基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的番茄室溫環(huán)境控制

胡香玲，李春林

鄭州電力高等專科學(xué)校（鄭州 450000）

隨著中國農(nóng)村農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸由傳統(tǒng)的粗放經(jīng)營模式向現(xiàn)代集約自動(dòng)智能型經(jīng)營模式轉(zhuǎn)變[1-2]。溫室作為一種重要的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化食品種植方式，溫室中種植的大部分是具有客觀的經(jīng)濟(jì)效益的反季或抗寒能力較差的果蔬[3-4]。

番茄作為主要的蔬菜食品之一，也是中國北方溫室主要培育的農(nóng)作物。番茄因其對(duì)溫室溫度、濕度及CO2濃度均比較敏感，合適的條件能顯著提高番茄產(chǎn)量，相反如果條件變化較大、控制精度低，則嚴(yán)重影響番茄品質(zhì)和產(chǎn)量，因此對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行有效控制對(duì)于提高番茄品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

為對(duì)室溫環(huán)境進(jìn)行有效控制、提高產(chǎn)品品質(zhì)，大多數(shù)溫室大棚控制器采用傳統(tǒng)PID控制算法[5-8]。但是溫室環(huán)境控制往往具有時(shí)變性和滯后性，如何實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境精確控制成為一個(gè)亟需解決的問題。傳統(tǒng)PID控制算法結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、使用面廣，不過無法較好處理時(shí)變和滯后類問題，因此控制效果一般。針對(duì)傳統(tǒng)控制方法不足，眾多專家將智能控制算法引入到傳統(tǒng)PID控制算法中，實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)在線可調(diào)。如鄧娜等利用模糊算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定，提高控制精度，降低響應(yīng)時(shí)間，具有很強(qiáng)的魯棒性。李勇等提出一種基于優(yōu)化PID的控制方法，PID的控制參數(shù)通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行優(yōu)化。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的番茄溫室環(huán)境控制方法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自我學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)的在線調(diào)整。仿真結(jié)果表明，該控制方法能顯著提高系統(tǒng)收斂速度，提高溫室環(huán)境控制精度。

1 溫室系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的番茄溫室環(huán)境智能控制主要通過可編程控制器PLC實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)主要采用模塊組合控制方式，利用PLC強(qiáng)大的運(yùn)算、功能塊能力及模擬量精確采集能力，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的多功能控制。番茄生長過程中主要受溫室中的溫度、濕度、CO2濃度等因素影響，為此設(shè)計(jì)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)主要是針對(duì)上述影響番茄生長因素進(jìn)行精確控制。溫室環(huán)境溫度控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。室溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由溫度采集傳感器、濕度采集傳感器、CO2濃度采集傳感器等組成，上述傳感器將采集信息傳送到松下PLC模擬量采集模塊中，經(jīng)過模擬量采集模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)存放在PLC數(shù)據(jù)寄存器中。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由PLC CPU調(diào)用智能PID運(yùn)算模塊，將PLC中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過智能PID控制算法PLC發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，并對(duì)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。溫調(diào)系統(tǒng)主要通過加熱和降溫2種方式進(jìn)行配合，溫室溫度過低時(shí)通過管道傳熱方式進(jìn)行，需要降溫時(shí)打開風(fēng)機(jī)等降溫設(shè)備進(jìn)行降溫。

圖1 溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 溫室控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)番茄溫室大棚溫控系統(tǒng)智能化控制，整個(gè)系統(tǒng)分為2種控制模式，分別為自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式；自動(dòng)模式即通過控制器及傳感器實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化智能控制，手動(dòng)模式即通過人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動(dòng)分別控制。

溫室溫控系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦、人機(jī)觸摸屏、PLC及各種傳感器組成，遠(yuǎn)程電腦主要通過USB轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器與PLC實(shí)現(xiàn)通信，上位機(jī)觸摸屏與PLC由RS232串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。溫室控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。上位監(jiān)控系統(tǒng)主要由PC機(jī)完成，通過組態(tài)王軟件進(jìn)行組態(tài)編程，將溫室控制系統(tǒng)中各種參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)控。PLC主要負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并將其數(shù)據(jù)在人機(jī)觸摸屏上進(jìn)行顯示，通過PLC中編寫的智能控制算法確定控制輸出值，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開啟和關(guān)閉。

