（农业电气化与自动化专业论文）温室环境上位测控平台的开发.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以国家自然科学基金项目“温室环境动态建模和智能控制算法研究”为依托，开发的基 于r s 4 8 5 总线的农业温室环境分布式测控系统能够为温室环境动态建模提供软件平台，同时将 模糊控制算法运用到温室环境这种复杂的被控对象中。 测控系统主节点管理软件采用v i s u a lb a s i c 开发，具有数据采集、曲线显示、数据库管理及 智能决策功能；从节点包括数字量和模拟量输入输出模块、智能温度、湿度、光照强度、二氧化 碳浓度等传感器模块，负责执行决策和传送数据。根据手动控制策略的总结，利用v c + + 将 m a t l a b 工具计算所得的二维温度模糊控制查询表制作成d u 。格式的算法库，在实际控制中通 过调用算法库来实现对温室环境因子的控制。 此外，本文还探索性的将主节点单元采用$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器开发，通过移植b o o t l o a d e r 和 实时操作系统a r m l i n u x ，采用c 语言在l i n u x 下编写相应的应用程序。该嵌入式测控系统通过 串口实现数据的采集和控制命令的发送，并利用u s b 接口将数据以文本文件的形式保存到u 盘 里。同时增加了l c d 显示功能，将显示模块作为总线上的个从节点，通过键盘触发主节点对 其进行控制，分屏显示实时数据。 实验结果表明，基于r s 一4 8 5 总线的主从式温室环境上位测控平台运行稳定可靠，价格低廉， 根据不同的季节能够有效地对温室环境冈子进行控制，为作物提供良好地生长环境。 关键词：温室环境，r s - 4 8 5 总线，模糊控制，算法库，嵌入式 中国农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep a p e ri s s u p p o r t e db yt h e n a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n ”r e s e a r c ho nd y n a m i c m o d e l i n ga n dc o n t r o l l i n ga l g o r i t h mo fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t ”，a n dp r o p o s e s t h ea g r i c u l t u r e g r e e n h o u s ed i s t r i b u t e dm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do nr s - 4 8 5b u sw h i c hp r o v i d e st h e s o f t w a r ep l a t f o r mf o rt h ed y n a m i cm o d e l i n go fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t t h es y s t e ma l s oe x e c u t e st h e f u z z yc o n t r o li n t ot h ec o m p l i c a t e dc o n t r o l l e do b j e c t ss u c ha sg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t t h em a i nn o d em a n a g e m e n ts o f t w a r eo ft h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi se x p l o i t e db yv b ， w i t ht h ef u n c t i o no fd a t ac o l l e c t i o n ，c u r v ed i s p l a y , d a t a b a s ei n q u i r ya n di n t e l l i g e n td e c i s i o n - m a k i n g t h es u b o r d i n a t en o d e si n c l u d et h ed i g i t a la n da n a l o gi om o d u l e ，i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , l i g h ti n t e n s i t ya n dc a r b o nd i o x i d ec o n c e n t r a t i o ns e n s o rm o d u l e s ，w h i c ha r ci nc h a r g eo fd e c i s i o n e x e c u t i o na n dd a t at r a n s f e r w i t