蔬菜大棚模糊PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：針對大棚溫度控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)控制方法效果不甚理想的問題，提出了在大棚溫度控制系統(tǒng)中引入模糊ＰＩＤ控制方法。該方法能使大棚溫度控制系統(tǒng)根據(jù)季節(jié)交替和時令的變化，實現(xiàn)優(yōu)化控制，為農(nóng)作物的生長發(fā)育提供合適的溫度環(huán)境。并在ＭＡＴＬＡＢ環(huán)境下進行計算機仿真控制試驗。結(jié)果表明，模糊ＰＩＤ控制方法可以提高大棚控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性和魯棒性，抑制大慣性產(chǎn)生的溫度失調(diào)等副作用，獲得滿意的控制效果。

關(guān)鍵詞：計算機仿真；蔬菜大棚；溫度控制；魯棒性

中圖分類號：ＴＰ２７３文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）13－2746-03

The Design of the System of Vegetable Greenhouse Based on Fuzzy PID Control

ＪＩＡ Ｆａｎｇ－ｙｕｎ，ＷＡＮＧ Ｄａ－ｗｅｉ，ＱＵ Ｙｉ

（Ｘｉａｎｙａｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０００，Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ， ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｎｔｈｏｄ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｃｒｏｐｓ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｅａｓｏｎａｌ ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｕｒｎａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｓｔ ｉｎ ＭＡＴＬＡＢ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ adaptability ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｏｒｄｅｒ ｗａｓ ａｌｓｏ ｉｎｈｉｂｉｔｅｄ． Ａ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ ａｃｈｉｅｖｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； vegetable greenhouse； ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ

現(xiàn)代蔬菜大棚能夠人為地改善大棚內(nèi)農(nóng)作物的生態(tài)環(huán)境，為蔬菜等農(nóng)作物的生長提供最佳生長條件，提高農(nóng)業(yè)土地的產(chǎn)出率和社會經(jīng)濟效益。但是，由于大棚環(huán)境系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，各種環(huán)境因素之間相互耦合，采用常規(guī)ＰＩＤ控制方法很難為蔬菜等農(nóng)作物提供一個最佳的環(huán)境溫度［１－３］。

近年來，隨著人工智能理論的發(fā)展日趨成熟，人工智能控制已經(jīng)成為控制應(yīng)用領(lǐng)域研究的一個熱點，特別是將模糊控制和ＰＩＤ控制兩者優(yōu)點相融合的模糊ＰＩＤ控制（Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ），引起了科技工作者的廣泛關(guān)注。Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制是一種人工智能控制方法，能提高控制系統(tǒng)精確度和使控制具有較強的自適應(yīng)性、魯棒性，同時也提高了系統(tǒng)的靈活性，改善了系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，從而獲得了良好的控制效果［４－６］。基于此，本文在建立大棚溫度控制對象模型的基礎(chǔ)上引入Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制算法，實現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境溫度的控制。

１大棚溫度模糊ＰＩＤ控制器的設(shè)計

模糊ＰＩＤ控制系統(tǒng)的設(shè)計是該控制系統(tǒng)的核心，關(guān)系到控制性能的優(yōu)劣。大棚溫度模糊ＰＩＤ控制系統(tǒng)的設(shè)計方法是利用模糊控制算法在線修訂ＰＩＤ控制器的3個參數(shù)，達到在線尋優(yōu)控制的效果。

１．１大棚溫度模糊ＰＩＤ控制系統(tǒng)的原理

模糊ＰＩＤ控制系統(tǒng)以溫度偏差和溫度偏差變化率作為控制系統(tǒng)的輸入，經(jīng)模糊化處理后，進行模糊決策，為ＰＩＤ控制器的參數(shù)選擇提供尋優(yōu)算法。它的設(shè)計思想是把溫度偏差ｅ（公式１）和溫度偏差的變化率ｅｃ（公式２）經(jīng)過模糊化后輸入到模糊控制器中，依據(jù)模糊控制規(guī)則，在線實時邏輯推理出的三個修正量Δｋｉ、Δｋｐ和Δｋｄ實現(xiàn)ＰＩＤ控制器的三個參數(shù)ｋｉ、ｋｐ、ｋｄ在線修正，實現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境溫度實時控制。

一般情況下，針對不同的ｅ和ｅｃ，模糊ＰＩＤ控制的３個參數(shù)ｋｐ、ｋｉ、ｋｄ自整定應(yīng)遵循以下原則：

１）當｜ｅ｜較大時，應(yīng)取較大的ｋｐ和較小的ｋｄ（以使系統(tǒng)響應(yīng)加快），且是ｋｉ＝０。

２）當｜ｅ｜中等時，應(yīng)取較小的ｋｐ（以使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)），適當?shù)模耄楹停耄洹?/p>

３）當｜ｅ｜較小時，應(yīng)取較大的ｋｐ和ｋｉ（以使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能），ｋｄ的取值要恰當，以避免在平衡點附近出現(xiàn)震蕩。

