（农业机械化工程专业论文）温室温、湿度智能控制系统的研究.pdf

甘肃农业大学硕士聋位论文 摘要 随着单片机技术和工业生产自动化程度的不断提高，单片机模糊控制技术已 得到了广泛的推广和应用。这种建立在模糊控制理论基础上的控制技术为工业控 制、家用电器和仪器仪表智能化的应用提供了一种全新的、有效的控制方法，并 具有很大的实用意义和前景。 本文根据温室环境控制的特点，应用模糊控制理论，对温室的温度、湿度等 环境因子进行自动控制，完成了整个控制系统的软、硬件设计。 第一章对温室智能控制系统的发展现状作一简单介绍，并确定了本论文的研 究目标；第二章应用模糊控制理论，介绍了温度、湿度等模糊控制器的设计和实 现；第三章介绍了系统的硬件设计；第四章介绍了系统软件的模块化设计；最后 对整个系统的改进提出几点建议。 关键词：温室；模糊控制技术；单片机 甘肃农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h em i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y a n d i n d u s t r y a u t o m a t i o nl e v e l ，t h e m i c r o p r o c e s s o rf u z z y - c o n t r o l t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ys p r e a d e da n da p p l i e d t h i sc o n t r o lt e c h n o l o g y w a sb a s e do nf u z z y - c o n t r o lt h e o r ya n dp r o v i d e dak i n do ff i r e n e wa n d e f f i c i a lc o n t r o lm e t h o di n a p p l i c a t i o no fi n d u s t r yc o n t r o l ，h o u s e h o l d a p p l i a n c e sa n di n s t r u m e n ti n t e l l i g e n c e ，i th a sp r o d i g i o u sp r a c t i c a lu s e a n d p r o s p e c t i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fe n v i r o n m e n tc o n t r o li n g r e e n h o u s e ，w ea p p l i e df u z z y c o n t r o lt h e o r yt o r e a l i z ea u t o 。c o n t r o lt o t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t y w ec o m p l i s h e df i n a l l yt h e s o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g no ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e ds i m p l yt h ed e v e l o p m e n t c o n d i t i o no fa u t o c o n t r o ls y s t e mi ng r e e n h o u s e ，a n dp u tf o r w a r dt h e r e s e a r c hs u b j e c t i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h ep a p e ra p p l i e df u z z yc o n t r o l t h e o r y , t h ef u z z yc o n t r o l l e rf o rt e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yc o m p o s i t i o n w e r ed e s i g n e dr e a l i z e d i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e d h a r d w a r ed e s i g no fs y s t e m i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e d s o f t w a r ed e s i g no fs y s t e m f i n a l l y , s e v e r a lp i e c e so fs u g g e s t i o n sw e r ep u t t oi m p r o v et h ew h o l es y s t e m k e yw o r d s ：g r e e n h o u s e ；f u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y ；m i c r o p r o c e s s o r i l 甘肃农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 目光温室是北方地区近几十年发展起来的保护地生产设施。