绣片柜模糊PID温湿度控制系统

简睿 彭莉

摘 要：

为解决绣片储存在高温、高湿环境中出现的绣线变色、绣布破损问题，设计了一个绣片柜模糊PID（Proportional Integral Derivative）温湿度控制系统。采用单片机STM32、风扇等元件共同构建硬件控制系统。通过将模糊PID控制温湿度值作为输入变量，脉冲宽度调制（PWM）红外管和风扇转速作为输出变量，实现对存储环境中温湿度的控制；使用矩阵实验室软件Matlab对模糊PID控制进行仿真分析。结果表明，与传统PID控制相比，加入模糊控制后，对温湿度的超调量分别由18.75%和15.34%降低至2.51%和2.46%，并且系统不易受外界干扰，能够快速稳定运行。以上结果说明模糊PID控制满足绣片储存的温湿度环境要求。

关键词：绣片储存；STM32；模糊PID；温湿度控制

中图分类号：TP273  文献标志码：A

0 引言（Introduction）

非物质文化遗产是我国人民长期生活实践的产物，保护和传承非物质文化遗产有助于社会实现可持续发展［1］。绣片作为非物质文化遗产，是苗绣的精髓体现，必须保存好原有样貌，才能保留其原生态的民间艺术价值。如果绣片被随意摆放在仓库，其存储环境中的温湿度未受管制，容易造成绣线变色、绣布破损问题。因此，有必要设计一个温湿度控制系统，改善绣片的储存环境，为非物质文化遗产保护工作提供重要支持。

对温湿度的控制，通常使用传感器检测当前环境中的温湿度，然后采用模糊PID控制器调节相应的运行设备。张坤鳌等［2］设计了温湿度联合控制系统，引入模糊灰狼PID算法，达到了优化系统性能的效果。ALIMUDDIN等［3］的温湿度控制系统采用模糊PID控制算法调节硬件设备，这些设备共同工作，将温湿度控制在设定点范围。裴刚等［4］通过模糊PID控制滚筒内的温湿度，并且在Matlab平台上进行验证实验。本文对绣片柜的温湿度控制系统的整体框架进行设计，采用模糊PID控制，利用Matlab进行仿真研究，探索模糊PID对绣片储存环境温湿度控制的可行性。

1  绣片柜温湿度控制系统整体框架设计（Overall frame design of the temperature and humidity control system）

绣片柜温湿度控制系统主要由主控制器、温湿度采集电路、启停按键模块、光电耦合继电器模块等部件组成（图1），主要硬件包括单片机STM32、陶晶驰串口显示屏、温湿度传感器DHT22、TLP521继电器驱动电路等，主要被控参数是温湿度值。通过绣片柜内的温湿度传感器收集存储环境的温湿度参数，并取平均值，然后与预先设定绣片储存温湿度进行差值比较，运用模糊PID算法控制输出PWM信号占空比控制继电器开闭的频率，再控制风扇转速、红外管功率和加湿模块，实现对内部环境参数的调控。外部电路由蜂鸣器和灯组成报警装置。

1.1 温湿度传感器数据提取

绣片柜为长方体，柜内不同位置的传感器的工作性能直接影响温湿度数据的可信度，因此选取两个位置布置温湿度传感器收集温湿度数据，以更好地掌握整个系统运行状态，温湿度传感器布置图如图2所示。

选取绣片柜对角线布置两个传感器，设定两个检测节点（①号、②号），得到两个点的温湿度数据并求平均值，进而更准确地了解绣片柜内的温湿度信息，减少单点数据可能存在的误差，提高数据的可靠性。

1.2 控制系统温度调控

每块绣片均为手工制作，储存环境的温湿度会影响绣片的保存时间和质量。如果环境温度过高或湿度过大，会导致绣线变色、发霉、变形等［5］。控制系统对温度的控制表现为当温度低于设定数值时，关闭风扇并启动加热装置提升温度；当温度高于设定数值时，系统则会打开风扇并关闭加热装置，实现降温处理。

1.3 控制系统湿度调控

常规的绣片储存标准：湿度范围为45%RH ～55%RH，低于最低湿度45%RH时，关闭风扇打开加湿设备；高于最高湿度55%RH时，打开风扇。如果温湿度都不是最佳数值时，先以温度调控为主。

1.4 温湿度控制系统硬件电路设计

硬件电路由主控制器、温湿度控制电路、继电器驱动电路、按键电路、显示电路及报警电路组成，温湿度控制系统硬件电路图如图3所示。本系统选取STM32F103RET6作为主控器；温湿度传感器选取DHT22，检测2个传感器取平均值得到环境温湿度值；继电器驱动电路选取继电器驱动红外管、超声波雾化模块加湿和电机驱动风扇；触摸显示屏可以设定和显示实时温湿度值。

