制具有更高的穩(wěn)態(tài)精度在實際中，PID控制的三個參數(shù)是經(jīng)過尋優(yōu)得到的模糊控制器的實現(xiàn)方法是將一系列模糊控制規(guī)則離線轉(zhuǎn)化為一個查詢表(又稱為控制表)，存儲在單片機(jī)中供在線控制時使用這種模糊控制器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，是最基本的一種形式42模糊控制模塊的設(shè)計421確定誤差、誤差變化、輸出的論域及模糊控制規(guī)則：模糊控制器的結(jié)構(gòu)采用單變量二維模糊控制器，輸入量選用誤差E、誤差變化EC在確定論域過程中，增加論域中的元素個數(shù)(即把等級細(xì)分)，可提高控制精度，但要相應(yīng)增大計算量并受計算機(jī)字長限制

9、因此，把等級分得過細(xì)，對模糊控制來說顯得必要性不大一般，當(dāng)論域中元素總數(shù)為模糊子集總數(shù)的二至三倍時，模糊子集對論域的覆蓋程度較好 】誤差E、誤差變化EC及控制量u的模糊集及其論域定義如下：E、EC和U的模糊集均為：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)E和EC的論域均為：一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6)U的論域為：一7，一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6，7采用基于最大隸屬函數(shù)法的“rF.AND.THEN.”規(guī)則進(jìn)行推理，得模糊控制規(guī)則表，如表1所示422輸入量的模糊化：根據(jù)e、A e所分的等級，將實際變化范圍平均分為13擋由于A

10、D轉(zhuǎn)換是選用11通道、分辨率為12xt的TLC2543，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后溫度值t的取值范圍在04 095把給定值同樣轉(zhuǎn)換No4 095之間，這樣誤差e的取值范圍可能為一4 0954 095，然而實際上僅剛開始起動等很少時候可能達(dá)到4 o95#b，實際取值范圍比上述范圍小得多為此，取e常用值為一220+220具體量化情況見表2423求輸出控制量：根據(jù)模糊控制規(guī)則表1，有如下條件語句：IF e：A AND e=B， THEN M=C (i=1，2. 7； =1，2，. 7)其中A 、B 和c 是定義在誤差e、誤差變化Ne和控制量u的論域上的模糊集根據(jù)輸入量模糊量化后得到的誤差e、誤差變化e，可計算出相

11、應(yīng)的控制量變化值，得控制表(見表3)表3是一個13×13矩陣，逐行存儲在片內(nèi)FLAsH存儲器中，設(shè)誤差、誤差變化的論域元素分別為 、l，可得控制量u的位置為：表首地址+13×(X+7)+() +7)423控制量的去模糊化及輸出：控制量的去模糊化比較方便，不同的控制量對應(yīng)輸出回路晶閘管一個周期內(nèi)不同數(shù)量的半波數(shù)，如表4所示43 PID控制模塊的設(shè)計根據(jù)數(shù)字PID控制原理，得離散化的PID表達(dá)式：P( )：P(k一1)+K E( )一E( 一1)+K，E( )+KoE(k)一2E(k一1)+E(k一2)】= P(k一1)+P尸+P，+PD設(shè)R( )、Y(k)分別為給定值和輸出值