基于T-S模型的智能温室控制系统的设计与实践.pdf
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1、针对我国温室控制系统自动化程度低的问题,在对模糊控制算法研究的基础上,设计了一种基于T 灢 S模型的智能温室控制系统,并通过三菱可编程控制器搭建了温度调节偏差小、稳定性高的小型智能温室模型.经过实验测试,可以满足自动调节环境因子参数来适应农作物生长的需求,提高农作物的质量与产量.关键词:智能温室;模糊控制;可编程控制器中图分类号:T P 2 7 3 灡 4;S 6 2 5暋暋文献标识码:A暋暋文章编号:1 0 0 8-5 6 8 8(2 0 2 3)0 2-0 0 9 4-0 6目前,我国大部分温室控制系统相对落后,对温室环境的监测和控制主要依赖人工,控制精度较低且能耗较高,因此,设计智能温室
2、控制系统十分必要.温室环境系统比较复杂,具有多变量、非线性、大惯性、时变、强耦合等特点1.温室外部环境具有不确定性,温室内部种植的作物不确定,加之季节变化,这些都会对环境因子产生影响.温室环境系统的各个变量之间不是孤立的,而是相互关联的,例如:光照强度增强会使温度升高,温度升高会使湿度降低等.另外,光合作用、蒸腾作用都没有精确的数学模型,温室的动态模型也无法精确地构建2.模糊控制不需要精确的数学模型,它把人的经验转化为规则引入控制过程,通过严密的数学运算实现模糊推理,能够做出决策,达到较为理想的控制效果.本文设计一种基于T 灢 S模型模糊控制的智能温室控制系统,以优化环境因子,促进农业现代化建
3、设.1暋系统的总体方案智能温室控制系统通过安装在温室内的多种传感器,如温度传感器、光照度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤含水率传感器等,实时采集温室内的环境参数信息并传送给P L C,由P L C进行数据处理,按照处理结果控制温室的加热装置、通风装置、遮阳网装置、补光灯、二氧化碳发生装置和灌溉装置等执行机构,调节、营造适合农作物生长发育需要的温室小气候环境,以提高农作物的质量和产量.1 灡 1暋系统控制方案系统有自动控制和手动控制2种控制模式,通过触摸屏上的按钮来实现2种模式的切换.1 灡 1 灡 1暋自动控制模式自动控制模式通过温度传感器、光照度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传
4、感器和土壤含水率传感器等实时采集温室大棚环境参数信息,并与用户设定的上限值和下限值进行比较.当某一传感器检测到的参数不在用户的设定值范围内,P L C便会发出相应的控制信号,自动开启或孙荣庆基于T 灢 S模型的智能温室控制系统的设计与实践9 5暋暋暋关闭控制温室的加热装置、通风装置、遮阳网装置、补光灯、二氧化碳发生装置和灌溉装置等执行机构,从而使温室大棚内环境参数回到设定范围内.1 灡 1 灡 2暋手动控制模式手动控制模式简单可靠,通过手动点击触摸屏上的开关来控制温室的加热装置、通风装置、遮阳网装置、补光灯、二氧化碳发生装置和灌溉装置等执行机构,从而改变温室环境参数,实现手动控制的目的.1 灡
5、 2暋系统结构系统 结 构 如 图1所 示.系 统 采 用G TD e s i g n e r 3软件制作人机界面程序,通过U S B接口与三菱GOT触摸屏连接,将人机界面程序下载到GOT触摸屏中.触摸 屏 通 过 串 口 与P L C进 行 通 信3,P L C将传感器所采集的温室环境参数通过触摸屏来显示,并与触摸屏设置的参数进行比较,根据比较结果按照程序的控制输出指令,从而控制执行机构的动作并通过GOT触摸屏显示执行机构状态.控制系统具有手动、自动功能,可以进行切换,如遇大风、强降雨等极端天气,可直接通过手动开关控制执行机构,使系统具有更高的可靠性.2暋温室模糊控制器设计模糊控制的基本思想
