模糊控制在溫室大棚控釋CO2氣肥系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜珊　譚峰　侯召龍

摘要：農(nóng)作物在各個生長期所需的CO2濃度不同，在室外生長時很難對其進行調(diào)控，而溫室大棚的密封性為CO2濃度的調(diào)控提供了條件。設(shè)計了基于模糊控制理論溫室大棚內(nèi)多環(huán)境因素綜合控釋CO2氣肥系統(tǒng)。以作物所處環(huán)境的光照度、溫度、濕度三因素作為模糊系統(tǒng)的輸入，以適宜當前作物生長的CO2氣肥濃度為模糊系統(tǒng)的輸出，建立了Mamdani型多輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC作為控制器，結(jié)合溫室環(huán)境傳感器以及上位機、下位機控制系統(tǒng)進行設(shè)計，通過查詢模糊控制規(guī)則表的方式，對溫室大棚內(nèi)的CO2氣肥濃度合理的進行控釋。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對CO2氣肥的輸出要比閾值控制方式更接近作物生長需求規(guī)律，并且系統(tǒng)抗干擾能力強，反應(yīng)速度快，有較強的魯棒性，有效地提高了溫室作物的生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞：模糊控制；程序設(shè)計流程；溫室大棚；CO2氣肥濃度；合理控釋；多因素；作物生產(chǎn)效益

中圖分類號： S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0190-05

近年來，CO2施肥技術(shù)是實現(xiàn)溫室作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病的主要技術(shù)措施之一，越來越受到世界各國的關(guān)注[1-2]。以往CO2施肥技術(shù)主要采用燃燒法、化學反應(yīng)法、瓶裝液態(tài)CO2等傳統(tǒng)方法，如燃燒沼氣、碳酸氫銨+硫酸化學反應(yīng)、釋放液態(tài)CO2等；后又采用效率計算方法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等對棚室內(nèi)CO2氣肥含量進行綜合調(diào)控。仝雨欣等針對設(shè)施內(nèi)的通風次數(shù)、作物的光合作用能力等因素，研究設(shè)施內(nèi)的CO2含量，利用效率計算方法對設(shè)施內(nèi)的CO2氣肥含量進行調(diào)控[3]。項美晶等利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化溫室內(nèi)設(shè)施對CO2氣肥的調(diào)控程度[4]。[HJ1.45mm]

以往的傳統(tǒng)方法與效率、網(wǎng)絡(luò)算法雖然能夠滿足作物對CO2氣肥的基本需求，但還是存在一些CO2釋放速度不受控制，易產(chǎn)生有害氣體，且因多環(huán)境因素影響不能準確釋放作物所需的CO2氣肥濃度等問題[5]。而模糊控制系統(tǒng)對于過于復雜或難以精確描述的系統(tǒng)具有強有力的控制能力，目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、智能裝備、變量施藥、道路識別等農(nóng)業(yè)、工業(yè)各種領(lǐng)域[6]，如匡迎春等通過模糊控制對田間土壤含水率/作物蒸騰量進行分析，來確定作物根系所需的最佳含水量，達到節(jié)水灌溉的目的[7-8]。王洪航等結(jié)合溫濕度模糊自適應(yīng)PID控制算法和模糊解耦合算法，來滿足溫濕度試驗箱的溫濕度控制要求[9]。李加念等采用模糊控制算法對進一步提高施肥裝置內(nèi)混肥濃度與目標濃度的逼近進行研究[10]。李君等根據(jù)制動壓力、滑移率和車輪減速度進行道路自動識別方法，設(shè)計了ABS模糊控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準確判斷出路面狀況的變化[11]。模糊控制系統(tǒng)可以對溫室大棚內(nèi)CO2氣肥濃度進行合理控釋。因此本研究利用模糊控制理論與溫室大棚內(nèi)的CO2氣肥濃度進行研究，為提高作物產(chǎn)量與優(yōu)化作物質(zhì)量提供一種科學有效的理論依據(jù)。

