溫室土壤濕度的模糊控制系統研究

摘要[目的]現代化的溫室是促進農業技術發展的重要標志。然而，目前國內由于地區因素的差異，部分地區存在著操作成本較高、技術人員水平較低等情況，智能溫室系統的普及程度低。為了使自動控制技術能在現代溫室中發揮作用，溫室內的環境條件得以有效地控制，需要大力推廣智能溫室技術。[方法]設計了一種針對溫室土壤濕度的環境測控系統。[結果]該系統采用模糊控制技術，能夠對單棟溫室的土壤濕度進行測量和控制。通過Matlab對該系統進行模糊規則的設計，并進行模糊控制仿真。[結論]驗證了該系統的可行性，并且使溫室環境達到預期要求。

關鍵詞 溫室控制；模糊控制器；土壤濕度；Matlab

中圖分類號S24文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）30-10798-03

作者簡介吳肖龍（1988- ），男，湖北丹江口人，碩士研究生，研究方向：機電控制系統。*通訊作者，柯建宏，副教授，碩士，從事機電控制系統研究。

隨著溫室技術的發展，各類不同作物均不同程度地擺脫了傳統氣候的限制，因此，在農業工程方面得到了迅猛發展。然而，就目前的國內情況來說，溫室環境測控方面的發展水平仍然較低，符合作物生長的溫室控制系統價格不菲、維護保養費用高、操作難度大，嚴重制約了溫室控制領域的發展[1-3]。溫室中自動化技術所發揮的作業也存在很大的局限性，絕大部分是靠人們往常的經驗進行控制，并沒有相應的數據進行參照，因此這種控制是不科學的，而且具有一定的盲目性[4-7]。由此，現代的溫室需要開發一種成本較低、利用價值高而且自動控制程度高的溫室系統。該研究提出的系統是采用無線技術進行數據的傳輸，省去了大量鋪設線纜的費用，降低了操作難度以及操作成本。在傳統控制中，基本都是手動和自動兩種模式，增加了符合實際的控制方法，使操作方式更加簡便[2，3，5]。該研究針對溫室濕、溫度因子的模糊控制，對模糊控制器及控制規則進行了設計，通過Matlab對其進行了仿真，驗證了該控制系統的可行性。

1溫室內環境的特點及控制方法

1.1溫室環境特點要對溫室土壤的溫濕度情況進行建模是具有很大難度的。溫室環境是一個復合系統，參與其中的因素較多，而且各種不同的作物在進行呼吸和光合作用時，隨著時間、地點上的不同，所對應的環境特征也大不相同，都會對濕度因子產生影響[6]。所以說，模型的精確創建是幾乎不可能完成的。事實上，對農作物來說，溫室氣候并不需要精確到點來建模，而是需要一個合理的范圍即可。不同的農作物或同一種作物在每天不一樣的時間、不同的階段，這個范圍也是不確定的而且時時發生變化。因此，對溫室的控制無法做到精確，而只是保持在合理的氣候特征值之間就能滿足生產要求。

1.2土壤濕度的控制方法常用的且適合智能控制系統來完成的方法有兩種：通風換氣和合理適量的澆水。

通風換氣是最簡易的降低溫室內土壤濕度的方法，且通風天窗只有在高溫時才能開啟，以達到降溫的效果。如果在通風天窗開啟時，溫度下降的速度過快，要立即關停通風天窗，防止溫度過低，導致溫室作物受到損壞[7]。

澆水是讓溫室土壤濕度增加的主要方式。澆水要嚴格控制，防止土壤濕度過高。每次澆水任務完成后，最好適當通風，以均衡土壤濕度。

2控制系統設計

2.1單棟溫室控制系統硬件架構系統完成對溫室土壤濕度的測量和控制，是以完成單個溫室的模糊控制為基礎的，最后由PLC發出控制指令。根據需要滿足的功能和工作流程對單個溫室系統設計了硬件結構框圖。其中，溫室的檢測與控制系統包括溫、濕度信息的采集和控制設備運行兩大模塊，如圖1所示。

2.2模糊控制算法原理[8]根據溫室生產的工藝過程分析，該系統的模糊算法原理如圖2所示。

2.3模糊控制器設計通常模糊控制器的設計需要先經過模糊化，然后是隸屬度函數的選擇，最后是確定模糊控制的規則和解模糊等步驟[8-9]。

該系統的模糊控制中，以濕度誤差E1、溫度誤差E2和單位時間內濕度的變化值EC作為輸入變量。濕度誤差即溫室內的實時濕度值T和系統設定濕度To之間的偏差El；單位時間內濕度的變化值即兩次濕度測量的變化值EC（以1 s為濕度測量的時間間隔）；溫度誤差即溫室內實時溫度值與理想溫度值之間的偏差E2。輸出變量為滴灌和通風天窗的控制量，分別為y1、y2。模糊控制器結構如圖3所示。