ht h ev c + + a n dm a t l a b t h es u m m a r yo ft h ec o n t r o le x p e r i e n c e si s c o n v e r t e di n t ot w od i m e n s i o nt e m p e r a t u r ef u z z yc o n t r o li n q u i r yt a b l ef o r m a u e da sd l l a l g o r i t h mb a n k i no r d e rt ob eu s e dc o n v e n i e n t l yi np r a c t i c a lc o n t r 0 1 b e s i d e s ，t h ep a p e ra d o p t st h e $ 3 c 2 4 1 0 xm i c r o p r o c e s s o rt od e v e l o pt h em a i nn o d eu n i t t h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi sa r m l i n u xa n db o o f l o a d e ri st r a n s p l a n t e d t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi sw r i t t e n w i t hcl a n g u a g eu n d e rl i n u xe n v i r o n m e n t t h ee m b e d d e ds y s t e mu s e st h es e r i a lp o r tt ot r a n s f e rt h ed a t a a n dc o n t r o lc o m m a n d s t h ed a t aa r es a v e di n l oud i s kw i t ht h eu s bi n t e f f a c ei nt h ef o r i l lo ft e x tf i l e t h el c dd i s p l a yf u n c t i o ni sa d d e df u r t h e r m o r e i ti san o d eo nt h eb u s ，a n dw ec a nt r i g g e rt h em a i n n o d et oc o n t r o li ta n dd i s p l a yr e a ld a t ai ns p l i ts c r e e n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep l a t f o r mw o r k ss t a b l ya n dc r e d i b l ya n dt h ec o s ti sl o w a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n ts e a s o n ，w ec a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n tf a c t o r sf o r p r o v i d i n gt h eg o o de n v i r o n m e n tf o rt h eh a r v e s t k e y w o r d s ：g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t , r s 4 8 5b u s , f u z z yc o n t r o l ，a l g o r i t h mb a s e ，e m b e d d e d s y s t e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 硝，形 时间： 2 - 0 0 # 年舌月峥日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：豫缸时间： 乞口口年6 月坶日 导师签名：时间：一多年f 月彦日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 设施农业是农业发展的方向，是一种高产、高效的现代农业生产方式，目前已成为我国农业 重要的一个领域。它是随着农业环境上程技术的突破，迅速发展起来的一种集约化程度较高、包 含环境和技术设施及操作管理方法的一绉套综合农业生产体系。它通过对光照、温度、湿度、养 分等环境因子的控制，为作物提供最佳或较适宜的生长发育空间，从而完全或部分地摆脱传统农 业中自然气候的限制，促进农业资源的科学开发和合理高效利用，提高资源利用率、劳动生产率 和社会经济效益，同时还有助于整个农业的可持续稳定发展。因此，设施农业又被称为工厂化农 业。广义的设旌农业主要包括设施栽培和设施养殖两个方面，而狭义的设施农业包括塑料大棚、 温室、植物工厂化三种不同的技术层次。 