果蔬儲藏環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)模式及控制算法研究現(xiàn)狀

1、果蔬儲藏環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)形式及控制算法研究現(xiàn)狀引言1 果蔬儲藏環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)形式1.1基于單片機(jī)的監(jiān)控形式整個系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，按照信息流向和控制模塊組成劃分為：前向輸入通道、控制面板和后向輸出控制3部分，如圖1所示。工作過程為：前端傳感器采集儲藏環(huán)境信息，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片傳給單片機(jī)處理中心，單片機(jī)中存儲了某種或某幾種果蔬必需的儲藏環(huán)境因子數(shù)值，將其與傳感器實(shí)時采集的環(huán)境因子參數(shù)數(shù)值進(jìn)展比較運(yùn)算，輸出的結(jié)果控制各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作14。單片機(jī)監(jiān)控形式是集中式控制構(gòu)造，單片機(jī)承擔(dān)了所有的控制要求，一旦單片機(jī)出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就會失去控制，因此對單片機(jī)性能要求較高。單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)果蔬儲藏環(huán)境的全局

2、管理，操作簡單、本錢低廉，但可靠性較差、精度不高、故障率高，且自動化程度較低?；赑LC，即可編程控制器的果蔬儲藏環(huán)境監(jiān)控形式由上位機(jī)、PLC、數(shù)據(jù)采集單元及驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，形式框圖如圖2所示。上位機(jī)作為全系統(tǒng)的管理監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理；PLC作為控制核心，通過擴(kuò)展模塊，承受來自傳感器的環(huán)境因子參數(shù)信息，實(shí)時處理數(shù)據(jù)并發(fā)送指令，經(jīng)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)控儲藏環(huán)境小氣候，實(shí)現(xiàn)儲藏環(huán)境的自動化監(jiān)控。PLC作為系統(tǒng)的控制核心，交融了計算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和傳統(tǒng)繼電器技術(shù)，具有控制才能強(qiáng)、操作靈敏方便、可靠性高和適宜長期連續(xù)工作的特點(diǎn)。1.3 基于CAN現(xiàn)場總線的系統(tǒng)形式CANControl

3、ler Area Network，即控制器局域網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，由德國博世公司于20世紀(jì)80年代中期開發(fā)。CAN總線的通信速率最高可達(dá)1Mbps，通信間隔 最遠(yuǎn)可達(dá)10km，總線上可掛接的節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)110個，總線接口芯片支持8位、16位CPU。CAN總線通信介質(zhì)為雙絞線，用戶接口簡單，編程方便，可采取點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)和全局播送的方式傳送數(shù)據(jù)?；贑AN現(xiàn)場總線的系統(tǒng)形式由上位機(jī)監(jiān)控中心、現(xiàn)場控制器、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，組網(wǎng)簡單，本錢適中，宜于進(jìn)展大規(guī)模、多儲藏室的監(jiān)控，系統(tǒng)框圖如圖3所示。1.4 基于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)形式基于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)形式包括無線通信網(wǎng)絡(luò)和

4、Internet互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，無線通信網(wǎng)絡(luò)可采用GPRS、3G、微波等方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)間隔 儲藏環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸，Internet網(wǎng)絡(luò)使得管理人員可以通過遠(yuǎn)程登錄的方式在異地就可完成對儲藏現(xiàn)場的操控，只要有Internet網(wǎng)絡(luò)覆蓋就可隨時隨地掌控果蔬儲藏的情況。該系統(tǒng)形式分解成五層構(gòu)造，最底層為現(xiàn)場層，由控制器、傳感器和驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，采用總線拓?fù)錁?gòu)造，傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境因子參數(shù)數(shù)據(jù)，驅(qū)動電路芯片驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，控制器承受控制指令完成控制操作；第二層為無線通信網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)現(xiàn)場層采集的數(shù)據(jù)和上層發(fā)送的控制指令的傳輸；第三層是監(jiān)控層，完成下層傳輸上來的數(shù)據(jù)的存儲、顯示、處理和控制決策的制定；第

5、四層是Internet網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄；第五層為Web客戶層，通過閱讀器遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控現(xiàn)場，系統(tǒng)框圖如圖1.4所示。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的儲藏環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)管理的儲藏室規(guī)模大、范圍廣，易于統(tǒng)籌，通過遠(yuǎn)程登錄的方式能方便的理解到現(xiàn)場的實(shí)際情況，利于決策的制定。但是，此系統(tǒng)所需的軟硬件多、技術(shù)要求高、本錢高，實(shí)現(xiàn)起來有一定難度也是其缺乏之處。1.5 基于Zigbee無線技術(shù)的系統(tǒng)形式2 果蔬儲藏環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)控制算法監(jiān)控系統(tǒng)的硬件核心可以說是控制器，性能優(yōu)良的控制器不僅可以出色完成預(yù)定的控制任務(wù)，而且還要消耗較少的能量，具有實(shí)時性好、效率高等特點(diǎn)。與此同時，系統(tǒng)還有一個軟件核心，是人為設(shè)置

