溫室控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

溫室控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

0智能節(jié)點(diǎn)檢測基于國內(nèi)外先進(jìn)的溫室技術(shù)，結(jié)合北方的氣候條件，作者開發(fā)了基于強(qiáng)制總線技術(shù)的分布式智能生態(tài)系統(tǒng)。CAN總線的優(yōu)點(diǎn)是支持多種方式工作，系統(tǒng)中任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動地與其它節(jié)點(diǎn)互通信息，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級來避免總線沖突。由總線上的智能節(jié)點(diǎn)完成每個溫室環(huán)境因子、作物生長狀況等參數(shù)的檢測及相關(guān)的控制功能,各個子節(jié)點(diǎn)間既相互獨(dú)立，又相互協(xié)作；客戶端計算機(jī)作為總線上的一個節(jié)點(diǎn)，主要完成系統(tǒng)管理、故障報警、生產(chǎn)決策、控制優(yōu)化等功能，并通過網(wǎng)絡(luò)接口與遠(yuǎn)程計算機(jī)互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程控制和診斷。1基于pid的穩(wěn)態(tài)誤差控制方案設(shè)計本控制系統(tǒng)的設(shè)計是以空氣溫度、相對濕度、光照度及灌溉水流量等過程變量作為輸入，以相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開閉和功率調(diào)整作為輸出，輔以擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)用來接收CO2濃度、土壤pH值和電導(dǎo)率等信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。具體工作流程為：管理人員根據(jù)作物需求、生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)條件作出相應(yīng)決策，輸入客戶端計算機(jī)；計算機(jī)首先從總線上其它各個節(jié)點(diǎn)獲取傳感器信號和控制信息，以模糊技術(shù)與PID（微分三模式算法）復(fù)合控制的原理優(yōu)化控制策略；然后發(fā)送到各節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)策略實施控制行為，同時向計算機(jī)反饋結(jié)果信息。這種改進(jìn)的控制方法的出發(fā)點(diǎn)：模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度；而PI調(diào)節(jié)器的積分調(diào)節(jié)作用從理論上可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制為零，有很好的消除誤差作用。因此，把模糊控制和PI調(diào)節(jié)器相結(jié)合，以增加穩(wěn)態(tài)控制性能。2模糊控制的描述客戶PLC端計算機(jī)是整個PLC系統(tǒng)與生產(chǎn)管理PLC人員的交互工具。生產(chǎn)管理人員利用計算機(jī)查詢系統(tǒng)內(nèi)各個節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，獲取各路傳感器的信號，以便做出相應(yīng)決策。溫室內(nèi)各環(huán)境因子是相互制約和相互影響的。如光照強(qiáng)度增加，溫度則升高；溫度上待升，又造成濕度降低；濕度降低后，又同樣會對溫度造成影響。所以，筆者在模糊控制理論的基礎(chǔ)上，研究了模糊控制技術(shù)，建立模糊控制器。該控制器以各個環(huán)境參數(shù)為輸入，進(jìn)行模糊處理后，向執(zhí)行電機(jī)發(fā)送控制指令。本設(shè)計的模糊控制器框圖如圖2所示。針對輸入的某一環(huán)境參數(shù)s，有輸出誤差e和誤差變化率?e，經(jīng)模糊化、規(guī)則化和反模糊化后，轉(zhuǎn)換為作用于被控對象的控制信號u。該信號或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開閉，或者執(zhí)行電機(jī)的功率調(diào)整指令。為了完成輸入?yún)?shù)的模糊化，需要知道輸入的精確值（如溫度值、濕度值、光照度值等）對模糊集的隸屬度函數(shù)。在控制過程中，首先把該輸入?yún)?shù)s劃分成正大（PL）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZE）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NL）等7級語言變量，每個語言值對應(yīng)一個模糊子集。本設(shè)計中，設(shè)輸入?yún)?shù)的量化等級都為13級，即{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}，功率偏差的論域為[-20,20]，偏差的變化論域為[-15,15]，則量化因子為輸出變量的量化等級為15級，即{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6,7}，控制輸出的論域為[-35,35]。所以，比例因子為選擇控制量的變化原則是：在誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。將各種可能出現(xiàn)的情況和相應(yīng)的模糊推理匯總并制成控制規(guī)則表，如表1所示。模糊推理采用Mamdani推理法。通過模糊推理得到的結(jié)果是一個模糊集合，但在模糊控制中必須要有一個確定值才能控制或驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中，取一個能最佳代表這個模糊推理結(jié)果可能性的精確值的過程稱為非模糊化過程。采用重心法一般具有更平滑的輸出推理控制，即對應(yīng)于輸入信號的微小變化其推理的最終輸出一般也會發(fā)生一定的變化且這種變化比較平滑。重心法是取模糊隸屬度函數(shù)曲線與坐標(biāo)圍成面積的重心。該重心為模糊推理的最終輸出值。其工作流程圖如圖3所示。3溫度和濕度的控制溫室作為一個半封閉系統(tǒng)，溫度和濕度的高低對作物生長影響巨大。為了合理地控制溫室內(nèi)部微氣候，系統(tǒng)中溫濕度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計是本研究的重中之重。鑒于傳統(tǒng)開閉控制存在感測準(zhǔn)確性差、控制動作頻繁的缺點(diǎn)，在計算機(jī)節(jié)點(diǎn)采用模糊控制算法，將各種環(huán)境因子（溫度、濕度、光照度等）綜合起來分析處理，采用多段控制和PID控制結(jié)合的方法，將受控參數(shù)之間的相互影響擬合到最佳狀態(tài)，生成優(yōu)化后的控制指令，發(fā)送到溫濕度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PID控制將比例控制（P動作）、積分控制（I動作）、微分控制（D動作）3種控制組合使用的方式是一種反饋控制。應(yīng)用此控制方式，可以使溫度和濕度平滑地達(dá)到設(shè)定值。本設(shè)計中采用的PLC是具備PID控制單元的松下FP10SH。而PID控制器的輸出算式為式中u(k)—采樣時刻的輸出值；e(k)—采樣時刻k的偏差值；e(k-1)—采樣時刻k-1的偏差值；TI—積分系數(shù)；由(4)式可知，只要知道被控對象的模型并采用合適的采樣周期以后，可以離線地找到一組合適的參數(shù)Kp、TI、TD，使系統(tǒng)基本接近最佳工況。通過系統(tǒng)仿真和溫室內(nèi)實際試驗，所獲得的PID控制輸出曲線如圖4所示。4環(huán)境因素調(diào)節(jié)裝置的優(yōu)化設(shè)計本設(shè)計將模糊控制與PID控制結(jié)合起來，實現(xiàn)了溫室環(huán)境參數(shù)控制的智能化。利用模糊數(shù)學(xué)模式分