一种密集烤房控制器的温湿度控制算法

摘要

本发明公开的一种密集烤房控制器的温湿度控制算法，涉及设施农业中的环境控制技术领域，采用优化的PID算法，并由控制器实现温湿度的精准控制；所述控制器包括PID控制器、继电器环节和校正PID参数的模糊控制器，PID控制器完成控制算法，计算出输出控制量；继电器环节实现PID控制器的初始参数；模糊控制器根据偏差e和偏差变化率e_c，在线实时调整PID的参数K_P、K_i和K_D，使PID控制器具有自适应能力，从而使系统时刻处于最优的控制状态；具有能计算出烤房内各环境条件参数及其变化量、进而实现精准控制烤房温湿度等特点，可用于国内不同经纬度地区密集烤房的温湿度控制器进行控制计算。

主权项

一种密集烤房控制器的温湿度控制算法，其特征在于：采用优化的PID算法，并由控制器实现温湿度的精准控制；所述控制器包括PID控制器、继电器环节和校正PID参数的模糊控制器，PID控制器完成控制算法，计算出输出控制量；继电器环节实现PID控制器的初始参数；模糊控制器根据偏差e和偏差变化率e_c，在线实时调整PID的参数K_P、K_i和K_D，使PID控制器具有自适应能力，从而使系统时刻处于最优的控制状态；其具体算法为：首先，由继电器环节的继电整定方法获取系统初始PID参数k_p1、k_i1、k_D1，继电整定是通过将控火门固定在一定的开度，加热烤烟房，经过一定时间后，系统温度处于一个相对稳定的状态，再根据系统的运行曲线求得振荡幅值A和振荡频率w_c，进而建立PID初始控制参数的算法，其计算式如下：$k_c=\frac{4d}{\mathrm{\pi A}},T_C=\frac{2\pi }{w_c},$K_p1＝0.6K_c，K_i1＝0.5T_c，K_D1＝0.125T_c。k_C为系统增益，A为正弦幅值，d为回路环幅值，w_C为系统振荡频率,T_C为系统振荡幅度,π取值为3.14；接着，模糊控制器将偏差e和偏差变化率e_c模糊化与量化，通过模糊化与量化之后的e和e_c解模糊、并结合采用扩充临界比例度法获得的参数整定表，由模糊控制器得出相应的测定参数变化量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_D，然后，在线实时调整PID的参数K_P、K_i和K_D，并且将模糊化后的e和e_c存放到模糊规则库中，供下次参考，使PID控制器具有自适应能力；其后，由继电整定得出PID的初始控制参数K_p1、K_i1、K_D1，并结合由模糊控制器得出相应的测定参数变化量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_D，进而建立基本PID控制器的实际参数的算法，其计算式如下：K_p＝K_p1+ΔK_p，K_i＝K_i1+ΔK_i，K_D＝K_D1+ΔK_DK_p为PID控制比例系数，K_i控制积分系数K_D为控制微分系数，K_p1、K_i1、K_D1分别为P比例、积分和微分初始化参数，ΔKp、ΔKi、ΔK_D分别为由模糊控制器得出的控制比例、积分和微分的测定参数变化量；再通过试验和经验积累获得模糊控制表，同时，采用积分分离算法避免积分饱和；比例(P)控制是根据当前温湿度与设定温湿度的偏差做出相应的控制调整：干球温度P值计算式为：P₁＝实际的干球温度/设定的干球温度，湿球温度P值计算式为：P₂＝实际的湿球温度/设定的湿球温度，温湿度控制方式为：当P₁(P₂)>1时，说明烤房内的温度或湿度偏高，系统处于不平衡的状态，需进行降温或排湿的操作；当P₁(P₂)＝1时，说明烤房内的温度和湿度适当，系统处于平衡的状态，需进行保持当前的状态；当P₁(P₂)<1时，说明烤房内的温度或湿度偏低，系统处于不平衡的状态，需进行升温或保湿操作；积分(I)控制是根据烤房内温湿度单位时间内变化的均匀度来进行控制调整：干球温度I值计算式为：pid.Integral1＝[r1(k)‑y1(k)]/t，其中y1(k)是下一个目标温湿度值，r1(k)为前一个目标温湿度值，t是时间，pid.Integral1表示在t时间内干湿球理论变化率；湿球温度I值计算式为：pid.Integral2＝[r2(k)‑y2(k)]/t其中y2(k)是目标温湿度值，r2(k)为当前温湿度值，t是时间，pid.Integral2表示在t时间内干湿球实际变化率；温湿度控制方式为：当pid.Integral1＝pid.Integral2时，说明干湿球的变化是均匀的，不需要经行任何操作；当pid.Integral1>pid.Integral2时，说明干湿球的变化过慢，如果是干球，则要开启鼓风机，加快升温，如果是湿球，则要关闭风门，让湿度上升；当pid.Integral1<pid.Integral2时，说明干湿球的变化过快，如果是干球，则要关闭鼓风机，升温减慢，如果是湿球，则要开启风门，让湿度降低；微分(D)控制是根据当前温湿度与目标温湿度的差和干湿球温度变化率来进行控制调整，当前温湿度到达目标温湿度时，干湿球温度的变化率应为0；结合烟叶烘烤的实际情况，采用的算法方案为：目标温湿度‑当前温湿度≤0.5度时，每隔6分钟开始计算干湿球的温度变化率，并且进行相应的操作；前一个6分钟干湿球的变化率计算式为：pid.Differential1＝[T1(k)‑S1(k)]/t1,其中T1(k)为前一个6分钟目标温湿度值，S1(k)为前一个6分钟当前温湿度值，t是时间，t＝0.1小时，pid.Differential1表示前一个6分钟干湿球的变化率；下一个6分钟干湿球的变化率计算式为：pid.Differential2＝[T2(k)‑S2(k)]/t2，其中T2(k)为下一个6分钟目标温湿度值，S2(k)为下一个6分钟当前温湿度值，t是时间，t＝0.1小时，pid.Differential2表示下一个6分钟干湿球的变化率；温湿度控制方式为：当pid.Differential1<pid.Differential2时，说明干湿球的变化率在减少，此时不需要经行任何操作；当pid.Differential1≥pid.Differential2：说明干湿球的变化率没有下降，此时要做相应的操作，使得干湿球的变化率下降，当到达目标干湿度时，其变化率为0。