近年来，随着农业环境工程技术的突破，设施农业己由早期的地膜覆盖栽培、园艺作物温室 栽培和无土栽培向由高新科技成果支持的工厂化种植和工厂化农业车间生产迅速发展，使作物的 生长速度加快、生长周期缩短、产量增加、质量提高，其效率和效益比传统农业要提高几倍甚至 几十倍。由于先进的设施农业是现代生物技术和工程技术的集成，科技含量高，已成为当今世界 箨国大力发展的高新技术产业。 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，设施农业的发展趋势是提高水平、档次， 逐步实现规范化、标准化、系统化，形成具有我国特色的技术和设施体系，重视现有技术和成果 的推广应用，形成高新技术产业，实现大规模商品化生产。尽管目前温室大棚，无士栽培、节水 灌溉、工厂化养殖等在生产上得到了前所未有的大发展，并实现了农业工厂化生产、企业化运作， 但美中不足的是智能化程度与智能化普及率过低。虽然不少地方引进了一些国外的计算机智能控 制系统，如温室环境控制系统、施肥灌溉控制系统、工厂化育苗智能系统等，也真正实现了数字 化、智能化、自动化，但投资过大、系统故障维护不便，而且经济效益过低。许多农业高科技嗣 区都存在这个制约瓶颈，实现农业智能化对于大部分农民来说还是可望而不可及。因此，开发低 价位实片j 型的农业设施智能控制系统已迫在眉睫，对丁推进我国农业智能化进程具有极为重要的 意义，同时也具有很大的市场商机。 1 2 研究背景及意义 为适应我国农业进入新阶段后对农业高新技术的迫切需求，近年来，设施农业科技项目受到 国家前所未有的重视。在九五期间国家启动了t 厂化农业示范项目，经过五年的示范，取得了一 定的成就，设施农业中的一个共性问题就是环境的调控问题，在九五期间已经引起了设施领域、 控制领域的高度重视，专家向科学技术部提供了许多建设性的工厂化农业发展战略报告，因此在 十五期间“工厂化农业关键技术研究与示范”被列入国家科技部十五国家重点科技攻关项目，t r 设 施吲艺可控环境生产技术”也被首次列入国家“8 6 3 ”计划，国家自然科学基金生命科学部也设 立了“可控环境农业生产技术”等研究项目。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 随着设施农业的发展，工厂化、集约化程度的不断提高，对设施农业环境工程调控技术与设 施的要求也越来越高。在工厂化高效农业科技产业项目中，建立现代化的智能温室是其重要的组 成部分。温室环境自动控制技术是现代设施农业领域中温室环境控制的核心内容，智能化温室是 集农业科技上的高、精、尖技术和计算机自动控制技术于一体的最先进的农业生产设施，是现代 农业科技向产业转化的物质基础，它能营造相对独立的作物生长环境，彻底摆脱传统农业对自然 环境的高度依赖。 本课题以国家自然科学基金资助项目“温室环境动态建模和智能控制算法研究( 6 0 3 7 4 0 3 0 ) ” 为依托，提出基于r s 4 8 5 通信标准的总线型农业温室分布式测控系统，在w 铀d o w s 下开发一套 上位测控管理软件，实际控制中调用模糊控制生成的智能算法库，从而验证手动经验获得控制算 法的有效性；同时，上位主节点采用$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器设计为嵌入式系统，充分发挥嵌入式系统 专用性和软硬件可裁剪的特点，移植嵌入式l i n u x 操作系统和应用程序，从而实现温室环境因 子数据的实时采集和文本文件保存。课题研究目的是利用模糊控制算法通过总线对温室环境进行 控制，实时采集和保存环境因子，为温室环境动态建模和智能控制算法研究提供硬件和软件平台， 进一步提高温室环境控制的智能化。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 1 、国外设施农业发展现状 荷兰、日本、以色列、美国、韩国、西班牙、意大利、法国、加拿大等国是设施农业十分发 达的国家，其设施设备标准化程度、种苗技术及规范化栽培技术、植物保护及采后加丁商品化技 术、新型覆盖材料开发与应用技术、设施综合环境调控及农业机械化技术等有较高的水平，居世 界领先地位。荷兰、日本、以色列、韩国等非常重视温室运用品种选育，能为温室提供专用的耐 低温、高温、光照、高湿，具有多种抗性，优质高产的种苗。如荷兰境内有1 3 0 个种苗专营公司， 种质资源有强大优势，在脱毒、快繁等方面有很高的技术水平。荷兰是世界四大种子出口国之一， 有4 9 0 0 个品种，1 2 0 0 h a 生产面积，种子出口达1 0 0 多个国家。日本、韩国、以色列的蔬菜种子 在我国也有较大面积种植，均有良好的表现。 日本、韩国研究开发了瓜类、茄果类蔬菜嫁接机器人。日本开发了育苗移栽机器人，有触觉 和视觉，移栽儿十万株苗的繁重作业，对机器人而言非常轻松。机器人能指挥灌溉，可根据光反 射和折射原理准确测定基质的含水量，根据需要适量灌溉，达到节水、防病、保持环境整洁的目 的。日本研制了可行走的耕耘、施肥机器人；可完成多项作业的机器人：能在设施内完成各项作 业的无人行走车：用于组织培养作业的机器人；柑桔、葡萄收获机器人。在无土栽培方面，所有 欧共体国家园艺作物要全部实现无土栽培。无土栽培不仅高产，而且可向人们提供健康、营养、 无公害、无污染的有机食品。能够充分注意营养液循环利用，节省投资，保护生态环境作用强。 西方发达国家近些年设施内，无土栽培技术发展十分迅速。