CN111124018A - 基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法。温度控制对象具有非线性、时变性、纯滞后的特点，使用传统的PID控制算法难以获得满意的控制效果，通常使用模糊控制等现代控制算法进行控制。使用宠物监护仓的动物由于体型和生理状态的差异而存在着代谢和散热的不同，会对温度控制效果产生影响。本发明针对此类应用场景设计改进后的模糊PID控制算法，利用压力传感器、脉搏波传感器和体温传感器获取动物的体重、心率和体温等生理参数信息，在模糊推理的基础上结合生理参数信息对PID控制参数进行自动调整，提高了控制的准确性和鲁棒性。

Description

基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，属于宠物医疗和控制领域。

背景技术

宠物监护仓用于为宠物提供适宜的温湿度环境，精准的环境控制有利于宠物的快速康复。但温度和湿度是两个耦合性很强的变量，若单独对温度和湿度进行控制，当控制使室内相对湿度上升时，同时会造成温度的降低，当控制使室内温度上升时，同时也会造成湿度降低，两个控制回路在控制过程中存在互相的干扰，故需要先进行解耦处理。另外温湿度控制对象具有非线性、时变性、纯滞后的特点，使用传统的PID控制算法难以获得满意的控制效果，通常使用模糊控制等现代控制算法进行控制。

模糊PID控制算法是模糊理论与PID控制算法的结合，使用模糊推理解决了PID控制中参数整定的难题，同时具备模糊控制的鲁棒性和PID控制的精准性，适用于无法获得被控对象精准数学模型且需要较高控制精度的场景。

在申请号为201810919638.3的发明专利中，公开了一种自适应模糊PID解耦控制的焓差温湿度解耦控制方法，使用解耦和模糊PID方法，实现了焓差实验室温湿度的精准控制，证明了模糊PID算法在温湿度控制中的优越性。模糊PID控制算法虽然对被控对象传递函数的精确性要求不高，允许被控对象存在一定的变化，但当传递函数出现变化时，仍会造成控制效果的降低，出现上升时间变长或控制精度降低等问题。宠物监护仓内寄养的宠物体型差异较大，不同的散热情况会对温度对象的传递函数产生影响，如何自适应地调整控制参数并取得理想的温度控制效果是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，可以在不同体型动物的使用情况下实现理想的控制效果。

本发明为实现上述目的，在常规控制系统的基础上结合多类生理参数传感器，通过生理参数传感器获取动物生理参数，结合温度和动物生理参数在模糊PID控制方法的基础上对宠物监护仓进行温度控制。

本发明具体采用的技术方案如下：

一种基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，具体方法为：在动物放入宠物监护仓后，获取宠物监护仓内的环境参数，所述环境参数包括实时温度、实时湿度、目标控制温度和目标控制湿度，同时通过生理参数传感器获取宠物监护仓内动物的生理参数，所述动物生理参数包括动物的体重、体表体温和心率；然后结合所述环境参数和动物生理参数，在模糊PID控制方法的基础上，对宠物监护仓进行温度控制。

优选的，所述生理参数传感器包括压力传感器(5)、体温传感器(7)和脉搏波传感器(8)，分别用于测量压力值、温度值和脉搏波信息，进而获取动物的体重、体表体温和心率。