系統在線控制中采用多維模糊控制器，其中以土壤濕度偏差E1、土壤濕度偏差變化率EC和溫度偏差E2作為控制器的輸入。由于溫度偏差E2并非主要影響因子，因此無需對溫度偏差變化率作為輸入控制量。而輸出量則是分別控制滴灌和通風窗口的啟閉。由此認定該系統為3輸入兩輸出模糊控制系統。可以將該系統視為兩個3輸入單輸出的模糊控制器[11]，模糊關系R為：

2.3.1模糊控制系統輸入、輸出值的模糊化處理。該系統的模糊控制器輸入變量分別是土壤濕度偏差E1、土壤濕度偏差變化率EC和溫度偏差E2，輸出變量分別是滴灌功能的開啟和通風天窗的啟閉。溫度偏差和濕度偏差的模糊論域都取為X={-4，…，-1，0，+1，…，+4}，語言變量選擇為{NB，NS，ZE，PS，PB}。選擇土壤濕度的偏差變化率的模糊論域為X={-5，…，-1，0，+1，…，+5}，語言變量選擇為{NB，NS，ZE，PS，PB}。其語言變量分別表示為負大（NB）、負小（NS）、零（ZE）、正小（PS）、正大（PB），其中“負”表示濕度偏低，“正”表示濕度偏高。在輸出值的表示中，滴灌和通風天窗的模糊論域均取Y={0，1，2，3，4}，滴灌的語言變量選擇為{DO，DA，DB}，通風天窗的語言變量選擇為{TO，TA，TB}，其中語言變量分別表示為滴灌關閉（DO）、滴灌半開（DA）、滴灌全開（DB）、天窗關閉（TO）、天窗半開（TA）、天窗全開（TB）[10-11]。

為了簡化設計的過程，該系統中的控制也不需要十分精確，因此所用到的隸屬函數均采用三角形式。例如，該系統中，濕度偏差、濕度偏差變化率和溫度偏差的隸屬函數曲線，如圖4～6所示。其中橫坐標為論域，縱坐標為量化因子。

2.3.2模糊控制規則的實現。用模糊專家控制方法來實現溫室環境土壤濕度的控制，基本方法是根據測出的濕度和溫度進行土壤濕度的控制，并且間接地考慮到了濕度隨其他因素變化而產生的變化趨勢。將經驗知識總結為共125條的濕度控制規則[8-9]。現將部分規則列出：

規則1：如果濕度很小，并且溫度偏差負大，并且濕度偏差變化率很小，那么滴灌設備全開。

規則2：如果濕度很小，并且溫度偏差負小，并且濕度偏差變化率很小，那么滴灌設備全開。

規則3：如果濕度很小，并且溫度無偏差，并且濕度偏差變化率很小，那么滴灌設備全開。

規則4：如果濕度很小，并且溫度偏差正小，并且濕度偏差變化率很小，那么滴灌設備全開。

規則5：如果濕度很小，并且溫度偏差正大，并且濕度偏差變化率很小，那么滴灌設備全開。

……

采用產生式結構的控制規則表示為：

R1：IF E1=NB and E2=NB and EC=NB，THEN U=DB.

R2：IF E1=NB and E2=NS and EC=NB，THEN U=DB.

R3：IF E1=NB and E2=ZE and EC=NB，THEN U=DB.

R4：IF E1=NB and E2=PS and EC=NB，THEN U=DB.

R5：IF E1=NB and E2=PB and EC=NB，THEN U=DB.

……

為了使系統加快運行速度，該系統在試驗仿真階段，應當適當對規則有效性加以參考，適當調整排序，使更高級的規則處于優先級。

2.3.3模糊控制規則的Matlab仿真[12]。根據上面所列出的控制規則，使用Matlab對根據專家經驗編制出控制規則進行仿真分析，在圖7、8中僅繪出了由濕度偏差和濕度偏差變化率作為輸入，分別以滴灌和通風天窗的狀態作為輸出量的Matlab仿真結果的特性曲面。在實際運用過程中，還需要根據現場的實際情況進行適當的調整，已達到最佳的控制目的。

3結論與討論

該研究是采用PLC作為溫室系統的控制執行器，結合模糊控制的算法和經驗豐富的技術人員設定的專家控制規則，建立了模糊控制器，可以實現土壤濕度的自動控制，從而擺該研究主要針對現階段溫室環境控制情況，構建出了一套操作簡便的溫室土壤濕度控制系統。該系統采用模糊控制器作為控制核心，以PLC作為系統的下位機，可以實現模糊控制和PLC的聯合控制系統。

在未來的研究中應更加注重控制規則的設計，針對不同的作物特性，采用不同的模糊控制規則，并且建立相應的控制規則庫，從而可以簡化對溫室控制規則的設計，針對不同的作物，實現規則庫的直接調用即可設定不同作物的理想生長環境。

參考文獻

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