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基于Fuzzy—PID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：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：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 Fuzzy—PID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；㈤工作时问：连续；㈦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 Fuzzy—PID控制原理 2．1 数字PID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 Fuzzy—PID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 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，