温室温度变论域Mamdani控制器的设计.pdf

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1、12化工自动化及仪表第43卷温室温度变论域Mamdani控制器的设计王华强过一涵(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230009)摘要温室温度系统是一个非线性、大时滞、大惯性的系统，很难建立精确的数学模型。针对这个问题设计了Mamdani控制器，并结合变论域的思想，实现了温室环境温度的有效控制。在Matlab中的Simulink环境下，对变论域Mamdani控制器的控制方法和常规PID控制进行仿真对比。仿真结果表明：运用变论域Mamdani控制器可以提高系统控制的精度和鲁棒性，实现对温室温度的精确控制。关键词温室温度系统变论域Mamdani控

2、制器模糊控制中图分类号TP273文献标识码A文章编号1000-3932(2016)0l一0012—04自古以来，中国都是一个农业大国。然而如今随着时代的发展和科技的进步，传统的农业生产模式已经不能满足当代生产的需要，这使得越来越多的人开始关注新型的设施农业。中国有广袤的土地，但真正适合种植的土地比例却不高，而且四季交替和时而的极端天气(如台风、雪灾等)都会对农业生产造成不好的影响。温室设施的出现，在某种程度上解决了这些问题，减小了自然环境对农作物生长的制约，而且提高了生产效率，也符合农业现代化生产的标准。因此，温室设备受到人们广泛的研究⋯。如今，

3、一个标准的温室大棚项目主要分为材料、技术、施工和售后4个层面。笔者主要从技术层面中的主要控制因素(温度控制)方面考虑。温室温度系统是一个非线性、大惯性、大时滞系统。针对这类系统，文献[2]提出了一种模糊PID控制算法，并将其成功运用到加热器温控系统中。但这种算法的模糊规则数目繁多，对于规则制定者的要求很高。基于此，并结合北方冬季温室的实际情况，笔者提出一种新的算法来对温室温度进行有效控制。1温室温度物理模型的建立实际的温室系统是个复杂的系统，它里面包含温度、湿度、二氧化碳浓度及光照强度等诸多因子，这些因子都是影响农作物生长的因素。所以需要对其进行

4、控制，使农作物保持一个良好的生长状态，但笔者仅就温度因子这一主要因子进行研究。简化的温室系统框图如图1所示。图1简化的温室系统框图为了便于物理模型的建立，作如下符合逻辑且影响不大的假设：a．假设温室外各覆盖材料的温度是均匀分布的。b．假设温室各覆盖材料不储存温度。O．假设温室各壁面对热辐射的吸收率为固定常数。d．假设所有参与热辐射的表面为“漫一灰”表面(前者指各向同性的表面，即辐射、反辐射性质与方向无关；后者指表面的辐射光谱与同温度黑体的辐射光谱相似，或表面的单色吸收率不随波长而变化，是一个常数)。除此之外，对于温室各侧墙的热传导口J，采用固定传

5、热系数加以运算。通过参考文献[4]可得，通过拉普拉斯变换，温室的温度物理模型可简化为：G㈤=器=熹exp㈠∽(1)收稿日期：2015-05—13(修改稿)基金项目：合肥工业大学产学研校企合作项目(13-214，12—069)第1期王华强等．温室温度变论域Mamdani控制器的设计13式中K、丁——常数系数；Ti(s)——温室内的平均温度；r。(s)——温室内加热管道内蒸汽的平均温度；丁。——延迟时间。从式(1)可以看出，温室温度控制对象的理想模型为一阶非线性、大惯性、大时滞系统。考虑到温室温度控制对象的这些特性，笔者提出一种基于变论域思想的Mam

6、dani模糊控制器，来实现有效控制。2Mamdani模糊控制器Mamdani模糊控制器¨1是一种典型的二维F控制器。它是在1973年，由英国的Mamdani教授在指导博士学生研究小型锅炉——蒸汽机系统时首次提出的。二维Mamdani控制器的基本组成原理如图2所示。I⋯⋯一劐塑焦型堡垒⋯⋯．j图2二维Mamdani模糊控制器原理其中，仙表示隶属函数库，R表示规则控制库，fd表示清晰化方法库。图中的k。和矗。。是量化因子，k。是比例因子。量化因子和比例因子分别负责对模糊控制器的输入和输出的清晰值信号进行比例变换，使其能够与相应的模糊论域对应上。除此之

7、外，调节这两个因子的大小还有改善模糊控制器拍1某些性能的作用，这是Mamdani控制器的特色所在。北方冬季气温低，不适于花卉和农作物的生长，因此温室的作用主要是增加环境温度，并稳定在一个适合植物生长的范围内。所以笔者研究的执行机构是温室的加热装置，而控制量便是暖气阀的开启量M。3变论域思想和模糊控制器的设计模糊控制效果的好坏很大程度上取决于规则的制定，这就要求规则的制定者得有相当丰富的经验和相关的专业知识。而且，控制精度与规则数目有关，一般来说，规则数越多，控制精度越高。变论域的思想，可以理解为在规则形式不变的情况下，论域随着偏差减小而收缩，从而

8、产生的效果就是精度的提高(变相地增加了规则数)。根据文献[7]和笔者实际研究的问题，选取变论域的收缩因子形如d(菇)=1一Aexp(一玩