智能控制在溫室系統(tǒng)中的應(yīng)用*

李 麗

（河源理工學(xué)校，廣東河源 517000）

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及人民物質(zhì)生活水平的大幅度提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方式已由傳統(tǒng)的分散型小規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)變到集約型、工廠化的大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。溫室生產(chǎn)作為一種高效、高科技含量的大規(guī)模生產(chǎn)方式已經(jīng)成為世界農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展趨勢。智能溫室控制系統(tǒng)是專門為農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測和控制而開發(fā)生產(chǎn)的環(huán)境自動控制系統(tǒng)?？蓽y量溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等農(nóng)業(yè)環(huán)境要素，根據(jù)溫室植物生長要求，自動控制通風(fēng)扇、遮陽簾、熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、加熱器、補(bǔ)光燈、CO2添加器、噴淋裝置等環(huán)境控制設(shè)備，使溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)達(dá)到適宜農(nóng)作物生長的范圍，為農(nóng)作物提供良好的生長環(huán)境。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對智能溫室的特點(diǎn)，采用如圖1所示的上、下位機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要由各類傳感器、下位機(jī)、上位機(jī)以及各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中下位機(jī)選用的是日本三菱公司的FX2N-64MR型PLC，上位機(jī)選用的是北京亞控科技有限公司的組態(tài)王軟件。各類傳感器分別采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等外部信號輸送到PLC中，PLC將采集的信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后與設(shè)定值比較來驅(qū)動外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，系統(tǒng)可通過與上位機(jī)組態(tài)軟件的人機(jī)對話，在線采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的智能調(diào)控[1]。

圖1 智能溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 下位機(jī)設(shè)計

下位機(jī)是控制系統(tǒng)的主體部分?？紤]到系統(tǒng)低成本、通用性、高可靠性、方便維修等設(shè)計原則，下位機(jī)采用的是日本三菱公司的FX2N-64MR型PLC。通過實時采集溫室環(huán)境內(nèi)各種溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等參數(shù)指標(biāo)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過模糊控制器進(jìn)行相應(yīng)的控制。上下位機(jī)通過以太網(wǎng)網(wǎng)口進(jìn)行通訊，主要是組態(tài)配置參數(shù)、控制參數(shù)和顯示參數(shù)的傳遞[2]。下位機(jī)和外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間采用光電隔離，不僅可以防止一些外部干擾，還能防止外部電路短路對下位機(jī)造成的損壞。

根據(jù)智能溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，確定PLC的I/O接線如圖2所示。系統(tǒng)硬件的主控器件選用日本三菱公司的FX2N-64MR型PLC，外部交流電源供電、PLC內(nèi)部提供24V直流電源，32個輸入輸出端子，可驅(qū)動交直流負(fù)載。傳感器分別選用的是靈敏度1μA/K、測溫范圍-55～50℃的集成AD590型溫度傳感器，校準(zhǔn)精度±2%RH、測量精度0.4%RH的HS1101型濕度傳感器，光譜特性好、反應(yīng)速度快的GM5516型光敏電阻和工作溫度為-20～50℃、輸出電壓30～50 mV的MG811型CO2傳感器。

圖2 PLC的I/O接線圖

3 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

選用北京亞控科技有限公司的組態(tài)王軟件進(jìn)行人機(jī)對話。組態(tài)王軟件對智能溫室控制系統(tǒng)進(jìn)行畫面設(shè)計、變量定義、命令語言編寫、動畫連接和設(shè)備通訊等工作，通過在線采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)控[2]。溫室監(jiān)控系統(tǒng)主畫面如圖3所示，主畫面可實時顯示現(xiàn)場的溫度值、濕度值、光照強(qiáng)度值、CO2濃度值。同時可對通風(fēng)扇、遮光簾、熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、加熱器、補(bǔ)光燈、CO2添加器、噴淋裝置等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。

圖3 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)主畫面

4 模糊控制

4.1 模糊控制結(jié)構(gòu)

溫室控制系統(tǒng)是一個多輸入-多輸出系統(tǒng)，被控量分別是溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度，因而模糊控制器也是多輸入-多輸出控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖

