溫室環(huán)境參數(shù)模糊控制器設計*

牛國玲，霍艷忠，鄭永春，周海波

(佳木斯大學)

0 引言

溫室作為設施農業(yè)的一種重要形式，在國內外農業(yè)中越來越受到重視.如何利用控制理論的相關知識有效地提高溫室環(huán)境控制水平和現(xiàn)代化管理程度，是溫室技術研究的重要內容之一.隨著通訊技術、自動檢測技術及計算機技術等的發(fā)展，將工業(yè)上較為成熟的、先進的控制方法和管理手段引入到農業(yè)的生產設施中，實施有效的溫室環(huán)境控制，是現(xiàn)階段溫室技術的主要研究方向之一.但是，溫室環(huán)境控制是一項綜合性工程，它需要綜合應用農業(yè)生物學、環(huán)境工程、自動控制、計算機網絡、管理科學等多種技術學科.溫室因其生產周期長、過程復雜，決定了溫室系統(tǒng)是一個多變量、強耦合、非線性、大慣性的復雜大系統(tǒng)，一般難以建立溫室的精確數(shù)學模型，進而對其進行處理和控制.另一方面，溫室內培育的是具有生命的植物，所以，在生產過程中作物的安全性是首要的.溫室的管理涉及市場、設備、技術、員工等諸多因素，現(xiàn)階段對溫室的管理還不能完全脫離人的干預.一般來說，溫室的控制應該包括溫室氣候的控制、水肥的控制、作物生長情況的監(jiān)控、設施和設備的監(jiān)控、生產資料和資金的分配、市場和信息的管理、任務和計劃的安排等內容［1］.

國外對溫室環(huán)境控制技術研究較早，始于20世紀70年代.先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和控制.80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng).目前正開發(fā)和研制計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng).現(xiàn)在世界各國的溫室控制技術發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展.

我國的現(xiàn)代化溫室是在引進與自我開發(fā)并進的過程中發(fā)展起來的.我國對于溫室控制技術的研究較晚，始于20世紀80年代.我國工程技術人員在吸收發(fā)達國家溫室控制技術的基礎上，才掌握了人工氣候室內微機控制技術，該技術僅限于溫度、濕度和CO2濃度等單項環(huán)境因子的控制.之后，我國的溫室控制技術得到了迅速發(fā)展.20世紀80年代后期，我國先后從歐美和日本等發(fā)達國家引進連棟溫室.由于當時只注重引進溫室設備，而忽略了溫室的管理技術和栽培技術，且引進的溫室能耗過高，致使企業(yè)相繼虧損或停產.90年代初，我國大型溫室跌入了發(fā)展的低谷.“九五”初期，以以色列溫室為代表的北京中以示范農場的建立，拉開了我國第二次學習和引進國外現(xiàn)代溫室技術的序幕.到90年代中后期，在對國外溫室設備配置、溫室栽培品種、栽培技術等各個方面進行研究的基礎上，我國自主開發(fā)了一些研究性質的環(huán)境控制系統(tǒng).例如:江蘇理工大學毛罕平等研制成功了使用工控機進行管理的植物工廠系統(tǒng).該系統(tǒng)能對溫度、光照、CO2濃度、營養(yǎng)液和施肥等進行綜合控制，是目前國產化溫室控制技術比較典型的研究成果.又如:中國農業(yè)機械化科學研究院研制成功了新型智能溫室系統(tǒng).該系統(tǒng)由大棚本體及通風降溫系統(tǒng)、太陽能貯存系統(tǒng)、燃油熱風加熱系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、計算機環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)等組成.綜觀國內外溫室農業(yè)的發(fā)展，溫室控制技術正沿著手動、自動、智能化控制的發(fā)展進程，向著越來越先進、功能越來越完備的方向發(fā)展;溫室環(huán)境控制朝著基于作物生長模型、溫室綜合環(huán)境因子分析模型和農業(yè)專家系統(tǒng)的溫室信息自動采集及智能控制趨勢發(fā)展.釆用目前比較流行的集散控制結構，并結合模糊控制理論，對溫室內的溫度與濕度進行聯(lián)合控制.整個控制系統(tǒng)由個人計算機構成的上位機、單片機構成的下位機及連接上、下位機之間的通信網絡組成.控制對象為溫室內常用的可操控設備，如天窗、風機、泵和電磁閥等.

1 基本論域、模糊論域和量化因子

通過跟蹤溫室溫濕度曲線，使溫室具有適宜的溫度和濕度，為了實現(xiàn)跟蹤曲線釆用溫度偏差和濕度偏差作為模糊控制器的輸入，偏差值為實測值與設定值的差.分別用Et和Eh代表溫度偏差和濕度偏差，用Tset和Hset分別代表溫度的設定值和濕度的設定值，用Ts和Hs分別代表溫度的實測值和濕度的實測值，則溫濕度偏差的計算公式分別為:

在溫室中溫度偏差的基本論域［-xa，xa］為［-6，6］，溫度偏差的模糊論域{-n，…，n}為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，可以計算出溫度偏差的量化因子［1-3］:

設定濕度偏差的基本論域為［-12，12］，濕度偏差的模糊論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，可以計算出溫度偏差的量化因子:

2 模糊語言變量語言值分檔及隸屬函數(shù)

模糊語言變量的分檔數(shù)m與模糊論域的級數(shù)n之間應滿足如下關系［2-3］:

取k=1.5，分別確定溫度偏差和濕度偏差模糊語言變量語言值的分檔數(shù)，如下所示.

