楊晶 王鐵濱 孫珊珊 初秀娟 滿樹(shù)良

1 引言

我國(guó)農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)到優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的初期。溫室大棚作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要產(chǎn)物，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。而現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是離不開(kāi)環(huán)境控制的，溫室大棚是北方的一些地區(qū)在近些年發(fā)展起來(lái)的生產(chǎn)設(shè)施，主要用于調(diào)節(jié)溫濕度、CO2氣體濃度和光照等環(huán)境因素，使農(nóng)作物擁有最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。目前，我國(guó)的大多數(shù)溫室控溫設(shè)備都是比較簡(jiǎn)陋的，環(huán)境仍然是靠人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行控制管理，已嚴(yán)重的影響了農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定快速發(fā)展。因此，我們迫切的需要設(shè)計(jì)出一種高效益、低成本的溫室大棚溫度控制系統(tǒng)。

溫室大棚對(duì)溫度的控制是—個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)變化性強(qiáng)、非線性、隨機(jī)干擾較大、過(guò)程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜等特點(diǎn)，所以難以去建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的控制方法、控制理論，其控制效果都不是很好[1]。這種情況下，模糊控制就顯得意義重大，因?yàn)槟：刂剖遣恍枰A(yù)先建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型的，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)并參考操作人員的經(jīng)驗(yàn)，就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，將其應(yīng)用在溫室大棚溫度控制系統(tǒng)中正適合。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所謂模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)的控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)和模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)來(lái)表示，以模糊邏輯推理來(lái)作為理論基礎(chǔ)，并借助于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)來(lái)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)由模糊控制器、輸入/輸出接口裝置、傳感器、廣義對(duì)象四個(gè)部分組成。其中廣義對(duì)象包括了被控對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳感器將各種過(guò)程的被控制量和被控對(duì)象轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，模糊控制器再通過(guò)輸入/輸出接口將數(shù)字信號(hào)量從被控對(duì)象處獲取，并經(jīng)過(guò)數(shù)模變換把模糊控制器決策的輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，繼而去控制被控對(duì)象[3]?？梢?jiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的核心就是模糊邏輯控制器。本文著重介紹此部分。

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

模糊控制器由模糊化 （Fuzzification）、模糊推理 （Fuzzy Reasoning）、模糊量的去模糊（Defuzzification）三部分組成，它們都是建立在知識(shí)庫(kù)（Knowledge Base）基礎(chǔ)上的。其控制原理如圖1所示。

模糊控制器的輸入量是非模糊量時(shí)，必須要轉(zhuǎn)化成模糊量以后才能夠用于模糊推理。而模糊化就是將確定量變換成模糊集的過(guò)程。其主要的功能是根據(jù)輸入語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)去確定相應(yīng)于每個(gè)語(yǔ)言值的隸屬度。輸入量模糊化后，下一步進(jìn)行的就是模糊推理。模糊推理是模糊控制器對(duì)于給定的模糊輸入量，根據(jù)判定的模糊規(guī)則以及事先規(guī)定好的推理方法求出模糊輸出量的過(guò)程，它是模糊控制器的核心。在模糊推理中得出的模糊輸出量必須轉(zhuǎn)換成非模糊的輸出，所以去模糊就是將模糊集變換成確定值的過(guò)程。根據(jù)模糊推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，可用不同的方法找到一個(gè)比較具有代表性的精確值來(lái)作為控制量。

3.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

（1）確定模糊控制器的輸入、輸出變量

系統(tǒng)的輸入變量為大棚溫度與實(shí)際溫度的偏差E和偏差的變化率DE，輸出變量為控制加熱裝置的供電電壓U。

（2）定義模糊子集

T（E）= {NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}

其中，NB表示負(fù)；NM表示負(fù)中；NS表示負(fù)?。籞E表示零；PS表示正小；PM表示正中；PB表示正大。

溫度偏差、偏差變化率的隸屬函數(shù)賦值表如表1所示。

根據(jù)過(guò)程控制的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)得到模糊控制的規(guī)則，實(shí)質(zhì)上就是將操作員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)從而得出一條條的模糊條件語(yǔ)句，將這些語(yǔ)句（規(guī)則）進(jìn)行匯總，得出成如表2所示的模糊控制規(guī)則表。

模糊控制算法是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模糊控制的關(guān)鍵，其實(shí)現(xiàn)的方法目前主要有兩種，即公式法和查表法。可以根據(jù)不同系統(tǒng)的不同情況來(lái)選用不同的控制算法。本系統(tǒng)采用的是查表法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在查表法中，根據(jù)模糊控制規(guī)則表利用直接法計(jì)算出輸入輸出的模糊關(guān)系矩陣，即控制表。

在系統(tǒng)中，由于偏差 E和偏差的變化率DE的論域都有 7 個(gè)元素{-3，-2，-1，0，1，2，3}，所以，在輸入時(shí)偏差E或偏差的變化率DE的值會(huì)量化到7個(gè)元素之中的任意一個(gè)。這樣求出所有可能的輸入組合及其對(duì)應(yīng)的輸出控制量，就形成了相應(yīng)的模糊控制表。其部分控制規(guī)則描述如下：

4 結(jié)語(yǔ)

為了驗(yàn)證該模糊控制策略和設(shè)計(jì)方案的正確性，以便獲得較好的控制效果，借助 MATLABA對(duì)溫室大棚溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)[4]。經(jīng)試驗(yàn)得出，采用模糊控制要比采用普通PID控制的超調(diào)量小，控制效果好，并且能更好的改善系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。可見(jiàn)，在溫室大棚溫度控制系統(tǒng)中采用模糊控制而不用去建立精確的數(shù)學(xué)模型，只需根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)并參考操作人員的經(jīng)驗(yàn)，就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，這對(duì)于環(huán)境條件較復(fù)雜的情況是一種非常有效的控制策略，可取得比較滿意的控制效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 王立舒，等.日光溫室溫、濕度模糊控制系統(tǒng)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2005，36（5）：625-627.

[2] 王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3] 許力.智能控制與智能系統(tǒng) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4] 馮冬，張希平，費(fèi)敏銳.一種基于MATLAB的模糊控制器綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2004，4：849-852.