基于農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化的大棚智能控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 龍

(甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能控制學(xué)院,甘肅 天水 741000)

0 引言

為了有效應(yīng)對(duì)疫情對(duì)蔬菜跨區(qū)域運(yùn)輸?shù)挠绊?保證人民的菜籃子安全,在北方地區(qū)推廣大棚種植,實(shí)現(xiàn)蔬菜的就近供給,是有效的應(yīng)對(duì)方法[1]。由于大棚種植面積較大,故設(shè)置單個(gè)溫度傳感器不能有效監(jiān)控溫室溫度,故布置多個(gè)溫度傳感器成為主流[2-3],并直接計(jì)算所有傳感器平均值,將其作為輸出的大棚溫度[4-5]。目前,大棚溫度控制往往集中于升溫控制,采用單一升溫手段,升溫速度慢[6-7]。為了有效解決溫度傳感器輸出數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確表征大棚溫度及大棚溫度單向調(diào)節(jié)的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了智能溫控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要包括溫度調(diào)控系統(tǒng)、 溫度融合與溫度模糊控制及測(cè)試系統(tǒng),如圖1所示。其中,溫度調(diào)控系統(tǒng)包括溫度傳感器組,用于監(jiān)控大棚環(huán)境溫度。溫度調(diào)控設(shè)備包括空調(diào)、地暖、遮陽(yáng)網(wǎng)和濕簾風(fēng)機(jī)[8-9],用于大棚溫度調(diào)控。溫度數(shù)據(jù)融合包括大偏差數(shù)據(jù)剔除、節(jié)點(diǎn)內(nèi)數(shù)據(jù)融合與節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)融合,最后輸出大棚溫度表征量。溫度模糊控制將大棚溫度表征量及其與設(shè)定溫度偏差作為輸入,模糊控制器輸出為溫度調(diào)整裝置控制信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Structure of system

2 多節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)融合

由于大棚面積較大,為有效監(jiān)控大棚溫度,需要設(shè)置溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前,溫度傳感器組網(wǎng)結(jié)構(gòu)按照位置將眾多溫度傳感器分為眾多小組,每個(gè)小組由其路由節(jié)點(diǎn)向上傳遞數(shù)據(jù)。因此,系統(tǒng)由5個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)節(jié)點(diǎn)中包括7個(gè)溫度傳感器,且需要對(duì)所有溫度傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,最后輸出表征整個(gè)大棚的溫度量[10-11]。

溫度數(shù)據(jù)融合包括兩個(gè)維度,即節(jié)點(diǎn)內(nèi)數(shù)據(jù)的融合和節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的融合:節(jié)點(diǎn)內(nèi)數(shù)據(jù)融合采用數(shù)據(jù)計(jì)算平均值的方法得到,節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)融合采用加權(quán)平均值的方法計(jì)算得到。

節(jié)點(diǎn)內(nèi)數(shù)據(jù)融合,在完成異常數(shù)據(jù)剔除后,認(rèn)為剩下的數(shù)據(jù)是可靠的,則該節(jié)點(diǎn)的溫度表征值為剩下數(shù)據(jù)的平均值。5個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度異常剔除值和節(jié)點(diǎn)溫度表征值,如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)異常數(shù)據(jù)剔除及節(jié)點(diǎn)溫度表征值Table 1 Elimination of node abnormal data and characteristic value of node temperature

節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵性問(wèn)題為權(quán)重αi的計(jì)算,有

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

圖2 各節(jié)點(diǎn)方差與權(quán)重Fig.2 Variance and weight for each node

3 大棚溫度模糊控制

3.1 模糊控制模型

大棚溫度模糊控制模型如圖3所示。系統(tǒng)輸入為設(shè)定溫度值r(t),采用數(shù)據(jù)融合的方法,融合溫度傳感器溫度數(shù)據(jù)得到大棚溫度表征量T(t);將r(t)與T(t)做差,得到偏差e,將溫度偏差e和T(t)大棚溫度表征量作為模糊控制器輸入,對(duì)其進(jìn)行模糊化處理;根據(jù)模糊規(guī)則庫(kù),輸出模糊輸出量u,采用重心法,對(duì)u進(jìn)行去模糊處理,得到的溫度調(diào)節(jié)裝置控制信號(hào)U(t),進(jìn)而對(duì)大棚溫度進(jìn)行調(diào)節(jié);溫度傳感器采集數(shù)據(jù),融合得到大棚溫度表征量T(t),重新計(jì)算偏差e,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖3 模糊控制模型Fig.3 Fuzzy control for irrigation system

