基于模糊PID控制器的葉菜溫室測控系統(tǒng)設(shè)計

盛平+朱慶夫

摘要：溫室環(huán)境是一個復(fù)雜多變的被控對象，無法建立準確的數(shù)學(xué)模型。江浙地區(qū)四季氣候變化明顯，而現(xiàn)有的控制系統(tǒng)控制模式固定，難以取得理想的控制效果。通過對葉菜生長環(huán)境的研究，設(shè)計了基于模糊PID控制器的葉菜溫室測控系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對葉菜溫室環(huán)境的自動調(diào)節(jié)。該控制器運用模糊推理對PID控制器的3個參數(shù)進行調(diào)整，提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性能。試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)性能穩(wěn)定、響應(yīng)時間短、超調(diào)小，達到了預(yù)期控制效果。

關(guān)鍵詞：溫室環(huán)境；模糊算法；PID控制器；自適應(yīng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171197

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0100-04

0 引言

隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，溫室環(huán)境的控制正在向智能化、自動化的方向邁進，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對溫室環(huán)境進行有效調(diào)控可以改善農(nóng)業(yè)生態(tài)，提高農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量。但溫室環(huán)境是一個多變量、強耦合、大滯后且時變的被控對象[1]，且江浙地區(qū)四季氣候變化明顯，夏季炎熱濕潤，冬季寒冷干燥，晝夜溫差及濕度差較大，常規(guī)控制方法難以取得理想效果，而現(xiàn)有控制系統(tǒng)控制模式固定，不能適應(yīng)環(huán)境變化，因此建立一套適應(yīng)性強、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好的智能溫室測控系統(tǒng)是現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)的迫切需求。

目前，已有的控制方案中采用傳統(tǒng)PID控制來實現(xiàn)，但PID參數(shù)恒定，無法適應(yīng)非線性系統(tǒng)的控制需求。因此，本文將模糊理論與PID控制相結(jié)合，運用模糊推理對PID控制器的3個參數(shù)進行調(diào)整，提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性和靈活性，改善了系統(tǒng)動態(tài)性能。

1 模糊PID控制器原理

1.1 模糊控制原理

在傳統(tǒng)控制領(lǐng)域里，對系統(tǒng)的動態(tài)信息描述越精確，控制效果越好，然而對于復(fù)雜系統(tǒng)，由于變量太多，往往無法精確表示系統(tǒng)的動態(tài)信息，這時可以考慮使用模糊控制來解決。模糊控制是一種非線性控制方法，其不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而是通過大量的實際操作數(shù)據(jù)及專家經(jīng)驗總結(jié)出控制規(guī)則，用自然語言描述控制策略，模擬人對事物的決策實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。溫室環(huán)境復(fù)雜多變且干擾因子眾多，常規(guī)方法難以取得理想的控制效果，所以使用模糊控制實現(xiàn)對溫室環(huán)境的調(diào)控比較合適。

在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器設(shè)計是其核心部分，控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由4個部分構(gòu)成：模糊化處理、規(guī)則庫、模糊推理及解模糊[2]。

1.2 PID控制器原理

在工程實際中，PID控制因其簡單、可靠性高及魯棒性好等特點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及設(shè)施農(nóng)業(yè)的過程控制中，并取得較理想的控制效果。所謂PID控制即：比例（P）-積分（I）-微分（D）控制[3]，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其控制算式如下：

u（t）=Kp[e（t）+1/Ki∫t0e（t）dt+Kd*de（t）/dt]（1）

式（1）中，Kp、Ki和Kd分別為比例、積分和微分系數(shù)，e（t） = r（t） - c（t），r（t）為設(shè)定值，c（t）為實際測量值，e（t）為控制器的輸入，它是設(shè)定值與實際測量值的偏差，u（t）為控制器輸出。PID控制器中Kp、Ki和Kd的調(diào)節(jié)會對系統(tǒng)的動靜態(tài)性能產(chǎn)生較大影響，3個參數(shù)的作用具體如下：（1）比例控制Kp：使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，可以迅速調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差；（2）積分控制Ki：系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，Ki用來消除穩(wěn)態(tài)誤差；（3）微分控制Kd：提前預(yù)測系統(tǒng)誤差變化的趨勢，使誤差提前為零，Kd是一種超前調(diào)節(jié)。

2 溫室測控系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 葉菜溫室環(huán)境因子分析

葉菜溫室環(huán)境包含因子眾多，包括環(huán)境溫度、光照強度、空氣濕度、CO2濃度、土壤水分和肥力等，這些環(huán)境因子在溫室環(huán)境中相互聯(lián)系、相互耦合，一同作用于溫室這個小氣候環(huán)境[4]。各個因子對葉菜生長的影響及調(diào)控如下：

