1温湿度模糊控制系统方案
本文对温度、湿度两个显著影响温室作物生长的参数进行深入分析研究，构建的温湿度模糊控制系统方案如图2所示。图2中，T和H分别为模糊控制系统输出的温室环境温度和湿度值;T1、H1分别为根据专家经验给出的农作物生长最佳的温度和湿度值;eT1、eH1分别为给定值与温室环境的实际测量值的偏差;ecT1、ecH1分别为温湿度偏差随时间的变化率。
2温湿度模糊控制器设计
2．1输入与输出变量的模糊化
根据温室大棚的实际状况，以温湿度偏差及其偏差变化率为输入变量，各输入变量的模糊化信息如表1所示。结合研究对象实际情况，既考虑控制规则的灵活性又兼顾简单易行。表1中，4个输入变量模糊集均取为A，A为{NB，NS，ZE，PS，PB};模糊论域均取为B，B为{－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4}。模糊控制器的输出控制变量为前窗、天窗、后窗、遮阳帘、通风机、加湿器和加热器。这7个变量均为开关量，只有开和关(0/1)两种状态，分别用符号u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7表示这7个变量。
2．2隶属函数的确定
由于三角形隶属度函数在输入值变化时比正态分布或高斯型具有更高的灵活性［6］，因此本研究中温湿度偏差与偏差变化率均选取三角形隶属度函数。图4为各输入变量的隶属度函数，选择的模糊集宽度为4。因为宽度过小会造成部分区间空缺，可能找不到相应的控制规则，收敛性不好;宽度过大会造成控制规则的重叠部分过多，相互间影响加大并且响应速度也变慢［7］。根据隶属度函数对输入变量量化为9个等级，其相应的隶属度赋值如表2所示。
2．3模糊控制规则的制定
模糊控制规则的形成实质上是把操作者的经验或专家的知识和经验进行凝练得到的若干条模糊控制规则［8］。经对实际温室控制系统的研究，发现温湿度间存在一定的耦合性，即当通过某一执行机构改变温度(湿度)时湿度(温度)也会发生变化，因此在制定模糊控制规则时就要渗透解耦的思想。基于此，对7种执行机构的开关状态做如下考虑:u1、u2和u3每打开一个设备降温和降湿效果增强一点，但速度较慢;u5开通后其降温和降湿速度明显比u1、u2、u3快;u4降温作用明显，对湿度基本无影响;u6主要起加湿作用，降温为次要作用;u7主要为增温作用，降湿为次要作用。研究中制定了温度与湿度之间、温度变化率与湿度变化率之间的两个模糊控制规则表，在此仅列出温度与湿度之间的模糊控制规则，如表3所示。表3中，U为u1到u7这7个变量的开关状态，开用“1”表示，关用“0”表示。
2．4反模糊化
模糊控制器输出的是模糊语言不同取值的一种组合，由于被控对象只接受一个精确的控制量，因此需要从组合中判决出一个精确的控制量，这也就是反模糊化的过程［9］。常用的判决方法有重心法、最大隶属度法和中位数法等，本研究采用重心法计算模糊控制输出的精确控制量。其具体表达式为u＇=∑nj=1ωjμ(ωj)/∑nj=1μ(ωj)(1)其中，n为模糊变量个数，ωj为模糊变量，μ(ωj)是对应模糊变量的隶属度。本系统反模糊化的具体过程:首先温湿度误差或其误差变化率经量化后得到相应的量化等级，根据量化等级查询各个执行机构在控制规则表中对应的控制规则并使其激活。然后，由式(1)计算各个执行机构的输出值，计算结果等于0．5时，执行机构保持原来状态;计算结果大于0．5时，执行机构开;计算结果小于0．5时，执行机构关。基于这种思想，可建立各执行机构的模糊控制查询表，放在内存中，编写相应的PLC程序即可实现模糊控制器对执行机构的实时控制。
3温湿度模糊控制PLC程序设计
温湿度模糊控制PLC程序包括输入量的采样与模糊化程序、量化等级程序、模糊控制查询程序、执行机构控制程序和预警程序等［10］，在此仅介绍有关输入采样、误差的计算和模糊控制查询的部分程序。本研究是在STEP7编程环境下完成的模糊控制程序。
3．1输入量采样和ET/EH计算程序
研究中应用的温湿度传感器的变送单元分别取0～50℃、0～100%ＲH，线性对应电流均为4～20mA，因此在编写PLC程序前需把温湿度的值与PLC中的数字量关系建立起来。具体过程如下:以温度为例，用I表示电流值，T表示温度值，X表示实时温度转换为PLC中的数字量值。由于0～50℃与4～20mA对应，4～20mA又与PLC中的数字量为6400～32000对应，因此可得曲线方程如式(2)与式(3)所示。根据式(4)即可计算0～50℃对应PLC内部的数字量值。如22℃对应数字量值为17664。同理，可求得湿度值与PLC中数字量的对应关系如式(5)所示。其中，H表示湿度。下面以温度为22℃和湿度为70%ＲH的情况编写相应的PLC程序，70%ＲH对应的数字量为24320。
3．2模糊控制查询程序
由反模糊化得到的模糊控制查询表实质上是一个9×9的二维数组，存在以VW200开始的81个字单元中。在此把数组的首地址指针设定为VD48，根据(VW20×9+WV18)×2即可计算偏移值，在查询表中定位并把相应值赋予WV28。
4系统实际运行测试
控制系统投入运行后，任选某一天对控制效果进行实际测试。测试时的起始温度和湿度分别为32℃和52%ＲH，控制设定值分别为22℃和70%ＲH。对温湿度采样时间间隔均为5min，根据采集数据绘制的曲线如图5所示。由图5可知30min左右时温湿度值均达到设定值，再经10min左右温湿值即达到预设的稳定状态值，达到了较满意的控制效果。控制系统达到稳态的时间可通过增减有关设备进行调节。
5结束语
温室大棚控制系统是一个具有非线性、时变和大惯性等特点的复杂系统，难以建立精确的数学模型进行控制。为此，以显著影响作物生长的温湿度为研究对象，构建了模糊控制系统方案，应用模糊控制系统理论设计了温湿度模糊控制器，编写了相应的模糊控制算法程序，并对温湿度的模糊控制效果进行了实际观测。结果表明，该系统控制过程平稳、超调量小，能够很好地实现对温室环境中温湿度的模糊控制，满足了温室作物对生长环境的要求。
作者：卞和营 薛亚许 王军敏 单位：平顶山学院 电气信息工程学院