实现温室环境智 能控制的目的是主动地调节温度、湿度、光照和c 0 2 气体浓度等环境因素，以 满足作物最佳生长环境的要求。目前，我国绝大多数温室设备都比较简陋，温室 环境仍然靠人丁：根据经验来管理。环境因素的自动调节和控制的研究正处于起步 阶段，已严重影响了设施农业的大力发展。特别是北方地区因其纬度高，寒冷季 节长，四季温差和昼夜温差较大，不利于作物生长，所以迫切需要一种低成本、 高效益的温室控制系统来满足不同区域和不同作物的需求【l j 。 温室智能控制系统可以从多方面来改善作物的生态环境，从而使作物能够在 适宜的条件下生长。温室智能控制系统通过对温室内温度、湿度、土壤温度、光 照等参量实时显示，完成参量设置、越限报警、数据传输等功能。同时还能够完 成滴灌设备的自动控制，自动调节土壤温度，完成历史、实时数据趋势显示及报 表打印。温室智能控制系统，与传统温室控制方式相比，主要有以下经济和社会 意义： 1 实现了对农业生产的准确管理。通过控制器实时监测温室内空气温度、 空气湿度、土壤温度、土壤湿度值，使对作物生长环境监测与普通简单温度、湿 度计测量相比，更准确、更可靠。人们能够通过这些监测手段实时准确地了解情 况，完成相关设备调节，避免了监测误差和监测滞后带来的损失。 2 实现了温室土壤灌溉的自动化。采用控制器完成对土壤滴灌电磁阀的自 动调节，实现了土壤滴灌的自动化。 3 实现了农业生产的科学管理。由于采用管理操作站完成对联片温室大棚 的集中管理，使得农业生产可以在科学的指导与管理下完成。同时也为农业管理 层制定生产、经营方案提供了科学依据。 4 将自动化技术引入了农业生产，为农业科研活动提供了有利的科学手段。 通过参数设置及自动数据记录，为农艺工作者完成相关农艺科学研究，了解不同 生产条件对作物的生长、品质影响及生产方法的改进，都提供了简便、准确的手 段。 5 减轻了生产者的劳动强度。由于系统具有准确的报警及自动控制功能， 甘肃农业大学硕士学位论文 大大减轻了对生产者的劳动强度。同时，降低了温室大棚运行的费用，尽可能减 少了对资源的浪费。 6 将自动化技术引入了农业生产领域，不仅提高了该行业的自动化水平， 也提高了该行业生产装置水平。通过不断深入应用研究，将为生物智能技术的实 际应用打下基础，积累经验。 目前，一些经济发达的国家和地区已经研制并实现计算机自动控制的现代化 高科技温室，并且形成了令人惊羡的植物工厂。而我国的温室系统属半开放系统， 温室内环境控制水平比较低，仍靠人工根据经验来管理。因此，不能满足高产栽 培的要求，严重影响了其效益和发展。 1 2国内外温室环境控制技术的研究现状 1 2 1 国外温室监控系统的发展现状 现代化温室设施应用先进的科学技术，采用连续生产方式和先进管理方式， 高效、均衡地生产各种蔬菜、水果、花卉、药材等。它可以不受地点和气候的影 响。它能够有效地改善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利 用，提高土地的产出率、劳动生产率和社会、经济效益。温室实现自动化的目的 是提高控制及作业精度，提高生产率。因此，世界各国在这方面研究很快。温室 设施的关键是环境控制、机械化和自动化生产。利用温室来创造适宜的作物生长 发育环境条件，其中主要包括温室内部温度、湿度、光照、c 0 2 、养分的自动调 节等。温室控制技术随着温室农业的发展应运而生，其中计算机的采用代表着它 发展的逐步成熟【2 】o 发达国家如荷兰、美国、英国等都大力发展集约化的温室产业，温室内温度、 湿度、光照、c 0 2 浓度、水、气、营养液等实现计算机调控。荷兰在1 9 7 4 年首 次研制出计算机控制系统c e c s 。1 9 7 8 年日本东京大学的学者研制出微型计算机 温室综合环境控制系统。目前，日本、荷兰、美国等发达国家可以根据温室作物 的特点和要求，对温室内的诸多环境因子进行环境控制。 在同本，作为设施农业主要内容的设施园艺相当发达，塑料温室和其它人工 栽培设施达到普遍应用，设施栽培面积位居世界前列，蔬菜、花卉、水果等普遍 实行设施栽培生产。针对种苗生产设施的高温、多湿等不良环境，日本有关部门 进行了如下几种设施项目的研究，主要有设施内播种装置、苗接触刺激装置、苗 甘肃农业大学硕士学位论文 灌水装置、换气扇的旋转和遮光装置的开闭装罱( 温度、湿度及光照控制1 、缺苗 不良苗的检测及去除和补栽装置、c 0 2 施肥装置等方面的自动化研究【3 o 近年来温室农业在以色列得到了迅速发展，温室面积从8 0 年代的9 0 0 h m 2 发展到9 0 年代的2 0 0 0 h m 2 ，直到今天的3 0 0 0 h m 2 。以色列温室结构非常先进， 它装有幕帘、天窗及遮阳网，可以根据光线强度的不同自动调节和移动，并装有 空气温度和湿度调控等温室计算机环境控制系统。以色列科学家成功地开发了一 系列计算机软件、硬件，实现了温室中供水、施肥和环境自动化控制。最新的弥 雾气候控制技术，使温室降温所需的能量非常小。以色列的温室从8 0 年代到9 0 年代更新了三代，利用计算机控制水、肥和温室小气候，自动调温、调湿、调光， 而且结构非常先进，促进了工厂化农业的大发展。 