0 引 言

传统的窗帘必须用手去拉动，特别是别墅、复式房或写字楼等的大窗帘，比较厚重宽大，开关窗帘费时费力.遥控电动窗帘只要轻按一下遥控器，窗帘就自动开合(百叶窗可以自动旋转) [1-2].

这时，自控窗帘便应运而生.它不仅能提供电动窗帘的功能，还可随着室内光强的变化进行智能调节，能够大大提高了居住的舒适度.本文设计实现了一个基于模糊PID的窗帘自动控制系统模型，其控制器采用基于ATMega2560单片机的Arduino Mega2560开源开发平台，用户可以通过手机和上位机对窗帘进行遥控，设定室内的光强度，实现窗帘开度的自动控制[3-4].

Properties of tailings and the law of deposition about tailings dam constructed by upstream and centerline methods

1 系统总体设计与MATLAB仿真

1.1 系统总体设计思路

  

图1 系统结构模型Fig.1 System structure model

基于模糊PID的窗帘控制系统主要由数据采集模块、电机驱动模块、电源模块、控制器、显示模块、报警模块、通讯模块、供电模块和窗帘传动装置组成.其中通讯模块选择采用蓝牙模块.数据采集模块采用光强度传感器和限位传感器组成，通过光强度传感器确定当前光强，利用限位传感器来限定窗帘的位置.控制器将传感器的数据模糊化、解模糊化、进行PID运算，最终将输出值线性变换，转换成电机的驱动时间，对窗帘进行控制.在控制的过程中将一些必要的数据和提示传送到显示模块和蓝牙通讯模块，上位机通过通讯模块与主机相连，同时接收数据，并显示，同时也可以发送控制信号给主机进行窗帘控制.图1为系统结构模型.

1.2 模糊PID控制器设计及其MATLAB仿真

本文进行模糊控制器设计时将使用MATLAB中的模糊逻辑设计工具箱(fuzzy logic designer)，使用该工具箱可以避免很多复杂的模糊数学运算以及计算上的错误，大大提高了设计的速度与仿真的精确度.

典籍描述的讼师形象，大多丑陋不堪，最典型的是清初方汝浩《禅真逸史》第二十四回“伏威计夺胜金姐，贤士教唆桑皮筋”里的讼师管贤士，原文是这样描述他的：

如图2为模糊PID控制器的结构图.

  

图2 模糊PID控制器结构Fig.2 Fuzzy PID controller structure

1.2.1 确定控制器的输入变量和输出变量及其隶属函数

解模糊化算法采用MIN-MAX-重心法(Mamdani推理法).如图8为模糊控制器规则图.

 

(1)

输出是PID控制器的3个参数的增量dKp、dKi、dKd，在经过输出量化后，变成Kp、Ki、Kd.

 

(2)

将e(k)模糊化为E(k)，其论域为[-5, 5]，取7个语言值，NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL[5].其隶属函数曲线如图3所示.

dKp的论域为[-0.3, 0.3]，dKi的论域为[-0.06, 0.06]，dKd的论域为[-3, 3]，它们每个都取7个语言值，NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL.

  

图3 E(k)隶属函数曲线Fig.3 E (k) membership function curve

  

图4 EC(k)隶属函数曲线Fig.4 EC (k) membership function curve

  

图5 dKp隶属函数曲线Fig.5 dKp membership function curve

  

图6 dKi隶属函数曲线Fig.6 dKi membership function curve

  

图7 dKd隶属函数曲线Fig.7 dKd membership function curve

dKp、dKi、dKd的隶属函数曲线如图5、图6、图7所示.

将ec(k)模糊化为EC(k)，其论域为[-3, 3]，取7个语言值，NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL[6].其隶属函数曲线如图4所示.

Kd[e(k)-e(k-1)]

1.2.3 解模糊化算法的确定

模糊控制规则的制定一般可以通过前人总结的经验来进行，经过了无数前人的验证与改进，准确

双端预制光缆指光缆的两端均采用预制接口，现场施工免熔接，可实现光缆连接“即插即用”，但由于双端预制光缆长度现场无法调节，因此对于光缆长度的精确度要求很高。对于双端均不具备良好熔接环境的预制光缆，建议采用双端预制光缆。

许多人因为听说剖宫产的宝宝更聪明，而盲目要求剖宫产；也有人听说阴道分娩的宝宝更聪明，虽然临床病情需要剖宫产，但是自己却不顾医生反对，坚持要求自己生。

性和可靠性都有保证.前人总结的模糊控制规则，如表1、2、3所示.

1.2.2 确定模糊控制规则

首先要确定控制器的输入变量和输出变量.通常情况下输入变量为误差e(k)和误差变化率ec(k).

1.2.4 PID控制器控制算法的设计

 

检测农药品种为敌敌畏、氧化乐果、甲基对硫磷、乙烯菌核利、联苯菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯；检测基质为辣椒。

(3)

式(3)中，Ki=KpT/TI为积分系数，Kd=KpTD/T为微分系数.

