Transcript 基于模糊控制的蔬菜大棚温度控制系统

基于模糊控制的蔬菜大棚温度
控制系统
导师：师黎
姓名：刘雨洲
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1 引言
2 复合型模糊PID控制器设计
3 模糊控制器设计部分
4 计算机仿真部分
5 仿真分析部分
6 结论
摘
要
 以蔬菜大棚温度的控制为对象，采用模糊控制器来实现控
制,并阐述了控制器的设计思想,且成功应用于蔬菜大棚的
控制中,取得了理想的控制效果。由于蔬菜大棚的温度经
常受到外界诸多因素的影响,因此采用常规的自动控制方
式往往不能达到理想的控制效果,而模糊控制方式是比较
好的选择。
 关键词:计算机控制;模糊控制器; 蔬菜大棚;仿真
1引言
 现代蔬菜大棚能够通过人工控制环境因素，满足植物的最
佳生长条件，使植物地上部分和根系的生长环境得到优化。
越来越多的理论与实践研究结果表明，合适的生态环境，
尤其是合适的温度，能够大幅提高蔬菜大棚作物产量。模
糊控制系统不需要对被控对象的精确描述，系统的鲁棒性
强，非常适合应用于温室这种非线性时变系统。
 目前模糊控制技术鉴于其可以解决非线性、建模难的
问题而被广泛应用,在这个过程中蔬菜大棚温度作为一
个非线性对象,干扰因素较多,难以获得准确的数学模型。
因此,可以采用模糊控制来实现对蔬菜大棚温度的控制,
其中模糊控制可以迅速将大偏差范围调节到小偏差区
域,缩短调节时间,使控制精度大大提高。这种控制策略
动态响应快,超调量小,温度控制稳定。
 模糊控制的突出特点在于：
 ①控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，
只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。
 ②控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决
的非线性、时变及大纯滞后等问题。
 ③以语言变量代替常规的数学变量，易于形成专家的
“知识”。
 ④控制推理采用“不精确推理”(Approximatc
Reasoning)。推理过程模仿人的思维过程。由于介入了
人类的经验，因而能够处理复杂甚至“病态”系统。
2 复合型模糊PID控制器
 复合型模糊PID控制系统的结构如下图所示。
r
+
-
PID控制器
A
蔬菜大棚温度模型
模糊控制器
y
1-A
图1 复合模糊PID控制系统结构图
 其中参数A为模糊控制与PID控制的比例权重,由实际温度
与设定温度的偏差来控制。
 当A=0时,蔬菜大棚温度完全由模糊控制器控制;当A=1
时, 蔬菜大棚温度由PID控制;而在一般情况下,二者共同
作用。A的大小调节规则为:当偏差较大时,A值偏小;当
偏差较小时,A值偏大。
3 模糊控制器设计
 3.1模糊控制器论域设计
 为了减少系统响应过程的超调量和震荡,保证系统的稳
定性,温度模糊控制器的输入变量为温差E和误差变化
率EC,其输出变量为频率增量Δu。误差论域E、EC均
取为E={-6,-5,-4,-3,-2, -1,0,1,2,3,4,5,6},其语言值采用
NB(负大)、NM(负中)、NS(负大)、ZO(零)、PS(正小)、
PM(正中)和PB(正大)共七个模糊子集来描述。
 在Matlab命令窗口运行Fuzzy函数来建立一个FIS文件,
选择模糊控制器的类型为MAM-DANI型,相应的模糊集
为E、EC、U，根据系统是一个双输入单输出的二维
模糊控制器，要求确定其输入温度偏差E 和温差变化
率EC 的量化论域划一致，都选用三角形隶属度函数
(Trimf) ;输出U的隶属度函数为三角形(Trimf)。它们的
隶属度函数如图(a),图(b)所示。

 图(a) E(Ec)的隶属度函数

 图(b) U的隶属度函数
 其中,隶属度函数均为三角形分布,输出频率增量的论域
为Δu={-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},其
语言值取用NL(负很大)、NB(负大)、NM(负中)、
NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)、
PL(正很大)共九个模糊子集来描述 。
 模糊控制规则对模糊控制系统的品质起到了关键的作
用。模糊控制规则的设计原则是:当误差较大时,控制量
应尽量使得误差减小:当误差较小时,应在尽量消除误差
的同时,防止出现较大的超调现象。它是基于人的控制
经验和直觉推理,经分析、整理、加工和提炼而得到的
一组条件语句。
 对二输入单输出的控制器一般采用以下形式: IfE and△E
thenU，根据专家知识和熟练操作工的经验,可总结出49
条模糊条件语句,从而建立模糊控制规则表(如表1所示)。
E