英国农业部对温室的设计和建造也很重视，在英国西尔索农业工程研究院， 科学家们进行了温室环境( 温度、湿度、光照、通风及c 0 2 施肥等) 与作物生理、 温室环境因子的计算机优化、温室节能、温室自动控制、温室作物栽培与产后处 理、无土栽培的研究。目前，英国的温室大量采用计算机管理，主要控制温度、 湿度、通风、c 0 2 施肥、营养液供给及p h 值、e c 值等。伦敦大学农学院研制 的计算机遥控技术，可以观测5 0 k m 以外温室内的温度、湿度等环境状况，并进 行遥控。为保证c 0 2 气体在温室内分布均匀，温室中通常安装通风机，搅动空 气使温室中的c 0 2 浓度一致忆 另外，国外温室业正致力于高科技发展。遥测技术、网络技术、控制局域网 已逐渐应用于温室的管理与控制中，a l v e s s e r o d i o ，c m _ j 等在i s l e 9 8 国际会 议中提出一体化的温室网络管理体系模型，可将气候的调节、灌溉系统与营养液 的供给系统作为一个整体，并可以实现远程控制。 1 2 2国内温室监控系统的发展现状 自2 0 世纪7 0 年代起，我国陆续从以色列、美国、曰本、荷兰等国引进了许 多先进的现代化温室，在吸收国外发达国家高科技温室生产技术的基础上，我国 农业科研工作人员进行了温室内部温度、湿度、光照、c o ：浓度等环境因子控制 技术的综合研究。1 9 8 7 年中国农业科学院引进了f e l i x c 5 1 2 系统，并建立了全 国农业系统的第一个计算机应用研究机构【2 1 。清华大学的郑学坚首先介绍了应用 单片机控制人工气候箱的方法和思路；此后，中国农科院徐师华报道z 8 0 c 控制温 甘肃农业大学硕士学位论文 室的软、硬件实施方案，以及利用单片机控制气候箱自然光照的模拟试验( 5 j ；陈思 聪等人研究了以节能为目标的温室微机控制系统；范云翔等人研制的智能喷水 器，可以根据环境的变化，自动调节喷水量；上海园林工具厂等单位设计了温室 微机控制系统；于海业等研制的温室环境自动检测系统，可以自动调节温室内温 度、湿度等参数f 6 1 ；1 9 9 6 年江苏理工大学研制一套温室环境控制设备，通过对温 室内部温度、湿度、光照及c 0 2 浓度的监控，在1 5 0 m 2 温室内实现了温度、湿 度、光照、c 0 2 浓度的综合控制1 7 1 ；1 9 9 7 年以来，中国农业大学在温室环境的自 动控制技术方面取得了一定的成果1 8 j 。但这些研究基本上是温室的单因素检测和 控制，没有进行全系统的研究。 我国地域辽阔，各地自然条件、气候条件差异很大，这使温室需要研究的环 境问题复杂多样。目前这方砸的研究基本上是单项研究，涉及到光、热、水、气 等环境因素的综合研究还显欠缺。国内温室仍靠人的经验进行单因子控制，加强 综合控制技术的研究已势在必行。同国外先进水平相比，我国温室的研究仍处于 较低的水平。光、温、气环境综合控制技术，低成本、低能耗的设施设备配套技 术，高效设箍栽培管理技术，现代化设施生产、设计的标准与质量监控体系等方 面仍存在许多问题，有待于进一步研究。 1 3 温室环境测控技术的发展趋势 随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机的应用 将由简单的以数据采集处理和监测，逐步转向以知识处理和应用为主。因此除了 不断完善硬件控制设备外，主要是软件系统的研制开发将不断深入完善，其中主 要以专家系统为代表的智能管理系统已取得了不少研究成果。专家系统作为一种 知识的载体，所表现出来的可靠性、客观性、永久性及其易于传播和复制的特性， 是人类专家所不及的，因此在处理与解决某些领域问题时具有不可取代的重要作 用。特别是对人类专家而言，高级专家数量很少，相应的知识传播和复制也较难， 从这个意义上来讲开发领域内的专家系统不仅非常必要，而且应用前景非常广 阔。因此近几年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在设施农业中 得到了不同程度的应用。温室生产系统由作物、各种农业机械设备、环境控制设 备及生产管理者等组成了一个十分复杂的非线性系统。因此企业企图研究其输入 与输出的定量关系是十分困难的。神经网络采用黑箱方法能把复杂的系统通过有 甘肃农业大学硕士学位论文 限的参数进行表达。但神经网络方法也存在着明显的缺陷，即需要大量的历史资 料，否则在进行外推和演绎时可靠性明显降低。所以近年来有人利用一种所谓基 于拓扑案例模型对温室番茄日产量进行模拟分析，取得了较好的效果。 网络通讯技术是上世纪9 0 年代最具活力、发展速度最快的高科技领域。通 过网络随意获取世界范围内的有用信息，指导自己的生产，甚至可以通过在线服 务系统进行咨询，是未来农业的发展趋势所在，也即是有人提出的虚拟农业的概 念【1 3 】。随着设施农业的规模化和产业化程度的不断提高，网络通讯技术会在温室 控制和管理系统中得到广泛的应用。温室内部的管理和控制实际上就具有局域网 的特性，随着网络通讯技术的发展，地区之间甚至跨国之间可以通过互联网进行 远程控制和管理。我国土地辽阔，气候复杂，种植模式多样，种植者整体素质较 低，利用现代化网络技术进行在线和离线服务，从长远看具有广阔的应用前景。 目前开发的温室计算机控制系统采用了主机终端模式，该模式通过一个主 机作为控制中心，负责对其它各子系统进行控制管理，该模式不灵活且投入大。 