基于前饋補(bǔ)償算法溫室解耦及PLC控制器設(shè)計(jì)

付煥森，李元貴

(1.泰州學(xué)院 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州　225300；2.江南大學(xué) 輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫　214122)

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基于前饋補(bǔ)償算法溫室解耦及PLC控制器設(shè)計(jì)

付煥森1,2，李元貴1

(1.泰州學(xué)院 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州225300；2.江南大學(xué) 輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫214122)

摘要：為解決溫室系統(tǒng)由于非線(xiàn)性、大時(shí)滯和強(qiáng)耦合等特點(diǎn)引起的關(guān)鍵因子難以控制和效率低下的問(wèn)題，研究了前饋補(bǔ)償解耦算法。通過(guò)該算法實(shí)現(xiàn)了溫室系統(tǒng)溫度和濕度二維變量系統(tǒng)的解耦，并在MatLab仿真模型中驗(yàn)證了該算法的實(shí)用性和高效性。利用MatLab GUI(graphical user interface)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制界面，克服了常規(guī)的工業(yè)控制器難以編寫(xiě)復(fù)雜算法的缺點(diǎn)；再結(jié)合PLC執(zhí)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了PID解耦控制器。實(shí)踐驗(yàn)證表明：該解耦控制器克服了單一溫度和濕度控制的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的整體工作效率，保障了關(guān)鍵生長(zhǎng)因子控制的穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：溫室系統(tǒng)；前饋補(bǔ)償；解耦算法；PLC；Matlab GUI

0引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境和生產(chǎn)質(zhì)量的要求越來(lái)越高。蔬菜溫室系統(tǒng)是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個(gè)主要代表，具有很好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。溫室系統(tǒng)中，溫度和濕度是農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的重要因素，保證適宜的溫度和濕度控制才能保證農(nóng)作物生產(chǎn)的質(zhì)量和品質(zhì)。傳統(tǒng)的溫室系統(tǒng)控制方法是基于溫度和濕度的單一控制，忽略了溫室和濕度之間存在的強(qiáng)耦合、大滯后現(xiàn)象；而這種現(xiàn)象最終導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制方法的效率低、生長(zhǎng)環(huán)境控制不穩(wěn)定和產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)成分的流失。解耦思想在理論方面提出了很多方法，如前饋補(bǔ)償算法解耦、等價(jià)傳遞函數(shù)解耦、對(duì)角矩陣解耦、模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦等，這些算法通過(guò)數(shù)學(xué)建模和仿真，都驗(yàn)證了各自的優(yōu)越性；而理論方法應(yīng)用于實(shí)踐時(shí)，都要經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)采樣離散化，離散化之后會(huì)出現(xiàn)意想不到和難以解決的問(wèn)題。前饋補(bǔ)償算法是一種理論和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性較強(qiáng)的方法。本文利用前饋補(bǔ)償算法、MatLab GUI功能和PLC設(shè)計(jì)溫室系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)，并利用上位機(jī)Matlab實(shí)現(xiàn)溫室系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償解耦算法，克服PLC程序設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的缺點(diǎn)。經(jīng)過(guò)運(yùn)行證明：該系統(tǒng)克服了單一的溫度和濕度的控制缺點(diǎn)，保證了溫室系統(tǒng)中的關(guān)鍵生長(zhǎng)環(huán)境因子的穩(wěn)定性，提高了溫室系統(tǒng)整體的效率[1-2]。

1前饋補(bǔ)償解耦算法

溫室系統(tǒng)中的生長(zhǎng)環(huán)境有溫度、濕度和二氧化碳濃度等多種因子，比較關(guān)鍵的因子是溫度和濕度。所以，溫室系統(tǒng)可以看成一個(gè)二維變量的耦合系統(tǒng)，如圖1所示。其中，T、H為溫度和濕度輸入變量，YT和YH為溫度和濕度控制輸出，G11、G21、G12、G22為溫室系統(tǒng)等價(jià)模型的傳遞函數(shù)。從圖1中可以看出：溫度輸出YT由兩個(gè)通道組成，分別是溫度T直接通過(guò)G11控制和濕度H間接通過(guò)G12影響。同理，濕度輸出YH也類(lèi)似，只和輸入量H有關(guān)系，和輸入量T沒(méi)有關(guān)聯(lián)。

圖1　溫室系統(tǒng)等價(jià)模型

前饋補(bǔ)償算法是設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償裝置，通過(guò)補(bǔ)償裝置也就把原有耦合的輸入輸出關(guān)系解耦成單一的輸入輸出關(guān)系。即把原有傳遞函數(shù)進(jìn)過(guò)運(yùn)算后變成新的傳遞函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)角線(xiàn)以外的變量歸零。現(xiàn)利用前饋補(bǔ)償解耦算法，在圖中增加前饋補(bǔ)償解耦控制器的傳遞函數(shù)P12、P21，如圖2所示[3]。

