温室温湿度 PID 闭环控制：STM32/ESP32 增量式实现

简介：围绕PID算法在温室环境调控中的应用，这份技术文献以单篇PDF形式呈现，面向自动化、智慧农业与嵌入式控制方向的学习者及研究人员，回应传统温湿度控制系统精度偏低、稳定性不足的问题。包内仅1个PDF文件，约1.44MB，为完整论文版式，依次展开摘要、硬件设计、软件设计、实验对比与参考文献等模块。硬件部分给出SLZ2016-558微处理器、TL-W温度传感器、TL-N湿度传感器及电源电路的选型与性能指标；软件部分说明如何以温湿度为目标函数，通过参数编码、解码与误差调节完成PID算法落地；实验环节以葡萄种植温室8小时采集数据，对比传统系统，验证控制精度可达80%以上、最优约90%。目前已有331人学习。读者可据此借鉴硬件架构、算法实现步骤与实验验证思路，适合毕业设计、课程论文及智慧农业控制系统方案参考，兼具专业指导与参考文献价值。

1. 温室温湿度控制为什么要用 PID 算法做闭环

凌晨三点，棚内温度从 18℃ 掉到 13.5℃，湿度因为叶面蒸腾爬到 93%，值班的人只能看一眼手机再手动开加热和风机。用开关量做温湿度控制，加热器要么全开要么全关，温度在设定值上下 2~3℃ 来回振荡，湿度更糟，除湿一停就反弹，这就是典型的继电特性震荡。问题不在执行器，在控制律。PID 算法做的事情很朴素：把当前温湿度偏离目标多少、偏离持续了多久、偏离得有多快这三件事加权求和，换算成一个连续输出量，送给加热片、加湿器、风机和湿帘。一套能长期无人值守跑起来的温湿度智能控制系统，核心就是这条闭环。下面针对的读者是已经能读传感器、能驱动继电器，但回路一上电就震荡、或者半天拉不回设定值的嵌入式与物联网工程师，STMicroelectronics 与 Espressif 两条常见硬件路线的参数和代码都会给到。

2. 温湿度被控对象建模与 PID 算法选型

2.1 温室温湿度对象的动态特性近似

调参之前先搞清楚被控对象长什么样。温室温度回路的阶跃响应可以近似成一阶惯性加纯滞后：

G(s) = K / (T·s + 1) · e^(-τ·s)

K 是静态增益，单位是「℃/输出百分比」，实测方法是让加热输出从 30% 阶跃到 70%，等温度稳定后看温升除以输出变化量。T 是时间常数，取温度走完阶跃总变化量 63% 所需的时间。τ 是纯滞后，从输出变化的时刻算起，到温度传感器第一次出现可辨识变化为止，温室里通常在 60~300 秒量级，取决于传感器位置和空气循环。

湿度回路更麻烦。相对湿度不是独立变量，它随温度反向变化：温度每升高 1℃，在含湿量不变的前提下相对湿度大约下降 4%~6%。这意味着加热回路一动，湿度回路立刻被扰动，两个回路天然耦合。空气循环差的小棚里，这个耦合强度足以让两个独立 PID 互相打架——加热一开，湿度跌到下限，加湿一开，温度又掉下来。

我一般的处理是：先按两个独立回路整定，把加热/加湿的触发在时间上错开至少一个采样周期，观察是否出现交替震荡；如果出现，再引入耦合补偿项，把温度偏差的符号和幅值折算成一个湿度设定值修正量。多数中小型温室做到这一步就够用了，不必上完整的解耦控制。

2.2 位置式 PID 与增量式 PID 算法在嵌入式上的取舍

位置式公式：

u(k) = Kp·e(k) + Ki·Σe(j)·dt + Kd·(e(k) - e(k-1))/dt

增量式公式：

Δu = Kp·(e(k) - e(k-1)) + Ki·e(k)·dt + Kd·(e(k) - 2e(k-1) + e(k-2))/dt u(k) = u(k-1) + Δu

两者数学上等价，工程上差别很大。位置式每一步都要对偏差做累加，累加项一旦因为输出限幅而饱和，退饱和时会带出一大段超调；增量式只累加输出量本身，限幅时把输出回写即可，抗饱和天然容易。另外增量式在手动转自动时，只要保持 u(k-1) 连续，就不会有阀门或继电器被「跳一下」的问题，这一点在温室这种需要人工干预的场景里很关键。

