聞晶，孟文，徐正平

(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都610031)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)得到了長足的進步，溫室工程已成為高效農(nóng)業(yè)的重要組成部分。目前，西方發(fā)達國家可以根據(jù)作物的要求和特點對溫室內(nèi)光照、溫度、濕度等諸多因子進行自動控制。而在我國溫室控制中，普遍控制能力低、自動化程度落后、抵御自然災(zāi)害能力差。在溫室因素控制方面，我國的溫室控制系統(tǒng)還停留在單因子控制階段。模糊控制是一種解決復(fù)雜非線性系統(tǒng)、難以建立數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)以及不確定內(nèi)部擾動的多輸入多輸出系統(tǒng)的控制問題的新方法。作為智能領(lǐng)域中最具有實際意義的一種控制方法，已經(jīng)在很多行業(yè)中解決了傳統(tǒng)控制方法無法或者是難以解決的問題，取得了令人矚目的成效。將模糊控制技術(shù)應(yīng)用到溫室控制中，可消除溫度、濕度等環(huán)境因子的耦合度，使作物始終生長在適宜的環(huán)境中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該溫室控制系統(tǒng)以STM32 作為控制器，采用nRF24L01 無線模塊傳輸數(shù)據(jù)，可工作在自動和手動兩種工作狀態(tài)。當(dāng)工作在自動狀態(tài)時，不需人工干預(yù)，可自動調(diào)節(jié)溫室環(huán)境;當(dāng)工作在手動狀態(tài)時，需要用戶控制裝置的運行狀態(tài)。該系統(tǒng)主要由三部分組成，即采集端、處理端和PC端。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)控制過程

采集端主要負責(zé)采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、接收上位機指令并控制相應(yīng)裝置。為了提高可靠性，減輕CPU負荷，采用CPLD控制傳感器的啟停和通道的切換。

處理端主要作為采集端和PC端通信的橋梁，同時在溫室環(huán)境不適宜時聲光報警，提醒用戶進行相應(yīng)操作。當(dāng)處理端接收到采集端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，通過RS232 上傳給PC機。當(dāng)用戶通過PC機下發(fā)指令時，處理端將數(shù)據(jù)傳送給采集端。PC端主要用來監(jiān)控溫室的環(huán)境因素，并下發(fā)控制指令。監(jiān)控軟件采用VC6.0 編寫，可在自動與手動兩種狀態(tài)中切換。該軟件可以曲線的形式顯示環(huán)境因子的運行狀態(tài)，并可將相關(guān)數(shù)據(jù)保存。

2 算法設(shè)計

2.1 概述

傳統(tǒng)的溫室控制中，采用單因子控制方法，溫度、濕度等環(huán)境因子之間相互耦合。當(dāng)溫度低而加熱時，水分蒸發(fā)而增加溫室內(nèi)濕度。當(dāng)溫度高而制冷時，經(jīng)過制冷器的氣流濕度下降使整個溫室濕度下降。同樣，當(dāng)加濕或除濕也會改變溫室中的溫度。溫室的這種特點可以將其認為一個大滯后強耦合的控制系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的PID控制對純滯后參數(shù)時變的控制系統(tǒng)不理想，也解決不了溫、濕度的強耦合問題。而模糊控制器不依賴系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，具有很強的魯棒性，很適合溫室環(huán)境的控制。采用模糊解耦的方法可以解決溫、濕度的耦合問題。

2.2 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該模糊控制系統(tǒng)是一個多輸入、多輸出的控制系統(tǒng)。輸入變量有溫、濕度偏差及其變化率，輸出變量為溫、濕度實際控制量。此處，將偏差量設(shè)為實際值與設(shè)定值之差。當(dāng)偏差為正時，溫室內(nèi)實際溫、濕度高于設(shè)定值，此時應(yīng)降溫或去濕;同理，當(dāng)偏差為負時，應(yīng)加熱或加濕。系統(tǒng)的核心部分是模糊推理部分，包括模糊化、模糊推理和解模糊三個部分。為了消除環(huán)境因子之間的耦合，可根據(jù)模糊輸出結(jié)果對另外的環(huán)境因子進行補償。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 模糊控制器的設(shè)計

