溫室分級(jí)模糊預(yù)測(cè)控制方法探討

李相白，李建春，朱正濤，楊 康

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司 曲 靖鋅廠，云南 曲 靖 655000)

溫室分級(jí)模糊預(yù)測(cè)控制方法探討

李相白，李建春，朱正濤，楊 康

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司 曲 靖鋅廠，云南 曲 靖 655000)

結(jié)合模糊回歸預(yù)測(cè)和分級(jí)控制理論，在前期溫室數(shù)據(jù)因子變化率模糊回歸分析的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)溫室因子的分級(jí)模糊預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)，調(diào)整預(yù)測(cè)時(shí)段的固定、跟蹤設(shè)定模式，合理的計(jì)算預(yù)測(cè)溫室因子值域，預(yù)測(cè)誤差提前調(diào)控能力，并通過(guò)分級(jí)疊加精化模糊控制輸出，更快更準(zhǔn)的達(dá)到控制目標(biāo)。

溫室因子;模糊回歸;預(yù)測(cè)控制

在溫室環(huán)境中，溫度、濕度等溫室因子耦合強(qiáng)烈［1－2］。一般的模糊控制方法對(duì)于環(huán)境溫度、濕度的監(jiān)控調(diào)節(jié)遲滯較大，控制靈敏度不夠。模糊回歸分析能使病態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)決策結(jié)果的干擾達(dá)到最小，使決策的準(zhǔn)確性得到相應(yīng)的提高［3－4］。變論域［5－6］控制基本思想是在誤差較大時(shí)擴(kuò)大論域，提高控制能力;誤差較小時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)因子縮小論域，提高控制精度。分級(jí)變論域疊加的模糊控制方法，結(jié)合分形［7］和變論域思想，將輸入輸出分成均勻的2n+1個(gè)模糊集為一級(jí)，再把每一個(gè)模糊集均勻分成2n+1個(gè)模糊集為二級(jí)，次級(jí)計(jì)算時(shí)，輸入數(shù)值減去其上級(jí)所屬模糊集中心值，輸入輸出論域同比例壓縮，模糊規(guī)則表無(wú)需變化?？刂屏咳杉?jí)輸出的疊加。相比于變論域控制，通過(guò)疊加在任意輸入時(shí)都可以得到更加精確的控制量，而不需要等到誤差變小時(shí)再精確控制。分級(jí)越多，精度越高，且增加的計(jì)算量很?。?－9］。

通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘軟件SPSS對(duì)寧夏國(guó)家經(jīng)濟(jì)林木種苗快繁工程技術(shù)研究中心1號(hào)大棚溫室2007－2009年記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。綜合溫室的室外溫度，室內(nèi)溫度，室外濕度，室內(nèi)濕度，CO2含量，風(fēng)速，地下30 cm溫度、濕度，日輻射，日累計(jì)蒸發(fā)量，露點(diǎn)溫度等溫室參數(shù)因子數(shù)值情況，分析探究各主要溫室因子的模糊預(yù)測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上探究結(jié)合預(yù)測(cè)和分級(jí)精化的模糊控制方法。

1 溫室模糊回歸預(yù)測(cè)模型

考慮到記錄數(shù)據(jù)是以小時(shí)為單位的，為了保證預(yù)測(cè)的有效性以及通用性。以溫室控制的主要目標(biāo)因子室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、地溫、土濕等數(shù)據(jù)的小時(shí)變化率為對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行試驗(yàn)線(xiàn)性回歸分析，發(fā)現(xiàn)土壤濕度1和濕度2的變化率回歸表征參數(shù)R＜0.1，無(wú)法建立可信的回歸方程［10］，主要是因?yàn)橥寥罎穸扰c其他溫室因子的相關(guān)性實(shí)在太小。對(duì)于室內(nèi)溫度變化率、地溫1～4變化率和室內(nèi)濕度變化率都得到了比較理想的回歸模型 (表1)。

分別將溫室室內(nèi)溫度、濕度變化率分成10個(gè)等級(jí)。地溫1～4分成5個(gè)等級(jí)。進(jìn)行各級(jí)平均，計(jì)算得Ag(g=1，2，…，G)，具體如表2所示。

選用2008年8月7日10:53－11:49這個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，其中記錄數(shù)據(jù)的間隔是以1 min為單位進(jìn)行的。以11:00數(shù)據(jù)為預(yù)測(cè)基準(zhǔn)，分別模糊預(yù)測(cè) 2，5，10，30 min以后的數(shù)值范圍。結(jié)果該模糊預(yù)測(cè)模型對(duì)于各個(gè)參數(shù)的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)都正確。且在10 min之內(nèi)，地溫系列的預(yù)測(cè)誤差最大也就是0.14%。室內(nèi)環(huán)境溫度和濕度的預(yù)測(cè)范圍誤差最大分別為3.727%和－4.341%。絕對(duì)誤差濕度最大不超過(guò)3%相對(duì)濕度，絕對(duì)溫度誤差不超過(guò)1.1℃。當(dāng)時(shí)間到達(dá)30 min時(shí)除了地溫的預(yù)測(cè)誤差較小之外，溫室室內(nèi)濕度和溫度誤差都已擴(kuò)大。故長(zhǎng)時(shí)段只能當(dāng)成一種趨勢(shì)參考，不能用來(lái)進(jìn)行實(shí)際的控制。其原因可能是時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，出現(xiàn)的意外情況和不可測(cè)因素增多，無(wú)法考慮到模型之中。

表1 溫室室內(nèi)溫度、濕度變化率線(xiàn)性回歸結(jié)果

表2 溫室因子變化率等級(jí)分配結(jié)果

2 模糊預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)

