基于Fuzzy-PID的人工气候室智能控制系统设计

基于基于 FuzzyFuzzy PIDPID 的人工气候室智能控制系统设计的人工气候室智能控制系统设计 宋玉春 许伦辉 傅惠 韶关学院机电系 广东韶关 512005 摘要摘要 介绍了控制对象人工气候室的特点 阐述了 Fuzzy PID 控制原理 并把通过开关切 换实现的 Fuzzy PID 控制算法实际应用到人工气候室智能控制系统中 给出了该控制系统 Fuzzy PID 控制器的总体设计方案 具体设计过程 解决了人工气候室控制中的难点问 题 关键词 关键词 人工气候室 Fuzzy PID 智能控制 中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1007 5348 2004 03 0043 05 人工气候室是人工模拟自然 非自然气候环境的设备 广泛应用在工业 现代农业 医药 林业 环境科学及生物遗传工程等领域 智能控制系统是人工气候室的核心技术 它对气候室内的主要环境参数如温度 湿度 光照强度等运用智能控制技术进行在线闭环 调节 从而形成被培养物种需要的气候环境 1 1 FuzzyFuzzy PIDPID 控制器系统控制器系统 被控制的人工气候室的技术指标为 1 公称容积 lO 50 1TI 2 温度控制范围 0 5O 3 温度波动性允差 1 4 温度均匀性允差 3 5 湿度控制范围 50 90 6 湿度波动性允差 3 7 湿度均匀性允差 4 5 8 光照度 0 3000 LX 1 9 温度保护报警 4 5 q 工作电源 AC220 4 20 V 50Hz 工 作时问 连续 工作环境 室内 这是一个容积较大 控制精度要求较高 具有大滞后的一阶惯性环节 并且无法获得 精确的数学模型的控制对象 为了实现控制目标 选择了模糊 PID 控制算法 模糊技术的 优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型 而根据人工控制规则组织控制决策表 然后 由该表决定控制量的大小 PID 控制的优点是控制精度高 将模糊控制和 PID 控制器两者 结合起来 扬长避短 既具有模糊控制灵活而适应性强的优点 又具有 PID 控制精度高的 特点 这种 Fuzzy PID 复合控制器 有些模式可以实时在线修正 PID 控制参数 有些则可 以绕开建立复杂数学模型 从而扩展了常规 PID 的控制范围 j 它对复杂控制系统和高精 度伺服系统具有良好的控制效果 也是近年来十分热门的研究课题 笔者设计的基于 Fuzzy PID 控制器的系统结构框图见图 1 2 2 FuzzyFuzzy PIDPID 控制原理控制原理 2 2 1 1 数字数字 PIDPID 控制原理控制原理 数字 PID 控制在生产过程中是一种普遍采用的控制方法 它由三个校正环节组成 1 比例环节 即时成比例的反映控制系统的偏差信号 偏差一旦产生 控制器立即产 生控制作用 以减少偏差 2 积分环节 主要用于消除静差 提高系统的无差度 积分作用的强弱取决于积分时 间常数 越大 积分作用越弱 反之则越强 3 微分环节 能反映偏差信号的变化趋势 变化速率 并能在偏差信号值变得太大之 前 在系统中引入一个有效的早期修正信号 从而加快系统的速度 减少调节时间 2 2 2 2 FuzzyFuzzy PIDPID 控制原理控制原理 在工业控制过程中经常会碰到大滞后 时变 非线性的复杂系统 其中 有的参数未 知或缓慢变化 有的存在滞后和随机干扰 有的无法获得精确的数学模型 此时 模糊控 制是一种较好的解决方案 模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器 其优点是不 要求掌握受控对象的精确数学模型 而根据人工控制规则组织控制决策表 然后由该表决 定控制量的大小 在一般的模糊控制系统中 考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性 通常采用二维 模糊控制器结构形式 这类控制器都是以系统误差 E 和误差变化 EC 为输入语句变量 因此 它具有类似于常规 PD 控制器的作用 采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特 性 而静态性能不能令人满意 由线性控制理论可知 积分控制作用能消除稳态误差 但 动态响应慢 比例控制作用动态响应快 而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度 又能具有较高的动态响应 因此 把 PI 