荷兰、英国、法国、意大利、西班牙、 德国大部分设施内均进行无土栽培。另外，奥地利、美国、日本等国家目前建造了一些世界一i - 最 为先进的植物= 厂，采取完全封闭生产、人工补充光照，全部采用电脑控制和采用机器人或机械 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 舅曩_ i 皇_ 手进行播种、移动作业、采收等。所谓植物工厂与温室设施没有本质区别，通常是指那些具有生 产设备先进、控制与管理自动化撑度菲常高的植物生产保护设施。一般来说称得上植物工厂耍具 有以下重要特征：具有一定规模的自动化生产方式；能进彳亍周年生产；营养液栽培：植 物可以移动；高度环境控制性能等。 2 、国外温室环境控制发展现状 国外对温室环境控制技术研究较早，在美国、荷兰、以色列、英国等国家的设旋农业中，智 能化温室环境测控技术已得到广泛的普及与应用。目前，各国温室制造公司相继研制了专用的温 室气候控制计算机及其它如灌溉、施肥计算机等，这些在温室现场的控制计算机可与远离温室的 计算机控制室进行数据和信息交换，使温室管理人员在遥远的地方就可以对温室生产的情况目 了然。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 o ：浓度、水、气、营养液等实现计算机调控。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”。 在提高温室管理水平的同时，国外温室研究人员也非常重视环境因子的控制技术研究，从简 单的p i d 控制方法、到最优控制方法、到专家系统等都已广泛应用于温室的研究与生产实践中去， 如美国的q c o m e 公司，通过对温室开窗机构进行p i d 调节来控制温室内空气温度，可在恒温控 制时，一昼夜间单测点的温度波动范围偏差小于- + 1 5 c 。美国密执安州大学研制的温室专家系统， 可以研究温度对花卉如一品红、百合等的精确影响，井将环境控制系统与决策系统融为一体。 荷兰位于欧洲西部，全国现有玻璃温室1 万h m 2 ，全部由计算机操纵，其中蔬菜、花卉的生 产各占一半。荷兰在1 9 7 4 年首次研制出计算机控制系统c e c s 。荷兰的园艺生产引人注目，它是 世界著名的鲜花生产王国，花卉销于世界各国，每年出口收入达1 0 1 4 亿美元，蔬菜每年出口 近1 0 亿美元。荷兰国内有十大温室制造公司。多数成立于本世纪2 0 年代，有较长的生产历史， 经验丰富，技术精湛。高成本的投入，高效率的劳动，高质量、高产量的产出，高效益的收入， 是荷兰温室园艺生产持续发展、不断提高的主要原因。良好的社会服务，是农民集中精力搞好生 产的重要保证。在周艺生产的领域内，除了温室公司外，还有泥炭土公司、种子公司、种苗公司 以及肥料、农药、上具等为生产服务配套的公司。 英国在一些农业工程研究所里进行温室骨架与荷载、温室光照与材料、温室环境、温室环境 冈子的计算机优化、温室节能、温室自动化控制、温室作物栽培与产后处理、无土栽培等课题的 研究。由于英国国内的情况，目前主要与荷兰温室公司合作推广荷兰的温室设备，自已只生产一 些非标准的特殊要求的温室设施。在7 0 8 0 年代，英国的温室加热主要用燃油锅炉，后来由于 石油价格暴涨，能源产生了危机，因此，改为使用燃煤。部分地区也采用燃锅炉和利用工厂余 热。温室管理全部采用计算机管理，主要控制温度、湿度、光照、通风、c 0 2 施肥、营养液供给 及温度、p h 值、e c 值等。伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观察、遥控5 0 k m 以外温室内的温、光、湿、气、水等环境状况，并进行调控。c o ：施肥在英国温室生产中占3 0 4 0 ，主要是生产规模较大的农户，小农户一般不使用。为保证c 0 2 浓度分布均匀，在温室中安 装通风机，搅动空气使温室中c 0 2 的浓度一致。在温室种植中，无土栽培占温室面积的3 0 ， 主要以岩棉基质栽培为主占9 0 。在英国温室群建设中，特别注意温室的防风，采用树木做屏障 既美化了环境又防风。 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 国内研究现状 1 、国内设施农业发展现状 我国设旋农业的发展历史悠久，至今已形成多种类型，普遍采用的几种模式有：简易覆盖型、 简易设施犁、一般设施型和工厂化农业，其中以节能日光温室、普通日光温室和塑料大棚发展最 快。简易覆盖型、简易设施型和一般设施型农业技术含量低，粗放经营，经营规模较小。工厂化 农业是设施农业的高级发展阶段，即利用高科技设施材料，运用先进的工程技术手段构建与田问 传统农业截然不同的生产环境，如同在f 厂中进行农业生产。通常包括加热系统、降温系统、通 风系统、遮阳系统、微灌系统和中心控制系统。它属下集约高效型农业，在我国尚处丁实验阶段， 但代表我国设施农业的发展方向”。目前，我国设施栽培已进入巩固、完善、提高、再发展的比 较成熟阶段。设施栽培总体布局趋于合理，多数地区在发展中体现了以节能为中心，低投入、高 产出的特色，设施设备的总体水平有了明显提高，设施类型向大型化发展。设施栽培的技术水平 不断提商，专业品种的培育受到重视，设施栽培蔬菜的总产和单产大幅度提高，栽培作物的品种 不断扩大和丰富，不但提高了经济效益，也促进了农民增收。 