已知溫度和濕度n=3，代入式(5)可得，

分別用符號的形式表示如下所示:

隸屬函數(shù)是用來涵蓋模糊論域的，對于模糊語言變量的每一個語言值都應該有一個隸屬函數(shù)與之相對應，即對應NB，NS，Z，PS，PB分別應該有5個隸屬函數(shù).隸屬函數(shù)的形狀對控制的效果影響不大，關鍵是隸屬函數(shù)在模糊論域上的跨度，選擇三角形隸屬函數(shù)作為溫度偏差和濕度偏差各語言值的隸屬函數(shù).三角形隸屬函數(shù)［4］的函數(shù)解析式如下所示:

式中參數(shù)a、b、c的含義如圖1所示.

圖1 三角形隸屬函數(shù)圖形

為了表述得簡潔、清楚，用Matlab中模糊控制工具箱［4］里的FIS編輯器來表示本課題中溫度偏差和濕度偏差各個語言值的隸屬函數(shù).圖2為溫度偏差各語言值隸屬函數(shù)分布圖.圖3為濕度偏差語言值隸屬函數(shù)分布圖.

圖2 溫度偏差語言值隸屬函數(shù)分布圖

圖3 濕度偏差語言值隸屬函數(shù)分布圖

輸出變量的模糊論域設定為{-1，0，1}，其模糊語言變量的語言值分檔為{NB，Z，PB}，Matlab中隸屬函數(shù)的分布情況如圖4所示.

圖4 輸出變量語言值隸屬函數(shù)分布圖

圖4反映的是解耦后某一個輸出變量的隸屬函數(shù)分布情況.這里使用的是一個2輸入7輸出的模糊控制器，所以，同樣的輸出變量及其隸屬函數(shù)分布圖還有6個.每一個輸出變量對應一種溫室內的可操控設備

3 模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，模糊控制器的所有行為都是在模糊控制規(guī)則的控制下完成的.該文設計的是一個具有2輸入7輸出的多輸入多輸出(MIMO)模糊控制器，輸入變量為溫度的偏差和濕度的偏差，輸出變量為各個設備的控制信號.另外，將溫室內的7種可操控設備都處理成開關設備，即認為如果模糊控制器的輸出為PB，則應該打開設備;輸出為NB則應該關閉設備.

為了能夠制定出合理的模糊控制規(guī)則，通過設計一個基本模糊控制器，用于取代原來的人工操作.先通過控溫控濕的效果上對溫室中的七種設備的情況按照操作人員在升溫、降溫、增濕、減濕時的操作順序，制成表格，見表1.

表1 七種設備對照表

為了實現(xiàn)操作的目的，表1所示的設備中，有一些設備之間是存在相互制約的，對于這些制約要在控制規(guī)則中加以體現(xiàn).模糊語言變量及語言值分檔情況匯總后見表2.

表2 模糊語言變量及語言值分檔

以上所設計的是Mamdani型模糊控制器［5］，其結構形式如圖5所示.

溫濕度偏差的語言值都分為5個檔，所以對應每一個輸出量最多都會有5×5=25條控制規(guī)則.但是對于某個控制目的，有些輸出是不需要的.所以總的控制規(guī)則數(shù)小于甚至遠遠小于25×7=175條.這里的模糊控制規(guī)則都具有如下的形式:

圖5 模糊控制器的結構

在溫度與濕度這兩項指標中，濕度通常指相對濕度，所以在制定模糊控制規(guī)則時釆用溫度優(yōu)先的原則.根據(jù)操作者的經驗，該課題的部分模糊控制規(guī)則如圖6所示.

對輸出變量U1的二維投影曲線如圖6所示.

圖6 U1與ET的關系曲線

從圖6可以看出，U1的輸出曲線存在兩處明顯的轉折，一處在ET=0附近，一處在ET=1.2附近，說明對輸出變量U1的模糊控制規(guī)則還有待進一步改善［5］.

下面要對模糊控制規(guī)則進行解耦，即從中分離出針對每一個設備的控制規(guī)則，進而制作成模糊控制規(guī)則表，以便對每一種設備實施具體的控制，針對每一個輸出變量進行分離就可以了，即從總規(guī)則中分別針對U1進行分離，針對U2進行分離，依此類推.以U1為對象進行分離并整理成模糊控制規(guī)則表，見表4.

表4 U1的模糊控制規(guī)則表

同樣的被控對象，同樣的可控設備，不同的操作者會給出不同的操作規(guī)則.在對溫室參數(shù)進行控制時，上位機軟件可以根據(jù)實際情況適當調整控制規(guī)則.

4 結束語

文中從整體上介紹了與溫室環(huán)境參數(shù)模糊控制有關的模糊控制器設計過程中的重點理論問題與技術問題.首先，介紹了溫室環(huán)境參數(shù)模糊控制器的基本論域、模糊論域和量化因子;其次，介紹了模糊語言變量語言值分檔及隸屬函數(shù);最后，介紹了溫室環(huán)境參數(shù)模糊控制器的核心知識模糊控制規(guī)則.通過實驗驗證，本模糊控制器運行可靠，可以實現(xiàn)溫度、濕度、光照度等溫室環(huán)境參數(shù)的模糊控制，滿足溫室控制的要求，本模糊控制器為溫室現(xiàn)代化控制給出了可供參考的一種技術方法.

［1］ 陳超，張敏，宋吉軒.我國設施農業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展對策分析［J］.河北農業(yè)科學，2008(11).

［2］ 王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［3］ 李士勇.工程模糊數(shù)學及應用［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

［4］ 樓順天，胡昌華，張偉.基于 MATLAB的系統(tǒng)分析與設計——模糊系統(tǒng)［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2003.

［5］ 石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真［M］.北京:清華大學出版社，北京交通大學出版社.2008.