分布式计算机系统是计算机控制系统的发展方向，该系统采用了所谓的服务器一 客户模式。未来的计算机控制与管理系统是综合性、多方位的，温室环境测试与 自动控制技术将朝多因素、多样化方向发展。集图形、声音、影视为一体的多媒 体服务系统是未来计算机应用的热点。 1 4 本课题的主要研究目标及内容 1 4 1 研究目标 1 实现温室温、湿度的自动控制； 2 采用模糊控制算法对温、湿度的控制达到最佳效果。 1 4 2 研究内容 1 设计相应的信号采集电路、执行电路等硬件电路； 2 采用模糊控制算法实现各环境要素的自动控制； 3 研究一些作物生长发育的最佳环境，以建立模糊控制响应表； 4 通过单片机汇编语言编制数据采集、分析处理、显示、修改、参数设置、 控制等程序功能模块 5 研究装置的软硬件抗干扰措施，提高系统工作的可靠性和稳定性。 甘肃农业大学硕士学位论文 第二章模糊控制系统设计 模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种 计算机数字控制。尤其是模糊控制和遗传算法、神经网络及混沌理论等新学科相 结合，正在显示出其巨大的应用潜力。 2 1 模糊控制原理 2 1 1 模糊控制的引入 随着计算机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展，在解决 线性或非线性，定常或时变的多输入多输出系统问题上，获得了广泛的应用。但 是，采用传统控制理论来设计一个控制系统，需要事先知道被控对象精确的数学 模型，然后再根据给定的性能指标选择适当的控制规律，进行控制系统设计。然 而，在许多情况下，被控对象的精确数学模型很难建立，有时甚至是不可能的。 这样一来，对于这类对象或过程就难以进行自动控制。 与此相反，对于一些难以自动控制的生产过程，有经验的操作人员进行手动 控制，却可以达到满意的效果。这是由于作为操作者的人在长期的操作实践中获 得了对系统的认识，在头脑中形成了他自己对该系统的认识模型，并积累了操作 经验。总结人的控制行为，用语言描述人的手动控制决策，形成一系列的条件语 句和决策规则，进而设计一个控制器，利用计算机实现这些控制规则，再驱动设 备对工业过程进行控制，这就是模糊控制。 实践表明，模糊控制器具有以下几个特点： 1 它不需要知道被控对象或过程的精确数学模型： 2 易于实现对不确定性系统和强非线性系统的控制； 3 对被控对象或过程参数的变化有较强的鲁棒性； 4 对干扰有较强的抑制能力。 2 1 2 模糊控制系统的组成 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识 表示和模糊逻辑为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数 字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，其基本结构如图2 1 所 不。 甘肃农业大学硕士学位论文 图2 - 1 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般由四个部分组成： 1 模糊控制器：它是以模糊逻辑推理为主要组成部分，同时又具有模糊化 和去模糊功能的控制器。 2 输x 输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字 信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信 号，送给执行机构去控制被控对象。 3 广义对象：包括被控对象和执行机构，被控对象可以是线性或非线性的、 定常或时变的、也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的 多种情况。 4 ，传感器：传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号的一 类装置。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响 整个控制系统的精度。 2 1 3 模糊控制的基本概念 1 模糊集合 模糊集合用于在无法明确地定义元素是否属于集合的情况下，利用一种度量 来表示某一元素属于这一集合的程度，这就是隶属度，也就是级别。当一个元素 肯定属于这一集合时，级别为1 ，肯定不属于这一集合时，级别为0 ，其余的级 别为0 到1 的中间值。 以论域为离散有限集( z i ，尬，x n ) 为例，设a 饨) = 地( i = 1 ，2 n ) ， 模糊集合用扎德法表示如下： 爿：生+ 兰土+ a a 十竖 x j x 2x ” 2 量化因子 连续论域进行离散化的过程称为量化。设有连续论域【a ，b 】，量化后的离散 甘肃农业大学硕士学位论文 论域为 ，+ 1 ，0 ，月1 ，n ) ，将连续论域分为2 n 段，则有系数 k = 2 n fb - a 1 ，k 称为量化因子。 3 比例因子 偏差的基本论域与偏差的实际变化范围的比值称为比例因子。当偏差的实际 变化范围超出基本论域的范围时，采用最大输出或零输出。对于偏差的任何采样 值，乘以比例因子后取整，可以得到相应的值。 2 1 4 模糊控制器的设计要点 2 1 4 1 输入输出变量的确定 在设计模糊控制器时，首先要对模糊控制系统进行分析以确定系统的输入量 和输出量，即决定受控系统中有哪些输入的状态必须被监测和哪些输出的控制作 用是必须的。