2 、国内温室环境自动控制发展现状 我国对于温室控制技术的研究较晚，始于2 0 世纪年代。国内工程技术人员在吸收发达国 家温室控制技术的基础上，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c 0 2 浓度等单项环境因子的控制，随后我国的温室控制技术得到了迅速发展。2 0 世纪8 0 年代，我国 先后从欧美和日本等发达国家引进了2 1 2 h m 2 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。9 0 年代初期， 中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并采用 v i s u a lb a s i c 工具开发了基于w i m o w s 操作系统的控制软件。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9 0 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 自主开发了些研究性质的环境控制系统“1 。1 9 9 6 年，江苏理工大学研制开发了温室软硬件控制 系统，能对营养液系统、温度、光照、c o ：施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制 系统较为典型的研究成果。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。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也取得了一定的成果。 在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学，中国科学院上海植物生理研究所等 单位也都侧重不同领域，研究温室设施计算机控制与管理技术。九五期间，国家科技攻关项目和 国家自然科学基金委，均首次增设了工厂化农业研究项目，并且在项目中加大了计算机应用研究 的力度。其中九五国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范t 程”中，直接设置了“智能型 连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”专题。9 0 年代末，河北职业技术师范学院研制 了蔬菜大棚，其能够对温、湿度进行实时测量与控制。可以看出我国温室设施计算机应用，在总 体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。 但由丁i 我国农业现代化水平较低，农业劳动力大量过剩，温室的一次性投资大，资金短缺以 及对操作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室系统的扩展。目前，国内的 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 曼目| _ _ _ i _ _ _ _ - _ _ l _ 一些大中型温室其控制系统主要采用以下西种形式：一是温室单片机控制系统。这种系统充分发 挥单片机抗干扰能力强、数据采集方便快捷、体积小、性能价格比优越等优点。华北型连栋温室 自动控制系统就是采用这种控制系统，它能很好地完成环境监测、控制、存储及通信功能。二是 以_ 业控制计算机为核心的温室控制系统。这两种控制系统一般都位于温室现场，给管理造成不 方便。另外，国内温室自动控制系统虽能较好地完成数据采集、显示与存储功能，但对环境阁子 的控制水平、控制精度还有待进一步提高。 1 4 课题研究内容 本文的研究内容土要包括以下儿个方面： f 1 1 利用v i s u a lb a s i c 编写温室环境上位测控管理软件； 但) 利用m a t t a b 工具编程实现二维温度模糊控制器，并利用v i s u a lc 卜+ 将模糊控毒算法编 制成d l l 格式的算法库，方便上位测控管理软件调用； 0 ) 上位主节点的硬件平台选用a r m 处理器通过移植嵌入式l i n u x ，在操作系统下开发应 用程序实现数据的采集、文件的存储及控制命令的发送、l c d 显示、b o a w e b 服务器等功能。 第二章模糊控制理论基础 模糊控制是智能控制的主要方法之一，是控制理论发展的高级阶段产物，它主要用来解决那 些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制。它不需 要有准确的控制对象模型，因此非常适合温室环境这种典型的非线性、大滞后、大惯性、强耦台、 时变的复杂被控对象。 2 1 模糊控制原理 2 1 1 模糊控制方法概述 模糊控制理论在控制领域的应用了于始于1 9 7 4 年，英国科学家m a m d a n i 首次将模糊理论应用 于蒸汽机的控制系统中，开辟了模糊理论的新领域。m a m d a n i 提出模糊控制的基本出发点是；将 人类积累的对复杂系统的经验和认识提炼出来，采用模糊控制器的形式来控制复杂系统，从而把 人类从繁重的体力劳动中解放出来。随着计算机技术的发展，模糊理论在控制领域中取得了巨大 的成功，使模糊控制理论成为模糊理论最广泛最成熟的应用分支。 