胡香玲，李春林

鄭州電力高等專科學(xué)校（鄭州 450000）

隨著中國農(nóng)村農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸由傳統(tǒng)的粗放經(jīng)營模式向現(xiàn)代集約自動智能型經(jīng)營模式轉(zhuǎn)變[1-2]。溫室作為一種重要的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化食品種植方式，溫室中種植的大部分是具有客觀的經(jīng)濟效益的反季或抗寒能力較差的果蔬[3-4]。

番茄作為主要的蔬菜食品之一，也是中國北方溫室主要培育的農(nóng)作物。番茄因其對溫室溫度、濕度及CO2濃度均比較敏感，合適的條件能顯著提高番茄產(chǎn)量，相反如果條件變化較大、控制精度低，則嚴(yán)重影響番茄品質(zhì)和產(chǎn)量，因此對溫室環(huán)境進行有效控制對于提高番茄品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要現(xiàn)實意義。

為對室溫環(huán)境進行有效控制、提高產(chǎn)品品質(zhì)，大多數(shù)溫室大棚控制器采用傳統(tǒng)PID控制算法[5-8]。但是溫室環(huán)境控制往往具有時變性和滯后性，如何實現(xiàn)溫室環(huán)境精確控制成為一個亟需解決的問題。傳統(tǒng)PID控制算法結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、使用面廣，不過無法較好處理時變和滯后類問題，因此控制效果一般。針對傳統(tǒng)控制方法不足，眾多專家將智能控制算法引入到傳統(tǒng)PID控制算法中，實現(xiàn)PID控制器參數(shù)在線可調(diào)。如鄧娜等利用模糊算法對PID參數(shù)進行實時整定，提高控制精度，降低響應(yīng)時間，具有很強的魯棒性。李勇等提出一種基于優(yōu)化PID的控制方法，PID的控制參數(shù)通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行優(yōu)化。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，設(shè)計一種將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的番茄溫室環(huán)境控制方法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自我學(xué)習(xí)能力，實現(xiàn)傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)的在線調(diào)整。仿真結(jié)果表明，該控制方法能顯著提高系統(tǒng)收斂速度，提高溫室環(huán)境控制精度。

1 溫室系統(tǒng)

設(shè)計的番茄溫室環(huán)境智能控制主要通過可編程控制器PLC實現(xiàn)，控制系統(tǒng)主要采用模塊組合控制方式，利用PLC強大的運算、功能塊能力及模擬量精確采集能力，實現(xiàn)溫室環(huán)境的多功能控制。番茄生長過程中主要受溫室中的溫度、濕度、CO2濃度等因素影響，為此設(shè)計溫室環(huán)境控制系統(tǒng)主要是針對上述影響番茄生長因素進行精確控制。溫室環(huán)境溫度控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)組成。室溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由溫度采集傳感器、濕度采集傳感器、CO2濃度采集傳感器等組成，上述傳感器將采集信息傳送到松下PLC模擬量采集模塊中，經(jīng)過模擬量采集模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號存放在PLC數(shù)據(jù)寄存器中。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由PLC CPU調(diào)用智能PID運算模塊，將PLC中存儲的數(shù)據(jù)進行處理，通過智能PID控制算法PLC發(fā)出相應(yīng)的控制信號，并對相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)進行驅(qū)動。溫調(diào)系統(tǒng)主要通過加熱和降溫2種方式進行配合，溫室溫度過低時通過管道傳熱方式進行，需要降溫時打開風(fēng)機等降溫設(shè)備進行降溫。

圖1 溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 溫室控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為實現(xiàn)番茄溫室大棚溫控系統(tǒng)智能化控制，整個系統(tǒng)分為2種控制模式，分別為自動控制模式和手動控制模式；自動模式即通過控制器及傳感器實現(xiàn)完全自動化智能控制，手動模式即通過人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)各執(zhí)行機構(gòu)的手動分別控制。

溫室溫控系統(tǒng)主要由遠程監(jiān)控電腦、人機觸摸屏、PLC及各種傳感器組成，遠程電腦主要通過USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器與PLC實現(xiàn)通信，上位機觸摸屏與PLC由RS232串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。溫室控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。上位監(jiān)控系統(tǒng)主要由PC機完成，通過組態(tài)王軟件進行組態(tài)編程，將溫室控制系統(tǒng)中各種參數(shù)進行采集監(jiān)控。PLC主要負責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行存儲，并將其數(shù)據(jù)在人機觸摸屏上進行顯示，通過PLC中編寫的智能控制算法確定控制輸出值，進而控制執(zhí)行機構(gòu)的開啟和關(guān)閉。