2.1.1 溫度

環(huán)境溫度是影響葉菜干物質(zhì)分配及葉片生長最重要的環(huán)境因子。若環(huán)境溫度偏低會導(dǎo)致葉菜生長緩慢甚至停滯，長時間低溫更容易引起低溫危害。若溫度偏高會導(dǎo)致呼吸消耗增加，葉菜植株積累的干物質(zhì)減少，所富含的能量減少。對溫室內(nèi)溫度的調(diào)控主要包括：升溫控制及降溫控制。

（1）升溫控制。當(dāng)對溫室進行升溫控制時，首先關(guān)閉天窗及側(cè)窗，然后開啟內(nèi)保溫膜和內(nèi)循環(huán)促進溫室內(nèi)空氣的流通，之后開啟暖氣、空調(diào)等設(shè)備進行升溫。

（2）降溫控制。溫室溫度調(diào)控中常用的降溫措施有：自然通風(fēng)（側(cè)窗和天窗等）、人工強制通風(fēng)（排風(fēng)機）、開啟遮陽網(wǎng)（內(nèi)遮陽和外遮陽）、濕簾冷風(fēng)機降溫等。

2.1.2 濕度

空氣相對濕度對葉菜生長的蒸騰作用有較大影響。若空氣濕度過高，葉菜根部呼吸困難，不僅影響正常生長發(fā)育，而且容易誘發(fā)病害；若空氣濕度過低，土壤濕度也會隨之降低，可能會導(dǎo)致作物缺水而出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。對于葉菜而言，長期處于空氣濕度較低的環(huán)境中生長時，容易導(dǎo)致葉菜的葉片小而厚，阻礙了葉菜的生長。對濕度的調(diào)控包括：加濕和除濕。溫室內(nèi)常用加濕方法有噴霧加濕和濕簾加濕；溫室內(nèi)除濕控制可以采用自然通風(fēng)或強制通風(fēng)，在溫室內(nèi)空氣含量一定的情況下，也可采用加溫除濕來降低溫室內(nèi)的空氣濕度。

2.1.3 光照

光照是作物進行光合作用的能量來源，它影響到幼苗的素質(zhì)、植株的生長和產(chǎn)量高低。光照太強會灼傷作物，光照不足時光合作用會減弱，對溫室內(nèi)光照的控制包括遮光和補光。

其中，遮光控制可以通過開啟內(nèi)外遮陽網(wǎng)來減弱溫室內(nèi)部的光照強度；補光控制在連續(xù)陰雨或者光照不足的情況下，為了促進作物生長，可以通過開啟補光燈的方式增加溫室內(nèi)的光照強度。

2.1.4 CO2

CO2濃度是作物進行光合作用不可缺少的條件，它直接影響著有機物的合成。CO2濃度的控制可以通過通風(fēng)換氣或者CO2發(fā)生器。

此外，環(huán)境溫濕度在一定條件下是相互耦合的，當(dāng)溫度上升時濕度呈下降趨勢，溫度下降時濕度呈上升趨勢，同時空氣濕度變化又會影響環(huán)境溫度[5]，而光照變化也會對溫濕度產(chǎn)生影響，如當(dāng)光照增強時，溫度會上升等，所以設(shè)計溫室測控系統(tǒng)的輸出需要考慮環(huán)境因素間的耦合作用。

2.2 模糊PID控制器設(shè)計

PID控制器在過程控制中被廣泛應(yīng)用，但其參數(shù)整定是控制器設(shè)計的核心內(nèi)容。常規(guī)的PID控制器使用工程整定方式，參數(shù)設(shè)定后一般固定不變，對系統(tǒng)運行變化的適應(yīng)能力、抗干擾能力不足，所以本文采用模糊控制對PID控制器的參數(shù)Kp、Ki和Kd進行在線整定[6]，使控制器能夠及時響應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境的實時變化，使系統(tǒng)具有更強的靈活性。

溫室測控系統(tǒng)是一個多變量間相互耦合且時變的復(fù)雜系統(tǒng)，理論上來說，如果一個模糊控制系統(tǒng)能夠做到將所有影響溫室內(nèi)環(huán)境指標的因素作為控制器的輸入，那么該控制器的輸出一定非常準確，但事實上這樣做是不現(xiàn)實的，因為將越多的環(huán)境變量作為輸入，環(huán)境因子之間的相互耦合關(guān)系就越多，控制系統(tǒng)就越復(fù)雜，控制器的規(guī)則庫就無法定義。從上文對溫室環(huán)境的分析中可看出，在眾多的環(huán)境因子中，溫度和濕度兩大因子對溫室環(huán)境的影響最為明顯，光照其次，其它如CO2等因素的控制相對單一，且耦合作用相對較小。因此，本系統(tǒng)在設(shè)計時綜合考慮溫室內(nèi)光溫濕的測量與調(diào)控，其它因子暫不考慮。

