一种基于灰狼算法优化PID参数的教室温湿度控制方法与流程

一种基于灰狼算法优化pid参数的教室温湿度控制方法
技术领域
1.本发明涉及一种教室温湿度控制方法，具体涉及一种基于灰狼算法优化pid参数的教室温湿度控制方法。


背景技术：

2.由于科技创新的不断更新，人们享受智能化带来的便利越来越多，尤其智能家居的问世，使人们对于教室的智能要求也逐渐从教学智能化转变成教室环境全面智能化。由于传统的教室是通过管理人员进行手动开关控制温度，且易出现人员离开设备未关闭的情况，使设备出现使用寿命降低和能源的浪费。同时教室人员比较集中，教室温湿度得不到及时有效反馈和控制，则完整的数据存储、上传和精准的控制方案变得极其重要。
3.zigbee 技术用的 ieee802.15.4 标准协议，以低能耗，复杂度低，低成本，短距离内可以互相通信的优势实现双向无线网络通信，主要用在距离短，耗能低且传输速率低的一些电子设备之间，进行数据传输。作为一种无线网络通信技术，zigbee 技术具有功耗低、自组织能力、可靠性高等特点。
4.pid控制器使一种典型的比例、积分、微分控制器，pid控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高、适应于各种不同情况，易于实现。pid的性能主要取决于控制器的参数整定，不同的被控对象和控制参数均对系统产生不同的影响，pid的参数整定主要取决于背景经验值。同时在应用智能控制方面，传统pid的参数整定问题具有随机性较强，不能及时的获取温湿度信息反馈和实时控制，pid参数整定时随机性较高，难以达到对温湿度的高精度、快速和低功耗的要求，对于复杂条件难以达到良好的调整效果。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种基于灰狼算法优化pid参数的教室温湿度控制方法，能够根据检测数据自动调节pid参数，降低人工干预时的随机性、低效性和不稳定性。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于灰狼算法优化pid参数的教室温湿度控制方法，具体步骤为：温湿度采集模块，检测教室内部的温湿度，以zigbee组网的方式，将终端节点的温湿度信息通过zigbee网络发送到zigbee协调器；zigbee协调器与wifi模块连接，通过tcp/ip协议发送到上位机和stm32控制器；根据预设的教室温度的调节，通过pid调节控制温度控制器对升温模块和降温模块驱动工作，pid控制pwm波的方式进行单调控制；所述通过pid调节控制温度控制器对升温模块和降温模块驱动工作具体通过pid的三个参数:、进行调节控制温度控制器，为比例系数；为积分系数；为微分时系数；
利用灰狼算法进行迭代更新，更新、参数，通过适应度值为判断更新优化方式，判断迭代次数，达到目标次数时，最终输出pid参数值，对温度控制器进行控制。
7.进一步地，所述pid调节控制温度控制器的具体方法为：根据给定值与实际输出值构成控制误差：将偏差比例(p)、积分(i)、微分(d)通过一定的线性组合构成控制量对被控对象进行控制，控制公式为：其中，其中：为比例系数；为积分系数；为微分时系数。
8.进一步地，所述利用灰狼算法进行迭代更新，更新、参数的具体步骤为：s1：设置灰狼位置的初始化条件，即、参数初始值；s2：根据灰狼位置初始化条件，通过itae计算适应度值，计算最优、次优和第三优解的适应度值赋予狼，其余值赋予狼；其中，t表示时间；s3：根据公式更新灰狼位置；式中、、分别代表狼与猎物之间的距离，分别表示狼当前位置，、为随机向量，为当前灰狼个体的位置；s4：重新筛选所有灰狼位置，根据适应度值重新对狼赋值；s5：判断迭代次数是否满足预先设置的次数，不满足则跳转到step 3。
9.s6：输出狼的位置向量作为最佳参数，即、参数值。
10.进一步地，所述stm32控制器还与lcd显示屏连接，显示教室温度信息。
11.进一步地，所述zigbee协调器将数据处理后串口连接wifi模块后发送给上位机，同时串口连接stm32控制器。
12.进一步地，所述升温模块为ptc加热器，所述降温模块为半导体制冷片和风扇。
13.本发明的有益效果在于：本发明以教室作为研究对象，利用传感器采集数据，通过zigbee协调器对采集到的数据进行处理，将数据传递给控制器和上位机。充分利用了温湿度数据，保证了教室内的舒适度，该设计不仅适用于教室，也适用于家庭、办公场所等，解决了模型应用的单一性。