1模糊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于溫室大棚環(huán)境復雜，光照、溫度、濕度等因素直接影響作物光合作用所需的CO2氣肥濃度，因而將這3個影響因素數(shù)據(jù)作為模糊控制器的輸入，模糊控制器處理后得到當前作物適宜的CO2氣肥濃度作為模糊輸出，設(shè)計了一個三輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)。首先，引用量化因子將光照度、溫度、濕度等輸入量的物理值進行放大或縮小變換，將輸入變量從物理論域轉(zhuǎn)換到模糊集論域；模糊論域數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的輸入置入到模糊控制器中，經(jīng)控制器模糊化處理，以光照度、溫度、濕度為前提進行綜合的模糊推理，最后進行解模糊化，求得CO2氣肥濃度模糊輸出量，再乘以輸出比例因子得到實際CO2氣肥濃度物理輸出量，由執(zhí)行機構(gòu)對CO2進行噴施，使溫室大棚內(nèi)CO2氣肥濃度達到控制要求。檢測系統(tǒng)可調(diào)節(jié)實際噴施CO2氣肥濃度與控制計算CO2氣肥濃度之間的偏差值，進一步減小噴施誤差，使CO2氣肥得到精確的釋放。CO2氣肥濃度模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1模糊輸入/輸出量基本論域

本研究將光照、溫度、濕度3個因素定義為模糊控制器的輸入變量，分別用el、et、eh表示，模糊語言變量分別用EL、ET、EH表示。適宜當前作物生長的CO2濃度設(shè)為輸出變量uc，輸出模糊語言變量設(shè)為UC。輸出時，當模糊論域獲得輸出CO2氣肥濃度范圍時， 對后面執(zhí)行機構(gòu)所需求的數(shù)值范圍即物理論域未必一致，需要對論域進行轉(zhuǎn)換，此時需要引用比例因子，將輸出量進行清晰化。

2.2隸屬函數(shù)的建立

本研究在輸入量和輸出量模糊子集隸屬函數(shù)的選用中，采用三角形隸屬函數(shù)，它具有運算方便、快捷等特點，能夠很快調(diào)整輸出。根據(jù)溫室光照度、溫度、濕度、CO2氣肥濃度的實際情況，分別將輸入光照劃分為“弱（LL）、較弱（LS）、中（LM）、較強（LB）、強（LH）”5個等級，溫度劃分為“低（TS）、中（TM）、高（TB）”3個等級，濕度劃分為“偏低（HS）、適中（HM）、偏高（HB）”3個等級；輸出CO2氣肥濃度也劃分為“低（CL）、較低（CS）、中（CM）、較高（CB）、高（CH）”5個等級。

2.3模糊規(guī)則及模糊控制表

該系統(tǒng)選用Mamdani型多輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)，模糊規(guī)則由各輸入與輸出之間多重組合而成。將溫室大棚內(nèi)光照度、溫度和濕度作為主要影響作物所需的CO2氣肥濃度的因素。根據(jù)專家施肥經(jīng)驗，以設(shè)定范圍內(nèi)光照越強、溫度越高、空氣濕度適中，作物對CO2需求越大為原則，得到96條控制規(guī)則，部分規(guī)則如下：

每一條通過“或”關(guān)系連接起來的語句，代表著不同的條件下溫室大棚控釋CO2氣肥濃度模糊控制器的策略。采用面積重心法對本系統(tǒng)進行解模糊處理，可得到多因素綜合控釋CO2氣肥模糊控制器的查詢表，如表1所示。

2.4系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)能對溫室大棚內(nèi)空氣光照、溫度、濕度、CO2氣肥濃度等數(shù)據(jù)進行檢查，同時能夠根據(jù)各因素數(shù)據(jù)變化實時控制CO2氣肥的輸出濃度。系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計思想設(shè)計，方便日后的升級與維護。系統(tǒng)主要由上位機PC端、主控制器PLC、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、控制模塊和通信模塊等幾部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。endprint

