天津市通洁高压泵制造有限公司300385
摘要：实现温室大棚最优化生产是采用各种控制方法来达到高质量、高效率、低功耗的农业生产体系，进而完成经济收益的最大化。本文采用控制和模糊控制相结合的方法，通过在线整定参数，来达到温室大棚中温度的优化控制。
关键词：PID，温室大棚，控制
我国的设施农业存在着温室结构简陋、缺乏配套设备与先进的管理技术导致温室生产的效率低，成本高。为解决现有的设施农业温室环境控制问题，中国需大力发展创新智能温室技术，结合自身的特点，走出一条自己的现代农业之路。
1、温室控制系统的总体设计
1.1温室控制系统的对象描述
被控变量：室内温度；系统输入：冷热水混合阀的开度；干扰变量：太阳辐射和云层辐射；面积：190m2；体积：580m3；传感器：AD590。
1.2硬件系统的设计
温室控制运用的主要电路如下：
（1）处理器模块：如上图所示，可以看出它起到一个核心的作用，它与整个外部模块连接起来，数据的处理和运算都通过它来实现，把所有的模块串联起来。
（2）模拟电路模块：这部分由信号处理模块、输出电路模块和系统输入输出模块共同构成，信号处理模块是根据传感器输入进来的信号进行运算处理，通过A/D转换得到系统输入的模拟量电压信号。
（3）显示模块：显示器实现的功能是显示温室大棚内的实时温度，温度为2路传感器采集来的电压信号通过计算得到的，计算通过2路传感器采集的温度做平均运算得到的。
（4）计算机通讯模块：这部分主要包括RS-232电路、USB电路和JTAG电路。串口和JTAG是对系统进行调试的，USB口与计算机相连，不仅能够对开发板进行供电，还能够接收和发送数据，集成的USB接口有很高的传输能力，速度高达1M每秒，对于复杂系统有很重要的应用。
2、系统的硬件设计
2.1处理器的选择
控制器最主要的部件包括：微处理器和通过微处理器进行数据传输的USB。本文中选择了ARMCortex-M3内核的STM32系列处理器。
2.2通讯接口设计
（1）USB接口电路
在本次控制器的设计中USB主要用于连接计算机并给开发板供电。
（2）JTAG接口电路
JTAG用于芯片内部测试，JTAG接口包括TDI（数据输入）、TDO（数据输出）、TCK（时钟）、TMS（模式选择）。
（3）RS-232电路
RS-232有很多引脚，有采用9个引脚的也有采用25个引脚的，它的作用就是计算机与开发板的枢纽
2.3输入输出接口电路
（1）LCD电路
本论文中LCD主要用于显示温室大棚内的实时温度。
（2）输入接口电路
本系统输入为电位器，分两个：一个为开发板自带电位器，另一个为外接电位器，系统输入为模拟量电压信号。
3温室大棚的温度模糊PID控制
3.1模糊化
温室模糊控制器采用二输入、三输出，输入为温度偏差e和温度偏差变化率ec，输出为Kp、Ki、Kd。输入变量e，ec和输出变量Kp、Ki、Kd的语言值模糊集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}对应模糊语言{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。温度偏差e和温度偏差变化率ec的模糊论域为{-3，-2，-1，0-1，2，3}，输出变量Kp的论域为{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，Ki的论域为{-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}，Kd的论域为{-3，-2，-1，0-1，2，3}，e、ec、kp、ki、kd隶属函数选择三角函数。
3.2模糊规则及模糊推理
根据专家给出的经验，当输入量e比较大时，为使误差迅速减小，应取较大的Kp和较小的Ki，使系统快速的响应，同时Kd取较小值削弱其对变化量的抑制作用；当e为中等大小的值时，应在系统快速响应的同时抑制超调量，此时Kp应取中等大小的值，Kd的取值不要太大。当e为较小值时，为保证系统的稳定性，Kp与Ki都应取较小值，同时为避免系统在给定值附近振荡，当Δe为较大值时，Kd应取较小的值；当Δe较小时，Kd取较大的值，一般情况下Kd取中等大小的值。
用语句将表中的模糊规则表示成对应的模糊关系，本文通过采用“IfEandΔEthenU”语句表示模糊控制器输入和输出关系。因此，由Kp、Ki、Kd的模糊规则表，可以得到49条模糊规则。语句形式如下：If(EisNB)and(ΔEisNB)then(KpisPB)(KiisNB)(KdisPS)，根据上面得到的模糊语句，利用的极大—极小合成运算方法作为模糊关系和模糊集合的合成运算法则，通过关系生成规则“ab”=ab得到模糊控制器中的模糊关系，则每条模∧糊规则对应的模糊关系可表示为R=E×ΔE×ΔK。最后将每个关系式作并运算得到每个控制表的总的控制规则R，合成规则采用Mamdani运算方法。
3.3清晰化
本文采用重心法进行解模糊。将模糊推理得到的模糊控制信号转换为明确的控制信号，作为模糊控制器的输出值。为了得到确切的控制信号，通常采用最大值平均和重力中心算法这两种方法。因为前者的输出值对应的在模糊论域中具有最大隶属度的值，因此它是基于对一段信息进行输出估计。也称之为截断法。而后者使用输出分布中每一个点上的标准权值分布进行输出估计，因此也称之为代数法。有两种方法的输出取值原理可推断出，重力中心法更易产生平滑的输出曲面。
3.4模糊PID的控制算法
在模糊PID控制器中，我们需要确定e、ec和ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集的隶属度、隶属度赋值表以及各参数之间的关系，这种关系用模糊规则来表示，最后通过运用模糊推理从而得出被控对象最终的参数调整量Kp、Ki和Kd。
4.温室大棚系统实现
本系统采用冷热水管道控制器，0-10v的控制电压，入口传感器的模拟量输出电压信号范围为2-10v，对应温度变化范围为负20-30度；出口传感器输出电压信号2-10v对应温度变化范围为0到100度。
由于本ARM开发板模拟量输入的电压限幅是0-3.3v，因此必须对传感器输出的电压信号做一个电压变换，在此采用简易的电位器分压法，使得2-10v线性对应于0.66-3.3v。
4.1数据采集线程
系统输入为两路传感器输入的电压信号，通过电位器模拟传感器模拟电压信号，由于本开发板只有一个电位器，所以通过外围电路外接了一个传感器，两个电位器的电压值的平均数作为模拟量输入。输入为一片10并行输入的A/D芯片。
系统通过传感器采集来的电压信号（本论文通过两个电位器模拟）经过A/D转换，在LCD显示器上显示。
4.2控制运算线程
本次实现采用模糊PID控制算法，通过模拟量电压信号作为控制器的输入，通过A/D转换，其中输入电压为0-3.3v，对应的温度为0-100℃，对应的温度即用来输出温度（LCD显示器）也用来PID运算。其中，初始值Kp=30，Ki=0.8，Kd=3，给定值为25℃，采样周期为1s。
4.3DA输出线程
本系统采用在开发板上输出12位数字量，由于本开发板没有模拟量输出驱动，需要外接D/A芯片来实现模拟电压信号，来实现对冷热水管道的控制。需要万用表来测量输出电压。经万用表测量得出结论，当温度为给定值25℃时输出电压信号为零，当温度小于25℃时万用表显示的电压开始增大，表明室内温度低于给定值，冷热水管道开始加温；当温度大于25℃时万用表显示的电压开始减小，表明室内温度高于给定值，冷热水管道开始降温。其中LCD显示温室大棚的实时温度。
参考文献
[1]李萍萍．现代化温室环境参数的模糊控制[J].农业装备技术，2017（1）：12-14.
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