智能溫室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真

1、第36卷第8期東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)Vol .36No .82008年8月JOURNAL OF NORT HE AST F ORESTRY UN I V ERSI TY Aug .2008智能溫室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真譚偉徐玲(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,150040摘要在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本理論的基礎(chǔ)上,針對(duì)溫濕度變化規(guī)律和控制要求,設(shè)計(jì)了溫室中溫濕度控制系統(tǒng)的硬件組成及其軟件實(shí)現(xiàn)。實(shí)用證明:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高,可解決實(shí)際應(yīng)用中的問題。關(guān)鍵詞智能溫室;溫濕度;模糊控制;仿真分類號(hào)TP273Desi gn and Simul a ti on of Te mperature and Hu m

2、i dity for I ntelli gent Greenhouse Control Syste m /Tan Wei,Xu L ing (Northeast Forestry University,Harbin 150040,P .R .China /Journal of Northeast ForestryUniversity .-2008,36(8.-8889Hard ware compositi on and s oft w are realizati on of a kind of contr ol syste m of temperature and hu m idity for

3、 the intelli 2gent greenhouse were designed base on the theory of fuzzy neural net w orks according t o the change rule of te mperature and hu m idity as well as the contr ol de mand .It testified that the syste m with si m p le structure has good stability and high relia 2bility,which can s olve th

4、e p ractical app licati on p r oble m.Key words I ntelligent greenhouse;Te mperature and hu m idity;Fuzzy contr ol;Si m ulati on 溫室作物環(huán)境的控制受到多變的外部環(huán)境的影響,受到控制對(duì)象的不確定性與作物形態(tài)、尺寸不斷變化的影響,還受到生產(chǎn)者管理經(jīng)驗(yàn)及惡劣工作環(huán)境的影響。用常規(guī)的控制方法來處理溫室這一多輸入、多輸出、非線性強(qiáng)的控制過程,有時(shí)很難獲得比較理想的效果,這就要求我們?cè)谙到y(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、控制原理上改進(jìn)。因此,研究者們將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及模糊推理等智能控制方法運(yùn)用

5、到溫室環(huán)境的控制中,來提高溫室環(huán)境的自動(dòng)化、智能化水平1。本文將模糊理論的知識(shí)表達(dá)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力有機(jī)地結(jié)合起來,設(shè)計(jì)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器,它綜合了模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)點(diǎn),能提高整個(gè)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力和控制性能。1模糊控制器的設(shè)計(jì)通常將模糊控制器輸入變量的個(gè)數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)(見圖1,這種控制器以誤差和誤差的變化為輸入變量,以控制量的變化為輸出變量。模糊控制器模仿人在操作過程中的思維和邏輯推理,不建立確定的數(shù)學(xué)模型,從而達(dá)到控制的目的,適合工作于非線形、時(shí)變性、時(shí)滯的系統(tǒng)控制。它分為單變量模糊控制器和多變量模糊控制器。從理論上講,模糊控制器的維數(shù)越高,控制效果越好,但是維數(shù)越高的模

6、糊控制器實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)復(fù)雜和困難。目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器(見圖1。 圖1二維模糊控制器結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)也采用二維模糊控制器:e (溫室內(nèi)溫度誤差、e c (溫室內(nèi)溫度誤差變化率;單輸出u (供油閥門的開度。設(shè)定溫度為R,現(xiàn)時(shí)刻為K,前一時(shí)刻為K -1,溫室現(xiàn)時(shí)刻溫度為y (K ,前一時(shí)刻溫度為y (K -1,現(xiàn)時(shí)刻溫度誤差為e (K =y (K -R,前一時(shí)刻溫度誤差e (K -1=y (K -1R,現(xiàn)時(shí)刻溫度誤差變化率為e c (K =e (K -e (K -1。選擇e (K 和e c (K 為模糊控制器的輸入變量2-3。第一作者簡介:譚偉,女,1974年7月生,東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)

7、工程學(xué)院,講師。收稿日期:2008年3月20日。責(zé)任編輯:張玉。2模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系模糊控制利用專家經(jīng)驗(yàn)建立模糊集、隸屬函數(shù)和模糊推理規(guī)則等實(shí)現(xiàn)非線性、不確定復(fù)雜系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制利用其學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力實(shí)現(xiàn)非線性的控制和優(yōu)化。這兩種控制方式和手段在許多難以用精確數(shù)學(xué)模型表示的系統(tǒng)控制方式中發(fā)揮了巨大的作用。從知識(shí)的運(yùn)用方式來看,模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都具有并行處理的特點(diǎn),模糊系統(tǒng)同時(shí)激活的規(guī)則不多,計(jì)算量小,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)涉及的神經(jīng)元多,計(jì)算量大;從知識(shí)的存儲(chǔ)方式來看,模糊系統(tǒng)將知識(shí)存在規(guī)則中,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將知識(shí)存在權(quán)系數(shù)中,都具有分布存儲(chǔ)的特點(diǎn)。綜上所述,模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有明顯的互補(bǔ)性。

8、因此,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能來優(yōu)化模糊控制規(guī)則和相應(yīng)的隸屬函數(shù),將一些知識(shí)預(yù)先分布到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中去,是提出模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的兩個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)。模糊控制思想與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力的結(jié)合,使得模糊控制規(guī)則和隸屬函數(shù)可以通過對(duì)樣本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)自動(dòng)地生成,克服了人為選擇模糊控制規(guī)則主觀性較大的缺陷4-5。3智能采集器的硬件設(shè)計(jì)智能采集器通過各種高性能傳感器對(duì)外界氣候環(huán)境進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)采集,以及對(duì)溫室內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,并將測(cè)量結(jié)果通過總線送至智能處理器中,智能處理器根據(jù)控制要求對(duì)整個(gè)溫室進(jìn)行綜合控制。智能采集器包括電源電路、CP U 電路、C AN 接口電路、232接口電路、E 2PROM 存儲(chǔ)器、