在選擇PLC時(shí)，確定PLC的輸入和輸出點(diǎn)數(shù)，番茄溫室溫控系統(tǒng)輸入有17個(gè)輸入，15個(gè)輸出。為預(yù)留一部分I/0點(diǎn)數(shù)，以便系統(tǒng)在增加輸入輸出時(shí)使用，同時(shí)考慮番茄溫室環(huán)境惡劣，經(jīng)常需要更換控制器，因此選擇模塊式PLC，選擇松下FP-XC60R PLC，可編程控制器擁有24 V DC輸入32點(diǎn)，2A繼電器輸出28點(diǎn)，該P(yáng)LC可實(shí)現(xiàn)多個(gè)I/0模塊擴(kuò)展，以及多路模擬量數(shù)據(jù)采集。該機(jī)型采用的供電電源為交流110 V/220 V電源、內(nèi)部的供電是直流24 V電源輸入。模擬量采集模塊為AFP0RAD8，該模塊擁有8路輸入，可實(shí)現(xiàn)0～20 mA模擬量采集。溫度的測量選擇PT1000溫度傳感器進(jìn)行測量，在松下FP-XC60R內(nèi)部通常會(huì)將模擬量先轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中。

圖2 溫室控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

為實(shí)現(xiàn)番茄溫室各種環(huán)境因素的穩(wěn)定控制，通常采用PID控制算法進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控制，PID控制雖然結(jié)構(gòu)簡單，但對(duì)于番茄溫室控制存在各種復(fù)雜的情況，就溫室溫度控制，由于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型建立較為困難，同時(shí)存在很多的環(huán)境變化，PID控制器參數(shù)又固定不變很難應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境[9-11]，為提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。RBF-PID溫度控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 RBF-PID控制器結(jié)構(gòu)

對(duì)于PID控制器，以設(shè)定值r(k)和實(shí)際反饋值y(k)之間的偏差e(k)作為輸入，即：

常規(guī)增量式數(shù)字PID控制算法可描述為：

式中：Kp為比例系數(shù)、Ki為積分系數(shù)、Kd為微分系數(shù)，這幾個(gè)參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器的性能指標(biāo)函數(shù)可定義為：

采用迭代算法，具體表達(dá)式為：

其輸出u(k)可表示為：

式中：η為學(xué)習(xí)速率；α為動(dòng)量因子。

Kp、Ki、Kd這3個(gè)參數(shù)采用梯度下降的方法進(jìn)行調(diào)整：

式中：

4 仿真分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的番茄溫室控制系統(tǒng)的有效性，以溫室溫度控制為研究對(duì)象進(jìn)行仿真分析。番茄溫室溫度因其是一個(gè)非線性、時(shí)變性系統(tǒng)。因此選用一階慣性函數(shù)對(duì)溫室溫度控制數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，其傳遞函數(shù)為：

采用單純PID控制器和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器對(duì)其進(jìn)行分別仿真，仿真曲線如圖4所示。系統(tǒng)在初始階段，PID出現(xiàn)較大的超調(diào)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器能夠在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，且超調(diào)量很小。當(dāng)系統(tǒng)被控對(duì)象在300 s出現(xiàn)干擾時(shí)，PID控制器出現(xiàn)明顯波動(dòng)，且穩(wěn)定時(shí)間較長。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器超調(diào)量很小，能在很短時(shí)間快速達(dá)到穩(wěn)定。由此可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器擁有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，具有良好的魯棒性及抗干擾能力，其控制性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。

圖4 仿真曲線

5 結(jié)語

為提高番茄溫室溫度、濕度、CO2濃度等參數(shù)的控制精度以及提高其穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的番茄溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)。針對(duì)溫室大棚控制要求對(duì)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用PC機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)中參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，由PLC完成數(shù)據(jù)采集及邏輯控制。針對(duì)傳統(tǒng)PID控制效果不理想，在傳統(tǒng)PID控制中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整。仿真結(jié)果表明，該控制器能顯著提高溫室環(huán)境控制精度，提高系統(tǒng)魯棒性和自適應(yīng)性。