１．３大棚溫度模糊ＰＩＤ系統(tǒng)參數(shù)的模糊化

依據(jù)控制系統(tǒng)的要求，大棚溫度模糊ＰＩＤ控制系統(tǒng)中的模糊控制系統(tǒng)采用二輸入三輸出的形式，以溫度偏差和溫度偏差變化率作為輸入，以校正量Δｋｐ、Δｋｉ、Δｋｄ作為輸出。按大棚中農(nóng)作物生長規(guī)律和農(nóng)業(yè)技術(shù)人員的控制實踐經(jīng)驗，取輸入、輸出語言變量模糊子集為｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝，簡記為｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝，溫度偏差ｅ、溫度偏差的變化率ｅｃ和控制器輸出的校正量Δkｐ、Δkｉ、Δkｄ的模糊論域取為｛－３，－２，－１，０，１，２，３｝，模糊子集也取為｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝，模糊子集的隸屬函數(shù)ＮＢ，ＰＢ選高斯函數(shù)（公式５和公式６），其余均選靈敏度高且在論域范圍內(nèi)均勻分布，等距離的三角形函數(shù)（公式７~１１），ｅ、ｅｃ和Δkｐ、Δkｉ、Δkｄ隸屬函數(shù)曲線如圖１所示。

在依據(jù)大棚農(nóng)作物的生長規(guī)律和農(nóng)業(yè)技術(shù)員的實踐操作的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，建立合適的模糊規(guī)則表，得到對Δkｐ、Δkｉ、Δkｄ等３個參數(shù)分別對應(yīng)的整定的模糊規(guī)則表（表１、２、３）。

由模糊控制規(guī)則可知，參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則表可寫成條件語句形式。對于表１~３中ｋｐ、ｋｉ和ｋｄ的調(diào)節(jié)規(guī)則可以寫成如下４９條模糊條件語句。

１） ｉｆ（ｅ ｉｓ ＮＢ）ａｎｄ（ｅｃ ｉｓ ＮＢ） ｔｈｅｎ （ｋｐ ｉｓ NB）（ｋｉ ｉｓ PM）（ｋｄ ｉｓ ＰＳ）

２） ｉｆ（ｅ ｉｓ ＮＢ）ａｎｄ（ｅｃ ｉｓ ＮＭ） ｔｈｅｎ （ｋｐ ｉｓ NB）（ｋｉ ｉｓ ＮＢ）（ｋｄ ｉｓ PS）

３） ｉｆ（ｅ ｉｓ ＮＢ）ａｎｄ（ｅｃ ｉｓ ＮＳ） ｔｈｅｎ （ｋｐ ｉｓ NB）（ｋｉ ｉｓ ＮB）（ｋｄ ｉｓ PB）

…………

１．５大棚溫度模糊ＰＩＤ量化因子的選擇及輸出信息的解模糊化

１．５．１大棚溫度模糊ＰＩＤ控制系統(tǒng)量化因子選擇大棚溫度模糊ＰＩＤ控制器兩個輸入量是溫度偏差ｅ和溫度偏差的變化率ｅｃ，它們都是連續(xù)的實數(shù)。在實際中，大棚中作物生長需要的溫度變化范圍即溫度物理論域是（１４，３２） ℃，大棚溫度偏差變化率的物理論域取整（－２，２） ℃／ｍｉｎ，物理論域和模糊論域不能很好地匹配，這會影響整個控制系統(tǒng)的控制效果。因此引入量化因子ｋｅ和ｋｅｃ，其作用是使物理論域影射模糊論域，以便相鄰模塊相匹配，覆蓋所有的模糊子集。

１．５．２大棚溫度模糊ＰＩＤ控制器輸出信息清晰化在大棚溫度模糊ＰＩＤ系統(tǒng)中，經(jīng)過模糊邏輯推理后，輸出的是模糊集合，由４９條模糊條件語句（模糊推理規(guī)則）所得，是一個模糊量，不能直接控制溫度的控制設(shè)備——暖氣電動閥，還需要用合理的方法將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量（解模糊化），以便最好地發(fā)揮模糊推理結(jié)果的決策效果。清晰化的目的模糊集合等效為一個清晰值。在清晰化時，采用重心法（公式１２），得到控制量ｕ來控制被控對象。

在ＭＡＴＬＡＢ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ環(huán)境下，對大棚模糊ＰＩＤ溫度控制系統(tǒng)和常規(guī)ＰＩＤ溫度控制進行計算機仿真，并以仿真曲線為基礎(chǔ)，進行溫度控制系統(tǒng)性能分析。學(xué)習(xí)因子模糊ＰＩＤ溫室溫度控制系統(tǒng)追蹤仿真曲線如圖２所示，常規(guī)的ＰＩＤ溫室溫度控制系統(tǒng)追蹤仿真曲線如圖３所示。比較分析可以看出學(xué)習(xí)因子模糊ＰＩＤ溫室溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)調(diào)節(jié)時間短，超調(diào)量小，抗干擾性強、魯棒性好，能很好地抑制長時間存在的誤差。

３小結(jié)

文章提出的學(xué)習(xí)因子模糊ＰＩＤ控制方法是將常規(guī)ＰＩＤ控制、模糊控制以及學(xué)習(xí)因子相結(jié)合，使控制系統(tǒng)具有了依據(jù)控制環(huán)境學(xué)習(xí)的能力，實現(xiàn)了在線智能修正ＰＩＤ控制器的參數(shù)，提高了控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能，能使溫室的控制系統(tǒng)在升溫過程中無超調(diào)，在降溫過程中有較小的超調(diào)，比較符合溫室蔬菜生產(chǎn)對溫度控制的要求。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文