EC
NB
NM
NS
ZO
PS
PM
PB
NB
PL
PL
PL
PB
PB
PM
PM
NM
PL
PB
PB
PB
PM
PS
PS
NS
PB
PB
PM
PM
ZO
NS
NM
ZO
PM
PS
ZO
ZO
ZO
NM
NB
PS
PM
PS
ZO
PZ
NM
NB
NB
PM
NS
NS
NM
NB
NB
NB
NL
PB
NM
NM
NB
表1模糊控制规则表
NB
NL
NL
NL
 控制调节PID控制与模糊控制比例权重的系数也由模糊
控制器来完成,其模糊分布与模糊控制规则分别如图2
与表2所示。

图2 比例权重的模糊控制器的模糊分布函数
 表2 比例权重的模糊控制器的控制规则表
 E NB NM NS ZO PS PM PB
 A ZO PS PM PB PM PS ZO
4计算机仿真
 MATLAB 是国际上流行的控制系统计算机辅助设计软件工具，它
提供了强大的矩阵运算、数值分析、数据处理、图形绘制等科学
计算与可视化功能，其包含的模糊逻辑 (fuzzy logic)工具箱是进
行模糊推理和模糊控制器仿真的工具包，集成了FIS 编辑器、隶
属函数编辑器、模糊规则编辑器等可视化工具，使用户快速开发
模糊控制器成为可能。本文在分析了温室内环境温度动态数学模
型的基础上，利用强大的MATLAB 模糊逻辑工具箱及Simulink 内
含的功能元件，建立了蔬菜大棚环境温度模糊控制系统的模型，
并对其进行了仿真分析。
 4.1仿真模型
 本次仿真搭建的系统模型如下图所示,蔬菜大棚设定温度
夜晚为16℃，白天为22℃。其中模糊控制器Fuzzy Logic
Controller用来调节比例权重系数A,为达到蔬菜大棚温度
的良好控制目的,而调解PID控制与模糊控制的比例部分。
模糊控制部分Fuzzy Logic Controller1给出的控制信号Δu
经积分环节积累,与PID控制部分一起控制压缩机转速模
型后得到温度变化量ΔT,再与设定温度和蔬菜大棚外干扰
共同作用于蔬菜大棚模型。
 4.2仿真结果
 验证控制效果的仿真结果如图所示,经实际观测,仿真结果与蔬菜
大棚的实际温度变化有较好的一致性,可反映蔬菜大棚中的温度变
化情况。整定后的Kd=0.5,Ki=0.5,Kp=10。
 温度过程是典型的大惯性，含纯滞后的控制对象，
取传递函数为
-s
k *e
G(x) 
,
T s 1
 取惯性时间常数T=50,K=12,滞后时间常数为5S.
 仿真结果如下：
5仿真分析
 种植的大棚蔬菜对温度要求比较高，最适合生长温度
为20℃～30℃，冬季温度低于15℃形成不了佛焰苞，
13℃以下出现冻害。根据作物生长要求以及节约能源
和经济性方面的考虑，采用变温管理的方法，控制系
统的设定温度是夜晚处于16℃，白天为22℃，从仿真
结果看，蔬菜大棚内的温度维持在设定值上下，表明
模糊控制器的运行状态良好。温度控制曲线基本达到
了设定温度的要求，体现了模糊控制在处理多输入系
统中的优越性及可靠性。仿真结果证明了温室环境温
度模糊控制策略的可行性及有效性。
6结论
 通过PID控制与模糊控制相结合对压缩机功率的调节,
再通过对复合模糊PID控制器中模糊控制和PID控制比
例系数的调整,充分发挥了各自的优点,该控制器具有良
好的动、静态性能,特别是对参数变化及干扰的适应性、
稳定性明显优于单一的控制器,应用于调节压缩机功率,
使系统有更快的动态响应、更小的超调量,使系统体现
出节能的优势, 并且实现了蔬菜大棚温度良好控制的
目的,具有良好的应用前景。