基于模糊自适应PID的植物工厂温湿度控制系统的研究
发布时间：2020-10-17 22:14
近年来,植物工厂受到世界各国政府和国际知名企业的广泛重视,植物工厂是一种能够根据农业作物的生长环境需求,利用智能自动控制技术,实现用最小的代价(空间、时间、材料、水电、经济成本等)得到人类需要的(口感、营养、绿色、健康等)植物产品的高效生产系统。植物生长柜作为一种微型植物工厂,能够在一个密闭的环境里通过智能自动控制系统控制植物生长的环境因子,包括光照、温度、湿度、CO_2浓度以及营养液。植物生长柜中温湿度控制系统是一种较为复杂的系统,在工业生产过程中温湿度是重要的控制参数,由于温湿度控制是一种非线性、时变、强耦合和不确定的复杂过程,且难以建立精确的数学模型,采用传统的PID控制往往不能实现满意的控制效果。针对以上问题,本文研究了一种模糊自适应PID控制器的设计方法,为植物工厂控制系统的建模与控制提供了一个有效途径,其主要研究内容包括:首先,对植物生长柜的温湿度控制原理进行了简要介绍,利用阶跃响应曲线法对加热棒-温度、加热棒-湿度、加湿器-温度、加湿器-湿度四个回路分别建立简化数学模型。其次,考虑到PID控制算法简单方便、调整速度快,但需要建立精确的数学模型且对于模型结构变化不具备良好的适应能力;模糊控制无需建立精确的数学模型,对被控对象参数变化适应能力强,而且在被控对象模型结构发生较大改变时,仍然能够获得较理想的控制效果。因此,在两种算法的基础上,利用模糊规则对PID参数自整定,研究了一种模糊自适应PID控制器的设计方法,对系统模型进行了仿真对比分析。仿真结果验证了该控制方法相比于传统PID控制方法,可以减小系统的超调量,降低系统振荡,加快输出响应速度,当受到随机扰动时,系统具有一定的抗干扰作用。再次,针对植物工厂温湿度之间存在的强耦合性,采用前馈补偿解耦法对温湿度控制系统耦合回路进行解耦,解除了加热棒-温度与加湿器-湿度通道的耦合作用。最后,利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型,通过仿真对比验证了采用未解耦的温湿度PID控制、解耦的温湿度PID控制以及解耦的模糊自适应PID控制的控制效果,仿真实验结果表明本文所设计的温湿度模糊自适应PID控制系统能够实现对被控对象的控制目标,能够解除温湿度之间的耦合性,具有响应速度快、稳定性高的优点。
【学位单位】：天津职业技术师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP273.4;S31
【部分图文】：
低；一些最新科学技术，例如智能控制技术和传感设中[11]。随着红蓝 LED 的研制成功[15]，传感器技术、智能控速发展[16-19]，为植物工厂的智能化发展提供了良好伐不断加快，荷兰将植物工厂技术作为未来农业发，旨在解决其农业资源贫乏的现状[20]。打园艺、垂直农业和光配方的研究，荷兰飞利浦公arming 城市农场，拥有 234 ㎡种植面积，设八个气统，利用计算机系统实现培育过程完全可控，采用具，内配有蓝光、红光、白光和远红模组，通过定制行精细调控，种植高质量的植物[21]，如图 1-2 所示
油菜、药材等的栽培与生产，如图 2-1 所示。植物生长柜是现代科技集成创新的产物，是一种新兴生产模式，为未来家庭智慧农业发展提供了有效的技术支撑。图2-1 植物生长柜2.1.1 组成结构植物生长柜是一个复杂的系统，整体结构主要包括以下三个部分：栽培区、智能控制区和环境控制设备区，如图 2-2 所示。植物生长柜采用全封闭式设计，在柜体的外壳和内胆之间通过填充保温材料保证了柜内栽培区的温度、湿度等环境因素不受外界环境的影响。栽培区采用 3 层立体栽培方式，在每一层的上方安装有自主设计的 LED 灯板进行人工补光，下方为营养液槽，实现对栽培作物的营养供给。智能控制区位于柜体的侧面，采用STM32 作为核心控制器，配备有液晶屏，可以实时显示柜内的环境信息，同时可对柜内的环境控制设备进行控制。在植物生长柜柜体的下方为环境控制设备区，放置的设备包括：压缩机、加热棒、加湿器、泵体和营养液储存槽等