1.4.1 温湿度数据采集模块

由于绣片柜的内部空间较大，因此选取设计紧凑的温湿度一体化传感器作为数据采集模块。温湿度传感器DHT22适用于对环境温湿度的测量，并被广泛应用于环境监测、温度控制及冷链物流等领域。温度测量范围为-40 ℃～80 ℃，湿度测量范围为0%～100%。传感器通过单线数字信号进行通信，适合与微控制器连接。此外，DHT22传感器还具有卓越的稳定性和快速的响应时间，能够准确地测量环境的温湿度［6］。

1.4.2 继电器驱动模块

TLP521是一款主要用于电路隔离和控制的光耦输出器件，其工作原理是利用输入端的光电二极管控制输出端的光敏三极管，从而实现电气隔离，并且能够有效地实现输入和输出之间的控制［7］。对于加热模块，可以使用TLP521继电器开关红外管。通过将TLP521继电器的输出端与驱动电路连接，可以实现对红外管的启停控制，也可以利用TLP521继电器控制加湿装置的开关。通过将TLP521继电器的输出端与加湿装置的控制电路连接，可以实现对加湿装置的启停控制。整个设计能够实现灵活地调节红外管和加湿装置的工作状态，满足温湿度控制系统的需求。

1.4.3 报警模块

报警模块的主要作用是实时检测绣片柜内的环境参数，及时发现异常情况。例如，当温度超过阈值（0 ℃～30 ℃）且相应模块无响应超过5 min，蜂鸣器和LED灯自动启动，直至按下复位按钮，蜂鸣器和LED灯停止工作。报警模块通过声光信号及时提醒工作人员查看绣片柜内的情况，并采取必要的措施。

2  绣片柜温湿度控制系统设计（Design of temperature and humidity control system for embroider patch cabinet）

设定适宜温度，由两个传感器检测温湿度值，由主控制器计算平均值，并得到温湿度差值。采用模糊PID控制红外管将环境温度加热到设定温度，超声波加湿模块将环境湿度加湿到设定湿度，直流驱动电机风扇散热除湿，达到自动控制调节环境温湿度的目的。温湿度控制流程图如图4所示。

3  模糊PID控制算法设计（Design of fuzzy PID control algorithm）

3.1 PID控制算法

PID控制算法是一种常用的控制算法，它将系统当前状态和目标状态之间的误差作为控制输入变量，通过比例、积分、微分实现系统的自动调节和控制。PID的输出量一般是控制系统的操作量，在温湿度控制中的输出量为各个模块的PWM值［8］。PID控制算法公式如下：

u（t）=Kpe（t）+Ki∫e（t）dt+Kdde（t）dt[JZ）][JY]（1）

其中：e（t）是温湿度误差，u（t）是PWM值，Kp、Ki、Kd分别是比例、积分、微分系数，将计算好的PWM值输入各个模块，达到所需的控制效果。在实验过程中，选用Z＼|N法得到初始PID参数，再经过反复调试，得到温度系数Kp1=0.8，Ki1=0.01，Kd1=3；湿度系数Kp2=1，Ki2=0.01，Kd2=5。

3.2 模糊PID算法设计

高温环境会导致绣片褪色，绣线变硬失去光泽。潮湿环境会导致绣片发霉，绣线腐烂变形，并且高温和潮湿环境都会使绣片纤维变得脆弱，容易断裂，因此精确控制绣片的储存环境就显得尤为重要［9］。传统PID算法中的Kp、Ki、Kd参数为常量，不能精确地控制温湿度，而模糊PID在控制器的输出计算上使用模糊逻辑，把常量参数替换为模糊参数，这些模糊参数可以通过模糊推理系统进行自适应调节，得到更好的温湿度控制效果。模糊PID控制原理图如图5所示。

以温度控制为例，将偏差e1、偏差变化率ec1作为输入值，模糊PID控制参数ΔKp1、ΔKi1、ΔKd1作为输出值。绣片储存温度要求控制在18 ℃～20 ℃，湿度控制在45%RH～55%RH。根据实际需求温度偏差e1论域为［-4，4］，温度偏差变化率ec1论域为［-3，3］，湿度偏差e2论域为［-2，2］，湿度偏差变化率ec2论域为［-3，3］。为了更好地描述控制变量，模糊子集{-3，-2，-1，0，1，2，3}分别对应{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。通过输入温度偏差e1、温度偏差变化率ec1，可以确定绣片存储环境的控制变量，温度误差、温度误差变化率隶属度函数图如图6所示。

