基于数据拟合的温室大棚温湿度解耦控制器设计与仿真.pdf

新疆农机化2020 年第 1 期 修 回日期 2019 12 13 基 金项目 国家自然科学基 金 61563045 通 讯作者 赵 咪 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2020 01 010 中 图分类号 TP273 文 献标识码 A 0 引 言 温室大棚中的环境因子如温度 湿度 二氧化碳 浓 度 光照强度等是直接影响农作物品质及产量的 重要因素 其中 温度和湿度作为控制系统中的主要 控制对象对农作物的影响最为显著 1 因此 亟需设 计一个性能良好的控制器实现温湿度自动控制 在控制器设计中 由于温湿度的非线性和时滞 性等特点 很难建立其精确数学模型 传统 PID 控 制未能实现良好的控制效果 因此 许多学者将模糊 控制方法引入传统 PID 控制 利用模糊控制器中的 模糊推理对 PID 参数进行实时性整定 建立了模糊 PID 控制系统 2 该方法不需要精确的数学模型 其 稳定性也优于传统 PID 控制 但实际温湿度控制是 一个不确定的复杂过程 且温湿度因子存在强耦合 关系 3 如何对温湿度进行解耦控制 优化其控制效 果是温室大棚控制系统的研究热点之一 许多学者对 温湿度耦合关系进行了深入研究 并提出了一些解 决方法 李琳 等提出了基于逆模型解耦的变论域模糊 控制方法 通过建立伪线性系统 实现对温湿度的解 耦 4 考虑系统模型的不确定性 申再贺 等利用模糊 控制算法可以在不确定系统的精确模型情况下通过 模糊推理和专家经验来控制执行器动作 能够有效 改善温湿度参数控制的耦合问题 5 针对温室控制系 统 中的延迟现象 谭志君提出了基于预测 PI 的解耦 控制策略 将传统多变量的动态解耦算法加以改进 文 章编号 1007 7782 2020 01 0029 04 基于数据拟合的温室大棚温湿度解耦控制器设计与仿真 樊然 然 赵 咪 唐文星 付昶鑫 谷贵志 石河子大学机械电气工程学院 新疆 石河子 832003 摘 要 针对温室大棚控制系统中温湿度强耦合性特点 本文设计了一种温湿度模糊 PID 解耦控制器 首先 结合传统 PID 控制和模糊控制方法 构造了温湿度模糊 PID 控制器 然后 利用多项式数据拟合法建立了温湿度补偿关系式 并 设计了温湿度解耦控制器 最后 利用 MATLAB Simulink 仿真平台搭建了温室大棚温湿度控制系统整体仿真模型 并 对比分析了传统 PID 模糊 PID 和模糊 PID 解耦控制方法 结果表明 提出的模糊 PID 解耦控制方法具有响应速度 快 无超调振荡等特点 优化了控制系统的动态性能 关 键词 温 室大棚 模糊 PID 控制 解耦 数据拟合 Design and Simulation on decoupling Controller of Temperature and Humidity in Greenhouse based on Data Fitting FAN Ranran ZHAO Mi TANG Wenxing FU Changxin GU Guizhi College of Mechanical and Electrical Engineering Shihezi University Shihezi 832003 Xinjiang China Abstract Aimingatthestrongcouplingoftemperatureandhumidityinthegreenhousecontrolsystem afuzzyPID decouplingcon trollerofthetemperatureandhumidityisdesignedinthispaper Firstly afuzzyPIDcontrollerofthetemperatureandhumidityiscon structedbycombiningthetraditionalPIDcontrolandfuzzycontrols Afterthat thecompensationequationsbetweentempera tureandhumidityareestablishedbasedonthepolynomialdatafitting Moreover thedecouplingcontrollerofthetemperatureandhu midityisdeveloped Finally theoverallsimulationmodelofthegreenhousetemperatureandhumiditycontrolsystemisconstructedby usingtheMATLAB Simulinkplat andthecontrollerperanceisanalyzedandcomparedamongthetraditionalPID fuzzy PIDandfuzzyPID decouplingcontrols Theresultsindicatethattheproposedhasthecharacteristicsoffastresponse speedandnoovershootoscillation whichoptimizesthedynamicperanceofthecontrolsystem