在選擇PLC時，確定PLC的輸入和輸出點數(shù)，番茄溫室溫控系統(tǒng)輸入有17個輸入，15個輸出。為預(yù)留一部分I/0點數(shù)，以便系統(tǒng)在增加輸入輸出時使用，同時考慮番茄溫室環(huán)境惡劣，經(jīng)常需要更換控制器，因此選擇模塊式PLC，選擇松下FP-XC60R PLC，可編程控制器擁有24 V DC輸入32點，2A繼電器輸出28點，該PLC可實現(xiàn)多個I/0模塊擴展，以及多路模擬量數(shù)據(jù)采集。該機型采用的供電電源為交流110 V/220 V電源、內(nèi)部的供電是直流24 V電源輸入。模擬量采集模塊為AFP0RAD8，該模塊擁有8路輸入，可實現(xiàn)0～20 mA模擬量采集。溫度的測量選擇PT1000溫度傳感器進行測量，在松下FP-XC60R內(nèi)部通常會將模擬量先轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，將其存儲在數(shù)據(jù)寄存器中。

圖2 溫室控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

為實現(xiàn)番茄溫室各種環(huán)境因素的穩(wěn)定控制，通常采用PID控制算法進行閉環(huán)自動控制，PID控制雖然結(jié)構(gòu)簡單，但對于番茄溫室控制存在各種復(fù)雜的情況，就溫室溫度控制，由于被控對象數(shù)學(xué)模型建立較為困難，同時存在很多的環(huán)境變化，PID控制器參數(shù)又固定不變很難應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境[9-11]，為提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，設(shè)計一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對PID參數(shù)進行自適應(yīng)調(diào)整。RBF-PID溫度控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 RBF-PID控制器結(jié)構(gòu)

對于PID控制器，以設(shè)定值r(k)和實際反饋值y(k)之間的偏差e(k)作為輸入，即：

常規(guī)增量式數(shù)字PID控制算法可描述為：

式中：Kp為比例系數(shù)、Ki為積分系數(shù)、Kd為微分系數(shù)，這幾個參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)進行調(diào)整。

網(wǎng)絡(luò)辨識器的性能指標(biāo)函數(shù)可定義為：

采用迭代算法，具體表達式為：

其輸出u(k)可表示為：

式中：η為學(xué)習(xí)速率；α為動量因子。

Kp、Ki、Kd這3個參數(shù)采用梯度下降的方法進行調(diào)整：

式中：

4 仿真分析

為驗證設(shè)計的番茄溫室控制系統(tǒng)的有效性，以溫室溫度控制為研究對象進行仿真分析。番茄溫室溫度因其是一個非線性、時變性系統(tǒng)。因此選用一階慣性函數(shù)對溫室溫度控制數(shù)學(xué)模型進行描述，其傳遞函數(shù)為：

采用單純PID控制器和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器對其進行分別仿真，仿真曲線如圖4所示。系統(tǒng)在初始階段，PID出現(xiàn)較大的超調(diào)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器能夠在很短時間內(nèi)達到穩(wěn)定，且超調(diào)量很小。當(dāng)系統(tǒng)被控對象在300 s出現(xiàn)干擾時，PID控制器出現(xiàn)明顯波動，且穩(wěn)定時間較長。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器超調(diào)量很小，能在很短時間快速達到穩(wěn)定。由此可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器擁有較強的自適應(yīng)性，具有良好的魯棒性及抗干擾能力，其控制性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。

圖4 仿真曲線

5 結(jié)語

為提高番茄溫室溫度、濕度、CO2濃度等參數(shù)的控制精度以及提高其穩(wěn)定性，設(shè)計一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的番茄溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)。針對溫室大棚控制要求對控制系統(tǒng)的硬件進行設(shè)計，利用PC機對控制系統(tǒng)中參數(shù)進行監(jiān)控，由PLC完成數(shù)據(jù)采集及邏輯控制。針對傳統(tǒng)PID控制效果不理想，在傳統(tǒng)PID控制中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)PID控制參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整。仿真結(jié)果表明，該控制器能顯著提高溫室環(huán)境控制精度，提高系統(tǒng)魯棒性和自適應(yīng)性。