选取三角形隶属度函数，其形状简单，参数少，方便计算，因此适用于各种模糊逻辑和模糊控制［10］。[HJ1.5mm]

为达到最佳的控制效果，结合专家经验和实践总结，对ΔKp、ΔKi、ΔKd进行调整，调整过程中需要遵循以下原则。

（1）在温度偏差较大时，为了使系统的响应速度更快，同时防止微分过饱和引起超调，需要将ΔKp设置较大，将ΔKi、ΔKd设置较小。

（2）在温度偏差中等时，为了保证系统的响应速度，同时降低超调量，需要将Kp设置较小，并且不断调节ΔKi，减小系统稳态误差。

（3）在温度偏差较小时，为了提升系统的稳态性，需要增大ΔKp、ΔKi。

根据以上原则，采用温度控制输入e1、ec1和输出ΔKp、ΔKi、ΔKd建立模糊规则表，如表1所示。

采用重心法进行解模糊化处理。根据每个模糊集合的重心，计算加权平均值，最终得到的数值即解模糊后的控制动作，表示整体的输出值，输出值由公式（2）计算得出。

U=∑[DD（]49[]k=1[DD）]UvVk（Vk）∑[DD（]49[]k=1[DD）]Uv（Vk）[JZ）][JY]（2）

其中：U表示输出值，Vk表示模糊控制量论域的各项参数值，Uv（Vk）表示对应的隶属度值。

4 Matlab仿真（Matlab simulation）

温湿度变化通常具有惯性和滞后性的特点，因此采用阶跃响应建立温湿度控制数学模型，即G（s）=ke-τsTs+1，根据该模型可得到绣片柜内温度的传递函数模型G1（s）=e-79s85s+1，湿度的传递函数模型G2（s）=e-53s49s+1，设定值分别为0 ℃、0%RH，设定适宜温湿度分别为20 ℃、50%RH。

根据温度传递函数建立仿真模型，其中包括传统PID控制和模糊PID控制，温度控制Simulink模型如图8所示。

根据图9中的结果，无论使用传统PID控制还是模糊PID控制，都能够将温度控制在目标范围内，即18 ℃～20 ℃。然而，传统PID控制所需的温度调节时间约为412 s且超调量达18.75%。相比之下，采用模糊PID控制后，温度系统的调节时间缩短至198 s且超调量几乎为0。因此，采用模糊PID控制方式可以获得更高的控制精度和更短的响应时间，也可以更好地保持系统的运行稳定性和温湿度控制的准确性。

根据图11中的结果，无论使用传统PID控制还是模糊PID控制，能够将湿度控制在目标范围内，即45%RH～55%RH。PID控制的调节时间约为301 s，超调量为15.34%。然而，采用模糊PID控制后，系统的调节时间从原先的301 s降至224 s，超调量降至2.46%。综合对比显示，在湿度控制时采用模糊PID控制方式能够获得更好的控制效果，调节时间缩短。

为了验证和评估传统PID控制、模糊PID控制方法在系统稳定运行期间对升温或升湿指令的跟随性和控制精度的效果，研究人员对温度仿真模型进行了一次在600 s时添加5 ℃（5%RH）幅值的温（湿）度突变。如图12所示，可以观察到模糊PID温湿度控制都能有明显改善。

5 结论（Conclusion）

本文针对绣片储存环境恶劣和PID控制存在响应速度不够快和检测精确度不足的缺陷，提出一种基于模糊PID绣片柜温湿度控制系统。采用单片机STM32、温湿度传感器DHT22等元件对绣片柜温湿度控制系统进行硬件电路设计，通过Matlab平台搭建仿真模型。结果表明，采用模糊PID控制温度调节时间由412 s降低至198 s，湿度调节时间由301 s降低至224 s，并且当加入干扰因素后，系统的可调优性变得更好且有较强的自适应能力，其各项指标比传统PID控制都有明显的提升，并且能够满足绣片储存所需的温湿度控制要求，保证绣片品质，在非物质文化遗产保护领域具有一定的应用价值。

参考文献（References）

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［2］ 张坤鳌，常云磊. 基于模糊灰狼PID的发酵仓解耦控制系统研究［J］. 电子测量技术，2023，46（7）：19＼|23.

［3］ ALIMUDDIN A，ARAFIYAH R，SARASWATI I，et al. Development and performance study of temperature and humidity regulator in baby incubator using fuzzy＼|PID hybrid controller［J］. Energies，2021，14（20）：6505.

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作者简介：

简 睿（1998＼|），女，硕士生。研究领域：嵌入式系统，产品开发设计。

彭 莉（1975＼|），女，硕士，副教授。研究领域：产品创新，产品开发设计。