进一步的，所述的脉搏波传感器(8)为光电式脉搏波传感器，采用反射方式采集信号，脉搏波的主成分频率为心率。

优选的，结合所述环境参数和动物生理参数在模糊PID控制方法的基础上对宠物监护仓进行温度控制的步骤包括：

1)根据系统辨识得到温度和湿度控制之间的耦合关系，并使用前馈解耦法消除温度和湿度控制之间的耦合关系；

2)根据解耦后的温度控制传递函数，设计模糊PID控制器；

3)根据宠物监护仓内动物体重推测动物体型，根据体型对PID控制参数进行微调；

4)根据所述生理参数传感器检测到的压力、体温和心率数值的稳定程度，判断动物处于静息或是运动状态，根据动物的运动状态自动对温度设定值做调整。

优选的，所述步骤3)中根据动物体重推测动物体型时，依据Meeh-Rubner公式，计算动物体表面积S_A。

优选的，所述步骤3)中，根据体型对PID控制参数进行微调的具体方法为：

S31：根据宠物监护仓内动物的体表面积S_A，对温度控制传递函数进行调整，得到放入动物后宠物监护仓的温度控制传递函数为：

式中：G(s)为温度控制传递函数，ρ为宠物监护仓内的气体密度，V为宠物监护仓内的气体体积，C为气体比热容，s为拉普拉斯算子，K为宠物监护仓与外界的传热系数，A为宠物监护仓与外界传热面积，K_q为比例系数；τ为滞后时间；

S32：根据温度控制传递函数的变化，利用整定方法对PID控制参数进行补偿。

优选的，所述的步骤4)中，动物状态的具体判断方法为：

当压力传感器(5)数值出现的连续波动超过阈值，同时宠物监护仓内动物的体温和/或心率数值也超过阈值时，认为动物处于运动状态，自动调低设定温度，当上述数值恢复稳定时，恢复至正常设定值，保证动物处于舒适的环境中。

优选的，所述的整定方法采用Ziegler-Nichols参数整定法。

当压力传感器数值出现较大的连续波动，同时体温和心率出现明显升高时，认为动物处于运动状态，此时由于骨骼肌的参与，动物的产热量会大幅增加，此时系统自动调低设定温度，当上述数值恢复稳定时，恢复至正常设定值，保证动物处于舒适的环境中。

附图说明

图1为本发明中温湿度系统进行前馈补偿解耦的原理框图；

图2为本发明中控制对象宠物监护仓系统结构框图；

图3为模糊PID控制器中的隶属度函数图；

图4为模糊PID控制器中ΔK_p的控制规则表；

图5为模糊PID控制器中ΔK_i的控制规则表；

图6为模糊PID控制器中ΔK_d的控制规则表；

图7为本发明方法控制效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述和说明。

在本发明中，如图2所示，提供了一种基于多传感器的宠物监护仓，宠物监护仓硬件系统以MCU1为核心，位于动物监护仓上的温度传感器3、湿度传感器4和压力传感器5获得的环境参数和动物生理参数通过ADC2传输至MCU1，佩戴于动物体上的体温传感器7和脉搏波传感器8，通过蓝牙模块6与MCU1进行通信，上述传感器获得的参数通过串口9传输至人机界面10进行现场显示和设置，MCU1通过继电器14对输出设备进行控制，输出设备包括：加热器15、制冷机16、除湿器17、加湿器18和风机19，宠物监护仓通过WIFI模块11连入路由器12，入网后与上位机13进行通信，上述出现的器件均使用电源模块20进行供电。

在该装置中，温度传感器3、湿度传感器4有多个，且分别布置于动物监护仓内侧和外侧，用于获取宠物监护仓外内的实时温度、实时湿度等环境参数。压力传感器5、体温传感器7和脉搏波传感器8则能够分别检测仓内动物体的压力值、温度值和脉搏波信息，进而获取动物的体重、体表体温和心率。同时，用户可以通过人机界面10输入仓内的目标控制温度和目标控制湿度。

基于上述多传感器的宠物监护仓，设计了一种智能温度控制方法，其基本过程如下：

在动物放入宠物监护仓后，获取宠物监护仓内的环境参数，其中环境参数包括实时温度、实时湿度、目标控制温度和目标控制湿度。同时通过生理参数传感器获取宠物监护仓内动物的生理参数，其中动物生理参数包括动物的体重、体表体温和心率。