Key words Greenhouse Fuzzy PID control Decoupling Data fitting 设 施农业 29 新疆农机化 2020 年第 1 期 6 上 述策略控制过程较为复杂且计算量较大 为了 优化温湿度控制系统的调控效果 本文采用数据拟 合法来实现温湿度解耦控制 相较于其它方法 数据 拟合法操作简单 计算复杂度低且可靠性较高 此外 本文设计的温湿度模糊 PID 解耦控制器设定点跟 踪效果较好 1 温 湿度解耦模糊控制系统设计 温 度和湿度是温室大棚控制系统最重要的两个 参数 对其进行精确控制是保证整个控制系统稳定运 行的前提 首先 本文搭建了基于模糊 PID 解耦控制 的温湿度控制系统结构原理图 如图 1 其中 r1 t 和 r2 t 分别是温湿度的输入值 y1 t 和 y2 t 分别是温湿度 的输出值 图 1 温 湿度模糊 PID 解耦控制结构原理 其次 根据温湿度控制需求设计了温湿度模糊 PID 控制器 其中 控制器输入变量为温湿度偏差值 e 以 及 变化率 ec 输出变量为 Kp Ki Kd 模 糊控制主 要包含模糊化 规则库模糊推理和模糊量的反模糊化 过程 文中温湿度模糊控制的隶属函数均选用三角形隶 属度函数 模糊语言变量集合为 负大 负中 负小 零 正小 正中 正大 其符号分别表示为 NB NM NS ZO PS PM PB 7 此 外 建立 e 及 ec 和 PID 控 制器参数 的模糊关系并分别绘制出温湿度控制参数 Kp Ki Kd 的 模糊控制 49 条规则表 8 模 糊 PID 解耦 控制器将温度模糊 PID 控制器的输出值通过湿度补 偿模块送入到湿度控制器的输出端 湿度控制器将初 始输出值与补偿值一并反馈到输入端进行再一次偏 差计算 如此反复 最后到达一个稳态值 2 基 于数据拟合的解耦控制器设计 耦 合问题是多变量控制系统中普遍存在的问题 在温室环境控制系统中尤为明显 由热力学公式分析 得出温度和湿度之间存在耦合性 由文献 9 可 推导出 相对湿度 RH 与 干 湿球温度 T 的 关系 RH 915 3 2 0074 0 0613T w 0 00635T w 2 T d T w 18 347 0 56T d 0 058T d 2 0 013 0 0307T w 1 其 中 T d 为 干球温度 T w 为 湿球温度 温湿度之间的耦合 性 传统单因子控制不能消除它们的这种耦合关系 控制效 果及效率不佳 没有更大的实用价值 10 本 文在模糊 PID控制 基础上加入解耦补偿器 使系统中温湿度控制回路之间不 再存在耦合效应 优化系统控制效果 本文采用数据拟合法 来解决温湿度之间的耦合关系 常用数据拟合法有线性拟 合 二次多项式拟合 多次多项式拟合等方法 本文选用多次 多项式拟合方法 具有计算量小且精确性高的优点 首先 选 取某地区的干湿示差 6 0 获取干球温度与相对湿度对照 表 如表 1 表 1 干球温度与相对湿度对照表 其 次 利用多项式数据拟合法得到温度和湿度最佳 补偿关系式 在 MATLAB cftool拟合工具箱中进行温湿度 数据拟合 选择 polynomial 模式 并逐渐增大多项式阶 数 获取方程的确定系数 R square的最优值 其位于 0 1 之间 越接近 1表明方程的变量 x对 y的解释能力越强 首先 采用温度对湿度的正向拟合方式获取温湿度补偿关 系式及其拟合曲线 运行结果为 温湿度拟合系数 R square 0 9996 此时五次多项式方程为最佳补偿关系式 即 y a 5 x 5 a 4 x 4 a 3 x 3 a 2 x 2 a 1 x a 0 其中 x代 表湿度 y代 表温度 其系数值分别为 a 5 0 000000275 a 4 0 0000508 a 3 0 0042 a 2 0 2 a 1 5 81875 a 0 15 1265 因此 温度对湿度 的补偿关系式如下所示 y 0 000000275x 5 0 0000508x 4 0 0042x 3 0 2x 2 5 81875x 15 1265 2 其次 将温度和湿度进行数据反向拟合 得出湿度 对温度补偿关系式和其拟合曲线 运行结果为 湿温度拟 合系数 R square 0 9991 补偿关系式为 x a 5 y 5 a 4 y 4 a 3 y 3 a 2 y 2 a 1 y a 0 a 5 0 0000000375 a 4 0 00000246 a 3 0 0000572 a 2 0 00221 a 1 0 195 a 0 2 895454 即湿度对 de dt de dt 温度 模糊 PID控制 湿度模糊 PID控制 温度 G1 s 湿度 G2 s 温度 补偿模块 湿度补偿模块 r1 t r2 t e e ec ec u1 t u2 t y1 t y2 t 干球温度 相对湿度 干球温度 相对湿度 干球温度 相对湿度 干球温度 相对湿度 干球温度 相对湿度 干球温度 相对湿度 3 1 11 29 19 46 27 56 35 62 43 66 4 5 12 32 20 48 28 57 36 63 44 67 5 9 13 35 21 49 29 57 37 63 45 67 7 18 15 39 23 51 31 59 39 64 47 68 8 21 16 