基于模糊自整定PID智能家居温度控制系统研究

魏立明,　邢文白,　林　晶

(吉林建筑大学 电气与计算机学院, 吉林 长春　130118)

基于模糊自整定PID智能家居温度控制系统研究

魏立明,邢文白,林晶

(吉林建筑大学 电气与计算机学院, 吉林 长春130118)

摘要：针对温度控制系统的非线性和不确定性等特点以及常规PID的缺陷,提出一种模糊自整定PID控制系统的设计方法,实现对PID参数的在线调整,通过输出的控制量驱动相应的执行机构来调节房间内的温/湿度,从而达到控制的目的。在MATLAB/Simulink建立仿真模型,对比常规PID控制和模糊自整定PID控制的仿真曲线。结果表明,模糊自整定PID控制系统具有更好的鲁棒性和控制性能。

关键词：温度控制系统; 模糊自整定PID控制; 常规PID控制; 仿真

0引言

房间的温度受很多因素的干扰,如太阳辐射、照明设备、电气设备以及人自身所产生的热等,这些干扰因素存在着一定的不稳定性和季节变化性。常规的PID控制一般适用于线性系统,而针对一些非线性、不确定性系统,常规的PID控制效果不理想,而且不能根据实际情况实时调整PID参数[1]。

针对常规PID控制的缺点,本文提出了一种模糊自整定PID控制的设计方法,利用模糊逻辑控制工具箱对控制器进行在线调整,满足其控制要求。

1控制系统模型的建立

在温度控制系统中,通过安装在房间内的温/湿度传感器,检测室内外环境温/湿度等参数,将测量到的模拟信号转换为数字信号后送给控制器。控制器按照模糊PID算法对检测到的温差值和原设定的温差值的偏差进行运算,输出到信号控制变频器,再由变频器控制空调中风机的转速,改变风量,从而调节房间内的温度、湿度[2-3]。房间温度受室内、室外等各种因素影响,具有多干扰性和不确定性。因此温度控制系统采用带滞后环节的一阶简化模型,其传递函数为

(1)

式中:K——放大系数;

τ——纯滞后时间;

T1——时间系数。

2模糊自整定PID控制器的设计

2.1控制器原理及结构框图

模糊PID控制器是以温差e和温差变化率ec作为模糊控制器的输入,以PID参数Kp、Ki、Kd作为模糊控制器的输出,利用模糊控制规则对PID参数进行在线调整,通过输出的控制量,驱动相应的执行机构以减小偏差,直到把房间温度控制在允许范围内。模糊自整定PID控制器如图1所示。

图1　模糊自整定PID控制器

2.2模糊PID控制器的算法设计

将温差e和温差变化率ec模糊化后,得到模糊量E和EC。设模糊量E、EC和Kp、Ki、Kd的模糊子集均为{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB},论域均为[-33],量化因子Ke=1,Kec=3,各输入输出均服从三角形隶属函数曲线分布。以温差e为例,隶属函数如图2所示。根据参数整定原则和实际操作经验,得到Kp、Ki、Kd模糊整定规则,如表1所示。

图2　隶属函数曲线

Kp/Ki/KdNBNMNSZOPSPMPBecNBPB/NB/PSPB/NB/NSPM/NM/NBPM/NM/NBPS/NS/NBZO/ZO/NMZO/ZO/PSNMPB/NB/PSPB/NB/NSPM/NM/NBPS/NS/NMPS/NS/NMZO/ZO/NSNS/ZO/ZONSPM/NB/ZOPM/NM/NSPM/NS/NMPS/NS/NMZO/ZO/NSNS/PS/NSNS/PS/ZOZOPM/NM/ZOPM/NM/NSPS/NS/NSZO/ZO/NSNS/PS/NSNM/PM/NSNM/PM/ZOPSPS/NM/ZOPS/NS/ZOZO/ZO/ZONS/PS/ZONS/PS/ZONM/PM/ZONM/PB/ZOPMPS/ZO/PBZO/ZO/PSNS/PS/PSNM/PS/PSNM/PM/PSNM/PB/PSNB/PB/PBPBZO/ZO/PBZO/ZO/PMNM/PS/PMNM/PM/PMNM/PM/PSNB/PB/PSNB/PB/PB

通过模糊推理,求得e、ec与Kp、Ki、Kd之间的模糊关系。控制系统采用最大隶属度法进行解模糊判决,从而得到ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊调整规则,如表2所示。