9图2-2 植物生长柜栽培区每层安装有温湿度传感器、光照传感器和 CO2传感器，主要用于对柜体内温度、湿度、光照强度和 CO2浓度等环境因子的监测，并将数据信息传送至控制器，提供控制决策依据。在栽培区底部安装有加热棒和加湿器，完成对栽培区的温湿度的调控工作，根据控制指令将温湿度维持在恒定范围。在每层的后面安装有内循环风扇，用于将调控设备产生的温湿度空气快速发散，实现均匀分布，避免因不同位置的温湿度分布不均匀造成的传感器测量误差。在柜体的顶部安装有外循环风扇，用于柜体内部和外部环境中二氧化碳气体的循环交换。2.1.2 被控对象特点植物生长柜内部体积较大，为了保证内部的温湿度保持在设定范围内，柜内安装有压缩机、加热棒、加湿器、内循环风扇和外循环风扇等执行设备。栽培区植物种植较为密集
【参考文献】
本文编号：2845372
【学位单位】：天津职业技术师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP273.4;S31
【部分图文】：
低；一些最新科学技术，例如智能控制技术和传感设中[11]。随着红蓝 LED 的研制成功[15]，传感器技术、智能控速发展[16-19]，为植物工厂的智能化发展提供了良好伐不断加快，荷兰将植物工厂技术作为未来农业发，旨在解决其农业资源贫乏的现状[20]。打园艺、垂直农业和光配方的研究，荷兰飞利浦公arming 城市农场，拥有 234 ㎡种植面积，设八个气统，利用计算机系统实现培育过程完全可控，采用具，内配有蓝光、红光、白光和远红模组，通过定制行精细调控，种植高质量的植物[21]，如图 1-2 所示
油菜、药材等的栽培与生产，如图 2-1 所示。植物生长柜是现代科技集成创新的产物，是一种新兴生产模式，为未来家庭智慧农业发展提供了有效的技术支撑。图2-1 植物生长柜2.1.1 组成结构植物生长柜是一个复杂的系统，整体结构主要包括以下三个部分：栽培区、智能控制区和环境控制设备区，如图 2-2 所示。植物生长柜采用全封闭式设计，在柜体的外壳和内胆之间通过填充保温材料保证了柜内栽培区的温度、湿度等环境因素不受外界环境的影响。栽培区采用 3 层立体栽培方式，在每一层的上方安装有自主设计的 LED 灯板进行人工补光，下方为营养液槽，实现对栽培作物的营养供给。智能控制区位于柜体的侧面，采用STM32 作为核心控制器，配备有液晶屏，可以实时显示柜内的环境信息，同时可对柜内的环境控制设备进行控制。在植物生长柜柜体的下方为环境控制设备区，放置的设备包括：压缩机、加热棒、加湿器、泵体和营养液储存槽等
9图2-2 植物生长柜栽培区每层安装有温湿度传感器、光照传感器和 CO2传感器，主要用于对柜体内温度、湿度、光照强度和 CO2浓度等环境因子的监测，并将数据信息传送至控制器，提供控制决策依据。在栽培区底部安装有加热棒和加湿器，完成对栽培区的温湿度的调控工作，根据控制指令将温湿度维持在恒定范围。在每层的后面安装有内循环风扇，用于将调控设备产生的温湿度空气快速发散，实现均匀分布，避免因不同位置的温湿度分布不均匀造成的传感器测量误差。在柜体的顶部安装有外循环风扇，用于柜体内部和外部环境中二氧化碳气体的循环交换。2.1.2 被控对象特点植物生长柜内部体积较大，为了保证内部的温湿度保持在设定范围内，柜内安装有压缩机、加热棒、加湿器、内循环风扇和外循环风扇等执行设备。栽培区植物种植较为密集
【参考文献】
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本文编号：2845372
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