6、就是为了实现对被控对象的控制,把专家所掌握的控制经验通过模糊集理论进行量化处理,得到一个模糊控制器,用来控制被控对象.其工作的基本原理是先通过测量得到被控对象的状态,再将该状态经过模糊化处理变为能用人的语言来描述的模糊量,进而根据人的语言控制规则进行模糊推理,从而得到输出量的模糊值,最终经过清晰化处理将模糊量转化成能够驱动执行机构的精确值4.2 灡 1暋模糊控制的输入和输出变量本系统所控制的环境因子包括温度、光照度、湿度和二氧化碳浓度,主要执行机构有控制温室的加热装置、通风装置、遮阳网装置、补光灯、二氧化碳发生装置和灌溉装置等.本系统的输入如温度、光照度、湿度和二氧化碳浓度都是模拟量,为了保护
7、执行电机,避免频繁启停,设置每1 0m i n向上位机上传1次传感器采集的环境参数,根据上位机的参数设定进行控制.温室里最重要的参数就是温度,本系统对温度的控制采用模糊控制策略.以夏季为例,通过控制天窗、侧窗、湿帘水泵和风机等通风装置的执行机构的运行状态来调节温度,目标温度可以通过触摸屏进行设定.本系统的输出都是开关量,执行机构都只有开关2种状态.降温控制是靠相关执行机构的开关组合来实现.各执行机构不同开关状态的降温能力从低到高依次为:天窗开、侧窗开风机开风机开、湿帘水泵开;升温能力从低到高依次为:风机关、湿帘水泵关风机关天窗、侧窗关.2 灡 2暋模糊控制的输入和输出论域及量化因子本文所设计的
8、温度模糊控制器是一个二维控制器,模糊控制系统结构如图2(见9 6页)所9 6暋暋暋辽宁师专学报(自然科学版)2 0 2 3年第2期示.温度偏差E和温度偏差的变化率E C为系统的2个输入变量,控制量U为系统的输出控制变量.取温度偏差为暲4 曟,温度偏差变化率为暲2曟.2个输入变量的模糊论域均为-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,量化因子Ke=4/4=1,Ke c=4/2=2.2 灡 3暋语言变量取值及其隶属函数描述2个输入模糊变量的语言变量均划分为5档,即:NB、N S、Z、P S、P B.输出变量U为常数0或1.误差E和误差变化率E C都采用三角形隶属度函数,E和E C的隶属度如图3所
9、示.由公式(1)计算出误差E和误差变化率E C的隶属度赋值,结果如表1所示.毺Ai(x)=x-ab-a,a曑xUi曒0,取Ui=0,对应的执行机构关闭;若1曒Ui0 灡 5,取Ui=1,对应的执行机构打开;若Ui=0 灡 5,对应的执行机构保持原来的状态不变.因此,输出控制量U1=1,U2=0 灡 5,U3=0,U4=0,表示天窗开,侧窗不变,风机和湿帘水泵关闭.3暋系统测试与验证3 灡 1暋实验温室模型的搭建为了测试本控制系统的工作稳定性和可靠性,在抚顺职业技术学院三菱自动化实验室搭建了基于三菱可编程控制器T 灢 S模型的小型实验温室模型,如图4、图5所示.9 8暋暋暋辽宁师专学报(自然科学
10、版)2 0 2 3年第2期暋暋温室模型占地1 灡 5m2,骨架采用铝型材,前、后、侧面都采用透明中空阳光板,坡面屋顶采用透明耐力板.温室模型安装温度传感器、光照强度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤含水率传感器,有加热装置、通风装置、遮阳网装置、补光灯、二氧化碳发生器、喷灌装置和散热风扇等执行机构.遮阳网电机采用管状电机,喷灌水泵采用小型潜水泵.由于温室模型很小,所以加热装置用电吹风代替.二氧化碳的制备采用反应法,反应原料为小苏打、柠檬酸和水,通过电磁阀控制二氧化碳发生器的开关.3 灡 2暋测试结果选择白天适合中苗期蝴蝶兰生长的环境参数作为控 制 目 标,对 系 统 进 行 测 试.
11、目 标 温 度 为2 8 灡 0 0曟,范围为2 6 灡 0 02 9 灡 0 0 曟;目标湿度为7 0%,范 围 为6 0%8 0%;目 标 光 照 度 为1 30 0 0l x,范围为1 20 0 01 50 0 0l x.其中:温度的控制应用了模糊控制,并且根据不同湿度采取不同的控制规则,温度传感器和湿度传感器分别把采集的温度信号和湿度信号传送到P L C中,由P L C完成与设定值的比较,根据实时湿度的级别进行模糊化处理并查询模糊控制表,得到实际控制量并进行输出,控制执行机构正常工作.测试中,温室内初始温度高于设定的温度上限值,温室内的湿度低于设定的下限值,并且处于湿度低等级,P L
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