趙明翰,李乃星,曹培培,鄭秋實(shí),李俊杰

(上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展,溫室農(nóng)作物的高效率種植對溫室溫度的控制精度以及控制效率提出了更高的要求。溫室是指通過對設(shè)施內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行高精度控制,實(shí)現(xiàn)種植作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。溫室栽培[1-2]是利用計(jì)算機(jī)和傳感系統(tǒng)對植物生長環(huán)境進(jìn)行自動控制,使設(shè)施內(nèi)的植物生長發(fā)育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。

溫室的立體栽培形式可使栽培面積提高幾倍甚至幾十倍,并可實(shí)現(xiàn)周年不間斷栽培。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提升,我國溫室將迎來最佳發(fā)展機(jī)遇期,市場前景十分廣闊。目前我國溫室總面積已經(jīng)超過300萬公頃,位居世界第一。其中,具備智能環(huán)境控制能力的聯(lián)棟溫室因其效率高、周期短、耗能少和不易受氣候影響等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。但目前我國溫室總面積中該類溫室占比不到3%。究其原因,在于連棟溫室可控設(shè)備多、控制復(fù)雜,屬高投入高產(chǎn)出的先進(jìn)溫室,且大多使用國外的環(huán)境控制設(shè)備,投產(chǎn)及使用維護(hù)成本居高不下,這嚴(yán)重抑制了我國高科技溫室的推廣發(fā)展。因此,提升國產(chǎn)溫控設(shè)備的溫度控制效率與精度,優(yōu)化現(xiàn)有國產(chǎn)溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案具有重要意義。

相比于一些發(fā)達(dá)國家,我國對溫室的研究起步相對較晚。近年來,隨著傳感器、自動化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,國家在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的政策支持和財政投入力度越來越大,對溫室的研究也進(jìn)入了高速發(fā)展階段。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于多傳感器并行控制多個控溫設(shè)備的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提升溫室的網(wǎng)絡(luò)化和分布式管理效率,但需要掛載多個回路,控制過程較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[4-5]提出了基于自動控制器的動態(tài)溫度控制回路處理方案。該方案可有效提升溫度控制精度,但最終溫度收斂速度較慢,溫控壓縮機(jī)需要頻繁啟停,影響壓縮機(jī)的使用壽命以及溫度控制效率。文獻(xiàn)[6]提出了基于加熱爐的溫度控制方式,可實(shí)現(xiàn)溫室加熱功能,但該溫控方式精度較低,無法滿足較高精度的溫控要求。

本文提出一種溫度控制方案,采用模糊比例-積分-微分(proportion integration differentiation,PID)自適應(yīng)控制算法,提升溫度控制效率,縮短溫度收斂時間,避免溫控壓縮機(jī)頻繁啟停。本方案不增加額外的探測及溫控設(shè)備,通過優(yōu)化回路控制實(shí)現(xiàn)溫控精度以及溫控效率提升。

1 系統(tǒng)建模

在空調(diào)系統(tǒng)的工作過程中,高壓的液態(tài)制冷劑通過膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器,吸熱汽化形成低壓氣體,再經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮變?yōu)楦邏簹怏w,然后通過冷凝器冷凝變回高壓液體,如此循環(huán),實(shí)現(xiàn)熱量的搬運(yùn)。溫度的變化過程一般可以分為兩個階段:制冷劑熱循環(huán)和空間溫度交換循環(huán)[7]。

對于制冷劑的熱循環(huán)過程,由于涉及到復(fù)雜的相變過程和熱傳遞過程,因而難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。一般認(rèn)為以空調(diào)壓縮機(jī)為輸入,制冷劑熱量轉(zhuǎn)換為輸出的傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)[8]。同時,由于制冷劑的熱交換過程需要一定時間,因此需要在傳遞函數(shù)中增加時滯環(huán)節(jié)。制冷劑的熱轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)框圖如圖1所示,其中K為比例系數(shù),T為時間常數(shù),τ為滯后時間。

圖1 制冷劑熱轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)框圖

結(jié)合實(shí)際物理環(huán)節(jié)進(jìn)行測試,得到系統(tǒng)參數(shù)K=5,T=1,τ=5 s。最終得到以空調(diào)壓縮機(jī)為輸入、制冷劑熱量轉(zhuǎn)換為輸出的傳遞函數(shù)

對于制冷劑熱量轉(zhuǎn)換過程,首先對不考慮時滯環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)進(jìn)行建模分析,再在得到的數(shù)學(xué)模型上增加時滯環(huán)節(jié),最終完成模型的建立。

在建立不包含時滯環(huán)節(jié)的模型時,需要進(jìn)行如下假設(shè):a)忽略風(fēng)扇對空氣的做功;b)忽略空間內(nèi)空氣的熱傳遞,認(rèn)為空間內(nèi)的空氣溫度一致;c)忽略濕度變化對溫度的影響。在滿足這些假設(shè)條件的前提下,空間中的能量平衡方程可寫為

式中:Qr表示空間內(nèi)空氣具有的熱量;Qf表示空調(diào)系統(tǒng)向空間內(nèi)空氣傳遞的熱量;Qw表示被控空間以外向空間傳遞的熱量;Qd表示空間內(nèi)部物體向空間內(nèi)空氣傳遞的熱量,包括設(shè)備工作產(chǎn)生的熱量和人員活動產(chǎn)生的熱量。

假設(shè)整個過程中空氣密度ρ、定壓比熱容Cp和空間體積Vr不變,則Qr隨時間t的變化可以通過室溫tr隨時間t的變化來表示,即

根據(jù)式(2),將Qw和Qd對空間空氣溫度的影響整合為總擾動d,為了方便研究,將總擾動d設(shè)定為常數(shù)擾動。此時,可以得到室溫變化量Δtr的增量形式的微分方程