根据被控对象的输入输出变量的多少可以将模糊控制器分为单输入 一单输出结构( s i s o ) 、多输入单输出结构( m i s o ) 和多输入一一多输 出结构( m i m o ) 。 s i s o 结构在模糊控制的实际应用中相当广泛，是最典型又是最简单的结构。 这种结构的控制规则比较简单，易于实现，而且稳定性好。但在实际的控制工程 中被控对象是相当复杂的，其输入输出量较多，因此很多都是m i m o 系统。m i m o 结构的模糊控制器的设计是一个非常复杂的过程，目前还没有一套比较完整的理 论来指导系统的设计，而且其稳定性也还有待证明，因此在实际设计过程中，往 往将m i m o 结构转化为m i s o 结构进行设计，这就是m i m o 系统的解耦问题。 可见随着输入量的增多，模糊控制规则数会成倍增加，这时要考虑到软件实现的 限制。因此在满足控制系统要求前提下，应选择合适输入输出变量的个数。 2 1 4 2 量化因子和比例因子的选择 从前述的量化因子和比例因子的定义可以看出，一旦给出输入输出量的量化 沦域等级n 之后，量化因子和比例因子的取值大小可以使基本论域发生不同程度 的缩小或放大，这在模糊控制的设计中非常有用。因为在多变系统中基本论域往 往会变化，如在温室中对不同花卉，其模糊控制范围内的基本论域是不一样的， 而量化论域的改变又会对模糊控制器的设计产生较大的影响，因此在模糊控制器 中可以通过改变量化因子和比例因子的值来将不同的基本论域缩放到相同的量 化论域上，这样当基本论域改变时就不需要对模糊控制器进行改动了。 甘肃农业大学硕士学位论文 量化因子和比例因子的选择严重影响系统的响应特性，如超调、上升时间和 稳态精度等。如果量化因子和比例因子取的过大，则会造成被控对象阻尼的下降， 相反，若取的过小，则将导致被控过程的响应特性迟缓。因此，量化因子和比例 因子的选择需要凭借与控制变量、输入输出空间的分辨率或精度等相关的经验知 识来决定。 2 1 4 3 隶属度函数的建立 隶属度函数是模糊集合论的基础，因而如何确定隶属度函数就是一个关键问 题。由于模糊集合论研究的对象具有模糊性和经验性，因此想寻找一种统一的隶 属度计算方法是不现实的。尽管确定隶属度函数的方法带有主观因素，但主观反 映和客观存在是有一定联系，是受客观制约的。隶属度函数实质上反映了事物的 渐变性，在建立隶属度函数时应注意以下问题： 1 表示隶属度函数的模糊集合必须是凸模糊集合 一般说来，确定某一模糊概念的隶属度函数应首先从最适合这一模糊概念的 点开始，也就是首先确定该模糊概念的最大隶属度函数点，然后向两边延伸。所 谓凸模糊集合就是从最大隶属度函数点出发向两边延伸时，必须保证其隶属度值 是单调递减的，而不允许有波浪形。 2 隶属度函数的个数要适中 在模糊系统中，每个输入变量可以有多个语言值，即隶属度函数。如果隶属 度函数个数越多，刚在量化论域中隶属度函数的密度越大，模糊应用系统的分辨 率越高，其系统响应的结果就越平滑。但不足之处是模糊规则数显然会增多，计 算时间会大大增加，设计难度增大，而且往往会导致系统稳定性不好；如果隶属 度函数太少，则系统的响应可能会不敏感，反应迟钝，使系统的输出在期望值附 近振荡。因此，模糊变量的隶属度函数个数不宜过多或过少，一般取3 胡个为 宜。 3 隶属度函数曲线的形状能满足控制特性 隶属度函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率高，控制灵敏度较高：隶属度 函数曲线形状较缓，系统稳定性较好。因此，在选择模糊变量的隶属度函数时， 在误差较大的区域应采用低分辨率的模糊集，也就是形状应比较缓和，在误差较 小或接近零的区域采用高分辨率的模糊集，即形状应比较陡峭。 甘肃农业大学硕士学位论文 2 1 5 模糊控制过程 模糊控制过程可以分为以下三个步骤：模糊化过程、模糊推理过程和反模糊 化过程。 2 1 5 1 模糊化过程 模糊化( f u z z i f i c a t i o n ) 就是将基础变量论域上的确定量变换成基础变量论域 上的模糊集的过程。其主要功能就是根据输入变量的隶属度函数求出精确输入量 相对于输入变量各语言值的隶属度。常规控制都是用系统的实际输出值与设定值 相比较，得到一个偏差值e ，控制器根据这个偏差值及偏差值的变化率来决定如 何对系统进行控制。无论是偏差还是偏差的变化率都是精确的输入值，要采用模 糊控制技术就必须首先把它们转换成模糊集合的隶属函数。因此，要实现模糊控 制就要先通过传感器和变送器把被控量变换成电量，再通过模数转换器得到精 确的数字量。精确输入量输入至模糊控制器后，首先要把精确量转换成模糊集合 的隶属函数，这就是精确量的模糊化或者模糊量化。 2 1 5 2 模糊推理过程 模糊推理过程就是对于给定的模糊输入量，模糊控制器根据判定的模糊规则 和事先确定好的推理方法进行模糊推理，求出模糊输出量的过程。模糊推理是模 糊控制器的核心，它具有模拟人类基于模糊概念的推理能力，是基于模糊逻辑中 的蕴含关系及推理规则来进行的。模糊控制是模仿人的思维方式和人的控制经验 来实现的一种控制。根据有经验的操作者或者专家的经验制订出相应的控制规则 即是模糊控制规则，它是模糊控制器的核心。为了能存入计算机，就必须对控制 规则进行形式化处理，再模仿人的模糊逻辑推理过程确定推理方法，控制器根据 制订的模糊控制规则和事先确定好的推理方法进行模糊推理，得到模糊输出量， 即模糊输出隶属函数，这就是模糊控制规则的形成和推理。