然后，结合环境参数和动物生理参数，在模糊PID控制方法的基础上，对宠物监护仓进行温度控制。

本发明中，模糊PID控制方法具体实现步骤如下：

(1)根据系统辨识得到温度和湿度控制之间的耦合关系，并使用前馈解耦法消除温度和湿度控制之间的耦合关系；

(2)根据解耦后的温度控制传递函数，设计模糊PID控制器；

(3)根据宠物监护仓内动物体重推测动物体型，根据体型对PID控制参数进行微调；

(4)根据所述生理参数传感器检测到的压力、体温和心率数值的稳定程度，判断动物处于静息或是运动状态，根据动物的运动状态自动对温度设定值做调整。

下面具体描述模糊PID控制方法中各步骤的具体实现形式。

在步骤(1)中，具体实现过程为：

温湿度的控制是一个双输入双输出的控制系统，对其进行系统辨识，先根据先验知识，确定温度、湿度对象的数学模型为一阶惯性滞后环节，传递函数形如：

其中s复变量，K、T、τ分别为静态增益、时间常数和滞后时间常数。然后固定一个输入，在另一个输入上施加阶跃信号，测量输出的阶跃响应，根据阶跃响应曲线和先验传递函数模型确定单个输入输出之间的传递函数，两两交替，可得到双输入和双输出之间的四个传递函数。

图1为前馈补偿解耦的原理框图，Y1为实际温度，Y2为实际湿度，R1为设定温度，R2为设定湿度，U1为加热器输出电压，U2为加湿器输出电压，Gc1为温度控制器，Gc2为湿度控制器。G11为加热器输出电压与实际温度之间的传递函数，G12为加热器输出电压与实际湿度之间的传递函数，G21为加湿器输出电压与实际温度之间的传递函数，G22为加湿器输出电压与实际湿度之间的传递函数。在不考虑前馈补偿环节时，系统的传递函数矩阵为

利用解耦方法消除温湿度控制之间的相互影响，最终希望得到的系统传递函数为

前馈补偿解耦方法在系统中引入两个前馈补偿环节，根据前馈补偿的全补偿条件，求前馈补偿环节的传递函数：

G_c1(s)G₂₁(s)+G_c1(s)G_f1(s)G₂₂(s)＝0

解方程得：

同理：

在步骤(2)中，设计模糊PID控制器的具体实现过程为：

首先，设计二输入三输出模糊控制器，输入量为温度设定值与实际值之间的误差e和误差变化率e_c，输出量为PID控制器的参数调节量ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d，为简化模糊过程，将误差、误差变化率和控制输出量对应的论域均设为[-6,6]，对应的模糊子集均设为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，均采用三角形隶属度函数。根据专家经验建立e、e_c与ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d之间的模糊规则表，共计49条控制规则。最后使用重心法将ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d从模糊量解模糊化为清晰的数值输出。

然后设计PID控制器，根据温度对象的传递函数整定得到比例、积分和微分系数分别为K_P0、K_i0、K_d0，则控制器的输入量包括：温度误差e、比例系数K_P0+ΔK_p、积分系数K_i0+ΔK_i和微分系数K_d0+ΔK_d，控制器选择使用增量PID控制算法，输出量为温度控制器的功率信息。

步骤(3)的具体实现过程为：

利用宠物监护仓底部的压力传感器反馈得到宠物的体重信息，然后依据Meeh-Rubner公式计算动物体表面积：

式中S_A为动物体表面积(m²)，W为动物质量(g)，K₁为常量且取值与动物种类有关，常见宠物如猫和狗在10左右。

动物在监护仓内的散热方式包括：净辐射散热、传导散热、对流散热和蒸发散热，这四种方式的散热功率均与动物体表面积成正相关性，即动物的体型越大单位时间内的散热量越大。令动物体温为T，宠物监护仓内温度为T_i，体表面积为S_A，K_q为比例系数，则动物单位时间内的产热量q_i可简化表示为：

q_i＝K_q·S_A(T-T_i)