依據(jù)上述模糊回歸預(yù)測(cè)推導(dǎo)和分級(jí)模糊控制思想，設(shè)計(jì)溫室溫、濕度模糊預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu) (圖1)。

根據(jù)預(yù)測(cè)回歸模型要求，進(jìn)行溫室室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度進(jìn)行控制必須采集室內(nèi)溫度、室內(nèi)環(huán)境濕度、室外環(huán)境濕度、瞬間直接輻射、累計(jì)直接輻射、累計(jì)凈輻射、累計(jì)日照時(shí)數(shù)。如對(duì)該溫室地溫進(jìn)行預(yù)測(cè)控制還需要采集地溫1、地溫2、地溫3、地溫4、瞬間凈輻射、瞬間總輻射的數(shù)據(jù)。

圖1 分級(jí)模糊預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)

采用兩級(jí)的分級(jí)模糊控制，隸屬度函數(shù)取等腰三角形，輸入輸出模糊集均取 {NB，NS，ZO，PS，PB}。輸入誤差取 ［－2，2］，誤差變化率?。郏?，1］。一級(jí)查表輸出為 ［－0.5， －0.25，0，0.25，0.5］，二級(jí)查表輸出為 ［－0.5， －0.25，0，0.25，0.5］ /5。

圖1中預(yù)測(cè)時(shí)段依據(jù)控制要求設(shè)定為3種可調(diào)控方式。默認(rèn)情況下為控制時(shí)效目標(biāo)剩余值的0.8倍;第2方式根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整為固定的時(shí)段;第3方式可結(jié)合控制目標(biāo)誤差和控制時(shí)效目標(biāo)剩余值，在不同的階段以不同的方式變化。在本系統(tǒng)預(yù)測(cè)時(shí)段設(shè)置中使用第3種方式:在控制誤差較大、時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，跟蹤控制時(shí)效目標(biāo)剩余值變化;在控制誤差較小、時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，固定設(shè)置預(yù)設(shè)值確保不超調(diào)。

在控制中，先根據(jù)傳感器采集回來(lái)的相應(yīng)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)控制因素變化區(qū)段，再結(jié)合設(shè)定的預(yù)測(cè)時(shí)段和被控對(duì)象現(xiàn)測(cè)值預(yù)測(cè)設(shè)定時(shí)間后的數(shù)值區(qū)域。控制目標(biāo)誤差、誤差變化率進(jìn)行分級(jí)計(jì)算后輸入模糊控制器，依據(jù)相應(yīng)控制規(guī)則計(jì)算控制量U1。然后結(jié)合模糊預(yù)測(cè)誤差范和目標(biāo)誤差依據(jù)表3查找控制輸出調(diào)整設(shè)定系數(shù)k。計(jì)算U2=kU1作為真正的控制輸出。

表3 預(yù)測(cè)誤差下的k值

3 小結(jié)

通過(guò)研究溫室數(shù)據(jù)特點(diǎn)，尋找到較為可靠的溫室主控因子模糊回歸預(yù)測(cè)模型。結(jié)合分形，變論域的模糊控制理論，設(shè)計(jì)了溫室分級(jí)模糊預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)。調(diào)整預(yù)測(cè)時(shí)段的設(shè)定方式可以更加靈活的控制模糊系統(tǒng)的輸出。為了解決模糊規(guī)則爆炸和模糊控制精度的矛盾，以及溫室因子控制中的大時(shí)滯問(wèn)題提供了一種可行的解決方法。

［1］ 吳軍輝.低成本溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) ［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2003.

［2］ 鄧玲黎，李百軍，毛罕平.長(zhǎng)江中下游地區(qū)溫室內(nèi)溫濕度預(yù)測(cè)模型的研究 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20(1):263－266.

［3］ Nazarko J，Zalewski W.An Evaluation of an Ac-curacy of the Fuzzy Regression Analysis in the Electrical Load Estmation［J］.IEEE，International Fuzzy Systems Conf.Proceedings Seoul，1999(2):732 － 737.

［4］ Niimura J，Nakashima T.Deregulated Electricity Market Data Representation by Fuzzy Regression Models ［J］.Systems，Man and Cybernetics，Part C，IEEE Transactions on，2001，31(3):321－326.

［5］ Li H X.Adaptive fuzzy logic controllers with variable region［J］.Sci China Ser E，1999(2):32.

［6］ 李洪興，苗志宏，王加銀.非線(xiàn)性系統(tǒng)的變論域穩(wěn)定自適應(yīng)模糊控制器 ［J］.中國(guó)科學(xué):E輯，2002，32(2):212－223.

［7］ 徐靜波，徐望人.變論域分形控制研究 ［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，30(4):1－4.

［8］ 李洪興.Fuzzy控制的本質(zhì)與一類(lèi)高精度Fuzzy控制器的設(shè)計(jì) ［J］.控制理論與應(yīng)用，1997，14(6):868－872.

［9］ Steinberg M L.Potential role of neural networks and fuzzy logic in flightcontroldesign and development［G］ //AIAA Aerospace Design Conference.Irvine:CA，1992.

［10］ 郝黎仁，樊元，郝哲歐.SPSS實(shí)用統(tǒng)計(jì)分析 ［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2003:4－5.

TP 273+.4

A

0528-9017(2011)03-0719-03

文獻(xiàn)著錄格式:李相白，李建春，朱正濤，等.溫室分級(jí)模糊預(yù)測(cè)控制方法探討 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011(3):719－722.

2011-01-08

寧夏高校科學(xué)研究項(xiàng)目 (200804)

李相白 (1957－)，男，湖北陽(yáng)新人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軆x器與檢測(cè)技術(shù)。E-mail:lxb_0627@126.com。

(責(zé)任編輯:張才德)