果蔬溫室溫度智能自適應(yīng)控制

錢雅楠，陳吉，許癸駒

重慶工程學(xué)院（重慶 400000）

隨著工業(yè)控制技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)作物溫室溫控技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[1-2]。溫室溫控技術(shù)作為國家在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域的重要研究課題，我國對農(nóng)作物測控技術(shù)進(jìn)行大量研究，并取得重要成果。溫室作為發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要載體，內(nèi)部通常種植經(jīng)濟(jì)效益高的反季或抗寒能力差的果蔬。

番茄、黃瓜等果蔬是中國主要蔬菜品種，也是冬季重要的反季農(nóng)作物。這些果蔬對于溫室溫度非常敏感，晝夜溫差控制合適通常會(huì)大幅提高溫室果蔬產(chǎn)量，反之溫度控制精度波動(dòng)大會(huì)嚴(yán)重響應(yīng)果蔬產(chǎn)量，因此需要對溫室溫度進(jìn)行高精度控制[3-4]。溫室溫度控制通常采用PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，即設(shè)定一個(gè)溫室目標(biāo)溫度，通過溫度傳感器采集溫室溫度，通過比較目標(biāo)溫度與采集到溫度偏差大小，對PID輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制溫控設(shè)備開關(guān)。

溫室環(huán)境通常是一個(gè)非線性、時(shí)滯性、時(shí)變性復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制方法雖然成本低、控制方式簡單，但傳統(tǒng)PID控制方法參數(shù)固定不變，遇到復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，通常與目標(biāo)溫度誤差較大、控制精度也較低，無法根據(jù)溫室環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，環(huán)境適應(yīng)性較差。

模糊控制規(guī)則不依賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，易于實(shí)現(xiàn)。模糊控制理論是將溫度設(shè)定值與采集值偏差及偏差率分成不同的模糊值，建立模糊規(guī)則表，通過條件語句形成模糊模型，根據(jù)模糊查表法形成模糊控制算法。

為了提高室溫溫度控制自適應(yīng)性，提高溫度控制精度，基于模糊控制理論提出一種符合溫室果蔬種植的高精度智能控制算法。仿真結(jié)果表明，該控制方法超調(diào)量小、收斂速度快，能有效改善傳統(tǒng)PID控制精度低、自適應(yīng)性能差等缺點(diǎn)。

1 溫度閾值計(jì)算

為了對室溫大棚溫度進(jìn)行精確控制，需要確定溫度閾值。王健等[5]、袁洪波等[6]基于溫度積分算法的溫室環(huán)境控制方法中，提出溫度積分法解決傳統(tǒng)閾值設(shè)置方式單一、對外部環(huán)境自適應(yīng)能力差等問題，該算法結(jié)構(gòu)簡單、能耗低。因此，采用溫度積分法計(jì)算溫度閾值，果蔬在生長過程中在時(shí)間段P（1，2，…，n）平均溫度TP為：

式中：T(t)為溫室一天中任意時(shí)刻的溫度。

由式（1）可得：

式中：Tdj為溫室內(nèi)實(shí)際平均溫度；Ted為平均目標(biāo)溫度。

由平均目標(biāo)溫度Ted對TP進(jìn)行替代得到Ted的數(shù)學(xué)模型：

式中：t為當(dāng)前日期；Ti(t)為實(shí)際的日平均氣溫。

為提高控制精度，將天數(shù)細(xì)分為多個(gè)時(shí)間段，假設(shè)總共分為N個(gè)時(shí)間段，那么可得第n個(gè)時(shí)間段的目標(biāo)溫度：溫室內(nèi)溫度低于Ten時(shí)，則溫度不適于果蔬生長所需的積溫要求，因此需要控制溫控器進(jìn)行加溫，因此該數(shù)值可作為溫度控制的界限值。

2 模糊PID控制算法

模糊控制理論因其不依賴于精確數(shù)學(xué)模型，在非線性、時(shí)滯性、時(shí)變性系統(tǒng)中具有重要作用。由于溫室溫控制系統(tǒng)復(fù)雜多變，提出一種模糊免疫PID控制方法，進(jìn)而提高溫室溫控系統(tǒng)的自適應(yīng)性。傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)

PID控制數(shù)學(xué)模型為：

PID改進(jìn)后數(shù)學(xué)模型為：

PID比例項(xiàng)為：

為使傳統(tǒng)PID控制器具有自適應(yīng)性，提出一種基于模糊免疫的PID溫室溫度控制器，模糊免疫PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，比例系統(tǒng)kp由式（7）進(jìn)行調(diào)節(jié)，積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd由模糊控制理論進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[7-8]。

圖2 模糊免疫PID控制器

為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在模糊控制中引入免疫理論，k代抗原數(shù)目為ε(k)，TH細(xì)胞輸出為TH(k)，TS對細(xì)胞影響為TS(k)，則TH細(xì)胞可接收到的總刺激為：

式中：TH(k)=k1ε(k)，TS(k)=k2f(Δs(k))ε(k)。

假設(shè)溫度偏差e(k)可由ε(k)獲得，u(k)為S(k)的輸入量，則有：

式中：kp1=K{1-ηf[u(k)，Δu(k)]}；K為控制器響應(yīng)速度，η為控制器穩(wěn)定系數(shù)，且滿足K=k1，η=k2/k1。

模糊免疫PID控制器輸出為：

式中：k^i=kp1ki，k^d=kp1kd。

3 仿真分析

為驗(yàn)證基于模糊免疫PID控制器在室溫溫控系統(tǒng)中的有效性，使用Matlab仿真軟件進(jìn)行仿真分析。分別對傳統(tǒng)PID控制、模糊PID控制及模糊免疫PID這3種控制器分別進(jìn)行仿真，通過對比3種控制器的超調(diào)量、穩(wěn)定周期及控制精度，確定模糊免疫PID控制器的優(yōu)勢，如圖3所示。

結(jié)果表明，目標(biāo)溫度設(shè)定25℃，傳統(tǒng)PID控制器超調(diào)量約45%，且溫度出現(xiàn)明顯超調(diào)，最大超調(diào)35℃，經(jīng)過1 500 s系統(tǒng)才趨于穩(wěn)定；模糊PID控制器相較于傳統(tǒng)PID控制器超調(diào)量明顯減小，約13%，調(diào)節(jié)時(shí)間約600 s；而提出的模糊免疫PID控制器能迅速達(dá)到目標(biāo)溫度，且超調(diào)量明顯減小，在500 s時(shí)便可趨于穩(wěn)定。基于模糊免疫的PID控制器具有更好的動(dòng)靜態(tài)特性，能夠顯著提高果蔬溫度控制精度。

圖3 仿真曲線

4 結(jié)語

為提高果蔬溫室大棚溫度控制精度，提出一種基于模糊免疫PID溫室溫度控制方法，給出方法的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，通過模糊免疫實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PID參數(shù)的自適應(yīng)在線調(diào)整。通過Matlab對該算法進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，方法相比于傳統(tǒng)PID控制和單純模糊PID控制超調(diào)量更小、響應(yīng)速度更快，穩(wěn)態(tài)誤差更小?？刂品椒苡行нm應(yīng)溫室大棚的非線性、時(shí)滯性、時(shí)變性特點(diǎn)，能顯著改善果蔬溫室溫度控制效果。