3.2 溫度調(diào)節(jié)裝置模糊化

大棚溫度調(diào)節(jié)裝置需要根據(jù)當(dāng)前溫度及其與設(shè)定溫度的偏差,實(shí)現(xiàn)不同速率的升溫和降溫。溫度調(diào)節(jié)裝置作為模糊系統(tǒng)輸出,在模糊化過(guò)程中,依據(jù)降溫和升溫速度,將溫度調(diào)節(jié)裝置分為7個(gè)等級(jí),即{NB, NM, NS, O, PS, PM, PB}。

升溫測(cè)試分為空調(diào)設(shè)置為制熱模式、地暖加熱和關(guān)閉遮陽(yáng)網(wǎng);降溫環(huán)節(jié)為空調(diào)制冷、打開(kāi)濕簾風(fēng)機(jī)及打開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng),保持不變環(huán)節(jié)為關(guān)閉所有制冷和制熱設(shè)備,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。升溫環(huán)節(jié)空調(diào)制熱30min,大棚溫度提高17.5℃;地暖加熱30min,大棚溫度提高10.5℃;關(guān)閉遮陽(yáng)網(wǎng)30min,大棚溫度提高7.5℃。降溫環(huán)節(jié),打開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng),溫度下降11.5℃;開(kāi)濕簾風(fēng)機(jī),溫度下降22.5℃;空調(diào)制冷,溫度下降29℃;保持狀態(tài),關(guān)閉制冷制熱設(shè)備,溫度隨外界環(huán)境溫度升高5℃。基于以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),溫度調(diào)節(jié)裝置模糊化的7個(gè)等級(jí){NB, NM, NS, O, PS, PM, PB},對(duì)應(yīng)的裝置狀態(tài)分別為制熱模式、地暖加熱、關(guān)閉遮陽(yáng)網(wǎng)、保持遮陽(yáng)網(wǎng)、打開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng)、開(kāi)濕簾風(fēng)機(jī)、空調(diào)制冷。

圖4 溫度調(diào)節(jié)裝置模糊化設(shè)計(jì)Fig.4 Fuzzy design for temperature regulating device

3.3 模糊控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以溫度傳感器融合數(shù)據(jù)得到的大棚溫度表征量T(t)及其與設(shè)定溫度的偏差值e為模糊控制器的輸入,以溫度調(diào)節(jié)裝置控制信號(hào)作為模糊控制器輸出u,通過(guò)建立模糊控制器輸入和輸出的隸屬度函數(shù),實(shí)現(xiàn)模糊化;然后,采用重心法,實(shí)現(xiàn)輸出u的去模糊化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于溫度調(diào)節(jié)裝置的選用與控制。

模糊控制器輸入輸出隸屬度函數(shù)如圖5所示。其輸入輸出均采用三角形隸屬度函數(shù),模糊控制器輸入大棚溫度表征量T(t)實(shí)際范圍為[0, 40],模糊化過(guò)程中設(shè)置7個(gè)中心值為{0, 10, 15, 20, 25, 30, 40},對(duì)應(yīng)的模糊化語(yǔ)言為{NB, NM, NS, O, PS, PM, PB};大棚溫度表征值T(t)與設(shè)定溫度r(t)的偏差e的實(shí)際范圍為[-20, 20], 對(duì)應(yīng)的模糊化語(yǔ)言為{NB, NM, NS, O, PS, PM, PB};溫度調(diào)整設(shè)備控制信號(hào)U(t)實(shí)際控制范圍為[-20, 20], 對(duì)應(yīng)的模糊化語(yǔ)言為{NB, NM, NS, O, PS, PM, PB}。