41 24 53 32 60 40 65 48 69 9 24 17 43 25 54 33 61 41 65 49 69 10 26 18 45 26 55 34 62 42 66 50 70 项目 数值 设 施农业 30 新疆农机化2020 年第 1 期 温度的补偿关系式为 x 0 000000375y 5 0 00000246y 4 0 0000572y 3 0 00221y 2 0 195y 2 8954 3 最后 根据式 2 和 3 利用 MATLAB SIMULINK 仿真工具搭建了温湿度补偿模块如图 3 其中 温度函数 采用补偿关系式 2 湿度函数采用补偿关系式 3 y1 和 y2分别为温度和湿度解耦控制器的输出 图 2 温湿度补偿模块仿真模型 3 仿 真验证及控制性能分析 本 文利用 MATLAB SIMULINK 仿真平台 在相同 的温湿度 PID控制器参数条件下 分别构造出温湿度 PID 控制 模糊 PID控制和模糊 PID解耦控制的仿真模型 并对其进行仿真分析 首先 采用 Ziegler Nichols方法 对 PID控制器的参数进行整定 得到温度 PID的控制参 数为 Kp1 4 Ki1 0 00275 Kd1 10 同理 湿度 PID的控 制参数为 Kp2 0 6 Ki2 0 003 Kd2 40 在实际温室大棚 环境中 温度和湿度具有时延性和惯性等特点 其数学 模型可选用带时滞的一阶惯性环节的传递函数 分别如 式 4 和 5 G 1 s K 1 e 1 s T 1 s 1 4 G 2 s K 2 e 2s T 2 s 1 5 其 中 T 1 T 2 为温度 湿度 惯性时间常数 1 2 为温 度 湿度 时滞时间 本文选用阶跃函数作为控制系统的输 入信号 针对喜温类作物 选用番茄作为仿真验证 假设 番茄温度和湿度初始设定值为 T 25 和 H 67 仿真时 间为 5000s 此外 数学模型的仿真参数取值为 K 1 1 T 1 1550s 1 190s K 2 1 T 2 170s 2 110s 仿真结束后 分别得到基于 PID 模糊 PID和模糊 PID 解耦控制的温 度和湿度阶跃响应曲线 如图 3和 4 基于图 3 和 4 在给定温湿度跟踪点条件下 得到 三种控制方法下的温湿度性能参数对比分析 详见表 2 通过各项控制指标参数对比 可知传统 PID控制虽然能 保证系统的稳定性 但其动态性能整体较差 一旦控制 系统受到扰动 则其控制器未能够实现较好控制效果 模糊 PID 控制能大大减少其响应超调量和振荡过程 但其响应速度较慢 而本文提出的模糊 PID 解耦控制方 法消除了温湿度控制之间的耦合效应 响应过程无超调 振荡 保证系统快速且平稳运行 大大提升了控制质量 图 3 基 于 PID 模 糊 PID 和 模糊 PID 解耦的温度响应曲线 图 4 基 于 PID 模 糊 PID 和 模糊 PID 解耦的湿度响应曲线 仿 真验证结果表明 针对番茄温湿度 T 25 和 H 67 模糊 PID 解耦控制方法能够有效降低番茄温 湿度的波动 大幅度提高控制系统的动态性能 解决了 番茄温湿度之间的耦合性 因此 可以得出结论模糊 PID 解耦控制方法具有良好的控制性能 可满足番茄 温湿度的控制需求 表 2 温湿度性能参数对比分析 4 结 论 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5 0 5 10 15 20 25 35 40 30 45 t s 温度 PID控制 温度模 糊 PID控制 温度 模糊 PID解耦控制 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 20 40 t s 20 60 80 H 湿度 模糊 PID解耦控制 湿度 PID控制 湿度 模糊 PID控制 1 1 2 2 u1 u2 y1 y2 add add1 fcn fcn x y y x 温度 湿度 控制方法 最大超调量 振荡次数 上升时间 s 调节时间 s 2 最大超调量 振荡次数 上升时间 s 调节时间 s 2 传统 PID 70 1 5 300 1 950 19 4 5 200 1 650 模糊 PID 4 0 5 585 1 500 6 0 5 639 2 450 模糊 PID 解耦 0 0 550 1 000 0 0 530 1 250 性能参数 平稳性 快速性 平稳性 快速性 被控变量 温度 湿度 设 施农业 31 新疆农机化 2020 年第 1 期 上接第 18 页 on ductile cast iron by combustion synthesis J Sicence Diect Intermetallic 2007 15 1050 1056 8 Takasakl N sochi Y Fusing of Sprayed Ni Base Coatings by induction Heating A Proceeding of the International Thermal Spray Conference and Exposion C 1992 273 278 9 王 继东 铁 基电弧喷涂铝层的高频感应重熔工艺 J 电 镀与精 饰 2005 27 3 15 18 10 王 振廷 陈华辉 李学伟 感应加热熔敷微 