果蔬溫室溫度智能自適應控制

錢雅楠，陳吉，許癸駒

重慶工程學院（重慶 400000）

隨著工業控制技術和農業生產技術的快速發展，農作物溫室溫控技術在國內外得到廣泛應用[1-2]。溫室溫控技術作為國家在農業種植領域的重要研究課題，我國對農作物測控技術進行大量研究，并取得重要成果。溫室作為發展農業經濟的一個重要載體，內部通常種植經濟效益高的反季或抗寒能力差的果蔬。

番茄、黃瓜等果蔬是中國主要蔬菜品種，也是冬季重要的反季農作物。這些果蔬對于溫室溫度非常敏感，晝夜溫差控制合適通常會大幅提高溫室果蔬產量，反之溫度控制精度波動大會嚴重響應果蔬產量，因此需要對溫室溫度進行高精度控制[3-4]。溫室溫度控制通常采用PID進行調節，即設定一個溫室目標溫度，通過溫度傳感器采集溫室溫度，通過比較目標溫度與采集到溫度偏差大小，對PID輸出進行調節，進而控制溫控設備開關。

溫室環境通常是一個非線性、時滯性、時變性復雜系統，傳統PID控制方法雖然成本低、控制方式簡單，但傳統PID控制方法參數固定不變，遇到復雜系統時，通常與目標溫度誤差較大、控制精度也較低，無法根據溫室環境進行自適應調整，環境適應性較差。

模糊控制規則不依賴于被控對象精確的數學模型，易于實現。模糊控制理論是將溫度設定值與采集值偏差及偏差率分成不同的模糊值，建立模糊規則表，通過條件語句形成模糊模型，根據模糊查表法形成模糊控制算法。

為了提高室溫溫度控制自適應性，提高溫度控制精度，基于模糊控制理論提出一種符合溫室果蔬種植的高精度智能控制算法。仿真結果表明，該控制方法超調量小、收斂速度快，能有效改善傳統PID控制精度低、自適應性能差等缺點。

1 溫度閾值計算

為了對室溫大棚溫度進行精確控制，需要確定溫度閾值。王健等[5]、袁洪波等[6]基于溫度積分算法的溫室環境控制方法中，提出溫度積分法解決傳統閾值設置方式單一、對外部環境自適應能力差等問題，該算法結構簡單、能耗低。因此，采用溫度積分法計算溫度閾值，果蔬在生長過程中在時間段P（1，2，…，n）平均溫度TP為：

式中：T(t)為溫室一天中任意時刻的溫度。

由式（1）可得：

式中：Tdj為溫室內實際平均溫度；Ted為平均目標溫度。

由平均目標溫度Ted對TP進行替代得到Ted的數學模型：

式中：t為當前日期；Ti(t)為實際的日平均氣溫。

為提高控制精度，將天數細分為多個時間段，假設總共分為N個時間段，那么可得第n個時間段的目標溫度：溫室內溫度低于Ten時，則溫度不適于果蔬生長所需的積溫要求，因此需要控制溫控器進行加溫，因此該數值可作為溫度控制的界限值。

2 模糊PID控制算法

模糊控制理論因其不依賴于精確數學模型，在非線性、時滯性、時變性系統中具有重要作用。由于溫室溫控制系統復雜多變，提出一種模糊免疫PID控制方法，進而提高溫室溫控系統的自適應性。傳統PID控制器結構如圖1所示。

圖1 傳統PID控制器結構

PID控制數學模型為：

PID改進后數學模型為：

PID比例項為：

為使傳統PID控制器具有自適應性，提出一種基于模糊免疫的PID溫室溫度控制器，模糊免疫PID控制器結構如圖2所示。其中，比例系統kp由式（7）進行調節，積分系數ki和微分系數kd由模糊控制理論進行實時調節[7-8]。

圖2 模糊免疫PID控制器

為提高系統的抗干擾能力，在模糊控制中引入免疫理論，k代抗原數目為ε(k)，TH細胞輸出為TH(k)，TS對細胞影響為TS(k)，則TH細胞可接收到的總刺激為：

式中：TH(k)=k1ε(k)，TS(k)=k2f(Δs(k))ε(k)。

假設溫度偏差e(k)可由ε(k)獲得，u(k)為S(k)的輸入量，則有：

式中：kp1=K{1-ηf[u(k)，Δu(k)]}；K為控制器響應速度，η為控制器穩定系數，且滿足K=k1，η=k2/k1。

模糊免疫PID控制器輸出為：

式中：k^i=kp1ki，k^d=kp1kd。

3 仿真分析

為驗證基于模糊免疫PID控制器在室溫溫控系統中的有效性，使用Matlab仿真軟件進行仿真分析。分別對傳統PID控制、模糊PID控制及模糊免疫PID這3種控制器分別進行仿真，通過對比3種控制器的超調量、穩定周期及控制精度，確定模糊免疫PID控制器的優勢，如圖3所示。

結果表明，目標溫度設定25℃，傳統PID控制器超調量約45%，且溫度出現明顯超調，最大超調35℃，經過1 500 s系統才趨于穩定；模糊PID控制器相較于傳統PID控制器超調量明顯減小，約13%，調節時間約600 s；而提出的模糊免疫PID控制器能迅速達到目標溫度，且超調量明顯減小，在500 s時便可趨于穩定。基于模糊免疫的PID控制器具有更好的動靜態特性，能夠顯著提高果蔬溫度控制精度。

圖3 仿真曲線

4 結語

為提高果蔬溫室大棚溫度控制精度，提出一種基于模糊免疫PID溫室溫度控制方法，給出方法的詳細設計過程，通過模糊免疫實現傳統PID參數的自適應在線調整。通過Matlab對該算法進行仿真，仿真結果表明，方法相比于傳統PID控制和單純模糊PID控制超調量更小、響應速度更快，穩態誤差更小。控制方法能有效適應溫室大棚的非線性、時滯性、時變性特點，能顯著改善果蔬溫室溫度控制效果。