我通常的做法是：温度回路用增量式，湿度回路也用增量式，只有在需要直接观察绝对输出量（比如调试阶段记录占空比曲线）时才临时切到位置式。

/* 增量式 PID：输出为累积占空比，范围 0 ~ 1000 */ typedef struct { float Kp, Ki, Kd; float e1, e2; /* 上两次偏差 */ float out; /* 累积输出，必须长期保存 */ float out_min, out_max; /* 输出限幅，对应执行器有效区间 */ } PID_Inc; float pid_inc_calc(PID_Inc *p, float set, float fb, float dt) { float e = set - fb; /* 增量式三项：比例看待偏差变化，积分看当前偏差，微分看偏差加速度 */ float du = p->Kp * (e - p->e1) + p->Ki * e * dt + p->Kd * (e - 2.0f * p->e1 + p->e2) / dt; p->e2 = p->e1; p->e1 = e; p->out += du; /* 限幅时把累积量回写，否则积分项会继续累积造成退饱和滞后 */ if (p->out > p->out_max) p->out = p->out_max; if (p->out < p->out_min) p->out = p->out_min; return p->out; }

逻辑上，du 是这一拍输出的增量，p->out 是历史累积值，因此任何一次限幅都必须写回结构体，否则下一次计算会拿着一个「虚高」的基准值继续累加。参数上，Kp 决定响应速度，Ki 消除稳态误差，Kd 抑制超调；dt 是采样周期，单位秒，必须和定时器实际节拍一致，写成常数最容易埋雷——一旦后续把节拍从 1 秒改成 2 秒，Ki 的实际作用会翻倍。

2.3 采样周期、死区与积分限幅的工程取值

采样周期不是越快越好。温室热惯性大，温度采样做到 1 秒已经足够，更小的周期只会让微分项被传感器噪声放大。湿度响应稍快，1~2 秒合适。下面是常用来做起步的取值：

死区的处理方式要写进代码，不能在比较器里随手一个 if 了事，因为死区边界附近的抖动会让继电器一分钟吸合十几次，机械寿命和温控品质一起完蛋。

/* 死区处理：偏差落在死区内时冻结积分增量，只保留比例与微分 */ float e = set - fb; if (fabsf(e) < DEADBAND) { e = 0.0f; /* 比例项归零，输出保持不变 */ p->Ki = 0.0f; /* 临时屏蔽积分，避免死区内缓慢爬升 */ } else { p->Ki = p->Ki_nominal; /* 出死区立刻恢复 */ }

这段代码的关键点在于「冻结」而不是「清零输出」。如果死区内直接把输出置零，加热器会周期性停摆，温度反而在设定值下方形成一个低频波动，比死区本身的代价更大。

3. 基于 STM32 与 ESP32 的温湿度终端硬件与驱动

3.1 传感器与执行器器件选型对比

传感器选型直接决定控制回路的上限。DHT22 便宜、单总线、免外围，但响应时间约 2 秒、长期漂移大，放在湿度长期 90% 以上的棚里，半年后读数能偏 5 %RH。SHT30/SHT31 是 I2C 数字输出，出厂校准，湿度精度 ±2 %RH，价格高一些但重复性好，适合做闭环反馈。DS18B20 只测温，防水探头版本适合埋在基质或水肥管路里做第二路温度参考。

MCU 侧，STM32 系列外设规整、定时器资源多，适合同时跑多路 PWM 和 ADC；ESP32 自带 Wi-Fi，适合需要把温湿度数据推到上位机或手机端的场景，代价是 Wi-Fi 射频工作瞬间的电流尖峰可能干扰模拟采样，布局时要把传感器走线和天线拉开。全球行业数据也提示，带联网能力的温湿度监测终端在设施农业里的部署比例逐年上升，但联网只是链路，控制品质仍取决于回路本身。

3.2 用 CubeMX 配置 I2C 与定时器采样节拍

在 STM32CubeMX 里要配的主要是四件事：I2C1 用于 SHT30，TIM6 做 1 秒基准节拍，TIM1 的 PWM 通道驱动加热与加湿，USART 用于调试输出。