模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，在設(shè)計系統(tǒng)的輸出時，充分考慮濕度和光照的耦合作用進行綜合調(diào)控。當(dāng)環(huán)境因子的調(diào)控發(fā)送沖突時，以溫度調(diào)控為先，濕度其次。

其中，r（t）為溫度設(shè)定值，c（t）為溫度實際測量值，u（t）為PID控制器的輸出，為控制溫濕度相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)的變量[7]，控制器的輸入為溫度偏差e和偏差變化率ec，控制器可根據(jù)系統(tǒng)實際運行情況模糊推理出Kp、Ki和Kd的增量ΔKp、ΔKi和ΔKd。

根據(jù)溫室測控系統(tǒng)的實際情況，將e、ec、ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊論域劃分為5個等級：{NB、NS、ZO、PS、PB}，其含義分別為：{負大、負小、零、正小、正大}，論域范圍為[-4， 4]。兩個輸入變量e、ec及3個輸出變量ΔKp、ΔKi和ΔKd的隸屬度函數(shù)均為三角形隸屬度函數(shù)?？刂埔?guī)則采用“if A and B then C”的條件句式，依據(jù)模糊推理原則，總結(jié)出模糊控制規(guī)則表如表1所示。

控制器將系統(tǒng)運行時的溫度偏差和偏差變化率進行模糊處理后得到e和ec的模糊度，通過查詢模糊規(guī)則表得出ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊度，再對照模糊論域?qū)?個參數(shù)的模糊度解模糊成具體數(shù)值，從而計算出新的Kp、Ki和Kd，最后將計算結(jié)果代入PID控制算式，計算出系統(tǒng)輸出量，則該輸出量即為控制溫濕度相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)的變量，由該變量推導(dǎo)出當(dāng)前的控制組合。

2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)需求，本文所設(shè)計的葉菜溫室測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)從左至右可以分為3個部分：①傳感器、風(fēng)機等硬件設(shè)備；②嵌入式網(wǎng)關(guān)；③上層應(yīng)用（云服務(wù)與溫室管理平臺）。其中，嵌入式網(wǎng)關(guān)為溫室測控系統(tǒng)的核心部分，是連接上層軟件和底層硬件的中樞[8]。網(wǎng)關(guān)通過RS485串口通信采集現(xiàn)場傳感器、氣象站的實時數(shù)據(jù)，控制風(fēng)機、水泵等現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備，對環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析過濾之后，首先在本地嵌入式數(shù)據(jù)庫sqlite中存儲，之后將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器存儲到sqlserver中。用戶也能夠通過PC或手機登錄溫室管理平臺進行實時環(huán)境數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備控制、現(xiàn)場實時視頻查看及自動運行設(shè)定等。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

3.1 嵌入式模塊硬件選擇

葉菜溫室環(huán)境復(fù)雜多變，干擾因子眾多，尤其夏季很可能長期處于高溫高濕的環(huán)境之中，而嵌入式網(wǎng)關(guān)作為溫室測控系統(tǒng)的核心部分，必須選擇工業(yè)級的產(chǎn)品保證其穩(wěn)定性和可靠性。

本系統(tǒng)選擇基于Linux內(nèi)核的GT6502嵌入式工業(yè)計算機作為嵌入式核心控制模塊。該模塊CPU采用成熟的高性能工業(yè)處理器ARM926EJ，且為了保證能達到工業(yè)設(shè)備需要的穩(wěn)定性，整板設(shè)計采用全工業(yè)布線，在材質(zhì)上選用高品質(zhì)的PCB板材，穩(wěn)定的硬件設(shè)計能保證系統(tǒng)長時間正常運行。此外，模塊具備多重電源保護，抗靜電、過流、防反接等保護能有效保證在野外等惡劣環(huán)境下的可靠運行。