圖2　前饋補(bǔ)償解耦溫室系統(tǒng)模型

根據(jù)圖2建立方程式為

(1)

整理式(1)得到

(2)

分析式(2)，輸出YT由T和H的多項(xiàng)式組成，若要消除H對(duì)YT的耦合，必須P12G11+G12=0；同理，對(duì)于YH，P21G22+G21=0，所以有

(3)

根據(jù)此方法，可以推廣到三通道和四通道的變量解耦。對(duì)于高維的耦合系統(tǒng)，該方法計(jì)算量會(huì)增大；但對(duì)于溫室系統(tǒng)，計(jì)算簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

2仿真示例

2.1解耦仿真

現(xiàn)有近似溫室系統(tǒng)模型為例[4]，其傳遞函數(shù)為

經(jīng)過(guò)式(3)運(yùn)算后，得到

(4)

在MatLab里建立溫室系統(tǒng)的仿真模型，給定[10,0]的階躍信號(hào)，分為兩個(gè)步驟：第1步是直接對(duì)未解耦的近似傳遞函數(shù)模型進(jìn)行仿真，得到如3所示的波形。從圖3上可以看出：盡管只給了溫度信號(hào)，但因耦合的原因，濕度YH信號(hào)也受到了影響。

圖3　輸入為[10,0]時(shí)未解耦溫室系統(tǒng)的響應(yīng)

第2步以式(4)得到的P12和P21，通過(guò)前饋解耦算法加入解耦函數(shù)對(duì)溫度通道進(jìn)行仿真，得到如圖4的波形。通過(guò)對(duì)圖4分析可知：濕度YH未受到溫度信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)了解耦。同理，當(dāng)給濕度通道增加解耦函數(shù)時(shí)，給定[0,10]的階躍信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的解耦；若同時(shí)加入溫度和濕度兩通道的解耦函數(shù)，給定[10,10]的階躍信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)溫度YT和濕度YH兩通道的解耦。

圖4　輸入為[10,0]時(shí)解耦溫室系統(tǒng)的響應(yīng)

2.2PID前饋解耦控制器

通過(guò)MatLab建立溫室系統(tǒng)的PID解耦模型[5-6]，如圖5所示。該模型由近似傳遞函數(shù)、式(3)求出的解耦函數(shù)及常用PID控制器組成。給定[10,10]的階躍信號(hào)，仿真波形如圖6所示。從圖6中可以看出：在PID參數(shù)P=10、I=2的調(diào)整下，溫度和濕度很快響應(yīng)到目標(biāo)值，超調(diào)量幾乎為零，實(shí)現(xiàn)了溫室系統(tǒng)溫度和濕度的完全解耦，證明了前饋補(bǔ)償解耦算法的簡(jiǎn)單實(shí)用性。

圖5　PID前饋解耦溫室系統(tǒng)模型

圖6　PID前饋解耦仿真波形

3PLC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1算法實(shí)現(xiàn)

目前，在實(shí)際應(yīng)用中，算法的實(shí)現(xiàn)多是通過(guò)單片機(jī)、PLC和LabView等工業(yè)工具進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，但是此類(lèi)工具實(shí)現(xiàn)算法存在局限性：一是先進(jìn)復(fù)雜的算法難以用C語(yǔ)言、梯形圖等語(yǔ)言編制；二是先進(jìn)算法一般是基于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(如傳遞函數(shù)等)，轉(zhuǎn)化成實(shí)際算法時(shí)要進(jìn)行離散化。系統(tǒng)一旦離散化會(huì)出現(xiàn)意想不到的問(wèn)題，在精確度和穩(wěn)定性方面都受到影響。溫室系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　溫室系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)工業(yè)組態(tài)和觸摸屏等上位機(jī)只能設(shè)計(jì)控制界面(如一些按鍵和顯示相應(yīng)的參數(shù)值和曲線(xiàn)等)，無(wú)法完成復(fù)雜計(jì)算。MatLab軟件除可建模仿真外，還具有非常快速的數(shù)值計(jì)算能力，容易編寫(xiě)復(fù)雜的算法，且可以利用里面的GUI功能設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)組態(tài)軟件。

3.2數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)