 

表1 dKp 模糊控制规则表Tab.1 dKp fuzzy control rule table

  

eecNLNMNSZOPSPMPLNLPLPLPMPMPSZOZONMPLPLPMPSPSZONSNSPLPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNLPMPSZONSNMNMNMNLPLZOZONMNMNMNLNL

 

表2 dKi 模糊控制规则表

 

Tab.2 dKi fuzzy control rule table

  

eecNLNMNSZOPSPMPLNLNLNLNMNMNSZOZONMNLNLNMNSNSZOZONSNLNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNSNSZOPSPSPMPLPMZOZOPSPSPMPLPLPLZOZOPSPMPMPLPL

 

表3 dKd的模糊控制规则表Tab.3 dKd fuzzy control rule table

  

eecNLNMNSZOPSPMPLNLPSNSNLNLNLNMPSNMPSNSNLNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPLNSPSPSPSPSPLPLPLPMPMPMPSPSPL

  

图8 模糊控制器规则Fig.8 Fuzzy controller rules

1.2.5 MATLAB仿真结果

设置输入信号为r(k)为阶跃信号，即令当t>0时，r(k)=1.采样周期T=1ms，Kp初值为0.4，Ki初值为1，Kd初值为0，仿真时间为0.5 s，在仿真到0.3 s时，发出一个峰值为1V的干扰信号，被控对象设为模糊PID控制仿真结果如图9所示.

对照组36例，其中男性19例，女性17例；年龄～78 岁，平均（67.31±8.27）岁；糖尿病病程 5～23 年，平均（14.37±8.82）年；入院时空腹血糖值 9.4～19.8 mmol/L，平均（14.11±3.38）mmol/L。

设置输入信号为r(k)为阶跃信号，即令当t>0时，r(k)=1.采样周期T=1ms，Kp为0.5，Ki为0.001，Kd为0.001，仿真时间为0.5 s，在仿真到0.3 s时，发出一个峰值为1V的干扰信号，被控对象设为传统PID控制仿真结果如图10所示.

1.2.3 采取民间借贷。通过调研数据发现，借款建房的农户约占总数的73.61%。除了向亲戚朋友借钱，他们还会选择向装修工队赊账或者借10万以下的小额高利贷。可以说，借款建房是一个普遍现象。

③饮食指导：由研究人员结合孕妇的具体情况（孕周、体重指数、血糖控制情况）来制定科学的营养食谱，总热量摄入参考患者的BMI和孕期，在热量摄入分配上，以碳水化合物为主，糖、蛋白质、脂肪三大营养素功能比为（50%～70%、15%～20%和 20%～30%），在食物的选择上，主食选取富含纤维素的食物或全谷类食物、推荐杂粮饭为主的主食[2]，多食用蔬菜和水果，水果应选择低糖分水果如黄瓜、西红柿、柚子、樱桃等，适当选择鱼肉、蛋奶、瘦肉、豆制品，满足蛋白质和脂肪摄入，严格限制精糖、烧烤、腌制、熏制食物及甜品的摄入等。提倡少食多餐，在三餐之外合理加2～3餐，但维持总摄入量不变。

3.猪疥螨对猪场的危害。试验发现母猪分娩前治疗疥螨可以使母猪比对照组少吃饲料19.5 kg(按每窝仔猪l0头计)，每窝仔猪多重4.15 kg，并且这些仔猪与对照组同时上市多重5.79 kg。笔者对涪陵区一规模化猪场猪体外寄生虫的感染情况进行了调查，发现种猪疥螨感染率最高，达到61.13%，商品猪疥螨感染率达29.2%。又对2个猪场猪体外寄生虫感染情况进行调查，也发现种猪疥螨是最高和危害最大的体外寄生虫，感染率分别达43.6%、39.1%，商品猪疥螨感染率分别达27.3%、19.1%，严重危害猪的健康生长。

  

图9 模糊PID控制算法仿真结果Fig.9 Simulation results of fuzzy PID control algorithm

  

图10 传统PID控制算法仿真结果Fig.10 Traditional PID control algorithm simulation results

  

图11 系统硬件连接图Fig.11 System hardware connection diagram

  

图12 主程序流程图Fig.12 The main program flow chart

在相同环境下，模糊PID控制稳定所需的时间大约为0.12 s，而传统PID控制所需时间大约为0.18 s.相比较而言，模糊PID控制较大程度缩短了调节时间，且调节过程中几乎没有超调量，其受干扰后能够较快稳定，控制系统的鲁棒性好.

2 系统详细设计与实现

主控制板选择Arduino Mega2560控制板，分别连接光强度传感器、液晶显示器、电机驱动电路、蓝牙通讯模块、限位开关、继电器、供电模块、复位电路等.

2.1 硬件设计

硬件部分主要包括主控制器、光强度传感器、液晶显示屏、电机驱动模块、蓝牙模块、限位开关、继电器、供电模块和复位电路.