3.2 嵌入式模塊軟件設(shè)計

在葉菜溫室測控系統(tǒng)中，嵌入式模塊軟件的主要功能是：①采集實時環(huán)境數(shù)據(jù)，分析過濾后存儲；②實時響應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備控制等需求；③根據(jù)用戶設(shè)置和當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)進行自動調(diào)控溫室環(huán)境。根據(jù)嵌入式模塊軟件的功能設(shè)計，其程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖5所示。主線程負責(zé)子線程的創(chuàng)建與線程資源的回收，所創(chuàng)建的3個子線程分別為：監(jiān)聽線程、斷線檢測線程及自動控制線程。

（1）監(jiān)聽線程：接收用戶設(shè)備控制、實時數(shù)據(jù)查詢、配置信息查詢等指令，作出響應(yīng)后向用戶反饋執(zhí)行結(jié)果；

（2）斷線檢測：檢測設(shè)備與云服務(wù)器的長連接，若檢測到當(dāng)前設(shè)備斷線，則執(zhí)行重連操作保證設(shè)備一直與服務(wù)器保持長連接；

（3）自動控制：收集實時環(huán)境數(shù)據(jù)，分析過濾后存儲，并將當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)輸入到模糊PID控制器中，根據(jù)控制的輸出進行溫室環(huán)境調(diào)控。

3.3 服務(wù)器模塊設(shè)計

基于高內(nèi)聚低耦合的軟件設(shè)計思想[9]，本系統(tǒng)將服務(wù)器模塊按照功能分為通信服務(wù)器與數(shù)據(jù)服務(wù)器。通信服務(wù)器負責(zé)與嵌入式網(wǎng)關(guān)、溫室管理平臺的通信。當(dāng)前服務(wù)器應(yīng)用在農(nóng)業(yè)示范基地，考慮到應(yīng)用場景可能被拓展，用戶數(shù)及設(shè)備數(shù)可能會增加，通信實現(xiàn)需能夠響應(yīng)彈性的用戶數(shù)及并發(fā)需求，實現(xiàn)資源自動分配，所以通信服務(wù)器是基于Linux下的C++開發(fā)，選用多路I/O復(fù)用模型epoll實現(xiàn)通信并發(fā)，通過創(chuàng)建線程池的方式實現(xiàn)連接的負載均衡。數(shù)據(jù)服務(wù)器負責(zé)環(huán)境信息的存儲和歷史數(shù)據(jù)的查詢，使用HTTP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢與響應(yīng)。兩個模塊分開設(shè)計，獨立開發(fā)，保證通信服務(wù)與數(shù)據(jù)服務(wù)互不影響，模塊間的通信使用進程間通信實現(xiàn)。

4 溫室測控系統(tǒng)的效果驗證與分析

為了驗證系統(tǒng)實際運行效果，課題以江蘇省農(nóng)科院六合農(nóng)業(yè)示范基地為試驗對象進行測試，選取該示范基地中一個連棟生菜溫室為實施地點。該生菜溫室包含4個區(qū)域，每個區(qū)域包含2個光溫濕三合一傳感器，整個溫室內(nèi)共有8個三合一傳感器，且具有側(cè)窗、內(nèi)外遮陽、環(huán)流風(fēng)機、水泵等多種執(zhí)行設(shè)備，溫室內(nèi)還接入了4個高清網(wǎng)絡(luò)攝像機便于查看實時視頻。溫室外安裝一個包含光、溫、濕、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量6種傳感器的氣象站，用于感知室外環(huán)境信息。本測試時間為2016年12月12日，選取溫室內(nèi)環(huán)境溫濕度為測試對象，對9：00-16：00的溫濕度調(diào)控狀況進行測試。由于當(dāng)前生菜處于蓮座期，生長最佳的溫度范圍為18～22℃，濕度為70%～80%，因此設(shè)定溫度值為20℃，濕度值為75%。將溫濕度設(shè)定值輸入系統(tǒng)之后啟動系統(tǒng)的自動控制，由測試數(shù)據(jù)生成的變化曲線圖如下：

如圖6所示，溫室內(nèi)溫度變化范圍為17.5～22.3℃，濕度為73.2%～83.1%，由數(shù)據(jù)可見，系統(tǒng)運行正常并且能夠根據(jù)設(shè)定值及時響應(yīng)，保持溫濕度在合理的范圍內(nèi)，達到了預(yù)期的控制效果。

5 結(jié)語

構(gòu)建了基于模糊PID控制器的葉菜溫室測控系統(tǒng)。通過對葉菜生長環(huán)境的研究，利用模糊推理對PID控制器的參數(shù)進行調(diào)整，提升了系統(tǒng)的動態(tài)性能，實現(xiàn)了葉菜溫室環(huán)境的自動調(diào)控。試驗表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、響應(yīng)迅速，具有很強的魯棒性。

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（責(zé)任編輯：陳福時）