其目的是用模糊输入 值去适配控制规则，为每个控制规则确定其适配的程度，并通过加权计算合并那 些规则的输出。 2 1 5 3 模糊量的去模糊 模糊量的去模糊( d e f u z z i f i c a t i o n ) 就是将基础变量论域上的模糊集变换成基 础变量论域上的确定值的过程。根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数，用 不同的方法找一个具有代表性的精确值作为控制量，就是模糊量的去模糊；它要 l o 甘肃农业大学硕士学位论文 求在推理得到的模糊集合中取一个最能代表这个模糊推理结果可能性的精确量， 去控制或驱动执行机构。 2 2 温室模糊控制器及系统设计 本节以湿室温度模糊控制为例，阐述模糊控制器的设计过程。 模糊控制器( f u z z yc o n t r o l l e r ) 在模糊自动控制系统中占有举足轻重的地 位，因此在模糊控制系统中，设计和调整模糊控制器的工作是很重要的。 模糊控制器的设计包括以下几项内容： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量； ( 2 ) 设计模糊控制器的控制规则； ( 3 ) 建立模糊化和反模糊化的方法； ( 4 ) 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参 数( 如量化因子、比例因子) ； ( 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序； ( 6 ) 合理选择模糊控制算法的采样时间。 2 2 1 模糊控制器的结构设计 模糊控制器有两种组成方式，一种是由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊控 制器，它是用硬件芯片来直接实现模糊控制算法：另一种是用微处理器组成硬件 系统，用软件来实现模糊控制算法，这种模糊控制器的特点是资源开销小、灵活 性高、通用性强、应用范围广。在一般控制系统中，目前多采用第二种方式。 模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。模糊控 制器的输入一般有三个：偏差、偏差的变化及偏差变化的变化，输出变量一般选 择控制量的变化。目前广泛采用的是二维模糊控制器，这种控制器的输入变量选 偏差及偏差的变化以控制量的变化为输出变量。 根据本系统的特点及控制要求，模糊控制器选用二维结构，其结构如图2 - 2 所示。 给定输 图2 - 2 二维模糊控制器结构框图 甘肃农业大学硕士学位论文 根据本系统的特点及控制要求，模糊控制器采用双输入单输出结构，分别用 偏差e 和偏差的变化率a e 作为输入变量，以控制量“作为输出变量。 2 2 2 温度对作物生长发育的影响 温度是影响作物生长发育的最敏感的环境因素。作物的光合作用，呼吸作用 等各种生理活动都需要适宜的温度条件才能顺利进行。每一种作物的生长发育对 温度都有一定的要求，都有温度的“三基点”：即最低温度，最适宜温度和最高 温度。超出最高温度或最低温度的范围，生理活动就会停止，甚至会全株死亡。 不同作物，不同生长发育阶段都有其适宜温度和界限温度，温带植物三基点温度 如表2 1 所示。 表2 - 1 温带植物三基点温度 2 2 ，3 精确量的模糊化 在温室温度模糊控制器里，将键盘输入的温度值作为给定值f ，由传感器测 量得到的温度值记为f ，则误差e 及误差的变化e 为： e 忙) = r f 晦) e 忙) = e 忙) 一e 忙一1 ) 将e 和e ) 作为温度模糊控制器的输入变量，输出变量为加热器及风扇 的通断状态。根据温室的实际工作情况，从温带植物三基点温度如表2 - 1 所示， 可以看出其适宜温度变化值在i o c 左右，考虑到实际检测条件和适当的控制精 度，将温度误差的基本论域定为 - 5 。c + 5o c ，温度误差变化的基本论域定为【- 1 + 1 】。 为提高控制精度和响应速度，将温度的控制范围分为模糊控制区和确定控制 区，以温度设定值的5 为界。温度在设定值的5 以内为模糊控制区，以外为 确定控制区。在确定控制区，系统将进行强制冷却或加热，并发出温度超标报警 甘肃农业大学硕士学位论文 信号。而在模糊控制区， 将温度偏差、偏差变化率的模糊集合分为7 个模糊子 集，分别为p b ( 正大) ，p m ( 正中) ，p s ( 正小) ，z ( 零) ，n s ( 负小) ，n m ( 负中) ，n b ( 负大) 。选取语言变量e 、e 的论域均为：x = 4 ，3 ，2 ，一1 ， 0 ，1 ，2 ，3 ，4 。温度偏差、偏差变化率的隶属函数赋值表如表2 - 2 所示。 表2 - 2 e 、a e 的隶属度函数赋值表 控制量的隶属函数形状可以是三角形、梯形、单点或其它形状。采用单点为 控制量在实际处理时较为方便，因为这时只要知道控制量的模糊量也就知道了实 际用于控制的论域元素。本系统控制量的模糊划分采用单点，分为7 个模糊子集， 分别为p b ( 正大) ，p m ( 正中) ，p s ( 正小) ，z ( 零) ，n s ( 负小) ， n m ( 负中) ，n b ( 负 大) 。选取语言变量“的论域为： 3 ，一2 ，1 ，0 ，1 ，2 ，3 。