采样和控制建议不在中断里做，中断只置标志位，浮点运算放在主循环，避免中断执行时间过长影响其他外设。

/* TIM6 中断只置标志，控制运算留在主循环 */ volatile uint8_t g_ctrl_tick = 0; void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if (htim->Instance == TIM6) { g_ctrl_tick = 1; } } int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_I2C1_Init(); MX_TIM1_Init(); MX_TIM6_Init(); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); /* 加热 */ HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2); /* 加湿 */ HAL_TIM_Base_Start_IT(&tim6); /* 1 Hz 节拍 */ PID_Inc temp_loop = { .Kp = 40.0f, .Ki = 0.6f, .Kd = 0.0f, .out_min = 0.0f, .out_max = 1000.0f }; PID_Inc humi_loop = { .Kp = 25.0f, .Ki = 0.4f, .Kd = 0.0f, .out_min = 0.0f, .out_max = 1000.0f }; while (1) { if (g_ctrl_tick) { g_ctrl_tick = 0; float t, h; if (sht30_read(&t, &h) == 0) { actuator_apply(pid_inc_calc(&temp_loop, 26.0f, t, 1.0f), pid_inc_calc(&humi_loop, 65.0f, h, 1.0f)); } else { /* 读取失败按最保守策略处理：全部执行器关闭并报警 */ actuator_safe_off(); } } } }

逻辑上，TIM6 每满 1 秒产生一次中断，主循环检测到标志后执行一次「采样—计算—输出」。参数说明：pid_inc_calc 的第四个参数 dt 必须写成 1.0f，与 TIM6 的 1 Hz 严格对应；两个回路的设定值分别是 26.0℃ 和 65 %RH，实际部署时从 Flash 读取，便于现场修改而不用重新烧录。

SHT30 的读取用单次测量模式最省事：

#define SHT30_ADDR (0x44 << 1) /* 7 位地址左移一位，HAL 要求 */ int sht30_read(float *temp, float *humi) { uint8_t cmd[2] = {0x2C, 0x06}; /* 单次测量，高重复性，禁用时钟拉伸 */ uint8_t rx[6]; if (HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SHT30_ADDR, cmd, 2, 100) != HAL_OK) return -1; HAL_Delay(20); /* 等待转换完成，高重复性约 15 ms */ if (HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, SHT30_ADDR, rx, 6, 100) != HAL_OK) return -1; uint16_t rawT = ((uint16_t)rx[0] << 8) | rx[1]; uint16_t rawH = ((uint16_t)rx[3] << 8) | rx[4]; *temp = -45.0f + 175.0f * rawT / 65535.0f; *humi = 100.0f * rawH / 65535.0f; return 0; }

两个字节高位在前，后一个字节是 CRC8 校验，产品代码里必须校验，工棚电磁环境差，I2C 偶发位翻转会导致湿度读数直接跳到 100 %RH，进而把加湿器打开，后果比读不到数据严重得多。

3.3 执行机构驱动与安全互锁

温室里同时存在加热和制冷（湿帘、风机）、加湿和除湿，物理上互斥。互锁必须在软件和硬件两层做：软件层保证同一时刻只有一组输出非零，硬件层用继电器的常闭触点串联另一个回路的供电。

安全策略表：

最后一条容易被忽略。增量式 PID 的累积输出如果存在 Flash 里，上电直接恢复上一次的占空比，一旦上次是因为故障关机，重启后就会立刻重复同样的错误动作。稳妥做法是上电后强制从 0 开始，用 2~3 个采样周期缓慢爬升到计算值。

4. 控制回路落地：从双回路到整定与抗饱和

4.1 温湿度双通道独立回路与耦合补偿

先按两个独立回路跑，可以解决大部分场景。为了削弱耦合，可以在输出侧做互斥约束：当温度回路的输出大于 200（占空比 20%）时，湿度回路的加湿输出按系数衰减；反之当加湿输出较大时，温度回路的加热输出按系数衰减。这个系数不建议超过 0.3，否则等于人为放慢了主回路。

另一种做法是切到串级结构：外环是湿度，输出作为内环温度的设定值修正。这在食用菌菇房这种湿度优先级高于温度的场所更合适，实现上只需把外环输出限幅到 ±2℃ 之后叠加到温度设定值上。