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法。 模糊控制理论的核心是利用模糊集合论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算 法语言所描述的算法，但它的控制输出却是确定的，它不仅能成功地实现控制，而且能模拟人的 思维方式，对一些无法构成数学模型的对象进行控制”。 模糊控制方法与传统控制方法的根本区别在于它并不需要建立被控对象的精确数学模型，而 是把人的经验和知识进行总结和形式化描述，用语吉表达成一组定性的条件语句和不精确的决策 规则，然后利用模糊集合作为工具使其定量化，通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的知识和经 验变成计算机可以接受的控制模型，从而让计算机代替人来进行控制。因此，模糊控制技术适用 与被控过程没有数学模型或很难建立数学模型的_ 【业过程，这些过程参数时变，呈现极强的非线 性特征。模糊控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统的一种有效途径。 2 1 2 模糊控制器 1 、模糊控制器的作用 为实现模糊控制，语言变量的概念可作为描述手动控制策略的基础，并在此基础上发展了一 种新型控制器模糊控制器。模糊控制器是模糊控制系统的核心部分，模糊控制器的作用在于 通过电子计算机根据有精确量而转化来的模糊输入信息，按照总结手动控制策略取得的语言控制 规则进行模糊推理，给出模糊输出判决。并再将其转化为精确量，作为馈送到被控对象的控制作 用。这反映在对被控过程进行控制中，不断将观察到的过程输出的精确量转化为模糊量，经过人 脑的思维与逻辑推理取得模糊判决后，再将判决的模糊量转化为精确量。可见，模糊控制器体现 了模糊集合理论、语言变量及模糊推理在不具有数学模型，而控制策略只有以语言形式定性描述 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章模糊控制理论基础 曹| 奠一i _ _ _ 的复杂被控过程中的有效应用。 在实际工作中，操作者往往可以对那些难以建立数学模型的被控对象进行有效的控制a 操作 者对被控对象进行的控制主要是通过不断学习，积累操作经验来实现的。作为经验，这些信息通 常以自然语言的形式表达出来，它们的特点是定性的描述，所以具有不确定性和不精确性。这种 特性使得人们无法用现有的定量控制理论对这些信息进行处理，但是人们确能根据这些信息建立 一组行之有效的控制规则，通过这些规则来对被控对象进行控制。这是一组用语言信息表达的具 有模糊性的控制规则，显然在这种情况下，需要一种能处理具有模糊性语言信息的技术，它能根 据语言信息构成一个能给出有效控制方法的控制器“。 模糊集合理论就是具有处理语言信息能力的t 具，而模糊控制器就是人们根据模糊集合理论 设计的、能够模仿人员手动控制作用的控制器，它不要求已知受控对象的数学模型。 2 、模糊控制器的组成 模糊控制器的基本结构如图2 _ l 所示。 参 圈2 - 1横糊控制器的结构图 一个模糊控制器主要由以下4 部分组成： ( 1 ) 模糊化：这部分的作用是将输入的精确量转化成模糊化量。 ( 2 ) 知识库：知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标，它通常由数据库和模 糊控制规则库两部分组成。其中，数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、尺度变换因子以及 模糊空间的分级数等；规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。它们反映了控制专 家的经验和知识。 ( 3 ) 模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该 推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。 ( 4 ) 清晰化：清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量变抉为实际用于控制的清晰最。 在常规控制方法中，人们用传递函数或者逻辑方程和数学方程精确地描述控制器的输入输出 特性。在模糊控制器中则使用语言型模糊控制规则来描述模糊控制器的控制特性。模糊控制率是 将人类对某一过程的推理和判断知识加以提炼后形成的。例如在室温控制问鹿中对温度的控制有 如下描述： 如果室温很低，室温还在微量降低，则全力加热； 如果室温适中室温不再变化，则不加热： 7 中国农业大学硕士学位论文第二章横糊控制理论基础 如果室温偏高，室温微量上升，则中等降温； 如果室温较高室温不再变化，m 微量降温； 如果室温较高，室温微景上升，则中等降温。 模糊控制器的输入和输出都是非模糊量，面其内部却建立在语言型的模糊控制率上，由条件 满足的程度推出模糊输出的大小。该推理过程采用模糊理论，称为模糊推理。为了进行模糊推理 必须先将非模糊量转化为模糊值，该过程成为模糊化。由于模糊推理的输出是模糊值，还必须将 模糊输出转化为非模糊集，该过程成为去模糊化。模糊控制器由模糊化、模糊推理及去模糊化三 部分组成，三部分共同建立在知识库的基础之上。 