模糊控制器在温室自动控制系统中的应用与实现

摘要

由于从国外引进的温室自动控制系统与中国气候条件不相适应,且引进价格昂贵,因此很难在中国大规模应用和推广.而目前国内自行设计的温室自动控制系统,大部分控制水平较低,现代化管理水平不高,有些只能实现对单一环境因子的控制.这些因素都极大地制约了温室经济效益的发挥.改变传统的控制方式,实施温室环境的计算机监控,开发符合中国国情的温室自动控制系统,对加快中国温室生产的现代化水平和提高温室的经济效益具有重要意义.在总结前人研究的基础上,针对温室系统的环境参数、调控措施及控制特性进行了分析,得出温室环境系统是一个多变量、大惯性的非线性系统,并且有耦合、延迟等现象的结论.很难对这类系统建立精确的数学模型并用传统控制方法加以控制,而模糊控制不需要建立被控对象的数学模型,适合时变、滞后非线性系统的控制,因此对温室系统采用模糊控制不仅是可行的,而且也是合适的.鉴于上述分析,综合运用模糊控制技术、传感器技术、通讯技术和微控制器技术,自行设计了一个用于温室环境控制的模糊控制器,以实现对温室环境参数的监控.在模糊控制算法的设计过程中,为了减弱各环境因子间的耦合作用,将模糊控制器分解为7个模糊控制模块分别进行设计.在多方面了解专家或温室操作者经验的基础上,总结出行之有效的隶属度函数和模糊控制规则,采用Mamdani极大——极小法进行模糊推理,然后利用重心法进行反模糊化,最终得出模糊控制表.在制定控制规则时,充分考虑各个环境因子间的耦合作用,利用规则本身的解耦作用,实现了温室环境的多因子综合控制.以MATLAB软件的模糊逻辑工具箱作为开发工具,便于隶属度函数和控制规则的修改,可以方便快捷的设计模糊算法.在该课题组设计的温室控制器MCG的基础上,加以完善和扩充,采用软件法实现模糊控制器的软硬件设计.以MC68HC908GP32微控制器为核心组成模糊控制器的硬件系统,包括信号输入模块,数码显示模块,键盘输入模块,通讯模块,输出驱动模块和状态监控模块.采用实时操作系统进行软件设计,嵌入了一个基于时间片的非抢占式实时内核,在此基础上进行各个任务的程序编写,在模糊控制任务的程序设计中利用维数转换方法实现了模糊控制表的存放和查询.通过模拟试验的验证,该模糊控制器运行可靠,能实现温度、湿度、光照度、COz浓度的模糊控制,满足温室控制的需要,可直接应用于温室自动控制系统.该控制器的实现为模糊控制增添了新的应用领域,为温室的现代化管理奠定了一定的技术基础.

目录

文摘

英文文摘

声明和关于论文使用授权的说明

1绪论

1.1温室自动控制系统概述

1.1.1国内外温室自动控制系统的应用现状

1.1.2温室自动控制系统中关键技术的发展概况

1.1.3温室自动控制系统的发展趋势

1.1.4我国温室自动控制系统亟待解决的问题

1.2模糊控制的发展概况

1.2.1模糊控制的产生背景

1.2.2模糊控制发展的二个阶段

1.2.3模糊控制的应用概述

1.3本论文的主要工作内容

2模糊控制器原理

2.1模糊控制系统的组成

2.2模糊控制的过程

2.2.1模糊化过程

2.2.2模糊推理过程

2.2.3反模糊化过程

2.3模糊控制器的设计要点

2.3.1输入输出变量的确定

2.3.2量化因子和比例因子的选择

2.3.3隶属度函数的建立

2.3.4模糊控制规则的建立

2.4模糊控制器的实现方法

2.4.1专用硬件模糊控制器

2.4.2软件法

2.5 MATLAB模糊逻辑工具箱简介

2.6小结

3温室模糊控制器的方案设计

3.1控制对象与控制任务

3.2温室环境参数分析与调控措施

3.2.1温度的影响及其调控措施

3.2.2湿度的影响及其调控措施

3.2.3光照的影响及其调控措施

3.2.4 CO2浓度的影响及其调控措施

3.2.5温室环境参数的相互影响

3.3温室环境的控制特性

3.4温室模糊控制器的总体方案

3.4.1确定温室模糊控制器的结构

3.4.2温室模糊控制器的分解

3.5小结

4温室模糊控制器的算法设计

4.1自然通风模糊控制模块NVFC

4.1.1 NVFC的隶属度函数

4.1.2 NVFC的控制规则

4.1.3 NVFC的模糊控制表

4.2风机模糊控制模块FAFC

4.2.1风机开启时间TCV的隶属度函数

4.2.2 FAFC的控制规则

4.2.3 FAFC的模糊控制表

4.3喷雾模糊控制模块SPFC

4.3.1 TSP的隶属度函数

4.3.2 SPFC的控制规则

4.3.3 SPFC的模糊控制表

4.4加热模糊控制模块WMFC

4.4.1 TWM的隶属度函数

4.4.2 WMFC的控制规则

4.4.3 WMFC的模糊控制表

4.5遮阳模糊控制模块OSFC

4.5.1 OSFC的隶属度函数

4.5.2 OSFC的模糊控制规则

4.5.3 OSFC的模糊控制表

4.6补光模糊控制模块LIFC

4.6.1钠灯开启数NLI的隶属度函数

4.6.2 LIFC的模糊控制规则

4.6.3 LIFC的模糊控制表

4.7 CO2模糊控制模块CDFC

4.7.1 CDFC的隶属度函数

4.7.2 CDFC的模糊控制规则

4.7.3 CDFC的模糊控制表

4.8 小结

5温室模糊控制器的实现

5.1温室自动控制系统组成

5.2温室模糊控制器的硬件设计

5.2.1微控制器MC68HC908GP32

5.2.2信号输入模块

5.2.3数码显示模块

5.2.4键盘输入模块

5.2.5通讯模块

5.2.6输出驱动模块

5.2.7状态监控模块

5.3温室模糊控制器的软件设计

5.3.1实时操作系统的建立

5.3.2模糊控制任务的程序设计

5.3.3数码显示任务的程序设计

5.3.4键盘扫描任务的程序设计

5.3.5通信任务的程序设计

5.3.6数据采集和处理任务的程序设计

5.3.7输出控制任务的程序设计

5.4小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