米和纳米碳化钨复 合涂层的研究 J 金 属热处理 2004 29 4 27 29 11 郑 光海 王振廷 16Mn 钢 感应熔敷 WC 涂层的耐磨性研究 J 煤 炭技术 2005 24 4 10 12 12 王 振廷 陈华辉 李学伟 感应熔覆微纳米 复合材料涂层组织 与摩擦磨损特性能研究 J 粉 末冶金工业 2006 24 1 32 35 13 韩 桂泉 周品 胡喜兰等 感 应熔覆镍基合金粉末涂层研究 J 润 滑与密封 2006 1 137 75 77 14 逮 允龙 谷丰 感 应熔涂工艺的研究 J 热 加工工艺 2004 1 19 20 15 乔 金士 宣天鹏 表面高频感应熔覆涂层技术 J 热 加工工艺 2013 42 16 14 18 16 张 增志 韩桂泉 付跃文等 高 频感应熔覆 Ni60 合 金粉末涂层 的研究 J 金 属热处理 2003 28 3 43 46 17 林晨 王 德俊 林化春 调 质对 Ni 基 合金 WC 复合涂层疲劳强 度 的影响 J 兵器材料科学与工程 2004 27 1 30 33 18 孙 德勤 戴国洪 徐正亚 面向零件修复的 感应熔覆法制备涂 层的工艺试验 J 铸 造技术 2017 38 1 88 91 19 付 瑞东 马丽心 免喷涂涂层的感应重熔工艺 J 焊接 2000 11 26 29 20 朱 润生 自熔合金涂层高频感应重熔工艺技术 研究 J 粉 末冶 金工业 2001 11 4 12 17 21 C K Lin C C Berndt Statistical analysis of microhardness variations in thermal spray coatings J Journal of Materials Science 1995 30 1 111 117 22 Matsubara Y Tomiguchi A Post Treatment of Plasma Sprayed WC Co Ni Coatings by High Frequency Induction Heating A Proceedings of ITSC 95 C 1415 1418 23 Mathsbara Y Kumaguwa M Application of self fused alloy coating by induction heating A Proceedings of international thermal spraying conference 95 C Kobe Japan 1995 1001 1004 24 B M Warnes Reactive element modified chemical vapor deposition low activity platinum aluminide coating J Surface and Coating Technology 2001 146 147 7 13 25 H J Kim S Y Hwang C H Lee et al Assessment of wear perance of flame sprayed and fused Ni based coatings J Surface and Coatings Technology 2003 172 2 3 262 269 26 Ji Hui Kim Jong Chul Yoon Seon Jin Kim The effect of boron on the thermal fatigue behavior of Iron chromium carbon siliconalloy J Surface CoatingsTechnology 2007 106 4 10 16 27 顾 伟超 张秀群 沈德久等 铁基电弧喷涂 铝层的感应重熔处 理 J 热 加工工艺 2004 1 19 20 针对温室大棚温湿度变量的时滞 性和强耦合性 本文提出了模糊 PID 解耦控制器设计方法 利用模糊 PID 控制算法解决温湿度实时控制时模型和参数不 确定性 并通过数据拟合方法实现对温湿度因子的解 耦控制 此外 利用 MATLAB 仿真平台对控制系统进 行模型搭建和数值仿真 结果表明 基于模糊 PID 解 耦的控制策略能够使保证控制系统稳定运行 并且显 著提高了控制系统的动态响应性能 参 考文献 1 邢 希君 宋建成 吝伶艳 田慕琴 李德旺 设施农业温室大棚智 能 控制技术的现状与展望 J 江 苏农业科学 2017 45 21 10 15 2 Chaudhary G Kaur S Mehta B et al Observer based fuzzy and PID controlled smart greenhouse J Journal of Statistics and Management Systems 2019 22 2 393 401 3 陈 俐均 杜尚丰 梁美惠等 温室温湿度解耦控制策略 J 江 苏 农业科学 2019 47 1 224 228 4 李 琳 周国雄 基于逆模型解耦的绿茶烘焙变论域模糊 控制 J 农 业工程学报 2014 30 7 258 267 5 申 再贺 马春燕 陈燕等 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