2 2 二维温度模糊控制器的设计 温室环境系统作为被控对象，主要有以下特点：是一个太时延、大滞后、时变的严格非线性 系统，温室中各个物理量的分布很不均匀，而且输入输出量比较多，受外界环境干扰大。对控制 时间和跟踪误差要求不高，但对系统经济性要求较高。 由于传统的控制方法需要事先知道对象的精确数学模型，否则很难进行有效的控制。与传统 的方法相比，模糊控制的优点在于不需要被控对象的数学模型，同时它还有鲁棒性好的特点，很 适合用在温室这样的非线性系统中。因此，根据温室环境测控系统研究课题的要求，结合温室环 境的特点，采用模糊控制算法对温室环境进行控制。 2 2 1 模糊控制器的选择 温室控制系统是一个复杂的多输入多输出的系统，输入量包括光照强度、温度、湿度、c 0 2 浓 度等，输出莓包括了所有的被控机构。可以看出，温室系统的输入输出量较多，各变量之间存在 着很强的关联作用，因此我们必须考虑到解耦问题，即如何消除系统中的耦合。对于多变量模糊 控制的解耦，n l 输入、1 1 输出的多变量模糊控制器可以转化为n l l l 变量模糊控制器的相交组合。 但是研究表明，对温室的温度、湿度的控制中，解耦和未解耦的效果相差不大。 上述原因使得我们决定选择二维模糊控制算法，以温度作为主控因子以温差及温差变化率作 为输入，其他环境因子作为辅助因子，在温度允许的范围内进行调整。同时，对输出进行了调整， 根据温室实际运行情况，将输出执行机构的状态进行划分。分组后，模糊控制器的输出变成了当 前执行机构状态的变化量。这样，整个模糊控制变成了双输入单输出的模糊控制，解决了耦合的 问题。对于光照强度、湿度、c 0 2 浓度的控制，将采取简单控制镱略。另外，根据室外温度，可 以对模糊控制规则进行适当调整，以达到更好的控制效果。 要设计一个温室环境温度因子的模糊控制器来实现语言控制，必须解决以下三方面的问题： ( 1 ) 精确量的模糊化，把语言变量的语言值转化为某适当论域上的模糊子集； ( 2 ) 模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决 定的模糊关系； ( 3 ) 输出信息的模糊判决，并完成由模糊鼍到精确量的转化。 8 中国农业大学硕士学位论文第- - 章模糊控制理论基黜 奠曾_ i ii i i i i 2 ，2 2 精确量模糊化 模糊控制器的输入量为精确量，必须转化为模糊量后才能用于模糊推理。在模糊控制中，一 个非模糊值的模糊化就是根据输入语言变量确定相应于每个语言值的隶属度，二维温度模糊控制 器输入量模糊化的过程如下： 1 、确定模糊控制器的输入输出变量 选取温室中温度误差e 和温度误著变化率e 作为模糊控制器的输入变量，其中误差e 的基本 论域；i j - 4 ，4 1 ，误差变化率e 的基本论域为【o 6 ，0 ，6 】；选取控制量的变化u 作为模糊控制器的输出 变量，基本论域为卜5 ，5 1 。 2 、确定模糊控制器语言变量的论域 为保证模糊变量的各模糊子集较好地覆盖整个论域； 温度误差e 的论域取为 - 6 ，- 5 ，4 ，一3 ，- 2 ，1 ，- 0 ，+ o ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 ) ； 温度误差变化率e c 的论域取为 - 6 - 5 ，4 ，3 ，- 2 ，一1 ，0 ，+ 1 ，+ 2 ，+ 3 ，4 - 4 ，+ 5 ，+ 6 b 输出量u 的论域取为 一7 ，- 6 ，一5 ，- 4 ，- 3 ，- 2 ，1 ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 ，+ 7 ； 由此，可以确定出每一档代表的温度误差为0 6 6 。 3 、确定量化因子和比例因子，计算公式分别为公式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) k 。生6 。1 5 ( 2 1 ) z 1 k ：；。三。1 0( 2 2 ) c ；0 6 七。= 兰t 委 托 ( 2 - 3 ) 4 、语言变量值的选取 在设计模糊控制器时，常选用“正大”) 、“正中”俨m ) 、“i e , j , ”( p s ) 、“零”( 0 ) 、“负小” 删s ) 、“负中”( n m ) 和“负大”( n b ) 等七个语言变量值来描述语言变量。显然，为语言变量选取 较多的值，制定控制规则时就变得比较灵活，控制规则本身也比较细致。但是相应地也使控制 规则变得复杂，制定起来也比较困难。因此，在选取语言变量时，既要考虑到控制规则的灵活、 细致，又要兼顾简单、易行。 误筹e 的模糊集取为f n b ，n m , n s ，n o ，p o ，p s ，p m ，p b ； 误差变化率e c 的模糊集取为 n b , t n m ，n s , 0 ，p s ) p m ，p b ， 输出量u 的模糊集取为 n b ，n m ，n s ，0 , p s , p m ，p 埘； 5 、语言变量论域上的模糊子集 语言变昔论域上的模糊子集由隶属函数来描述的，对r 常采用的论域 - 6 ，一5 ，- 4 ，3 ，一2 ，一1 ，- 0 ，+ 0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ m 来说。在其上定义的八个语言变量值p b 、p m 、p s 、p o 、 n o 、n s 、n m 、n b 的模糊子集中。