虛擬儀器在植物碳匯測量中的應(yīng)用

宋文龍，于 越，王 琢

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

微碳匯指單株植物對CO2的固定能力或固定量。研究溫度、濕度與植物碳匯量的關(guān)系，有助于提高植物對CO2的固定能力。國內(nèi)外有多種測量植物碳匯量的方法，如樣地清查法、渦度相關(guān)法、箱式法等，其中箱式法測量誤差小、精度高，且易于實(shí)現(xiàn)[1]。箱式法的重點(diǎn)在于建立溫濕度可控的植物培養(yǎng)系統(tǒng)。國內(nèi)現(xiàn)有的植物培養(yǎng)系統(tǒng)像智能化植物溫室大棚，雖能自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度為植物提供良好的生長環(huán)境，但由于溫室面積較大、溫濕度控制精度低、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重、響應(yīng)時間長，很難為研究植物在不同溫濕度條件下的生長規(guī)律提供幫助。有些國家溫室技術(shù)發(fā)達(dá)，即使室內(nèi)面積大，仍可依靠其良好的技術(shù)和設(shè)備對室內(nèi)溫度進(jìn)行高精度控制，但成本過高，且缺乏樣本靈活性[2]。而微碳匯研究要求研究對象易于更換、溫濕度可及時調(diào)整，故上述溫室并不適用。如果減小培養(yǎng)空間，在小空間內(nèi)配置高品質(zhì)設(shè)備，在降低成本的同時，提高室內(nèi)溫濕度控制精度，降低系統(tǒng)的滯后性，增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時性，提高研究對象的靈活性，便于在短時間內(nèi)研究不同植物在不同模擬環(huán)境中碳匯量的變化。

虛擬儀器可以降低現(xiàn)場在線測試的困難程度，提高實(shí)驗(yàn)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本。設(shè)計(jì)一種基于虛擬儀器的植物培養(yǎng)系統(tǒng)，主要分為監(jiān)測部分與控制部分。監(jiān)測部分利用LabVIEW虛擬儀器與溫濕度變送器實(shí)時采集并監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部溫濕度，控制部分利用模糊控制方法結(jié)合各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部溫濕度的控制。

1 植物培養(yǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由工控機(jī)、LabVIEW虛擬儀器、溫濕度變送器、微處理器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（其中附加設(shè)備包括開窗、澆水等）等組成。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理Fig.1 Diagram of system schematic

溫濕度變送器采集系統(tǒng)內(nèi)部空氣溫濕度數(shù)據(jù)，通過RS-485串口與微處理器和工控機(jī)上的Lab-VIEW虛擬儀器通信。微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、并帶有報警功能；虛擬儀器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，且?guī)в袌缶?、閾值設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查看等功能；工控機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)現(xiàn)模糊控制，通過RS-485串口與微處理器通信，將控制信號發(fā)送給微處理器，由微處理器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部溫濕度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of system structure

系統(tǒng)空間分為兩部分，植物培養(yǎng)室和工作室。植物培養(yǎng)室主要用于放置植物，內(nèi)置空氣溫濕度變送器采集溫濕度信息；工作室內(nèi)包括電阻加熱器和由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器組成的空調(diào)制冷系統(tǒng)。各部分硬件的選型如下：溫濕度變送器選用MQ3485，內(nèi)置數(shù)字化電路，不必額外設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路，減少電路復(fù)雜程度，溫度測量范圍-40～+80℃，精度±0.1℃，濕度測量范圍 0～100%RH，精度±2%RH，滿足系統(tǒng)要求；電阻加熱器為1200 W，配合風(fēng)扇組成升溫系統(tǒng)；制冷壓縮機(jī)選用日立WHP00680BSX-Y1DN，內(nèi)部制冷劑為氟利昂BSRT12，與冷凝器、蒸發(fā)器構(gòu)成降溫系統(tǒng)；工控機(jī)、溫濕度變送器、微處理器均采用RS-485通信，最大通信距離1200 m，最大傳輸速率10 Mb/s，滿足系統(tǒng)要求；微處理器采用MSP430單片機(jī)，其處理能力強(qiáng)、功耗低、運(yùn)算速度快[4]，適用于此系統(tǒng)。

2 虛擬儀器設(shè)計(jì)

LabVIEW是虛擬儀器技術(shù)中最常用的編程語言，其圖形化程序語言配合數(shù)據(jù)流形式使虛擬儀器的編寫更為簡單高效[5]。采用LabVIEW編寫用于植物培養(yǎng)系統(tǒng)的虛擬儀器，其程序流程如圖3所示。

上電后，先設(shè)置串口參數(shù)與溫濕度閾值，與串口連接后，LabVIEW通過RS-485總線向MQ3485發(fā)送命令幀01 03 00 00 00 02 C4 38，MQ3485 返回01 03 04 xx xx xx xx［CRC16 位］， 其中第 4、5個字節(jié)是溫度數(shù)據(jù)，第6、7個字節(jié)是濕度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理后保存并繪制曲線，并與設(shè)定溫濕度對比，決定是否調(diào)用模糊控制程序?qū)貪穸冗M(jìn)行調(diào)整，模糊控制程序由Matlab編寫，通過LabVIEW中的Matlab script節(jié)點(diǎn)調(diào)用。整個虛擬儀器的前面板如圖4所示。

