基于PLC 模糊控制的小型花卉玻璃溫室溫度控制

葉 超 姚文斌 萬 航

（浙江經濟職業技術學院，浙江 杭州 310016）

0 引言

我國是一個有著悠久農業種植歷史的國家， 但我國的農業都是傳統模式， 國內的溫室種植起步時間較晚， 一直到20 世紀60 年代才開始引進和建造了全國第一個塑料大棚溫室，且規模很小。 經過這幾十年的發展，雖然溫室種植的數量已經增加了很多，但是其智能化程度并沒有跟上，還處于科技含量比較低的層次。 因此，迫切需要一個具有高效益且成本比較低的溫室。

小型花卉玻璃溫室對溫度的控制是一個非常復雜的問題，且具有很大的變化性、非線性，其中隨機性也非常強，因此很難去建立一個完整的數學模型。 傳統的控制方式都無法很精準地控制玻璃溫室內的溫度變化，而模糊控制無須提前建立數學模型，根據實際發生的變化，利用使用人員的經驗，就可以對其進行控制。

1 模糊控制器的設計

1.1 模糊控制系統的組成

模糊控制又被稱為模糊邏輯控制，它是一種以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術[1]。 模糊控制器是一種非常容易被掌控的非線性控制器，該控制器的魯棒性和適應性很好，同時該控制器的容錯率也很高[2]。 模糊控制器的理論化操作步驟如圖1 所示。

圖1 模糊控制器示意圖

模糊控制器的控制規律是用計算機的程序來完成，實現一步模糊控制算法的過程是：計算機采樣獲得被控制量的準確值， 然后將該控制量與給定值對比得到誤差信號E； 一般選用誤差信號E 作為模糊控制器的一個輸入量， 將誤差信號E 的精準量進行模糊量化轉化成模糊量， 誤差信號E 的模糊量可以用對應的模糊語言說明； 然后得到誤差E 的模糊語言集合的一個子集e；然后利用合成規則對子集e 和模糊控制規則R進行模糊決策，從而可以獲得模糊控制量u，u=Er[3]。

1.2 溫室溫度模糊控制器設計

模糊控制器是根據人對目標環境的操控來進行模擬的，在玻璃溫室的真實環境中，需要使用人員時刻監控著溫度的變化， 根據溫度變化進行平臺的操作，來實現準確的溫度控制[4]。 然而，對于小型花卉玻璃溫室，對于溫度變化的控制需要更快的反應，且穩定性要高，因此，需要建立一個模糊控制平臺來實時監視玻璃溫室內的溫度變化。 本文建立的模糊控制平臺根據實時監控獲得小型花卉玻璃溫室的室內溫度參數t，將該參數t 與最優化的溫度做一個減法，可以得到參數誤差e， 經過模擬控制平臺中的多個參數的模糊控制（過程為模糊化—模糊推理—逆模糊化），得到參數u[5]。 作用到被控制的對象上，讓該目標可以迅速地調整小型花卉玻璃溫室中的溫度，如圖2 所示。

圖2 小型花卉玻璃溫室模糊控制系統流程圖

1.3 輸入模糊化

本文使用了Matlab 軟件來建立模糊控制系統的模型， 對模糊溫度控制做出仿真使用了Matlab 中的simulink 功能。 根據玻璃溫室溫度控制系統條件的需要，可以得到輸入量為玻璃溫室內真實溫度t，反饋數據真實溫度和目的溫度的偏差e， 輸出量為控制溫度u。 接著對，溫度區域進行模糊化和逆模糊化處理。

根據試驗的真實情況分析，得到了e 與t 的 范圍是 [-20,20]，[0,40]。 由于溫度控制系統的操控精度問題，本文對e 與t 都采用了7 個模糊子集合的劃分，獲得了7 個模糊子集合輸入情況和所屬的示意圖。

圖3 溫度偏差的模糊子集合與歸屬函數

其中，Z 為零，PS 為正小，PM 為正中，PB 為正多，NS 為負小，NM 為負中，NB 為負多。

按照溫度偏差的模糊集與隸屬度函數示意圖，從上面可以獲取e 的取值，見表1 所示。

溫度偏差的模糊子集與隸屬度函數如圖4 所示。

圖4 真實溫度的模糊集合歸屬函數

其中，Z 為零，PS 為正小，PM 為正中，PB 為正多，NS 為負小，NM 為負中，NB 為負多。

根據溫度偏差的模糊集與隸屬度函數示意圖，從上面可以獲得e 的 取值，如表2 所示。

1.4 輸出逆模糊化

輸出量為溫度控制參數u，定義其范圍為[-20,20]，與 輸入模糊化相同，u 也有7 種模糊子輸出情況，輸出量u 的歸屬度函數如圖5 所示：

表1 迷糊偏差e 模糊控制的取值表

表2 真實溫度t 模糊控制的取值表

圖5 輸出u 的歸屬度函數

其中，Z 為零，PS 為正小，PM 為正中，PB 為正多，NS 為負小，NM 為負中，NB 為負多。

根據真實溫度的模糊集與隸屬度函數示意圖，從這里可以得到真實溫度的取值表，如表3 所示。

表3 真實溫度t 模糊控制的 取值表

1.5 模糊規則

根據人工控制的策略和獲得的數據，構建了與實際溫度范圍相似的模糊規則，通過仿真與調整，最終得到了如下的模糊規則，如表4 所示。

表4 模糊規則

將表1、表2、表3、表4 的數據相結合，采用最大隸屬度法，就可以得到控制子集的相應量化，如表5所示。

表5 輸出u 的模糊控制規則量化表

2 結語

為驗證本文的模糊控制系統的準確性， 采用了Matlab 軟件進行仿真，經仿真得出結果，如圖6 所示，采用模糊控制的控制系統具有反饋速度最快、控制的準確性高、穩定性強的優點，在達到預期溫度的時候可以忽略其中的超調量。 由于模糊控制系統的適用性極強，所以只要修改部分參數，就可以控制其他的對象。 因此，該控制系統能極大的應用到不同種類的花卉玻璃溫室當中。

圖6 溫度控制圖像