表2ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊调整

ΔKp/ΔKi/ΔKd-3-2-10123ec-33/1/-33/-3/-23/-3/23/-1/-12/-3/-11/-3/00/1/0-23/1/-33/-3/-23/-3/-13/-1/-12/-3/-00/-3/00/1/0-12/0/-22/-2/22/-2/-12/-1/01/-2/00/-2/0-1/0/-102/0/11/-1/11/-1/00/-1/0-1/-1/0-1/-1/-1-1/0/-111/0/10/2/0-1/1/0-2/0/0-2/1/1-2/2/2-2/0/220/1/00/3/0-2/1/0-3/1/1-3/3/1-3/3/2-3/1/230/1/01/3/0-2/2/1-3/2/1-3/3/2-3/3/3-3/1/3

通过实时计算出的温差e和温差变化率ec,从表2中分别查出PID控制器三个参数的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd,然后计算出PID的实际参数:

Kp=ΔKp+Kp0

Ki=ΔKi+Ki0

Kd=ΔKd+Kd0

(2)

式中:Kp0、Ki0、Kd0——参数初始值。

将Kp、Ki、Kd三个参数带入增量式PID算法,即可实现对温度的有效控制。

3MATLAB/Simulink仿真

根据建立的数学模型,设房间温度模型的传递函数[4]为

(3)

采用衰减曲线法整定PID参数,设定PID控制器的参数Kp0=8.55、Ki0=9.7、Kd0=0.0416。衰减曲线法整定PID控制器参数如表3所示,其中tr为上升时间,Ts为两个相邻波峰间的时间间隔。

表3衰减曲线法整定PID控制器参数

控制器类型衰减比例度δs/%积分时间微分时间P100∞0PI1202tr或0.5Ts0PID801.2tr或0.3Ts0.4tr或0.1Ts

在Simulink环境中,常规PID控制和模糊自整定PID控制的仿真模型如图3、图4所示。

图3　常规PID控制仿真模型

图4　模糊自整定PID控制仿真模型

模糊自整定PID控制仿真模型中包括两个封装模块PID控制器和PID控制器1,它们的内部结构分别如图5、图6所示。

图5　PID控制器的内部封装

图6　PID控制器1的内部封装

设仿真时间为500 s,系统运行后仿真曲线如图7所示。

由图7可知,常规PID控制的最大超调量为33%,调节时间为300 s;模糊自整定PID控制的最大超调量为1%,调节时间为150 s,因此模糊自整定PID控制较常规PID控制的响应速度快,超调量小,具有更好的鲁棒性和适应性。

图7　系统运行后仿真曲线

4结语

针对复杂的温度控制系统,本文设计了模

糊自整定PID控制器,结合PID和模糊控制的优势,实现了对控制参数的在线修改。在Simulink环境中建立了常规PID控制和模糊自整定PID控制的仿真模型。仿真结果表明,模糊自整定PID控制系统具有调节时间短、超调量小、动态特性和控制效果好等优点,是室内房间温度控制系统的最佳选择。

[1]薄俊青.基于模糊自整定PID的中央空调温度控制系统设计[J].河北电力技术,2014,33(4):14-15.

[2]黄金侠.模糊自整定PID在工业温度控制系统中的应用与研究[J].长沙通信职业技术学院学报,2011,10(4):103-105.

[3]吕南南.基于模糊PID的通信机房温度调节节能系统的研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2009.

[4]张德丰.MATLAB/Simulink建模与仿真实例精讲[M].北京:机械工业出版社,2010.

Research About Room Temperature Control System Based on Fuzzy Logic Self-turning PID

WEI Liming,XING Wenbai,LIN Jing

(School of Electrical and Computer, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China)

Abstract：Aiming at the nonlinearity and uncertainty of temperature control system and the shortcomings of conventional PID,this paper proposed a new method of fuzzy logic self-turning PID control system,which realized the on-line adjustment of PID parameters.The output control volume drived the corresponding actuator to to control the temperature and humidity of room.A simulation model was established in MATLAB/Simulink,and the simulation curves of conventional PID control and fuzzy logic self-turning PID control were compared.The simulation results show that the fuzzy logic self-turning PID control system has better robustness and control performance.

Key words:temperature control system; fuzzy logic self-turning PID control; conventional PID control; simulation

中图分类号：TU 855

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)05-0001-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.001

收稿日期：2016-04-28

邢文白(1992—),男,硕士研究生,研究方向为建筑电气与智能化。

林晶(1990—),女,硕士研究生,研究方向为建筑电气与智能化。