2.3.1 輸入變量的模糊化

模糊控制器選用雙輸入、單輸出控制方式。分別記溫度偏差和濕度偏差為ET、EH，溫度變化率和濕度變化率為ECT、ECH。對于溫度控制，在±1℃內(nèi)為模糊控制區(qū)，超出這個范圍則為確定控制區(qū)。在模糊控制區(qū)，由模糊控制器調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。在確定控制區(qū)，系統(tǒng)強制加熱或制冷。對于濕度控制，相對濕度在±5%以內(nèi)為模糊控制區(qū)。在模糊控制區(qū)，將溫、濕度偏差都劃分為7個模糊子狀態(tài)，分別為:PL(正大)、PM (正中)、PS (正小)、Z (零)、NS(負小)、NM (負中)、NL (負大)。將溫度變化率和濕度變化率劃分為5個模糊子狀態(tài)，即PL (正大)、PS (正小)、Z (零)、NS (負小)、NL (負大)。取溫度偏差及其變化率論域為(－1，1)，濕度偏差及其變化率論域為(－5，5)。隸屬度函數(shù)采用三角函數(shù)，各模糊子狀態(tài)對應(yīng)如圖3、4所示。

圖3 溫度偏差(℃)

圖4 濕度偏差(%)

圖5 溫度變化率(℃/s)

圖6 濕度變化率(% /s)

記溫度輸出控制為UT，濕度輸出控制為UH。同樣將其劃分為7個模糊子狀態(tài)，取UT論域為(－1，1)，UH論域為(－5，5)，其隸屬度函數(shù)和圖3、圖4相同。

2.3.2 模糊控制規(guī)則及模糊解耦

確定模糊控制規(guī)則的原則是:系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)特性達到最佳。當(dāng)偏差較大時，選擇控制量應(yīng)盡快消除偏差;當(dāng)偏差較小時，以系統(tǒng)穩(wěn)定為主，此時應(yīng)防止超調(diào)。根據(jù)系統(tǒng)的輸入/輸出特性，以消除溫度偏差為控制目標，可制定如表1所示的控制規(guī)則。

表1 模糊控制規(guī)則表

由模糊控制規(guī)則可以得出模糊控制器語言規(guī)則的輸入輸出關(guān)系，其關(guān)系是一個非線形的關(guān)系曲面。對于所有的ECT、ET可計算出UT，然后使用面積重心法可得到相應(yīng)的控制量。

采用同樣的方法可以得到濕度模糊控制輸出表。

2.3.3 模糊補償規(guī)則

根據(jù)日常生活經(jīng)驗，制冷、除濕分別對濕度和溫度影響較大，補償也應(yīng)較大。而加熱、除濕對濕度、溫度影響較小，故補償也應(yīng)較小。根據(jù)以上經(jīng)驗可得出如表2、表3所示模糊補償規(guī)則。

表2 濕度補償

表3 溫度補償

實際控制時需將模糊補償結(jié)果和模糊控制器輸出結(jié)果相加，將該結(jié)果制成表，存儲在控制器中。然后，根據(jù)變量偏差和偏差變化查表就可得到相應(yīng)控制量。

3 系統(tǒng)仿真

通過MATLAB的Simulink 工具箱進行仿真。以黃瓜為例，在育苗期需保持溫室溫度為13～15℃，濕度白天保持在70%～75%。設(shè)定溫度T=14℃，濕度H=75%為控制目標。假設(shè)溫室內(nèi)環(huán)境溫度為13.5℃，環(huán)境濕度為72%。此時，溫室度都在模糊控制區(qū)內(nèi)，模糊控制器可自行調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。根據(jù)上述模糊控制器，可建立如圖7所示的模糊控制系統(tǒng)模型。

圖7 模糊控制系統(tǒng)Simulink仿真模型

為了更直觀地反映控制效果，現(xiàn)將模糊控制與傳統(tǒng)PID 進行比較。由于溫、濕度模型相近，此處只將溫室環(huán)境中溫度因子進行比較。由于溫室具有大滯后性和非線形的特點，選擇溫室溫度模型為三階慣性純延遲環(huán)節(jié)，取傳遞函數(shù)為:

使用常規(guī)PID控制方法，在MATLAB 中建立如圖8所示的仿真模型。

圖8 溫室溫度常規(guī)PID Simulink仿真模型

仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

由仿真結(jié)果可以看出:采用模糊控制方法超調(diào)量小、響應(yīng)快;而采用傳統(tǒng)PID控制方法，超調(diào)量大、響應(yīng)周期長。由于模糊控制方法的強魯棒性和自適應(yīng)性，很適合應(yīng)用于很難建立模型的對象上。采用模糊補償?shù)姆椒ǎ涂梢院芎玫亟鉀Q環(huán)境因子的耦合問題。

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