14.本设计结合了物联网技术，采用zigbee组网技术与wifi无线传输，通过灰狼算法优化pid参数，控制温度控制器，有效的实现面向教室的环境感知、管理和设备控制。
附图说明
15.附图1为本发明教室温度湿度控制系统框图；附图2为灰狼等级制度图；附图3为灰狼位置更新图；附图4为本发明的方法流程图；附图标记：1.上位机；2.stm32控制器；3.温度控制器；4.lcd显示屏；5.wifi模块；6.zigbee协调器；7.温湿度采集模块。
具体实施方式
16.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：如图1所示，教室温度控制系统包括若干温湿度采集模块7，温湿度采集模块7与zigbee协调器6连接，zigbee协调器6通过串口与wifi模块5连接，wifi模块5通过串口分别与上位机1和stm32控制器2，stm32控制器2与温度控制器3和lcd显示屏4连接，温度控制器3控制升温模块和降温模块动作，升温模块为ptc加热器，降温模块为半导体制冷片和风扇，温湿度采集模块为温湿度传感器。
17.一种基于灰狼算法优化pid参数的教室温湿度控制方法，应用于教室温度控制系统，具体步骤为：温湿度采集模块7，检测教室内部的温湿度，以zigbee组网的方式，将终端节点的温湿度信息通过zigbee网络发送到zigbee协调器6；zigbee协调器6与wifi模块5连接，通过tcp/ip协议发送到上位机1和stm32控制器2；根据预设的教室温度的调节，通过pid调节控制温度控制器3对升温模块和降温模块驱动工作，pid控制pwm波的方式进行单调控制；通过pid调节控制温度控制器3对升温模块和降温模块驱动工作具体通过pid的三个参数:、进行调节控制温度控制器3，为比例系数；为积分系数；为微分时系数；利用灰狼算法进行迭代更新，更新、参数，通过适应度值为判断更新优化方式，判断迭代次数，达到目标次数时，最终输出pid参数值，对温度控制器3进行控制。
18.pid调节控制温度控制器的具体方法为：根据给定值与实际输出值构成控制误差：
将偏差比例(p)、积分(i)、微分(d)通过一定的线性组合构成控制量对被控对象进行控制，控制公式为：其中，其中：为比例系数；为积分系数；为微分时系数。
19.如图4所示，利用灰狼算法进行迭代更新，更新、参数的具体步骤为：s1：设置灰狼位置的初始化条件，即、参数初始值；s2：根据灰狼位置初始化条件，通过itae计算适应度值，计算最优、次优和第三优解的适应度值赋予狼，其余值赋予狼，其中，t表示时间；s3：根据公式更新灰狼位置；式中、、分别代表狼与猎物之间的距离，分别表示狼当前位置，、为随机向量，为当前灰狼个体的位置；如图3所示，为灰狼位置更新图；s4：重新筛选所有灰狼位置，根据适应度值重新对狼赋值；s5：判断迭代次数是否满足预先设置的次数，不满足则跳转到step 3。
20.s6：输出狼的位置向量作为最佳参数，即、参数值。
21.如图2所示，灰狼等级制度为；利用前三个等级狼的位置更新其他狼的计算方法为：
其中，为灰狼的个体位置，为灰狼的个体位置；为灰狼的个体位置；为其他狼的个体位置，a和c为系数向量，其中：狼的个体位置，a和c为系数向量，其中：式中作为收敛因子在2到0之间线性递减，和为[0,1]之间的随机数。
[0022]
灰狼算法是通过模拟自然界中灰狼群体的社会等级制度和捕猎行为而提出的新型群体智能优化算法。为了维持种群的发展，在灰狼群体中存在4个等级制度，如图2所示，其中为最高级别，服从于，服从于，其他灰狼为最低级别。在灰狼算法中，具有更新的可能性，其他高等级狼引导来更新自己的位置。在灰狼狩猎过程中，主要分为三个阶段：包围、狩猎和攻击。在算法空间中，随机分配初始位置。设种群的维度为n，第只灰狼的位置为，。灰狼统一位置更新公式为：。灰狼统一位置更新公式为：式中：为灰狼和猎物之间存在的距离，为猎物位置，和为灰狼第代和代的位置，t为当前的迭代次数。
[0023]
灰狼算法的社会等级可划分为头狼、下属狼、普通狼和底层狼四层，其中负责领导狼群，协助做出决策，听从和的指令，也可以指挥底层个体。灰狼优化算法中的，和分别表示历史最优解、次优解和第三最优解，表示其余个体。算法进化过程中，，和负责定位猎物的位置，并引导其他个体完成靠近、包围和攻击等行为，最终达到捕食猎物的目的。
[0024]
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。