現(xiàn)根據(jù)模糊化后的控制器輸入大棚溫度表征值T(t)及其與設(shè)定溫度r(t)的偏差e及模糊化后的輸出量u,建立模糊規(guī)則庫(kù),如表2所示。

圖5 模糊控制器隸屬度函數(shù)Fig.5 Membership function for fuzzy controller

表2 模糊控制器規(guī)則庫(kù)Table 2 The fuzzy rules for fuzzy controller

利用模糊控制器規(guī)則庫(kù),根據(jù)模糊化后的輸入量,可以直接推斷得到模糊化的控制器輸出量u,現(xiàn)需要對(duì)模糊化后的系統(tǒng)輸出量u進(jìn)行去模糊化處理,得到溫度調(diào)節(jié)裝置控制量U(t),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)裝置的調(diào)用,完成加熱或降溫作業(yè)。系統(tǒng)采用重心法[14-15]進(jìn)行去模糊處理,方法如式(7)所示。其中,ui為模糊化后的系統(tǒng)輸出量;γi為對(duì)應(yīng)的加權(quán)值。

(7)

4 系統(tǒng)測(cè)試

首先,將溫度傳感器以位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組,后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)內(nèi)、節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)融合,輸出可以大棚表征溫度;其次,設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng),以大棚表征溫度和溫度偏差作為模糊控制器輸入,以溫度調(diào)節(jié)裝置控制信號(hào)作為系統(tǒng)輸出。因此,系統(tǒng)兩個(gè)重要環(huán)節(jié)為數(shù)據(jù)融合與模糊控制系統(tǒng),現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試。

溫度數(shù)據(jù)融合方式為異常數(shù)據(jù)剔除、節(jié)點(diǎn)內(nèi)數(shù)據(jù)融合及節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)融合,進(jìn)而計(jì)算求得大棚溫度表征量。對(duì)照組采用直接輸出所有數(shù)據(jù)平均值,溫度測(cè)試范圍為15～24.5℃,進(jìn)行10次采樣。測(cè)試結(jié)果如圖6(a)所示。由圖6(a)可知:采用數(shù)據(jù)融合的表征值曲線平滑,而平均值輸出曲線在數(shù)據(jù)融合曲線上下來(lái)回跳動(dòng),且曲線不平滑,表明平均值算法受到異常數(shù)據(jù)影響,造成輸出不準(zhǔn)確。

溫度模糊控制系統(tǒng)測(cè)試方法為設(shè)定溫度控制值為20℃,開(kāi)啟本系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制,采樣間隔為10min,采樣數(shù)為8,測(cè)試結(jié)果如圖6(b)所示。其中,開(kāi)始溫度最低為18.4℃,系統(tǒng)介入10min后,溫度為19.5%;第6采樣點(diǎn)溫度最高,為20.7℃,且溫度在20℃上下浮動(dòng),系統(tǒng)介入后的溫度相對(duì)偏差區(qū)間[-2.5%, 3.5%]。測(cè)試結(jié)果表明,該模糊控制器具有良好的溫度控制性能。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試Fig.6 The test for system

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)大棚溫度精確控制,基于數(shù)據(jù)融合與模糊控制技術(shù),設(shè)計(jì)了大棚溫度控制系統(tǒng)?；谀：刂萍夹g(shù)實(shí)現(xiàn)大棚溫度控制,先以溫度偏差e和T(t)大棚溫度表征量作為模糊控制器輸入,以溫度調(diào)節(jié)裝置控制信號(hào)U(t)作為系統(tǒng)輸出。其中,溫度調(diào)節(jié)裝置模糊化的7個(gè)等級(jí){NB, NM, NS, O, PS, PM, PB},對(duì)應(yīng)的裝置狀態(tài)分別為制熱模式、地暖加熱、關(guān)閉遮陽(yáng)網(wǎng)、保持遮陽(yáng)網(wǎng)、打開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng)、開(kāi)濕簾風(fēng)機(jī)及空調(diào)制冷。建立系統(tǒng)工作流程。對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合與溫度控制性能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:數(shù)據(jù)融合技術(shù)由于直接取平均值,系統(tǒng)介入后溫度相對(duì)偏差區(qū)間[-2.5%, 3.5%]。