控制量的隶属函数 如图2 3 所示。 n bn mn szp sp mp b 321o123 图2 - 3 “的隶属函数 2 2 4模糊控制规则 甘肃农业大学硕士学位论文 模糊控制规则实际上是总结有经验的操作者或专家的控制知识和经验制定 出的一条条模糊条件语句的集合，通常简写成一个表，即模糊控制规则表。确定 模糊控制规则的原则必须是系统输出响应的动静态特性达到最佳。当误差大或较 大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量要注意防 止超调，以系统的稳定性为主要出发点。根据经验，经过总结和归纳可以得到温 室温度的模糊控制规则表如表2 3 所示。 表2 - 3 模糊控制规则 2 2 5 模糊控制算法设计 控制算法是模糊控制的关键，通常可根据不同的系统情况选用不同的控制算 法，常用的有查表法和公式法。本系统采用查表法实现模糊控制算法。 查表法是根据模糊控制规则表，求出输入量论域元素和输出量论域元素之间 的关系，形成一个表格，这个表格称为控制表。产生控制表的方法有两种，一种 是间接法，首先求出模糊关系r ，再根据输入的偏差和偏差变化率求出控制量， 最后把控制量精确化，由此得到控制表；另一种是直接法，直接从控制规则即推 理语句中求取控制量，由此产生控制表。本文采用直接法。 本系统中，由于偏差e 和偏差变化率e 的离散论域都有9 个元素 一4 ，一3 ， 2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，在输入时，p 或e 的精确值都会量化到9 个元素之中 的任何一个。这样，e 和的输入组合就有9 9 = 8 1 种。求出这8 1 种输入组合 及其对应的输出控制量，即可形成相应的模糊控制表。 例如：根据表2 2 和表2 3 可知，当e = - 4 ，对于偏差e 有：n b e ( - 4 ) = 1 ， 甘肃农业大学硕士学位论文 n m e ( 一4 ) = 0 2 ，其余的隶属度为o 。 当8 = 一4 ，对于偏差变化率e 有：n b a 。( 一4 ) = 1 ，n m a 。( 一4 ) = 0 2 ，有4 条控制规 则有效，它们分别是： i fe = n ba n da e = n b t h e n “= p b 矿e = n ba n da e = n m t h e n “= p b f ，e ；n ma n da e = n b t h e nu = p b i fe = n ma n da e = n mt h e n “= 尸曰 对于第一条控制规则，控制量 c ? = n b 。( 一4 ) n b a 。( - 4 ) 尸四= 1a 1a p b = 尸曰 对于第二条控制规则，控制量 c i = n b 。( 一4 ) a n m k ( - 4 ) p b = 1 a0 2a p b = 0 2a 朋 同理，c ；= 0 2a p b ，c ：= 0 2a p b ，所以总控制量c ；0 2 朋 在上式中，0 2a 册是船的0 2 截集，根据图2 3 ，由于p b 是单点，其对 应元素为3 ，所以c = 3 。根据上述方法，求出其它控制量，列出模糊控制表如 表2 - 4 所示。 表2 - 4 模糊控制输出表 查询表可以事先离线计算好，将其存于单片机r o m 存储区的某一位置。在 甘肃农业大学硕士学位论文 实际控制过程中，可以对该表进行优化，根据查表的结果求出控制量，去控制 或驱动执行机构，实现对温室温度的智能控制。 2 3 空气湿度模糊控制器设计 上一节以温室的温度为例介绍了温度模糊控制器的设计，按照同样方法可以 设计温室的湿度模糊控制器。 2 3 1 湿度对作物生长发育的影响 湿度也是温室环境控制中一个相当重要的参数。温室内作物对水分的要求也 就是对空气湿度和土壤湿度的要求。空气湿度大，会减少作物蒸腾量作物不易 缺水，光合作用也会增强，有利于植物的生长发育；但空气湿度过大，则会使作 物的茎叶生长过旺，造成疯长，影响作物的开花结果。此外，湿度过高还易促成 病虫害的发生，并可能发生某些生理障碍，而过低的湿度将使作物生长受阻。土 壤湿度对植物的影响也很大，如果温室中排水不良，或者灌水不当，土壤渗水性 不好，造成土壤水分过剩，湿度过高，使土壤中的氧气减少，植物根部呼吸困难， 从而危害作物的生长发育。 多数作物光合作用的适宜空气相对湿度为6 0 8 5 ，当空气相对湿度底于 4 0 或高于9 0 时，光合作用受到阻碍，从而使作物生长发育受到不良影响。 当然不同作物种类，或同一种类不同品种以及不同发育阶段的蔬菜对空气相对湿 度的要求不尽相同。有关方面如表2 5 所示。作物病虫害的发生与空气相对湿度 有密切的关系，大多数作物病虫害的发生要求空气相对湿度在8 0 以上。因此， 作物适宜的空气相对湿度为6 0 8 0 。 表2 5 作物对空气相对湿度的基本要求 2 。3 2 湿度模糊控制器 湿度误差的基本论域定为 5 + 5 ) ，湿度误差变化的基本论域定为 1 + 1 ) 。湿度误差及误差变化的模糊语言变量值都耿为 n b ，n s ，z ，p s ， p b ，它们的论域都取为 一3 ，一2 ，- 1 ，0 ，1 ，2 ，3 ) 。湿度的控制量是加湿器的 开与关，敝语言变量取为 o n ，o f f 。湿度误差和湿度误差变化的隶属函数赋 甘肃农业大学硕士学位论文 n b10 5 00000 子 n s00 ，51 0000 z000 5 10 50 0 p s0000 1 0 50 集 p b0 00000 51 -_-_。