控制策略引入 Fuzzy 控制器 构成 Fuzzy PI 或 PID 复合控制 是改善模糊控制器稳态性能的一种途径 目前这种复合控制器有多种构成形式 其工作原理亦有差异 具体有引入积分因子的 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 开关切 换控制器 Smith Fuzzy 控制器 设定值迁移模糊 PID 控制器等 本控制系统使用的是 Fuzzy PID 开关切换控制器 3 3 控制系统总体设计控制系统总体设计 控制系统包括三个部分 温度控制 湿度控制 光照控制 所以系统内相应的包含三 个子控制器 温度控制器 湿度控制器 光照控制器 温度控制器采用模糊 PID 控制器来实现系统的高性能 从性能和实用两方面考虑 选用 Fuzzy PID 开关切换控制 湿度要求的精度比温度稍低 采用模糊控制器 光照控制相对 简单 因为光照灯照度与加在光照灯上的电压成函数关系 给定光照首先计算出对应电压 然后控制光照晶闸管控制器使之输出此电压 系统控制原理见图 2 4 4 温度模糊温度模糊 PIDPID 控制器设计控制器设计 4 4 1 1 温度模糊温度模糊 PIDPID 控制器工作原理控制器工作原理 图 3 为 Fuzzy PID 开关切换控制原理图 其基本控制思想是在大偏差范围内采用 Fuzzy 控制 在小偏差范围内转换成 PID 控制 两者的转换由微机程序根据事先给定的偏 差范围自动实现 Fuzzy PID 控制比 PID 控制有更快的动态响应 更小的超调 显然它比 Fuzzy 控制具 有更高的稳态精度 在实际中 PID 控制的三个参数是经过寻优得到的 模糊控制器的实现方法是将一系列模糊控制规则离线转化为一个查询表 又称为控制表 存储在单片机中供在线控制时使用 这种模糊控制器结构简单 使用方便 是最基本的一 种形式 4 4 2 2 模糊控制模块的设计模糊控制模块的设计 4 2 1 确定误差 误差变化 输出的论域及模糊控制规则 模糊控制器的结构采用单变 量二维模糊控制器 输入量选用误差 E 误差变化 EC 在确定论域过程中 增加论域中的 元素个数 即把等级细分 可提高控制精度 但要相应增大计算量并受计算机字长限 制 因此 把等级分得过细 对模糊控制来说显得必要性不大 一般 当论域中元素总数 为模糊子集总数的二至三倍时 模糊子集对论域的覆盖程度较好 误差 E 误差变化 EC 及控制量 u 的模糊集及其论域定义如下 E EC 和 U 的模糊集均为 NB NM NS ZO PS PM PB E 和 EC 的论域均为 一 6 一 5 一 4 一 3 一 2 一 1 0 1 2 3 4 5 6 U 的论域为 一 7 一 6 一 5 一 4 一 3 一 2 一 1 0 1 2 3 4 5 6 7 采用基于最大隶属函数法的 rF AND THEN 规则进行推理 得模糊控制规则表 如表 1 所示 4 2 2 输入量的模糊化 根据 e A e 所分的等级 将实际变化范围平均分为 13 挡 由 于 A D 转换是选用 11 通道 分辨率为 12xt 的 TLC2543 经 A D 转换后温度值 t 的取值 范围在 0 4 095 把给定值同样转换 No 4 095 之间 这样误差 e 的取值范围可能为一 4 095 4 095 然而实际上仅刚开始起动等很少时候可能达到 4 o95 b 实际取值范围比上 述范围小得多 为此 取 e 常用值为一 220 220 具体量化情况见表 2 4 2 3 求输出控制量 根据模糊控制规则表 1 有如下条件语句 IF e A AND e B THEN M C i 1 2 7 1 2 7 其中 A B 和 c 是定义在误差 e 误差变化 Ne 和控制量 u 的论域上的模糊集 根据输入量模糊量化后得到的误差 e 误差变化 e 可计算出相应的控制量变化值 得控 制表 见表 3 表 3 是一个 13 13 矩阵 逐行存储在片内 FLAsH 存储器中 设误差 误差变化的论域元素 分别为 l 可得控制量 u 的位置为 表首地址 13 X 7 7 4 2 3 控制量的去模糊化及输出 控制量的去模糊化比较方便 不同的控制量对应输出 回路晶闸管一个周期内不同数量的半波数 如表 4 所示 4 4 3 3 PIDPID 控制模块的设计控制模块的设计 根据数字 PID 控制原理 得离散化的 PID 表达式 P P k 一 1 K E 一 E 一 1 K E Ko E k 一 2E k 一 1 E k 一 2 P k 一 1 P 尸 P PD 设 R Y k 分别为给定值和输出值在 时刻的采样值 相应有程序框图 4 4 4 4