基于專家知識的人工氣候室控制系統(tǒng)設(shè)計

1、基于專家知識的人工氣候室控制系統(tǒng)設(shè)計李智慧，張 瑞(河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450052)摘要：介紹了小型人工氣候室主要控制特點與相應(yīng)的控制策略，以及基于專家知識的小型人工氣候室控制系統(tǒng)及控制算法的設(shè)計，討論了進行溫度控制的方法及參數(shù)的設(shè)定方法；控制算法采用自整定PID控制技術(shù)并設(shè)計出PID控制器，同時對硬件采用模塊化設(shè)計思想，方案簡單易行；設(shè)計出的溫濕度控制方案能擬合專家知識庫中生物生長曲線，符合生物生長需要；人性化的人機交互界面方便操作；最后給出的仿真圖像表明能使溫度控制在一定精度范圍內(nèi)，效果良好。關(guān)鍵詞：專家知識；人工氣候室；積分分離PID控制器；模塊化設(shè)計O 引言人工氣

2、候室是在環(huán)境試驗、科學(xué)研究(諸如種養(yǎng)殖、植保、組培、生物工程)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的實驗設(shè)備。它能模擬自然界的各種氣象條件，按照實驗要求精確控制室內(nèi)的溫度、濕度、光照以及COz濃度等指標(biāo)，復(fù)現(xiàn)各種氣候環(huán)境。為研究不同物種的生長、發(fā)育、生理、生化過程創(chuàng)造了環(huán)境條件。在科研、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、冶金、化工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。把各種要培育的作物的生長習(xí)性(不同時間段所需溫度、濕度、光照度等)組成一個數(shù)據(jù)庫，就是專家知識庫。本文就小型人工氣候培養(yǎng)箱為例，分析對于生物生長最重要的生物因子 溫度的控制方法，基于專家知識庫，利用積分分離PID進行控制，使作物生長曲線能夠擬合專家知識，簡單可靠，達到一定的控制精度

3、，具有很好的控制效果。1 人工氣候室技術(shù)指標(biāo)及控制策略本文人工氣候培養(yǎng)箱技術(shù)指標(biāo)見表1。與大型溫室相比，由于小型氣候箱箱體較小，因而所受風(fēng)力、土壤、蒸發(fā)量等生物因素影響可以忽略。它有區(qū)別于大型溫室的一些特點，第一， 由于封閉性較好，所受外界影響相對較??；第二，由于面積較小，增溫和降溫相對于環(huán)境的影響比較敏感， 各處受熱相對比較均勻；系統(tǒng)是一個多輸入多輸出的系統(tǒng)，輸入變量有室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、二氧化碳濃度、光照等，輸出變量有溫度、濕度、二氧化碳濃度等，系統(tǒng)各個變量之間不是相互獨立的，各個子系統(tǒng)的控制回路彼此耦合在一起對系統(tǒng)任一變量的控制都會影響到其他狀態(tài)的變化。由于問題比較復(fù)雜， 目前僅就影響作

4、物生長的最重要的氣候因子一一溫室氣溫的控制進行研究。對某種特定的生物來說，一天中生長所需要的溫度曲線預(yù)先存入專家數(shù)據(jù)庫中，然后在系統(tǒng)啟動后，自動從專家數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)要求溫度設(shè)定值。控制系統(tǒng)則啟動相應(yīng)的控制策略。例如靈芝的生長在一天所需要的溫度不同，圖1是其所存信息專家厙。在實際的控制中，如外界測量溫度T 和設(shè)定溫度丁 相差較大，在升溫初期則使可控硅調(diào)壓器輸出電壓最大以使調(diào)節(jié)時間縮短，如外界溫度和設(shè)定值相差不大，則在升溫時調(diào)壓器按照一定的比例輸出電壓；在升溫后期，為了防止箱體內(nèi)溫度出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，應(yīng)在達到設(shè)定值之前使調(diào)壓器輸出電壓最小，氣候室本身是個大慣性環(huán)節(jié)，它將慢慢上升至所要求的恒溫點， 如