_-_-。，一。_-。_。_。一 表2 7 湿度误差变化的隶属函数赋值表 论域 3 - 210123 子 集 n b n s z p s p b 1 o o 0 0 o 】 0 0 0 0 1 o 0 o 0 o 1 o 0 0 0 0 1 0 o o 0 1 0 o 0 0 o 1 _-_-_h一-一。一 表2 - 8 湿度模糊控制规则表 b e n b n s z p s n b n sz p sp b o f f o f f o f f o f f o f f o f f o f f o f f o f f o f fo f f 0 f f o f f o n p b o f fo n o n o f f o n o n o n o n 0 n o n 0 n 一一一 1 7 甘肃农业大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 3 1 总体设计 总的设计思想是通过温、湿度传感器将温度、湿度值转换为电量输出，由 a d 转换器对模拟信号进行数字化，被数字化的信号经过单片机处理后，送显示 器及执行机构，完成温、湿度自动调节及声光报警等功能，总体设计框图如图 3 - 1 所示。 本系统完成以下功能：可对温、湿度进行多点自动检测、显示、报警和调控。 当温、湿度超过上、下限设定值时，可自动发出声光报警，并进行温、湿度调节 控制，直到报警消除，报警的上下限值可通过键盘随时设定。为实现以上功能需 安排以下五个部分组成整个控制系统如图3 2 所示。系统的硬件组成： ( 1 ) 信号采样电路( 2 ) 单片机基本系统( 8 0 3 1 ) ( 3 ) a d 转换电路( 4 ) 键盘和显示电路( 5 ) 执行电路 温 苴 1r o m ( 2 7 6 4 ) 1 片 1r a m ( 6 2 6 。) i 机 8 扣s s 芯片膳 室 0 3 1 一声光报警1 图3 - 2 硬件整体框图 甘肃农业大学硕士学位论文 3 2 信号采样电路设计 采样电路在整个控制装置中占据着十分重要的地位，采样值是8 0 3 1 主要处 理的数据，是实施控制的依据，所以保证采样电路的准确是进行良好控制的基础。 3 2 1 温度采样电路设计 3 2 1 1 温度传感器的选择 温度传感器的种类很多，根据温室使用条件，选择恰当的传感器类型才能保 证测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。根据温室温度 控制的特点，本系统中温度传感器选用a d 5 9 0 集成温度传感器。 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b - e 结压 降的不饱和值e 与热力学温度t s n 通过发射极电流，的关系实现对温度的检测： ；坐l n ， g 式中，k 一波尔兹常数； q 一电子电荷绝对值。 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优 点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。 电压输出型的灵敏度一般为1 0 m v k ，温度0 v 时输出为0 ，温度2 5 时输出 2 9 8 2 v 。电流输出型的灵敏度一般为1 “k 。 a d 5 9 0 是美国模拟器件公司利用p n 结正向电流与温度的关系制成的电流 输出型两端温度传感器。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器 件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。它的主 要特性参数如下： 1 流过器件的电流( a ) 等于器件所处环境的热力学温度( 开尔文) 度数， 即： l r 1 m k 式中：，一流过器件( a d 5 9 0 ) 的电流，单位为g a ： t _ 一热力学温度，单位为k 。 2 a d 5 9 0 的测温范围为5 5 一+ 1 5 0 。 3 a d 5 9 0 的电源电压范围为4 v 3 0 v 。电源电压可在4 v 6 v 范围变化， 甘肃农业大学硕士学位论文 电流，变化1 a ，相当于温度变化1 k 。a d 5 9 0 可以承受4 4 v 正向电压和2 0 v 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 4 输出电阻为7 1 0 m f f 2 。 5 精度高：a d 5 9 0 共有i 、j 、k 、l 、m 五档，其中m 档精度最高，在5 5 + 1 5 0 范围内，非线性误差为0 3 。 6 灵敏度：l g a k 。 3 2 1 2 温度检测电路的设计 在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。因为流过a d 5 9 0 的电流与 热力学温度成正比，当电阻r 1 和电位器r p l 的电阻之和为1 0 k q 时，输出电压 随温度的变化为1 0 m v k 。但由于a d 5 9 0 的增益有偏差，电阻也有误差，因 此应对电路进行调整。为了使此电阻精确( 0 1 ) ，可用一个9 6 k q 的电阻与一 个l k f f 2 电