圖7中，MatLab GUI作為溫室系統(tǒng)的上位機(jī)界面，一方面實(shí)現(xiàn)溫室系統(tǒng)的加熱、降溫和加濕等執(zhí)行動(dòng)作；另一方面顯示溫室系統(tǒng)的溫度和濕度等動(dòng)態(tài)參數(shù)，用戶(hù)可以查看當(dāng)前和過(guò)去的參數(shù)歷史曲線(xiàn)。在MatLab GUI和S7-200PLC之間是采用OPC(OLE for Process Control)，用于過(guò)程控制的OLE一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。OPC服務(wù)器由服務(wù)器、組和數(shù)據(jù)項(xiàng)3類(lèi)對(duì)象組成，通訊方式如圖8所示[7-8]。

圖8　通訊方式

3.3實(shí)踐運(yùn)用

溫室系統(tǒng)解耦控制器硬件設(shè)計(jì)PLC選用s7-200，帶有模擬量信號(hào)輸入輸出控制模塊EM235；溫度傳感器采用PT100，濕度傳感器采用西門(mén)子QFM3171D。PLC程序設(shè)計(jì)一般采用梯形圖編寫(xiě)，缺點(diǎn)是復(fù)雜的算法難以實(shí)現(xiàn)，或是運(yùn)行效率會(huì)下降很多。因?yàn)榍梆伣怦钏惴ㄒ言贛atLab里完成，所以PLC僅作為信號(hào)的采集、處理和完成相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，整體編程難度下降很多。

由上述原理設(shè)計(jì)了一臺(tái)PLC解耦控制器，上位機(jī)運(yùn)行界面如圖9所示。

圖9　溫室系統(tǒng)運(yùn)行界面

由圖9可知：溫室系統(tǒng)可以查看24h溫度、濕度和光照曲線(xiàn)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前值。由于該系統(tǒng)設(shè)置了蔬菜品種在白天和夜間的適宜生長(zhǎng)溫度值分別為15℃和25℃，根據(jù)溫度曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定控制設(shè)置值的溫度，數(shù)據(jù)波動(dòng)控制在2%范圍之內(nèi)。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的反應(yīng)能力，在14:00人為加濕來(lái)降低溫度至22℃，系統(tǒng)立刻開(kāi)啟加熱設(shè)備，在15:00 已經(jīng)調(diào)制至25.5℃，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具備快速的響應(yīng)速度和很好的穩(wěn)定性。

4結(jié)束語(yǔ)

把前饋補(bǔ)償解耦算法應(yīng)用在溫室系統(tǒng)中，進(jìn)一步驗(yàn)證了該算法的簡(jiǎn)單實(shí)用性，如推廣到三維等多維空間系統(tǒng)中，只要聯(lián)立相應(yīng)的維數(shù)方程組，在MatLab中求出解耦矩陣即可。PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用工業(yè)控制中，優(yōu)點(diǎn)也非常明顯，能夠很好地控制多個(gè)單一的閉環(huán)控制系統(tǒng)；但是涉及到大型的現(xiàn)場(chǎng)控制，設(shè)計(jì)先進(jìn)、復(fù)雜的算法時(shí)，難以在梯形圖中體現(xiàn)出來(lái)。因此，利用MatLab強(qiáng)大的計(jì)算能力完成復(fù)雜的解耦算法，并利用其GUI設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，與PLC進(jìn)行通訊(Matlab2010版以上)，填補(bǔ)了理論仿真和項(xiàng)目實(shí)踐的缺口，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)算法在大型系統(tǒng)中的應(yīng)用。

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Decoupling and PLC Controller Design in Greenhouse Based on Feed Forward Compensation Algorithm

Fu Huansen1,2, Li Yuangui1

(1.School of Ship & Mechanical & Electrical Engineering, Taizhou College, Taizhou 225300, China; 2.Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry of the Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Abstract：The feed forward compensation algorithm based on the greenhouse has been studied in this paper with the purpose resolving the problem that the key factors are difficult and inefficient to control because of its nonlinear, time-delay and decoupling characteristics. According to this algorithm, the two dimensional inputs of temperature and humidity have been decoupled and simulated in the Matlab with the results that the algorithm has a good quality of practice and efficiency.Based on the theoretical results, the PID decoupling controller and display interface have been designed.Several typical greenhouse examples are employed to demonstrate effectiveness and simplicity of this design controller ensuring stability of the key factors in control processes.

Key words：greenhouse; feed forward compensation; decoupling algorithm; PLC; Matlab GUI

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0205-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S625.1；TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：付煥森(1982-)，男，江蘇興化人，講師，江南大學(xué)博士研究生，(E-mail)fuhuansen@163.com。

基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(14KJB510033)

收稿日期：2015-01-14