基于PID算法的温室内温湿度智能控制系统

鲍义东，陈 果，钟国荣

（贵州航天智慧农业有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

PID算法是一种采样控制算法，通过对控制量的计算得出准确可行的计算机控制语言，由于该算法具有计算结果进准度高，计算过程中不需要建立数学模型，应用起来简单快捷，被广泛应用到各个领域中。温室内温湿度智能控制系统可用于农作物生长环境的实时监测，根据控制算法的设置，为温室制造出最适合农作物生长的温湿度环境。传统温室内温湿度控制系统由于控制精准度低、控制不稳定等问题，已无法满足植物养殖的需求[1]。所以运用PID算法设计温室内温湿度智能控制系统，提高系统对温室温湿度控制的精准度。

1 温室内温湿度智能控制系统设计

1.1 系统硬件设计

系统的硬件结构设计由微处理器、传感器以及电源电路等设备构成。微处理器是系统的控制板块，同时也是系统的核心部分，该设备是负责执行系统的控制指令[2]。为了保证系统对温室温湿度智能高效控制功能，此次选用14位SLZ系列单片机SLZ2016-558微处理器，该设备采用先进的PPC结构，绝大多数系统控制指令可以在15秒钟内完成，具有较高的运行速度，该设备具有内外多种中断工作模式，有利于系统中断程序的设计和低电压检测功能的实现[3]。由于该微处理器具有低功耗特点，增加了系统的工作时间，在设备安装时，设备工作电压要控制在2.6～4.3V范围内，保证微处理器平稳顺利运行。

硬件设计上选用了温度和湿度两种传感器。在温室内外各安装一套温湿度传感器，并将传感器的传输方式设置为模拟量传输，其具体性能指标设置为：温度传感器型号为TL-W，测量范围0～60℃，输出为Rs600，误差为0.01；湿度传感器型号为TL-N，测量范围0～95%RH，输出为Rs500，误差为0.01。

为了保证电源电压稳定，系统在运行时一般采用4.5V电压供电，并且分别在系统输入端口和输出端口安装经线性稳压电源LMIII9GT-3.0V和LMIII9GT-1.5V，将系统的供电电压降低到3.0V和1.5V。其中3.0V供电电压负责无线传感器电压，1.5V供电电压是为微处理器提供电压的。下图为系统电源电路图。

图1 基于PID算法的温室内温湿度智能控制系统电源电路图

1.2 系统软件设计

软件设计通过PID算法实现的，PID算法要与系统的调节指标保持一致，以此保证系统的控制效果。为设计出符合系统控制要求的目标函数，需要对温室内温湿度智能控制系统进行分析，选择主要的控制变量和状态变量，其中控制变量是温室内要达到的温湿度要求，它是系统的输出变量，状态变量是指温室内的温度和湿度情况，它是系统的输入变量，在系统运行过程中，状态变量要对系统的关键特征进行描述；对控制标量和状态变量要运用目标函数对其进行推演计算，将计算出来的控制变量利用微处理器对其进行指令分配，由执行装置执行控制指令，以此完成PID算法设计。PID算法实现步骤如下：

将温室的温度和湿度设为PID算法的目标函数，其函数公式如下：

式中，w为温室内平均温度；s为温室内平均湿度；Mp为系统的超调量；ts为系统的调节时间；e-a为系统控制误差。PID算法的具体步骤如下：

确定温室温度和湿度参数的大致范围和编码长度，对其进行编码。将公式（1）计算出来的所有参数个体构成参数集，并将目标函数解集解码成对应的参数值。最后通过误差将所有的参数值进行调节，达到温室内温湿度的预定指标。

2 实验对比

为了证明此次设计系统的可靠性和实用性，将其与传统控制系统进行了一组对比实验。将两种系统应用于一个葡萄种植温室，实现对该温室的温湿度环境参数的实时监控。两种系统选用相同的控制系统Windows8，控制时间设置为8小时，系统每一个小时采集1次温室内温湿度数字信号。将基于PID算法的温室内温湿度智能控制系统用系统1表示，将传统系统用系统2表示，表1为两种系统采集到具体数据。

表1 两种系统采集到温室温湿度数据

检验对比两种系统在规定时间内对温室内温湿度控制的精准度。图2为两种系统的实验结果。

图2 两种系统控制精准度

从图2可知，基于PID算法的温室内温湿度智能控制系统在8小时内控制精准度都在80%以上，最优达到90%，比传统系统高出10%。传统系统在的控制精准度最低达63%，最高仅为82%，且对温室内温湿度的控制不稳定。实验证明此次设计的系统可精准的控制温室内的温湿度。

3 结束语

将PID算法应用到温室内温湿度智能系统设计中，有效提高了系统的控制精准度，但由于该系统还有不足之处，还需在实际应用中不断完善，保证系统对温室内环境参数的最优控制，同时还要优化PID算法，使系统更为有效。