4.2 輸入與輸出變量模糊化

采用二維模糊控制器，輸入為偏差E和偏差變化率EC，輸出為U。模糊輸入變量E和EC的模糊子集取為{NB， NM， NS， Z0， PS， PM， PB}， 模 糊 論 域 為{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}[3]。模糊控制器輸出變量通風(fēng)扇、遮光簾、熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、加熱器、補(bǔ)光燈、CO2添加器、噴淋裝置。這7個變量均為開關(guān)量，這7個變量只有開和關(guān)兩種狀態(tài)（即0和1）。分別用U0、U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7這 8 個變量表示[4]。

4.3 隸屬函數(shù)的確定

由于三角形隸屬度函數(shù)在輸入值變化時具有更高的靈活性，因此輸入變量E和EC均采用三角形隸屬度函數(shù)。如圖5所示為各輸入變量的隸屬度函數(shù)，選擇的模糊集寬度為4。

圖5 輸入變量隸屬度函數(shù)

4.4 模糊控制規(guī)則的確定

模糊控制規(guī)則實質(zhì)上是對操作者的經(jīng)驗或?qū)＜业闹R進(jìn)行凝練的基礎(chǔ)上得到的。溫度傳感器將溫室溫度測量值信號與設(shè)定值比較，如果比較結(jié)果高于設(shè)定值，則打開冷風(fēng)機(jī)對溫室進(jìn)行降溫；如果比較結(jié)果低于設(shè)定值，則打開加熱器或熱風(fēng)機(jī)對溫室進(jìn)行加溫。濕度傳感器將溫室濕度測量信號與設(shè)定值比較，如果高于設(shè)定值，則打開通風(fēng)扇除濕，如果低于設(shè)定值，則打開噴淋裝置，對空氣進(jìn)行噴霧。光照傳感器將溫室光照測量值信號與設(shè)定值比較，如果比較結(jié)果高于設(shè)定值，則關(guān)閉遮陽簾或補(bǔ)光燈；如果比較結(jié)果低于設(shè)定值，則打開遮陽簾或開啟補(bǔ)光燈。CO2濃度傳感器將溫室CO2濃度測量值信號與設(shè)定值比較，如果比較結(jié)果高于設(shè)定值，則關(guān)閉CO2添加器；如果比較結(jié)果低于設(shè)定值，則打開CO2添加器。輸出變量用“1”表示開，用“0”表示關(guān)[5]。

4.5 反模糊化

由于被控對象只接受一個精確的控制量，因此模糊控制器輸出是從模糊語言不同取值的的組合中判決出一個精確的控制量，即為反模糊化。采用Matlab軟件的setfis()設(shè)置解模糊化方法，defuzz()執(zhí)行反模糊化運(yùn)算，可以大大減少計算量[6]。

5 實驗結(jié)果

控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，在河源郊區(qū)開辟了100 m2的實驗基地，對控制效果進(jìn)行實際測試。實驗基地如圖6所示。以溫度為例，驗證所設(shè)計的智能溫室控制系統(tǒng)的有效性[7]。記錄到2017年12月份的戶外溫度如圖7所示。施加模糊控制策略后，對溫室進(jìn)行仿真實驗，得到仿真溫度和設(shè)定溫度的對比值，如圖8所示。最后把仿真溫度和實際溫度進(jìn)行比照，非常接近，實驗數(shù)據(jù)如圖9所示。實驗表明：應(yīng)用模糊控制策略對溫室控制，能夠?qū)崿F(xiàn)使溫度維持在16～21℃之間，適合農(nóng)作物的生長。同樣地，經(jīng)過模糊控制，其他參數(shù)也能夠得到有效控制[8]。

圖6 實驗基地概貌

圖8 仿真溫度和設(shè)定溫度比照圖

圖9 仿真溫度和實際溫度比照圖

6 結(jié)束語

隨著我國人口的不斷增長和可耕種面積的不斷減少，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)現(xiàn)代化溫室勢在必行。同時，由于我國綜合國力的不斷增強(qiáng)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)設(shè)施的水平也會大大提高，溫室工程必將成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個新的亮點(diǎn)。該智能溫室控制系統(tǒng)能滿足作物對生長環(huán)境的要求，具有良好的應(yīng)用前景，對本地的農(nóng)業(yè)發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。