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基于模糊PID智能控制算法的烤烟房温湿度无线监控系统

摘要：实现了基于模糊PID智能控制算法的烤烟房温湿度无线

监控系统。本系统实现分布式无线远程数据传输、温湿度监控的

综合管理平台，对分散于不同地理位置的烤烟房温湿度采集点使

用GPRS通信模块将数据集成到监控中心。对温湿度的调节使用

模糊PID智能算法实现调节，克服了以往温湿度监控系统采集速

度慢、精确度和灵敏度低等缺点。

关键词：温湿度，智能监控，无线通信，PID

1关键技术分析

拟设计的烤烟房温湿度无线监控系统采用模糊PID智能

控制方法，模糊数学的知识模仿人脑的思维方式，对模糊现象进

行识别和判决，给出精确的控制量，对被控对象进行控制。

1.1控制算法

数字PID控制算法是用求和代替积分、用后向差分代替微

分，使模拟PID离散化为差分方程的方法实现PID控制规律的

方法。随着PID控制方法的发展，一些学者提出了对传统PID

控制算法进行改进，例如对饱和问题及其抑制、数字滤波和Smith

预估器等方面的改进，但由于传统控制方法是基于被控对象精确

模型的控制方式，缺乏灵活性和应变能力，适于解决线性、时不

变性等相对简单的控制问题，难以解决对复杂系统的控制。

1.2模糊控制

模糊控制是用模糊数学的知识模仿人脑的思维方式，对模

糊现象进行识别和判决，给出精确的控制量，对被控对象进行控

制的一种智能控制方法。模糊控制的基本思想：首先根据操作人

员手动控制的经验，总结出一套完整的控制规则，再根据系统当

前的运行状态，经过模糊推理、模糊判决等运算，求出控制量，

实现对被控对象的控制。智能模糊控制阶段具有人工智能的特

点，能对原始规则进行修正、完善和扩展，通用性强。

1.2.1模糊PID控制器

在本研究设计中为了提高控制精度和灵敏度，采用模糊方

法根据偏差和偏差的变化率,对常规PID控制器进行修正，通过

模糊推理来调整PID参数,构成模糊PID控制.系统结构如图1所

示。

烟叶烘烤过程中，温度控制主要体现为恒温控制和均匀升

温控制。自适应模糊控制由模糊推理和常规PID控制两部分组

成，模糊推理环节实质上是模糊控制器，模糊控制器的输入为偏

差e和偏差变化率e\-c，输出为△K\-p，△K\-i和△K\-d。确

定PID的3个参数和偏差e与偏差变化率e\-c之间的模糊关系也

就是PID参数模糊自整定的过程。在运行过程中根据e与e\-c

的变化，依据模糊控制原理对3个参数进行在线修改，从而使被

控对象具有良好的动态、静态性能。

模糊参数调节器的输入量是烘烤房温度或湿度的偏差e

和偏差变化率e\-c，输出量是PID参数的修整量△K\-p、△K\-i

和△K\-d

因子，见表1。

根据输入输出变量的隶属度函数求得各语言变量的赋值，

再根据语言变量的赋值，经模糊推理得到控制集，各控制参数的

数值是通过对此模糊控制集的解模糊化而得到的。

1.2.2模糊推理与解模糊化

2系统实现

监控系统的整体设计以分布式监控系统体系结构为基础，

整体结构由现场级的温湿度智能监控节点，GPRS无线通信网络

和上位高档PC机构成的控制中心三部分组成。

2.1硬件实现

2.1.1监控节点硬件设计

从现场接近程度来划分，温湿度传感器模块、主控单片机

监测模块和无线通信模块构成了监测点的温湿度智能监控节点，

监控节点电路如图3所示。其中温湿度传感器采用瑞士盛世瑞恩

Sensirion传感器公司的数字式温湿度传感器SHT11，该产品具有

精度高、价位低、稳定性好等优点；主控单片机检测模块采用上

海宏晶科技公司的STC89C系列的STC89C54RD单片机；无线

通信模块采用性价比较高的SIM300C实现无线数据传输功能，

RF天线匹配采用非直接连接法，阻抗为50Ω，与模块射频部分

的传输阻抗匹配电缆另一端连接同样阻抗的天线，减小回波反

射。无线通信模块结构如图4所示，SIM卡插入接口卡位，

SIM300C模块与STC