对放入动物后的宠物监护仓进行热力学分析，基于能量守恒定律，考虑到与调温系统热量交换、与外界热量交换和动物产热的影响，根据短时间内能量流入流出差列出公式：

式中ρ为宠物监护仓内的气体密度，V为宠物监护仓内的气体体积，C为气体比热容(定压)，d表示微分符号，Q_i为单位时间内输入的热量，T₀为环境温度，T_i为宠物监护仓被控温度，K为宠物监护仓与外界的传热系数(方式包括对流和传导)，A为宠物监护仓与外界传热面积，q_i为动物单位时间内产热。

当系统达到稳定状态时，T_i＝T₀，即有Q₀+q₀＝0。

处于控制状态时，T_i＝T₀+ΔT，Q_i＝Q₀+ΔQ，q_i＝q₀-K_q·S_A·ΔT，即有：

则放入动物后宠物监护仓的温度控制传递函数为：

式中：s为拉普拉斯算子；τ为滞后时间。

由上述公式推导知，时间常数当动物体型改变时，温度传递函数也会随之改变，选择PID参数整定方法相应的对PID控制参数做出调整即可。

上述步骤(4)的具体实现过程为：

系统中的体温传感器为红外温度传感器，获取的为宠物体表温度，健康宠物(猫、狗)静息状态下的体温通常为38.5℃左右。系统中的脉搏波传感器为光电式脉搏波传感器，采用反射方式采集信号，收集脉搏波的主成分频率信息即为心率。

当压力传感器5数值出现的较大的连续波动时(可设置相应阈值进行判断)，同时宠物监护仓内动物的体温和心率数值出现较大上升(可设置相应阈值进行判断，也可取体温和心率之一)时，认为动物处于运动状态，自动调低设定温度，当上述数值恢复稳定时，恢复至正常设定值，保证动物处于舒适的环境中。

下面将上述控制方法应用于具体实施例中，以展示其具体的实现效果。

实施例

本实施例是基于某宠物监护仓的设计所创造的。如图2所示，该宠物监护仓系统用于采集数据的传感器包括：温度传感器(3)、湿度传感器(4)、压力传感器(5)、体温传感器(7)和脉搏波传感器(8)，上述传感器采集的数据传输到MCU(1)中进行集中分析处理。

根据现场采集的温湿度数据，使用系统辨识方法对图1中的传递函数G11、G12、G21和G22进行建模。具体操作以G11的建模为例，固定加湿器电压U2，当湿度变化稳定后，使加热器的电压U1为一个阶跃信号，记录实际温度Y1的变化，根据Y1变化数据得到阶跃响应的曲线，然后由阶跃响应曲线和先验知识确定加热器输出电压与实际温度之间的传递函数G11，宠物监护仓中温度传递函数为

G12、G21和G22的建模过程同理，建模完成后计算得到前馈补偿环节传递函数。

根据宠物监护仓的特点，为简化模糊过程，如图3所示，将误差、误差变化率和控制输出量对应的论域均设为[-6,6]，对应的模糊子集均设为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，均采用三角形隶属度函数。根据专家经验建立e、e_c与ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d之间的模糊规则，分别如图4、图5、图6所示。最后使用重心法将ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d从模糊量解模糊化为清晰的数值输出。公式为：

其中v为论域的值，μ_v(v)为对应隶属度函数的隶属度。

PID控制器的控制规律公式为：

利用位于监护仓底部的压力传感器反馈得到宠物的体重W(g)，依据Meeh-Rubner公式计算动物体表面积：

K₁取值为10。利用体温传感器测得的动物体温T和温度传感器测得的监护仓内温度T_i，利用简化公式q_i＝K_q·S_A(T-T_i)求得动物单位时间内的产热量q_i(kJ/h)，K_q为比例系数，此处取值为0.1kW/(m²·K)。