5、圖2所示。圖中 為設(shè)定溫度，丁n為使調(diào)壓器電壓最小時的切換點溫度。 如果選的過大，則超調(diào)嚴(yán)重， 過小則不能達到設(shè)定溫度點，因此 的值要根據(jù)多次實驗來確定.2 控制算法數(shù)字PID控制是一種最普遍采用的控制算法，它是將實際測定值和給定標(biāo)準(zhǔn)值相減，得到控制偏差 ，然后對偏差進行比例、積分、微分的線性組合，產(chǎn)生一個控制量U最終對控制對象進行輸出控制。目前進行PID參數(shù)整定的算法很多，但大部分都不能投入實際使用，針對這種小型的氣候室環(huán)境，采用積分分離的PID控制算法。即按照以下的控制策略進行控制：(1)在AT=T 一T 較大時，采用PD控制(T 設(shè)定溫度，T 外界溫度)；(2)在T小于某一設(shè)定閾值時，采

6、用PID控制，其積分作用可最終消除控制余差。在啟動之初的一段時間為系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的階段，比較設(shè)定值和外界溫度的偏差，如果偏差大于或等于3O。，則采用PD控制，以免引起系統(tǒng)較大的超調(diào)， 當(dāng)溫度達到切換點溫度時，再采用PID控制， 這樣既保持了積分作用，又減少了超調(diào)量。在第 次采用周期中，離散型PID表達式為(具體離散化方法見參考文獻13：第n 次采樣周期減去第 一1次采樣周期的差值，即寫成其增量形式：此控制算法的程序流程圖如圖3所示。溫度對象都被看作是一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來表示，給系統(tǒng)加階躍輸入(這里選8O 的功率即“ 08)，記錄溫度飛升曲線，采用cohnCoon公式如下：其中K為對象的放大增益，

7、T為對象的時間常數(shù)，r為對象的純滯后常數(shù)。其中AC為兩次輸出差值，M 為兩次輸入差值。15為公式給出的系數(shù)。PID參數(shù)的選擇采用ISTE最優(yōu)設(shè)定方法。設(shè)arT (a稱為可控率，其值越小表示對象越容易受控制)，對不同的a，分別進行優(yōu)化調(diào)節(jié)器參數(shù)的仿真實驗，可求得PID參數(shù)同rT的近似關(guān)系式：3 主要硬件設(shè)計與配置在硬件設(shè)計上完全采用模塊化設(shè)計思想，選用通用Ic芯片，所有電氣連線采用接插方式，并實現(xiàn)強弱電完全的電氣隔離，以保證系統(tǒng)安裝方便、運行可靠、維護簡單；單個氣候室的控制用8位微處理器(MPC)做控制器，完成氣候參數(shù)的檢測與調(diào)節(jié)，在整個系統(tǒng)中處于下位機的地位；中央控制計算機有通用PC機實現(xiàn)，存

8、儲專家數(shù)據(jù)庫以及顯示運行狀態(tài)、打印運行參數(shù)和分析結(jié)果； 中央控制器與下位機的通訊采用成熟的RS232接口標(biāo)準(zhǔn)。 (下轉(zhuǎn)第1172頁)從圖2中我們可以看出，模型的訓(xùn)練比較成功，模型驗證時加煤系數(shù)的計算總體趨勢跟上了實際數(shù)據(jù)的變化趨勢，預(yù)測的結(jié)果還存在一定的誤差，但是相對誤差較小，滿足工藝的要求。從總體的趨勢上來看，結(jié)果還是令人滿意的。3 結(jié)論在深入研究煤氣發(fā)生爐造氣過程的基礎(chǔ)上，提出了基于物料平衡的加煤量計算模型和基于爐況的加煤量修正系數(shù)計算模型的集成方案，克服了以往的控制系統(tǒng)根據(jù)爐出溫度或者利用空層高度控制加煤的不合理性，成功實現(xiàn)了加煤自動控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)具有可行性和實用性，對提高固定床煤造發(fā)生爐煤氣的產(chǎn)量、質(zhì)量和降低能耗成本具有現(xiàn)實意義。參考文獻：13康托羅夫，楊子國煤氣發(fā)生爐和煤氣發(fā)生站M北京：中國工業(yè)出版社2宋國強，陳曉婷發(fā)生爐煤氣生產(chǎn)過程的優(yōu)化操作J煤氣與熱力，2