温室环境控制系统的mpt智能算法

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1、万方数据2009年2月农机化研究第2期温室环境控制系统的MPT智能算法王风云1，赵一民2(1．山东省农业科学院科技信息工程技术研究中心，济南250100；2．山东胜利生物工程园质量保证部，济南250101)摘要：针对温室环境的大滞后、多输入、多输出、非线性和难以建立数学模型等特点，对传统的PID算法进行改进，并加入自适应控制、模糊控制和专家自整定等智能控制功能，建立了MPT智能控制算法。在论域内用不同控制方式分段控制，当偏差大于某一域值时，根据操态选择模糊控制，不存在抗饱和积分问题，使用模糊控制

2、规则确定输出；当偏差减小到域值以下时，切换转入MPT算法控制，减小响应过程中的超调，并最终消除余差。该算法具有无超调、控制精度高和鲁棒性强等特点。。关键词：温室；MPT算法；智能控制；模糊控制中图分类号：8625．5+1文献标识码：A文章编号：1003—188X(2009)02—0044—030引言现代温室是近年来发展起来的一种资源节约型的高效农业技术，配备有遮阳、降温、加温和通风换气等配套设备，栽培床、灌溉施肥和照明补光等栽培设施，并有环境调控的控制设备等。温室智能控制系统根据农业生产需求，使

3、用传感器、自动化和控制理论等知识，创造适宜于作物生长的环境，实现优质、高效和低耗的工业化规模生产。温室智能控制系统的控制对象为温室环境系统，其结构如图1所示。图1中描述了温室环境的温度、湿度和CO：浓度受外界气候的影响、温室环境与作物相互作用的影响以及温室环境受控制作用的影响⋯。从图1中可以看出：温室环境控制系统是一个多输入、多输出和强耦合的复杂系统，受外界环境的干扰非常大。温室控制系统的控制精度除了与系统硬件有关以外，还与其控制算法有着密切关系。只有采用合理的控制算法，才能使温室环境的综合因子

4、达到最优的控制效果，才能使温室控制系统达到智能化的水平旧J。本文提出了一种新型的Mlrf智能控制算法，对PID算法加以改进和保留，并加入自适应调节规则、模糊控制和自整定专家系统。采用在论域内用不同控制方式分段控制，当偏差大于某一域值时，采用模糊收稿日期：2008一03—3l基金项目：山东省农业科学院青年科研基金项目(2006YQN052)；山东省农业科学院高技术自主创新基金项目(2007)作者简介：王风云(1974一)，女，山东肥城人，助理研究员．硕士，(E—mail)wangfy@哪．ac．c

5、n。控制，不存在抗饱和积分问题，使用模糊控制规则确定输出；当偏差减小到域值以下时，切换转入MPT，减小响应过程中的超调，并最终消除余差。其特点是不需要考虑被控对象的精确模型，对温室这种难以建立精确数学模型、大滞后、多输入、多输出和强耦合的复杂系统特别适用。圆圈彳早lI回fI臣习匝砭耗／，／，＼＼／回图囱囱亩图l温室气候模型示意图Fig．1Model0fgreenhousewearthersketchmap1MPT算法室外气候条件温室控制常规的PID控制算法就是对偏差的比例、积分和微分作用。数学表

6、达式∞1为v(t)=g。e㈩+Kc寺ifo'e㈤¨≮L警式中疋一比例放大倍数；I一积分时间；瓦一微分时间。万方数据2009年2月农机化研究第2期算法构成简单表示为输出：比例作用(P)+积分作用(，)+微分作用(D)(1)在常规PID控制系统中，减少超调和提高控制精度是难以两全其美的，这主要是积分作用有缺陷造成的。如果减少积分作用，则余差不易消除，而且有扰动时，消除误差速度变慢；当加强积分作用时，振荡过程加剧，又难以避免超调。因此，对PID算法部分加以改进为输出=比例作用(P)+积分作用(，)+微

7、分作用(妇)+微分积分作用(J，)(2)由于增加了微分积分作用，所以使常规PID算法中的积分饱和现象得到较大缓解。不过从式(2)中可以看到：原有参数已经较难确定了，又增加了一个新参数(fJr)，这些参数必然互相影响，使得新参数更加难以确定。经过认真研究和实验分析，比例作用与微分作用的比值和积分作用与微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用与微分作用的最佳比值同控制对象的滞后时间有关。滞后时间越大，则比例作用响应减少，而微分作用响应增加。两者存在的关系如下比例作用=K(1／t)(3)微分作用=K(

8、1—1／t)d(4)式中K一系数；f一滞后时间与控制周期的比值，取t≥l；d一微分作用。由此得出PID改进算法公式为‘输出=P[1／t+(1—1／t)d]+(1／M)f[1／z+(1—1／t)d](5)J在式(5)中，P用于调整微分和比例的大小，P增加，相当于同时将微分时间增加及减少比例带；反之，P减少，相当于同时将微分时间减少和增大比例带。肘类似积分时间，可用于调整积分和微分积分的大小，t用于调整微分与比例的相互比例成分。如果t=1，则微分作用为0；如果M=0，则积分作用为0。这样，控制参数又