主控制器以PLC為控制核心，通過采集模塊連接光照傳感器（WZD-B2）、空氣溫濕度傳感器（HSTL-102WS型）和CO2[CM（24*8]傳感器（BMG-CO2-NDIR防護型），監(jiān)測溫室環(huán)境信息；通過顯示模塊的觸摸屏（Samkoon SA-7B型）界面對棚室環(huán)境信息進行數(shù)據(jù)顯示、手動控制、作物選擇、參數(shù)設(shè)置及作物的生長期設(shè)置；通過控制模塊控制棚室內(nèi)通風設(shè)備和補氣設(shè)備，調(diào)節(jié)溫室氣體環(huán)境。通過通信模塊將PLC數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成PC機信息，實現(xiàn)上下位機的數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)上位機對可視化集成軟件Delphi7進行開發(fā)，主要負責數(shù)據(jù)的采集、存儲和導出軟件等，下位機采用觸摸屏配合可編程控制器等對下位機控制系統(tǒng)進行設(shè)計與開發(fā)，根據(jù)溫室控制需求，考慮到以后對系統(tǒng)的調(diào)整與擴充，本研究可編程控制器選擇型號為FX2N-MR32。首先，PLC上電后，根據(jù)通信格式的要求，對PLC進行通信初始化。其次，對4AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊）進行初始化設(shè)置，進行數(shù)據(jù)采集。再次，判斷手動或者自動執(zhí)行，默認為自動執(zhí)行，手動則高于自動狀態(tài)。若為手動模式，則檢測相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備的控制按鈕，若被按下，則執(zhí)行相應(yīng)設(shè)備；若為自動模式，系統(tǒng)會自動進入模糊控制程序，若有輸出則執(zhí)行設(shè)備。最后，返回到第1步對程序重新掃描。

本硬件設(shè)備為了縮小箱體尺寸，合理安排系統(tǒng)硬件空間，采用上下2層結(jié)構(gòu)設(shè)計，上層選用EVA海綿內(nèi)襯，具有良好的防震效果，根據(jù)觸摸屏和各傳感器尺寸大小開模后，將其放入箱體上層用于觸摸屏的連接和傳感器的存放；箱體尺寸為430 mm×350 mm×290 mm。圖3為箱體實物圖。該控制設(shè)備的設(shè)計方便了農(nóng)戶在不同地點的大棚內(nèi)使用，并且在設(shè)備閑置時便于收回存放，具有較好的可移動性和便攜性。

2.5系統(tǒng)軟件構(gòu)成

本研究根據(jù)溫室大棚內(nèi)增施CO2氣肥的技術(shù)與方法，設(shè)計了一套合理控釋CO2氣肥的自動控制系統(tǒng)。針對上述控制方案，將模糊控制查詢表做入PLC程序中，實現(xiàn)下位機獨立控制。首先，將光照、溫度、空氣濕度設(shè)定范圍通過運算得到的量化因子kel、ket和keh置入PLC的保持繼電器中，采集數(shù)據(jù)時間到時，對采集數(shù)據(jù)進行判斷，如有任意參量不在設(shè)定限值內(nèi)，將令CO2濃度輸出值為設(shè)定下限；如參量都在設(shè)定限值內(nèi)，則將符合條件的數(shù)據(jù)乘以量化因子量化到語言模糊論域，通過查尋模糊控制查詢表，求得模糊輸出量，再乘以輸出比例因子得到實際輸出量，最后由執(zhí)行機構(gòu)噴施CO2，使溫室大棚內(nèi)CO2氣肥濃度達到控制要求。PLC模糊控制程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括觸摸屏軟件頁面設(shè)計、上位機監(jiān)控軟件設(shè)計和數(shù)據(jù)庫設(shè)計3個部分。觸摸屏界面是系統(tǒng)的操作界面和數(shù)據(jù)顯示界面，主要分為5塊界面，分別為系統(tǒng)主界面、果蔬選擇界面、CO2控釋范圍設(shè)定界面、生長期時長設(shè)定界面和當前狀態(tài)界面。系統(tǒng)主界面如圖5所示。

