温室环境参数模糊控制器设计*

牛国玲，霍艳忠，郑永春，周海波

(佳木斯大学)

0 引言

温室作为设施农业的一种重要形式，在国内外农业中越来越受到重视.如何利用控制理论的相关知识有效地提高温室环境控制水平和现代化管理程度，是温室技术研究的重要内容之一.随着通讯技术、自动检测技术及计算机技术等的发展，将工业上较为成熟的、先进的控制方法和管理手段引入到农业的生产设施中，实施有效的温室环境控制，是现阶段温室技术的主要研究方向之一.但是，温室环境控制是一项综合性工程，它需要综合应用农业生物学、环境工程、自动控制、计算机网络、管理科学等多种技术学科.温室因其生产周期长、过程复杂，决定了温室系统是一个多变量、强耦合、非线性、大惯性的复杂大系统，一般难以建立温室的精确数学模型，进而对其进行处理和控制.另一方面，温室内培育的是具有生命的植物，所以，在生产过程中作物的安全性是首要的.温室的管理涉及市场、设备、技术、员工等诸多因素，现阶段对温室的管理还不能完全脱离人的干预.一般来说，温室的控制应该包括温室气候的控制、水肥的控制、作物生长情况的监控、设施和设备的监控、生产资料和资金的分配、市场和信息的管理、任务和计划的安排等内容［1］.

国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代.先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制.80年代末出现了分布式控制系统.目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统.现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展.

我国的现代化温室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的.我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代.我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制.之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展.20世纪80年代后期，我国先后从欧美和日本等发达国家引进连栋温室.由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产.90年代初，我国大型温室跌入了发展的低谷.“九五”初期，以以色列温室为代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕.到90年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统.例如:江苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统.该系统能对温度、光照、CO2浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果.又如:中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统.该系统由大棚本体及通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成.综观国内外温室农业的发展，温室控制技术正沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展;温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展.釆用目前比较流行的集散控制结构，并结合模糊控制理论，对温室内的温度与湿度进行联合控制.整个控制系统由个人计算机构成的上位机、单片机构成的下位机及连接上、下位机之间的通信网络组成.控制对象为温室内常用的可操控设备，如天窗、风机、泵和电磁阀等.

1 基本论域、模糊论域和量化因子

通过跟踪温室温湿度曲线，使温室具有适宜的温度和湿度，为了实现跟踪曲线釆用温度偏差和湿度偏差作为模糊控制器的输入，偏差值为实测值与设定值的差.分别用Et和Eh代表温度偏差和湿度偏差，用Tset和Hset分别代表温度的设定值和湿度的设定值，用Ts和Hs分别代表温度的实测值和湿度的实测值，则温湿度偏差的计算公式分别为:

在温室中温度偏差的基本论域［-xa，xa］为［-6，6］，温度偏差的模糊论域{-n，…，n}为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，可以计算出温度偏差的量化因子［1-3］:

设定湿度偏差的基本论域为［-12，12］，湿度偏差的模糊论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，可以计算出温度偏差的量化因子:

2 模糊语言变量语言值分档及隶属函数

模糊语言变量的分档数m与模糊论域的级数n之间应满足如下关系［2-3］:

取k=1.5，分别确定温度偏差和湿度偏差模糊语言变量语言值的分档数，如下所示.

已知温度和湿度n=3，代入式(5)可得，

分别用符号的形式表示如下所示:

隶属函数是用来涵盖模糊论域的，对于模糊语言变量的每一个语言值都应该有一个隶属函数与之相对应，即对应NB，NS，Z，PS，PB分别应该有5个隶属函数.隶属函数的形状对控制的效果影响不大，关键是隶属函数在模糊论域上的跨度，选择三角形隶属函数作为温度偏差和湿度偏差各语言值的隶属函数.三角形隶属函数［4］的函数解析式如下所示:

式中参数a、b、c的含义如图1所示.

图1 三角形隶属函数图形

为了表述得简洁、清楚，用Matlab中模糊控制工具箱［4］里的FIS编辑器来表示本课题中温度偏差和湿度偏差各个语言值的隶属函数.图2为温度偏差各语言值隶属函数分布图.图3为湿度偏差语言值隶属函数分布图.