式中:Tr為室溫慣性系數(shù);Kr為擾動引發(fā)的溫度變化量到室溫變化量的傳遞系數(shù);Δtd為擾動引發(fā)的溫度變化量。

可以看出,此時的傳遞函數(shù)具有一階慣性環(huán)節(jié)的形式,相關(guān)參數(shù)通過對已有的實(shí)際溫室進(jìn)行多次測量取平均得到,對應(yīng)的傳遞函數(shù)

聯(lián)合式(1)和式(5),得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)

同時,由于在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行過程中,選定工作模式后,熱量只能進(jìn)行單向傳遞,因此需要在控制輸出端增加一個下限為零的飽和環(huán)節(jié)[9],最終得到的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。在圖2的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行后續(xù)控制器的進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制是以模糊集合理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種新型智能控制方法[10-11]。其本質(zhì)是依靠專家經(jīng)驗(yàn),模擬人的行為來進(jìn)行決策和控制[12]。模糊控制的基本過程是:首先通過模糊化接口,利用符合實(shí)際情況的模糊規(guī)則,對輸入信號進(jìn)行模糊化處理[13];然后將已經(jīng)模糊化處理的輸入信號與事先設(shè)計(jì)好的由專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)成的規(guī)則庫進(jìn)行對應(yīng);最后再利用解模糊化接口將模糊變量轉(zhuǎn)換成精確的輸出量來進(jìn)行控制[14]。模糊控制的基本原理如圖3所示。

圖3 模糊控制的基本原理框圖

對于本文中的研究對象,使用二維模糊控制器,選取偏差量e和偏差量的一階微分e·(在實(shí)際系統(tǒng)中為偏差量的一階差分Δe)作為模糊控制器的輸入,采用“If A and B,then C”的模糊控制規(guī)則[15]。將模糊控制器的輸出比例參數(shù)Kp、積分參數(shù)Ki和微分參數(shù)Kd作為PID控制器的輸入。得到的模糊PID 控制器原理框圖如圖4所示。

圖4 模糊PID 控制器原理框圖

定義e和模糊子集為{LN,MN,SN ZERO,SP,MP,LP} ,其分別表示控制偏差e和偏差量一階微分在模糊集合中處于{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大}子集中。模糊控制規(guī)則見表1～表3。

表1 Kp 模糊控制規(guī)則表

表2 Ki 模糊控制規(guī)則表

表3 Kd 參數(shù)模糊控制規(guī)則表

通過模糊控制器得到PID 控制器的參數(shù)Kp,Ki,Kd[16],再將參數(shù)帶入傳統(tǒng)的PID 控制器,得到模糊PID 控制器。對應(yīng)的算法公式為

式中:u(k)為k時刻的控制指令;e(k)為k時刻的偏差量;T為控制周期。

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)得到的數(shù)學(xué)模型對溫室溫度控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。設(shè)輸入溫度為3 ℃的階躍信號,擾動為常值擾動。

首先進(jìn)行單位負(fù)反饋控制,得到的輸出溫度曲線如圖5所示。

圖5 單位負(fù)反饋控制下溫度變化曲線

由圖5可以看出,由于系統(tǒng)中存在時滯環(huán)節(jié),系統(tǒng)存在明顯的超調(diào)。同時,由于系統(tǒng)中存在常值擾動信號和非線性飽和環(huán)節(jié),實(shí)際的輸出溫度并不能穩(wěn)定在3℃,而是在持續(xù)振蕩,甚至存在發(fā)散的趨勢。

采用傳統(tǒng)PID 控制,得到的輸出溫度曲線如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)PID 控制下溫度變化曲線

由圖6可以看出,相較于單位負(fù)反饋控制,使用傳統(tǒng)PID 控制能夠保證系統(tǒng)收斂,但收斂速度較慢,存在明顯的振蕩現(xiàn)象。溫控系統(tǒng)的控制精度為0.1℃,調(diào)節(jié)時間為600 s。對于仿真結(jié)果中表現(xiàn)出的振蕩現(xiàn)象,在實(shí)際的物理系統(tǒng)中將反映為壓縮機(jī)的頻繁啟停,這會對壓縮機(jī)的使用壽命產(chǎn)生不良影響。同時,溫度的反復(fù)振蕩也會使作物生長受到影響。因此,需要盡量減少振蕩次數(shù),以優(yōu)化壓縮機(jī)工作狀態(tài),延長壓縮機(jī)的使用壽命并提高作物生長效率。

采用模糊PID 控制時,得到的系統(tǒng)輸出溫度曲線如圖7所示。

圖7 模糊PID 控制下溫度變化曲線

從圖7 的結(jié)果來看,使用模糊PID 控制后,系統(tǒng)的收斂速度明顯加快,振蕩次數(shù)明顯減少,性能得到了明顯改善。溫控系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制精度小于0.05℃,溫度調(diào)節(jié)時間小于300 s。從作物生長效率和壓縮機(jī)壽命的角度來看,更少的溫度振蕩次數(shù)意味著更高的作物生長效率,同時,更少的振蕩次數(shù)會明顯減少壓縮機(jī)的啟停次數(shù),對于提高壓縮機(jī)壽命有著積極意義。

4 結(jié)束語

本文針對溫室溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID 控制的自適應(yīng)控制器,并結(jié)合具體的溫室模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,相比于其他溫室溫度控制方法,本文提出的基于模糊PID 的自適應(yīng)控制器具有更高的溫度控制精度以及更短的溫度調(diào)節(jié)時間,可以有效提升溫控設(shè)備的控制效率。同時,本文提出的優(yōu)化算法不需要額外增加探測及控制設(shè)備,具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。