上位機軟件采用Delphi7軟件開發(fā)工具編寫，設(shè)計思想上[CM（25]是以下位機能夠獨立運行為主，上位機軟件主要為了農(nóng)技

人員對溫室數(shù)據(jù)有需要的時候輔助下位機存儲數(shù)據(jù)時使用。上位機界面打開時，可以點擊采集按鈕手動采集數(shù)據(jù)，也可勾選自動選項，根據(jù)程序設(shè)定時間自動采集數(shù)據(jù)，并存儲到上位機數(shù)據(jù)庫中。從上位機界面中可以看到，左右兩側(cè)各有一顯示框，左面顯示的是溫室大棚內(nèi)采集環(huán)境的當前數(shù)據(jù)，右側(cè)顯示的是接收數(shù)據(jù)代碼。上位機還具有遠程控制功能，根據(jù)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)，選擇手/自動控制狀態(tài)，可手動控制設(shè)備的啟動與停止；點擊模糊控制開關(guān)可選擇控制模式。上位機數(shù)據(jù)庫利用Delphi建立控釋CO2氣肥系統(tǒng)，用于存儲和查詢溫室大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)與運行狀態(tài)。上位機軟件數(shù)據(jù)庫應(yīng)用SQL Server 2000開發(fā)，SQL Server是一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其核心服務(wù)是數(shù)據(jù)庫引擎，負責完成數(shù)據(jù)的存儲、處理和安全管理。SQL語言被稱為結(jié)構(gòu)化查詢語言，任何一門支持數(shù)據(jù)庫程序設(shè)計的語言肯定提供對SQL語言的支持，Delphi也同樣支持。上位機軟件圖如圖6所示。

3試驗與分析

3.1系統(tǒng)仿真

仿真使用Matlab R2010a版本軟件，編輯輸入語言變量為EL、ET及EH，輸出語言變量為UC的模糊控制器，設(shè)定輸入值、量化因子，進入Simulink環(huán)境中，模糊控釋CO2氣肥仿真系統(tǒng)設(shè)計完畢，按運行按鈕便可對控制方案進行仿真。模糊控制器仿真連接圖如圖7所示。

模糊控釋CO2氣肥系統(tǒng)仿真中設(shè)定階躍信號初始值為各控制參量的基準值：溫度為20 ℃，濕度為55%，光照度為 5 000 lx。階躍信號從仿真時刻開始越升為設(shè)定值，階躍持續(xù)時間為5 s。

在一定范圍內(nèi)，隨著溫度升高，作物的光合作用也會變強，所以棚室內(nèi)應(yīng)當增施一定量CO2氣肥，仿真棚室參數(shù)設(shè)定為溫度為30 ℃，濕度為55%，光照度為5 000 lx，得出最佳CO2輸出值從初始值580 μL/L階躍到為1 000 μL/L，系統(tǒng)進行仿真的效果見圖8-a。從運行結(jié)果可以看出，仿真效果符合上述模糊控制規(guī)則?？諝鉂穸冗^高或過低時，都不適宜作物生長；故當溫度較高、濕度適中時設(shè)定輸入?yún)⒘繛闇囟葹?30 ℃，濕度為60%，光照度為5 000 lx，得出最佳CO2濃度輸出值為1 250 μL/L，系統(tǒng)進行仿真的效果見圖8-b。從運行結(jié)果也可以看出，這種情況輸出CO2濃度值比上一種情況要高，說明溫度較高，濕度適中時，更適宜增施CO2氣肥，符合作物生長需求規(guī)律；生長環(huán)境溫濕度適宜時，作物光合作用強弱隨著光照度而變化。當設(shè)定輸入?yún)⒘繛闇囟葹?0 ℃，濕度為60%，光照度為60 000 lx，得出最佳CO2濃度輸出值為 1 410 μL/L，系統(tǒng)進行仿真的效果見圖8-c。從運行結(jié)果也可以看出，仿真效果符合作物生長需求規(guī)律。

溫室大棚內(nèi)增施CO2氣肥濃度的效果受光照度、溫度、空氣濕度等環(huán)境因素影響。本研究經(jīng)過對模糊控制器的仿真驗證，從仿真效果來看，系統(tǒng)能夠滿足環(huán)境因素在適宜作物生長發(fā)育的范圍內(nèi)，光照越強、溫度越高、空氣濕度適中，控釋CO2氣肥濃度越大的經(jīng)驗，使溫室大棚內(nèi)CO2氣肥逐步達到作物生長需求水平。endprint