放入动物后宠物监护仓的温度控制传递函数调整为：

与原传递函数相比，静态增益变为

时间常数变为

由上述公式推导知，当动物体型改变时，温度传递函数也会随之改变，相应的需要对PID控制参数做出调整，具体选用Ziegler-Nichols参数整定法，PID控制器参数的调整值为

ΔK_d＝ΔK_p·0.5τ。

根据脉搏波传感器获得连续脉搏信号，提取信号中的主成分波形并计算其频率得到心率，当压力传感器数值出现较大的连续波动，同时体温和心率出现明显升高时，认为动物处于运动状态。此时由于骨骼肌的参与，动物的产热量会大幅增加，此时系统自动将设定温度调低2℃，加速动物恢复正常体温，当上述数值恢复稳定时，设定值恢复至正常，保证动物处于舒适的环境中。

利用Simulink对本发明方法的效果进行验证，不同方法将监护仓内温度从20℃调整为25℃的控制效果如图7所示,在宠物监护仓内放入动物后，本发明具有更好的反馈修正功能，能取得较为理想的控制效果。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，其特征在于：

在动物放入宠物监护仓后，获取宠物监护仓内的环境参数，所述环境参数包括实时温度、实时湿度、目标控制温度和目标控制湿度，同时通过生理参数传感器获取宠物监护仓内动物的生理参数，所述动物生理参数包括动物的体重、体表体温和心率；

结合所述环境参数和动物生理参数，在模糊PID控制方法的基础上，对宠物监护仓进行温度控制。

2.根据权利要求1所述的基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，其特征在于：所述生理参数传感器包括压力传感器(5)、体温传感器(7)和脉搏波传感器(8)，分别用于测量压力值、温度值和脉搏波信息，进而获取动物的体重、体表体温和心率。

3.根据权利要求2所述的基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，其特征在于：所述的脉搏波传感器(8)为光电式脉搏波传感器，采用反射方式采集信号，脉搏波的主成分频率为心率。

4.根据权利要求1所述的基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，其特征在于：结合所述环境参数和动物生理参数在模糊PID控制方法的基础上对宠物监护仓进行温度控制的步骤包括：

1)根据系统辨识得到温度和湿度控制之间的耦合关系，并使用前馈解耦法消除温度和湿度控制之间的耦合关系；

2)根据解耦后的温度控制传递函数，设计模糊PID控制器；

3)根据宠物监护仓内动物体重推测动物体型，根据体型对PID控制参数进行微调；

4)根据所述生理参数传感器检测到的压力、体温和心率数值的稳定程度，判断动物处于静息或是运动状态，根据动物的运动状态自动对温度设定值做调整。

5.根据权利要求4所述的基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，其特征在于：所述步骤3)中根据动物体重推测动物体型时，依据Meeh-Rubner公式，计算动物体表面积S_A。

6.根据权利要求4所述的基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，根据体型对PID控制参数进行微调的具体方法为：

S31：根据宠物监护仓内动物的体表面积S_A，对温度控制传递函数进行调整，得到放入动物后宠物监护仓的温度控制传递函数为：

式中：G(s)为温度控制传递函数，ρ为宠物监护仓内的气体密度，V为宠物监护仓内的气体体积，C为气体比热容，s为拉普拉斯算子，K为宠物监护仓与外界的传热系数，A为宠物监护仓与外界传热面积，K_q为比例系数；τ为滞后时间；

S32：根据温度控制传递函数的变化，利用整定方法对PID控制参数进行补偿。

7.根据权利要求4所述的基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，其特征在于：所述的步骤4)中，动物状态的具体判断方法为：

当压力传感器(5)数值出现的连续波动超过阈值，同时宠物监护仓内动物的体温和/或心率数值也超过阈值时，认为动物处于运动状态，自动调低设定温度，当上述数值恢复稳定时，恢复至正常设定值，保证动物处于舒适的环境中。

8.根据权利要求4所述的基于多传感器的宠物监护仓智能温度控制方法，其特征在于：所述的整定方法采用Ziegler-Nichols参数整定法。

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