9、溫度傳感器和濕度傳感器。智能采集器原理框圖如圖2所示。溫室內(nèi)每一點(diǎn)的環(huán)境因子參數(shù)值都不相同,為此我們需將9個(gè)智能采集器的溫度、濕度傳感器布置在溫室不同的位置和高度上,采集不同點(diǎn)的溫度、濕度值;1個(gè)智能采集器布置在室外,采集溫室外的溫、濕度值。在智能采集器中,CP U 采用美國Cygnal 公司的C8051F040單片機(jī)6,Cygnal C8051F 系列單片機(jī)是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)S OC (Syste m on chi p ,使用Cygnal 的專利C I P -51微控制器內(nèi)核,C I P -51與MCS -51T M 指令集完全兼容,易于編程和使用。E2PROM 存儲(chǔ)器用于保存對(duì)智能采

10、集器配置的一切參數(shù),在程序初始化時(shí),依據(jù)這些參數(shù)對(duì)智能采集器進(jìn)行預(yù)定配置。測(cè)量濕度信號(hào)的傳感器采用S302H3濕度采集模塊,采集到的濕度信號(hào)是模擬信號(hào),可轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào),所以在處理電路中只要采用緩沖放大電路即可。溫度傳感器采用“一線總線”接口的數(shù)字溫度傳感器DS18B20,將數(shù)據(jù)線連接到單片機(jī)的I/O 口,通過軟件通訊的方式采集總線上的溫度傳感器值,接線簡單方便 。圖2智能采集器原理4智能采集器軟件設(shè)計(jì)智能采集器的軟件采用C 語言設(shè)計(jì)。智能采集器流程主要由主程序模塊、C AN 總線中斷服務(wù)程序模塊、智能采集器數(shù)據(jù)采集模塊三部分組成,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、保存和控制。智能采集器數(shù)據(jù)采集程序根

11、據(jù)采集到的數(shù)據(jù),計(jì)算出當(dāng)前的誤差和誤差變化率,經(jīng)過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的處理得到相應(yīng)的控制量,再將控制量乘以比例因子k u 就得到當(dāng)前實(shí)際的控制量,來控制天窗和側(cè)窗、噴霧、濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、卷簾風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)備在采集數(shù)據(jù)時(shí),有可能被C AN 總線事件中斷,因此,為了保證數(shù)據(jù)的完整準(zhǔn)確,這次采集的數(shù)據(jù)丟棄,CAN 中斷退出后,繼續(xù)采集。并且數(shù)據(jù)采集由采樣周期和C AN 中斷同時(shí)觸發(fā),即采樣周期到時(shí)觸發(fā)采集數(shù)據(jù)程序,CAN 總線中斷后,也會(huì)觸發(fā)采集數(shù)據(jù)程序。5仿真與應(yīng)用本文運(yùn)用MAT LAB 語言的仿真軟件Si m ulink 對(duì)溫室環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn),仿真結(jié)果表明,與P I D 控制和模

12、糊控制相比較,模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有更小的超調(diào),無振蕩,平穩(wěn)性好,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間短,穩(wěn)態(tài)誤差小,因此其動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性均最為優(yōu)越。從能量損耗角度來講,由于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間快,調(diào)節(jié)時(shí)間短,超調(diào)量小,這時(shí)對(duì)加溫的調(diào)節(jié)更接近于實(shí)際室內(nèi)所需負(fù)荷的要求,這樣就可以更好的達(dá)到滿足作物生長所需的溫度及節(jié)能的效果。由此驗(yàn)證了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種控制方法應(yīng)用于溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)的合理性與可行性。參考文獻(xiàn)1余朝剛.溫室氣候環(huán)境微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)與控制方法的研究D .杭州:浙江大學(xué),2005.2張?jiān)?模糊數(shù)學(xué)在自動(dòng)化技術(shù)中的應(yīng)用M .北京:清華大學(xué)出版社,1997:46-100.3張乃堯,閻平凡.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制

13、M .北京:清華大學(xué)出版社,1998:12-136.4李士勇.模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論M .哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998:30-50.5韓峻峰,李玉惠.模糊控制技術(shù)M .重慶:重慶大學(xué)出版社,2003:46-56.6童長飛.C8051F 系列單片機(jī)開發(fā)與C 語言編程M .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005:25-156.(上接87頁/核查該用戶是否具有訪問該頁面的權(quán)利if (sessi on .get V alue (“cur U ser QX ”.t oString (.index Of (“00.04”=-1res ponse .sendRedirect (“./accessErr or .js p ”;% >圖5角色權(quán)限分配3結(jié)束語本研究在開發(fā)B /S 的數(shù)字林業(yè)系統(tǒng)的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),通過組對(duì)用戶的權(quán)限控制在該系統(tǒng)中十分重要。因此,設(shè)計(jì)一個(gè)簡單方便又行之有效的權(quán)限控制機(jī)制對(duì)于系統(tǒng)是必不可少的。本研究所提出的基于J2EE 框架的B /S 系統(tǒng)計(jì)與用戶組權(quán)限設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法在實(shí)際的工作中得到了驗(yàn)證,修改指定權(quán)限的操作變得非常方便。參考文獻(xiàn)1李大興,翟征德.RBAC /W eb 的一