3.2系統(tǒng)試驗

為了檢驗系統(tǒng)實際控制效果，本研究將試驗設(shè)備置于小型試驗溫室大棚內(nèi)進行采集控制試驗。試驗地點位于黑龍江大慶市黑龍江省八一農(nóng)墾大學信息學院副樓實驗室內(nèi)。小型溫室試驗棚為長1.50 m、寬1.00 m、高0.75 m的半圓形大棚，如圖9所示。

在下位機觸摸屏模糊控制界面中設(shè)定參數(shù)模糊范圍，光照上下限為5 000～70 000 lx，溫度上下限為20～30 ℃，空氣濕度上下限為55%～65%，采集時間為10 min，CO2濃度控釋幅值為50 μL/L。在CO2控釋范圍設(shè)定界面設(shè)置CO2輸出濃度范圍為500～1 500 μL/L。

從2015年1月9日至2月7日小型試驗溫室大棚內(nèi)各因素的變化數(shù)據(jù)中，提取1月31日07：00—16：00的試驗數(shù)據(jù)，這段時間參數(shù)變化范圍涉及到各個模糊論域，較具有代表性，光照變化范圍在400～61 400 lx，變化曲線如圖10-a所示；溫度變化范圍在20.6～28.0 ℃，空氣濕度變化范圍在57.4%～62.4%，溫濕度變化曲線如圖10-b所示。

3.3對比分析

該系統(tǒng)通過各傳感器檢測到光照度、溫度、空氣濕度參數(shù)值，將其模糊化對應(yīng)到其論域范圍，系統(tǒng)得到當前作物需求CO2濃度值，即為輸出CO2濃度值。在2015年1月31日 07：00 —16：00系統(tǒng)每10 min采集1次試驗數(shù)據(jù)，得到CO2濃度變化曲線與查詢所得作物需求CO2濃度值曲線作對比，關(guān)系如圖10-c所示。

通過采集控釋CO2濃度數(shù)據(jù)與需求量變化曲線對比分析，2條變化曲線基本吻合，由于采集時間為10 min，所以采集數(shù)據(jù)曲線略顯滯后；從仿真效果到試驗分析，通過模糊控制輸出方式要比閾值控制方式更能夠接近作物生長需求規(guī)律，而且能夠減少一直高濃度的噴施，在CO2氣肥溢出方面給經(jīng)濟上帶來的損失。

4結(jié)論

本研究針對溫室大棚內(nèi)綜合多環(huán)境因素合理控釋CO2氣肥系統(tǒng)的研究，從環(huán)境因素對作物光合作用的影響、作物不同生長期對CO2濃度的需求、模糊控制、人機交互觸摸屏等方面入手，將先進的控制算法引入控釋CO2氣肥過程中來，初步試驗結(jié)論：（1）提出了根據(jù)溫室大棚溫度、光照和濕度進行CO2需求的模糊推理方法，結(jié)合作物各生長期所需的CO2濃度，利用PLC控制CO2氣閥，得到作物當前適宜CO2濃度值。（2）通過溫室環(huán)境各因素變化，對系統(tǒng)控釋效果進行試驗研究，結(jié)果表明，該系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計合理，符合作物生長對CO2濃度的需求規(guī)律。按作物生長期增施不同CO2氣肥濃度，既滿足了作物在不同生長階段對CO2氣肥的需求，又解決了增施不足或增施過量等問題。

溫室環(huán)境是一個綜合的、多參數(shù)的、強耦合的復雜系統(tǒng)。從總體看，本研究系統(tǒng)對多因素綜合控釋棚室內(nèi)作物需求CO2氣肥濃度的效果比較理想，系統(tǒng)抗干擾能力強，反應(yīng)速度快，有較強的魯棒性。但該設(shè)計僅采用模糊控制算法對CO2的輸出值進行了控制，對于溫室環(huán)境這種相對復雜的控制系統(tǒng)，依靠1種算法是很難達到理想效果的，望在以后研究中可嘗試多種算法相互配合的控制方式，進一步完善溫室大棚內(nèi)綜合多環(huán)境因素合理控釋CO2氣肥系統(tǒng)。

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