图2 温度偏差语言值隶属函数分布图

图3 湿度偏差语言值隶属函数分布图

输出变量的模糊论域设定为{-1，0，1}，其模糊语言变量的语言值分档为{NB，Z，PB}，Matlab中隶属函数的分布情况如图4所示.

图4 输出变量语言值隶属函数分布图

图4反映的是解耦后某一个输出变量的隶属函数分布情况.这里使用的是一个2输入7输出的模糊控制器，所以，同样的输出变量及其隶属函数分布图还有6个.每一个输出变量对应一种温室内的可操控设备

3 模糊控制规则

模糊控制规则是模糊控制器的核心，模糊控制器的所有行为都是在模糊控制规则的控制下完成的.该文设计的是一个具有2输入7输出的多输入多输出(MIMO)模糊控制器，输入变量为温度的偏差和湿度的偏差，输出变量为各个设备的控制信号.另外，将温室内的7种可操控设备都处理成开关设备，即认为如果模糊控制器的输出为PB，则应该打开设备;输出为NB则应该关闭设备.

为了能够制定出合理的模糊控制规则，通过设计一个基本模糊控制器，用于取代原来的人工操作.先通过控温控湿的效果上对温室中的七种设备的情况按照操作人员在升温、降温、增湿、减湿时的操作顺序，制成表格，见表1.

表1 七种设备对照表

为了实现操作的目的，表1所示的设备中，有一些设备之间是存在相互制约的，对于这些制约要在控制规则中加以体现.模糊语言变量及语言值分档情况汇总后见表2.

表2 模糊语言变量及语言值分档

以上所设计的是Mamdani型模糊控制器［5］，其结构形式如图5所示.

温湿度偏差的语言值都分为5个档，所以对应每一个输出量最多都会有5×5=25条控制规则.但是对于某个控制目的，有些输出是不需要的.所以总的控制规则数小于甚至远远小于25×7=175条.这里的模糊控制规则都具有如下的形式:

图5 模糊控制器的结构

在温度与湿度这两项指标中，湿度通常指相对湿度，所以在制定模糊控制规则时釆用温度优先的原则.根据操作者的经验，该课题的部分模糊控制规则如图6所示.

对输出变量U1的二维投影曲线如图6所示.

图6 U1与ET的关系曲线

从图6可以看出，U1的输出曲线存在两处明显的转折，一处在ET=0附近，一处在ET=1.2附近，说明对输出变量U1的模糊控制规则还有待进一步改善［5］.

下面要对模糊控制规则进行解耦，即从中分离出针对每一个设备的控制规则，进而制作成模糊控制规则表，以便对每一种设备实施具体的控制，针对每一个输出变量进行分离就可以了，即从总规则中分别针对U1进行分离，针对U2进行分离，依此类推.以U1为对象进行分离并整理成模糊控制规则表，见表4.

表4 U1的模糊控制规则表

同样的被控对象，同样的可控设备，不同的操作者会给出不同的操作规则.在对温室参数进行控制时，上位机软件可以根据实际情况适当调整控制规则.

4 结束语

文中从整体上介绍了与温室环境参数模糊控制有关的模糊控制器设计过程中的重点理论问题与技术问题.首先，介绍了温室环境参数模糊控制器的基本论域、模糊论域和量化因子;其次，介绍了模糊语言变量语言值分档及隶属函数;最后，介绍了温室环境参数模糊控制器的核心知识模糊控制规则.通过实验验证，本模糊控制器运行可靠，可以实现温度、湿度、光照度等温室环境参数的模糊控制，满足温室控制的要求，本模糊控制器为温室现代化控制给出了可供参考的一种技术方法.

［1］ 陈超，张敏，宋吉轩.我国设施农业现状与发展对策分析［J］.河北农业科学，2008(11).

［2］ 王立新.模糊系统与模糊控制教程［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［3］ 李士勇.工程模糊数学及应用［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2004.

［4］ 楼顺天，胡昌华，张伟.基于 MATLAB的系统分析与设计——模糊系统［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2003.

［5］ 石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真［M］.北京:清华大学出版社，北京交通大学出版社.2008.