圖3 程序流程Fig.3 Program flow chart

圖4 虛擬儀器前面板Fig.4 Front panel of virtual instrument

虛擬儀器主要功能包括數(shù)據(jù)采集并顯示、參數(shù)設(shè)置、模糊控制、歷史數(shù)據(jù)、報警、設(shè)備控制等，每個功能由1個或多個子vi實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集顯示功能主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化并截取，將其繪圖、顯示；參數(shù)設(shè)置功能包括對串口參數(shù)設(shè)置、初始溫濕度設(shè)置、報警閾值設(shè)置、時間設(shè)置、延遲時間設(shè)置等；模糊控制功能利用LabVIEW中的Matlab script節(jié)點(diǎn)調(diào)用Matlab模糊控制程序，LabVIEW向其傳遞輸入誤差和誤差變化率，經(jīng)運(yùn)算后將控制結(jié)果返回給LabVIEW；歷史數(shù)據(jù)功能可以按時間查詢歷史數(shù)據(jù)、導(dǎo)出數(shù)據(jù)到Excel表格等；報警功能利用布爾變量充當(dāng)報警指示燈，提示溫濕度是否在設(shè)定范圍內(nèi)；設(shè)備控制功能用于檢測對應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行情況。

3 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的溫濕度具有耦合性、非線性和不確定性，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)PID控制并不適用。模糊控制不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，魯棒性強(qiáng)，適用于非線性、滯后性系統(tǒng)[6-8]，故采用模糊控制方法控制系統(tǒng)內(nèi)部溫濕度。

3.1 模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

分別對溫度和濕度采用雙輸入單輸出的模糊控制器，模糊控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 模糊控制系統(tǒng)Fig.5 Fuzzy control system

其中 x1、x2為給定溫、濕度，e1、e2為溫、濕度的偏差，ec1、ec2為溫、濕度偏差變化率。 c1、c2為模糊控制器輸出的清晰量，由于溫、濕度間存在耦合，故引入解耦環(huán)節(jié)，其中 β1、 β2為溫、濕度解耦系數(shù)，k1、k2為比例因子，u1、u2為經(jīng)過溫濕度解耦后控制器的實(shí)際輸出量，計(jì)算公式為

微控制器接到控制信號，控制驅(qū)動電路從而控制各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出，調(diào)節(jié)培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境。

3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器主要包括模糊化、模糊推理、設(shè)計(jì)模糊規(guī)則表、清晰化4個部分。選取輸入溫度誤差e1、誤差變化率 ec1、輸出 c1的模糊論域均為［-3，+3］，選取 7 個模糊子集｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝劃分輸入輸出模糊論域，對于NB和PB采用高斯隸屬度函數(shù)覆蓋，其他均采用三角形隸屬度函數(shù)覆蓋。采用Mamdani的min-max推理法則[9]進(jìn)行模糊推理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得模糊控制規(guī)則如表1所示。利用重心法對輸出的模糊量清晰化。采用同樣的方法可以得到濕度模糊控制器的設(shè)計(jì)方法。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rule table

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

利用Matlab對常規(guī)PID和模糊控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證模糊控制的有效性。以溫度為例，假設(shè)給定溫度為20℃，模糊控制器輸入溫度誤差和誤差變化率的基本論域分別選為［-10，10］、［-1，1］，根據(jù)文獻(xiàn)[10]的分析和多次實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)溫度解耦系數(shù)β1、β2分別選為 0.03，0.02，2 種控制方法仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.6 System response curve

由圖6可看出，模糊控制的調(diào)節(jié)時間約為118 s，明顯比PID控制調(diào)節(jié)時間短；模糊控制的最大超調(diào)量約為12.5%，明顯比PID控制的最大超調(diào)量小，故相比于PID控制模糊控制能在更短的時間內(nèi)達(dá)到指定溫度，且過程較為平穩(wěn)。

實(shí)際操作中，給定培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)部溫度25℃，濕度50%RH，采用模糊控制對系統(tǒng)內(nèi)部溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過LabVIEW對系統(tǒng)溫濕度進(jìn)行實(shí)時采集，利用LabVIEW的歷史數(shù)據(jù)子vi統(tǒng)計(jì)一天中幾個時刻系統(tǒng)的溫濕度變化如表2所示。

由表2可以看出，一天內(nèi)植物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)部溫度誤差范圍為［-0.3℃，+0.3℃］，濕度誤差范圍為［-3%RH，+4%RH］，證明培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境滿足植物生長條件和微碳匯研究要求。

表2 檢測結(jié)果Tab.2 Test result

5 結(jié)語

研究植物微碳匯與其生長環(huán)境中的溫、濕度關(guān)系是十分必要的，以此為目的設(shè)計(jì)一種植物培養(yǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括LabVIEW虛擬儀器、工控機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動電路，采用模糊控制對系統(tǒng)內(nèi)部的溫濕度進(jìn)行控制。仿真結(jié)果表明，模糊控制方法比常規(guī)PID方法的超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一天內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)部溫度誤差不大于0.3℃，濕度誤差不大于4%RH，此植物培養(yǎng)系統(tǒng)能為植物提供一個良好的生長環(huán)境，并為微碳匯研究提供良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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