基于滞后时间削弱器的大棚温度模糊PID控制系统

李文勤 王明华 丁锐 王铁广 李明

摘 要：针对大棚温度是一个离散的时滞系统，导致温度较难控制这一问题，该研究提出一种基于滞后时间削弱器的模糊PID控制方法。首先，依据能量平衡原理建立大棚温度的数学模型，并将其视为纯滞后和一阶惯性环节的组合，进而在试验数据拟合的基础上确定模型参数;然后，采用模糊PID与滞后时间削弱器结合控制的方式，通过反馈的方式修订系统模型，以降低纯滞后环节对系统性能的影响;并以某花卉大棚为例在MATLAB中进行建模仿真。仿真结果表明，滞后时间削弱器参与控制的模糊PID控制系统能有效地改善滞后环节的影响，系统无超调、无稳态误差，上升时间比PID缩短73.4%，比模糊PID缩短26.9%，且在调节时间上，带滞后时间削弱器的模糊PID控制比传统PID和模糊PID分别缩短77.4%、79%。

关键词：大棚;温度模型;模糊控制;PID;滞后时间削弱器

中图分类号 S24  文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）20-0110-04

Fuzzy PID Control System of Greenhouse Temperature Based on Lag Time Reducer

LI Wenqin et al.

（College of Machinery and Transportation， Southwest Forestry University， Kunming 650224， China）

Abstract： Aiming at the problem that the greenhouse temperature is a discrete time-delay system， which makes it difficult to control the temperature，this paper proposes a fuzzy PID control method based on the lag-time attenuator. First，establish a mathematical model of greenhouse temperature based on the principle of heat balance， and treat it as a combination of pure lag and first-order inertia， and determine the model parameters on the basis of test data fitting; then， use fuzzy PID and lag time attenuator Combined with the control method， the system model was revised through feedback to reduce the impact of the pure lag link on the system performance; a flower greenhouse was used as an example to model and simulate in MATLAB. The simulation results show that the fuzzy PID control system with the lag time attenuator participating in the control can effectively improve the influence of the lag link. The system has no overshoot and steady-state error. The rise time is shortened by 73.4% compared with PID and 26.9% compared with fuzzy PID. In terms of adjustment time，the fuzzy PID control with lag time attenuator is shortened by 77.4% and 79% respectively than the traditional PID and fuzzy PID.

Key words： Greenhouse; Temperature model; Fuzzy control; PID; Lag time reducer

中国是一个人口大国、农业大国，随着农业技术的不断发展，大棚技术得到了广泛应用。大棚技术的进步不仅能提高我国农业现代化水平，降低人工成本，还增加了农作物产量，推动我国经济发展[1，2]。但我国现阶段大棚水平仍处于人工控制和半自动化阶段，劳动生产率与控制精度仍然有很大的进步空间[3，4]。而温度是大棚作物生长最重要的因素之一，直接关系到作物产量水平。作物的呼吸作用，光合作用都需要在适宜的温度下进行[5-7]。但在大棚环境中，温度是一个较难控制的因素，主要是因为温度具有非线性、时滞性等特点。

目前，对大棚温度的控制多采用PID控制和模糊控制等方法，PID控制器适用于线性好的系统，但对于复杂非线性系统具有明显的局限性;而模糊控制過度依赖专家经验，难以建立一套系统的控制理论来解决模糊控制的机理、稳定性分析、系统设计方法等一系列问题。采用模糊PID对大棚温度系统进行控制，不仅能解决模糊控制没有积分项导致系统容易存在稳态误差的问题，还能解决PID控制鲁棒性不足的缺点。故将PID控制和模糊控制相结合，对大棚温度控制系统进一步优化。

针对温度控制的大滞后性，可采用Smith预估控制器和滞后时间削弱器等方法。其中，Smith预估控制器可以从理论上解决温度大滞后性的问题，但在控制过程中需要控制系统的精确模型，模型仅存在微小误差仍会对系统造成较大影响，而滞后时间削弱器不仅能解决温度系统中的大滞后性问题，还能降低控制难度，故而本文采用带滞后时间削弱器的模糊PID控制方法，以提高系统的运行性能。