具有晟大的隶属度1的元素人们习惯t 取为 p 船g ) = 1 一x = + 6 弘瑚o ) - l x = - 6 a 又根据人们对事物的判断往往沿用正态分布的思维特点，还常采用正态函数来确定模糊集含 的隶属函数。 9 中国农业大学硕士学位论文第二章模糊控制理论基础 _ _ i|111 6 、语言变量赋值表 在选定模糊控制器的语言变量( 温度误差e 、温度误差变化e c 和控制变化量u ) 及其所取的 语言值( p b n b ) 并确定了语言变量在各自论域上的模糊子集之后，可为语言变量分别建立 以说明各语言值从属于各自的论域程度的表格，此称为语言变量的赋值表。语言变量e 赋值表、 e c 赋值表、u 赋值表如表2 - 1 、表2 2 、表2 3 所示，其中空白处的隶属度均为零。 表2 - 1 语言变量e 赋值衰 h ( x ) e 一6543210+ 0+ l+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6 语言分0 p b 0 10 ，40 8 l p m0 20 71o 7o 2 p s0 3o 81o 5o t p 010 60 1 n oo 10 6l n s 0 10 510 80 3 n m o 2 0 7 l0 70 2 鞫b1o 8o 4o 1 襄2 - 2 语言变量c 赋值表 崆) c一654- 3- 210 + l+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6 语言值、 p b 0 10 40 8l p mo 2 o 710 7o ，2 p s0 8l0 80 2 00 5l0 5 n s0 2o 8l0 8 n m o 20 710 70 2 n b】 0 8 040 1 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章模糊控制理论基础 表2 - 3 语言变量u 赋值表 、吨( x u一7 - 6543210+ l+ 2+ 3+ 4- + 5+ 6 + 7 晤言在、弋弋 p b o 1 0 40 8 l p m0 20 7 1 0 70 2 p s0 410 80 40 1 o0 510 5 n s0 10 40 810 4 n i l0 2 0 7l 0 7 o ，2 n bl0 80 4 0 i 2 2 3 模糊控制算法设计 1 、模糊控制规则的制定 根据操作者手动控制策略的总结，得出一组由2 1 条模糊条件语句构成的控制规则 ( 1 ) j f e = n bo r n ma n d e c = n b o r n m t h 如u = p b ( 2 ) o l i f e = n b o r n ma n d e c = n s 0 1 0 m e nu = p b f 3 ) o r f f e = n b o r n ma n d e e = p s t h e nu = p m ( 4 ) o l i f e = n b o r n m a n d e c = p m o l p b t h e n u = 0 ( 5 1o r i f e = n sa n d e c = ：n b o r n m t 】l e nu = p m f 6 1 o ri fe = n sa n de c = n so r0t h e nt l - - - - - p m 门)0 1 i fe = n sa n de c = p st l i e nu = 0 ( 8 ) o r i f e = n sa n d e c = p mo r p b t h e nu = n s ( 9 ) 0 1 f f e - - n oo r p 0a n d e c = n b o r n m t l l e n u = p m ( 1 0 ) o t i f e = n o p 0a n d e c = n s t h e nu = p s ( 1 1 ) 0 1 j f e = n oo r p 0a n d e c = 0 t h e nu = 0 ( 1 2 ) 0 1 i fe = n oo rp 0a n de c = p st h e nu = n s ( 1 3 ) 0 1 i fe = n 0o l p 0a n de c = p mo rp bt h e nu - - n m r 1 4 ) o ri fe = p sa n de c = n b 0 rn mt h e nu = p s ( 1 5 ) o ti fe = p sa n de c = n st h e nu - - 0 ( 1 6 ) o l i fe = p sa n de c = oo rp st l l c nu = n m ( 1 乃0 1 i fe = p sa n de c = p mo rp bt l l e nu = n m ( 1 8 ) o r i f e = p mo r p ba n d e c = n bo r n m t h e nu = 0 1 1 中国农业大学硕士学位论文第二章模糊控制理论基础 皇皇皇皇| ii _ 0 9 ) o ri fe = p mo fp ba n de c = n st h e nu = n m f 2 0 ) o r i f e = p mo r