系统硬件连接如图11所示.

基于模糊PID的窗帘自动控制系统包括硬、软件设计2个部分.

2.2 软件设计

2.2.1 Arduino主程序设计

主程序流程如图12所示.

2.2.2 模糊PID控制算法实现

首先将MATLAB仿真的模糊控制算法离线转换成控制表，控制系统直接通过查找表来确定PID控制器的3个输入参数，节省计算时间，提升控制效率.将得到的输出量u(k)，最终乘以相应的比例因子Ku便可得到电机的控制量u，u为电机的运转时间，见式(4)：

u=u(k)Ku

(4)

控制表无需人工计算，MATLAB中的模糊逻辑设计工具箱可以自动计算参数.如图8所示界面，只需给出e和ec的值，便可得到相应的参数.该方法避免了人为计算错误与复杂计算流程.

2.2.3 模糊PID控制算法的改进

1)将数字PID控制算法的位置控制算式改为数字PID位置控制算法的递推控制算式[7]；

  

图13 上位机界面Fig.13 Upper computer interface

2)去掉微分项，只使用PI控制；

但是，鲁迅觉得决不能因为自己是中国人，就可以在提名和评选上取巧。他说：“我觉得中国实在还没有可得诺贝尔赏金的人，瑞典最好是不要理我们，谁也不给。倘因为黄色脸皮人，格外优待从宽，反足以长中国人的虚荣心，以为真可与别国大作家比肩了，结果将很坏。”

3)加入Bang-Bang控制(开关控制)；

4)加入死区控制[8].

2.2.4 上位机程序设计

该程序使用模块化的思想进行程序设计，包括以下几个模块：串口初始化模块、串口关闭模块、数值接收显示模块、数据下传模块组成.

文化研究在台湾的崛起，有效地介入台湾文学史书写的文化史观及其话语结构，大大拓展了其言说疆域。它带来了一系列具有启发意义的思路，如女性主义与自由主义问题、殖民话语与文学史书写、后现代思维与史学思想、后现代性别与文化差异研究、民族意识与身份认同问题等。尤其是作为文化研究“铁三角”重要组成部分的性别政治与国族论述，在台湾“重写文学史”思潮发展中更是得到了活跃呈现。

2.2.5 系统测试

系统测试的目的，就是找出系统的缺陷，对本系统的质量做出评价.根据系统的具体情况设计测试案例，进行测试并比较测试结果.通过测试，对测试欠缺的方面加以改进.系统实物图如图14所示.测试结果如图15-图18所示.

因为学生生活在学校、家庭这两个集体环境中，学生的存在感有赖于教师、同学、家长这一面又一面的镜子来反照。因此可从教师、学习伙伴、家长三个维度来组织教学和管理，以实现学生在群体生活中的存在感。

  

图14 基于模糊PID的窗帘自动控制系统实物图Fig.14 Object map of curtain automatic control system based on fuzzy PID

  

图15 显示功能测试Fig.15 Display function test

  

图16 手机蓝牙小助手发送目标光强数据Fig.16 The target light intensity data seat by mobile bluetooth assistant

  

图17 控制器接收数据显示结果 Fig.17 Receiving data result of controller

  

图18 计算机收发数据结果Fig.18 Sending and receiving data results of computer

经测试，使用计算机进行数据的收发，数据传输速度较快，可靠性较好.

3 结论

经过实际测试，测试结果基本达到了设计预期，基于模糊PID的窗帘自动控制系统适用于家庭、办公室等室内环境，若放到室外可能会因为大风、暴晒、以及传感器量程等问题造成系统的不稳定.自动窗帘控制系统是智能家居的重要组成部分，必将对以后人们生活品质的提高产生积极地影响.

参考文献：

[1] 吴彦群．智能窗帘悄然兴起[J]．致富时代，2010(4)：57．

[2] LI H X，MIAO Z H，WANG J Y．Variable universe adaptive fuzzy control on the quadruple inverted pendulum[J]．Science in China Series E-technological Sciences，2002，45(2)：213-224．

[3] 姜宇航．智能家居系统的研究[D]．西安：西安科技大学，2005．

[4] 刘丹，李钦晓，费心越．家居环境感光窗帘智能控制与调节系统[J]．仪器仪表用户，2014(1)：54-58．

[5] MA F Y，LI H L．Self-adaptive fuzzy PID control algorithm used in liquid mixing device[C]// 第26届中国控制与决策会议论文集，2014：3 840-3 844．

[6] ALVIN W，ZELIA T，JAMIE N G, et al．Designing smart homes for families in singapore-integrating smart home technology into daily living of elderly[C]//Proceedings of 17th World Congress on Ergonomics，2009：1-2．

[7] 刘金琨．先进PID控制MATLAB仿真[M]．3版．北京：电子工业出版社，2011：288．

[8] 童晓渝，房秉毅，张云勇．物联网智能家居发展分析[J]．移动通信，2010，34(9)：16-20．