6、的控制策略，即算法。好的算法可使得控制精度高，系統(tǒng)時延小，甚至具有智能。2.1 模糊控制算法儲藏環(huán)境系統(tǒng)是一個受多變量影響的大慣性非線性系統(tǒng)，且有交連、時延現(xiàn)象，很難對這類系統(tǒng)建立準(zhǔn)確地數(shù)學(xué)模型，也就不適宜用經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制方法實(shí)現(xiàn)控制。模糊控制不需要建立被控對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，它是通過計算機(jī)執(zhí)行人類用自然語言描繪的規(guī)那么，綜合考慮各種環(huán)境參數(shù)完成控制任務(wù)。模糊控制的根本思想是把專家對特定被控對象和過程的控制策略總結(jié)成一系列控制規(guī)那么，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對象和過程。模糊控制的一般步驟如下：定義模糊子集，建立模糊控制規(guī)那么；由根本論域轉(zhuǎn)變?yōu)槟：险撚?；模糊關(guān)系矩陣運(yùn)算

7、；模糊推理合成，求出控制輸出模糊子集；進(jìn)展逆模糊運(yùn)算，判決，得到準(zhǔn)確控制量。模糊控制的一般構(gòu)造如圖6所示。2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法神經(jīng)網(wǎng)路是由簡單處理單元，被稱為“神經(jīng)元，構(gòu)成的大規(guī)模并行分布式處理器，具有存儲經(jīng)歷知識并使之可用的特性，特別適宜于具有較高非線性和難于建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)過程，通常采用多組樣本值進(jìn)展訓(xùn)練的方式，從外界環(huán)境中獲取知識，互聯(lián)神經(jīng)元的連接強(qiáng)度，即突觸權(quán)值，用于存儲獲取的知識，經(jīng)過屢次有序的改變網(wǎng)絡(luò)的突觸權(quán)值，到達(dá)想要的設(shè)計目的。神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的根本信息處理單位，由三種根本要素組成：突觸、加法器和激活函數(shù)。每一個突觸由其權(quán)值或強(qiáng)度作為特征，每個

8、輸入信號和權(quán)值相乘送往加法器；加法器用于求輸入信號被神經(jīng)元的相應(yīng)突觸加權(quán)的和；激活函數(shù)用來限制神經(jīng)元輸出的振幅，神經(jīng)元模型圖如圖7所示。2.3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法模糊算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的共同點(diǎn)在于處理和解決問題時都不需要對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型。但一般來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不能直接處理構(gòu)造化的知識，它需用大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過自己學(xué)習(xí)的過程，并借助其并行分布式構(gòu)造來估計輸入輸出的映射關(guān)系。模糊算法可以直接處理構(gòu)造化的知識，也就是由專家給出的“規(guī)那么，因其引入了“隸屬度的概念，使得“規(guī)那么可以數(shù)值化。模糊算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的結(jié)合，能將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)機(jī)制引入模糊控制中，使模糊控制也具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的才能，使神

9、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)借助大規(guī)模的并行分布式處理構(gòu)造完成模糊的推理過程，構(gòu)建一個帶有人類感覺和認(rèn)知成分的自適應(yīng)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合模糊控制，它“不知不覺“中向訓(xùn)練數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，產(chǎn)生、修正并高度概括輸入輸出之間的模糊規(guī)那么，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)的產(chǎn)生和精煉這些規(guī)那么，然后根據(jù)輸出模糊集合的幾何分布及由過去經(jīng)歷產(chǎn)生的模糊規(guī)那么推理得出結(jié)論。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制的交融方式如圖8所示。2.4 模糊PID控制算法常規(guī)PID算法具有原理簡單、實(shí)現(xiàn)方便的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域， PID算法適于簡單的單輸入、單輸出線性系統(tǒng)的控制，穩(wěn)態(tài)性能好，但動態(tài)性能較差，且容易產(chǎn)生超調(diào)，抗干擾才能差，對于非線性、時變、大滯后和參數(shù)難以實(shí)如今

10、線整定的系統(tǒng)有難以抑制的局限性。模糊控制算法魯棒性和動態(tài)性能較好，自適應(yīng)性強(qiáng)，對參數(shù)變化不敏感，能較大范圍適應(yīng)參數(shù)變化，對于非線性時變滯后系統(tǒng)而言，有較好的控制效果，考慮到果蔬儲藏環(huán)境條件的多變性，可將二者控制算法結(jié)合實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效、可靠地監(jiān)控。模糊PID算法的實(shí)現(xiàn)由模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器和標(biāo)準(zhǔn)PID控制器共同完成。模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器以誤差e和誤差變化率 作為輸入，PID參數(shù)KP、KI、KD作為輸出，利用模糊控制規(guī)那么在線對PID參數(shù)進(jìn)展修改，運(yùn)行過程中不斷檢測e和，不斷對三個參數(shù)進(jìn)展修改，從而到達(dá)良好的控制性能。模糊PID原理圖如圖9所示。3 結(jié)語針對目前我國果蔬儲藏業(yè)的現(xiàn)狀，本文綜述了可應(yīng)用于果蔬儲藏環(huán)境監(jiān)控的五種系統(tǒng)形式和四種控制算法，用于改善果蔬儲藏的條件，較少儲藏?fù)p失，進(jìn)步儲藏品質(zhì)。五種系統(tǒng)形式各具特點(diǎn)，適用不同的應(yīng)用場合，實(shí)現(xiàn)的難易程度不同，本錢有高有低，根據(jù)我國現(xiàn)狀可實(shí)現(xiàn)多元化的選擇，形成多元化的應(yīng)用格局。四種控制算法相較常規(guī)控制方法，有其獨(dú)特的一