4.2 PID 参数整定：临界比例度法与工程试凑

临界比例度法的步骤是：先把 Ki 和 Kd 置零，逐步增大 Kp 直到系统出现等幅振荡，记录此时的 Kp 为临界增益 Ku，振荡周期为 Tu，然后按经验关系取值。温室回路滞后大，这套方法实操中振荡容易持续很久，我更常用的是「先比例、后积分、最后微分」的试凑法，每一步观察 5~10 分钟。

一个常见的误用是把 Kp 调得过大来「加快响应」。温度回路的输出一旦长期顶在 100%，加热器的余热会让温度冲过设定值好几度，接着冷却过程又要等很久，最终形成 10 分钟量级的极限环，比不控还差。判断方法很直接：看输出曲线的形状，如果长期贴着上限走，就是 Kp 或前馈不够，而不是 Kp 需要再大。

4.3 输出限幅、抗积分饱和与手动自动无扰切换

执行器有物理下限。加湿器开度低于 10% 时基本喷不出雾，继电器型加热在 5% 占空比下会频繁吸合。所以输出映射要做成「死区 + 线性段」：

/* 把 0~1000 的 PID 输出映射到执行器可用区间 */ uint16_t map_output(float u, uint16_t min_on, uint16_t max_on) { if (u <= 0.0f) return 0; /* 完全关闭 */ if (u < 50.0f) return 0; /* 低区死区，避免无效动作 */ /* 50~1000 线性映射到 min_on~max_on */ float ratio = (u - 50.0f) / 950.0f; return (uint16_t)(min_on + ratio * (max_on - min_on)); } /* 手动/自动无扰切换：切换瞬间把 PID 累积输出同步为手动值 */ void pid_bumpless(PID_Inc *p, float manual_out) { p->out = manual_out; /* 累积量对齐，下一拍不会跳变 */ p->e1 = 0.0f; /* 清历史偏差，避免微分冲击 */ p->e2 = 0.0f; }

逻辑说明：map_output 把连续输出转成执行器真正能用的区间，50 这个阈值是按加湿器最小雾化量实测定的，每个项目要重新标。pid_bumpless 解决的是从手动切回自动那一瞬间的输出跳变，不这样做的话，PID 会拿着旧的累积值加上一个新算的增量，输出可能直接从 30% 跳到 80%，湿帘阀门会发出明显的撞击声。

5. 阶跃响应验证与长期运行排错技巧

5.1 用阶跃响应曲线量化超调与稳态误差

调完之后一定要做一次完整验证：让系统从室温稳定运行，然后手动把设定值从 24℃ 阶跃到 26℃，用串口按秒打印设定值、实测值、PID 输出三列，画成曲线看四个指标——上升时间（到达设定值 90% 的耗时）、超调量（峰值超出设定值的百分比）、调节时间（进入 ±0.5℃ 且不再出的时间）、稳态误差。温室温度回路，超调控制在 1℃ 以内、调节时间 15~25 分钟属于正常；如果超调超过 3℃，先查微分项和执行器余热，再考虑降 Kp。

# 采集串口数据并落盘，1 秒一行，便于离线画图 python -c " import serial, csv, time s = serial.Serial('COM3', 115200, timeout=1) with open('step_response.csv', 'w', newline='') as f: w = csv.writer(f) w.writerow(['t', 'set', 'temp', 'humi', 'out']) t0 = time.time() while time.time() - t0 < 1800: # 采 30 分钟 line = s.readline().decode().strip() if line: w.writerow([round(time.time() - t0, 1)] + line.split(',')) "

参数说明：波特率 115200 要和固件一致，采集 1800 秒覆盖了完整阶跃过程，行首加时间戳是为了让不同步的采样点还能对齐。

5.2 温室长期运行的高频故障排查清单

最后补一个实战细节：把 PID 参数、死区、设定值都放到 Flash 或 NVS 里，现场调参时通过串口指令改写，不要每次改参数都重新编译烧录。同时给参数加一个 CRC 和默认值回退，一旦存储区校验失败就加载一组保守参数，宁可控得慢一点，也不要让温室在深夜跑在一组被写坏的数字上。

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