基于专家知识的人工气候室控制系统设计

基于专家知识的人工气候室控制系统设计李智慧，张瑞(河南工业大学信息科学与工程学院，河南郑州450052)摘要：介绍了小型人工气候室主要控制特点与相应的控制策略，以及基于专家知识的小型人工气候室控制系统及控制算法的设计，讨论了进行温度控制的方法及参数的设定方法；控制算法采用自整定PID控制技术并设计出PID控制器，同时对硬件采用模块化设计思想，方案简单易行；设计出的温湿度控制方案能拟合专家知识库中生物生长曲线，符合生物生长需要；人性化的人机交互界面方便操作；最后给出的仿真图像表明能使温度控制在一定精度范围内，效果良好。关键词：专家知识；人工气候室；积分分离PID控制器；模块化设计O引言人工气候室是在环境试验、科学研究(诸如种养殖、植保、组培、生物工程)等领域应用广泛的实验设备。它能模拟自然界的各种气象条件，按照实验要求精确控制室内的温度、湿度、光照以及COz浓度等指标，复现各种气候环境。为研究不同物种的生长、发育、生理、生化过程创造了环境条件。在科研、现代农业、医药、冶金、化工等领域具有广阔的应用前景。把各种要培育的作物的生长习性(不同时间段所需温度、湿度、光照度等)组成一个数据库，就是专家知识库。本文就小型人工气候培养箱为例，分析对于生物生长最重要的生物因子——温度的控制方法，基于专家知识库，利用积分分离PID进行控制，使作物生长曲线能够拟合专家知识，简单可靠，达到一定的控制精度，具有很好的控制效果。1人工气候室技术指标及控制策略本文人工气候培养箱技术指标见表1。与大型温室相比，由于小型气候箱箱体较小，因而所受风力、土壤、蒸发量等生物因素影响可以忽略。它有区别于大型温室的一些特点，第一，由于封闭性较好，所受外界影响相对较小；第二，由于面积较小，增温和降温相对于环境的影响比较敏感，各处受热相对比较均匀；系统是一个多输入多输出的系统，输入变量有室内温度、室内湿度、二氧化碳浓度、光照等，输出变量有温度、湿度、二氧化碳浓度等，系统各个变量之间不是相互独立的，各个子系统的控制回路彼此耦合在一起．对系统任一变量的控制都会影响到其他状态的变化。由于问题比较复杂，目前仅就影响作物生长的最重要的气候因子一一温室气温的控制进行研究。对某种特定的生物来说，一天中生长所需要的温度曲线预先存入专家数据库中，然后在系统启动后，自动从专家数据库中获取相应要求温度设定值。控制系统则启动相应的控制策略。例如灵芝的生长在一天所需要的温度不同，图1是其所存信息专家厍。在实际的控制中，如外界测量温度T和设定温度丁相差较大，在升温初期则使可控硅调压器输出电压最大以使调节时间缩短，如外界温度和设定值相差不大，则在升温时调压器按照一定的比例输出电压；在升温后期，为了防止箱体内温度出现超调现象，应在达到设定值之前使调压器输出电压最小，气候室本身是个大惯性环节，它将慢慢上升至所要求的恒温点，如图2所示。图中为设定温度，丁n为使调压器电压最小时的切换点温度。如果选的过大，则超调严重，过小则不能达到设定温度点，因此的值要根据多次实验来确定.2控制算法数字PID控制是一种最普遍采用的控制算法，它是将实际测定值和给定标准值相减，得到控制偏差，然后对偏差进行比例、积分、微分的线性组合，产生一个控制量U最终对控制对象进行输出控制。目前进行PID参数整定的算法很多，但大部分都不能投入实际使用，针对这种小型的气候室环境，采用积分分离的PID控制算法。即按照以下的控制策略进行控制：(1)在AT=T一T较大时，采用PD控制(T设定温度，T外界温度)；(2)在△T小于某一设定阈值时，采用PID控制，其积分作用可最终消除控制余差。在启动之初的一段时间为系统自学习的阶段，比较设定值和外界温度的偏差，如果偏差大于或等于3O。，则采用PD控制，以免引起系统较大的超调，当温度达到切换点温度时，再采用PID控制，这样既保持了积分作用，又减少了超调量。在第次采用周期中，离散型PID表达式为(具体离散化方法见参考文献[13]：第n次采样周期减去第一1次采样周期的差值，即写成其增量形式：此控制算法的程序流程图如图3所示。温度对象都被看作是一阶惯性加纯滞后环节来表示，给系统加阶跃输入(这里选8O的功率即“0．8)，记录温度飞升曲线，采用cohn—Coon公式如下：其中K为对象的放大增益，T为对象的时间常数，r为对象的纯滞后常数。其中AC为两次输出差值，△M为两次输入差值。1．5为公式给出的系数。PID参数的选择采用ISTE最优设定方法。设a—r／T(a称为可控率，其值越小表示对象越容易受控制)，对不同的a，分别进行优化调节器参数的仿真实验，可求得PID参数同r／T的近似关系式：3主要硬件设计与配置在硬件设计上完全采用模块化设计思想，选用通用Ic芯片，所有电气连线采用接插方式，并实现强弱电完全的电气隔离，以保证系统安装方便、运行可靠、维护简单；单个气候室的控制用8位微处理器(MPC)做控制器，完成气候参数的检测与调节，在整个系统中处于下位机的地位；中央控制计算机有通用PC机实现，存储专家数据库以及显示运行状态、打印运行参数和分析结果；中央控制器与下位机的通讯采用成熟的RS232接口标准。(下转第1172页)从图2中我们可以看出，模型的训练比较成功，模型验证时加煤系数的计算总体趋势跟上了实际数据的变化趋势，预测的结果还存在一定的误差，但是相对误差较小，满足工艺的要求。从总体的趋势上来看，结果还是令人满意的。3结论在深入研究煤气发生炉造气过程的基础上，提出了基于物料平衡的加煤量计算模型和基于炉况的加煤量修正系数计算模型的集成方案，克服了以往的控制系统根据炉出温度或者利用空层高度控制加煤的不合理性，成功实现了加煤自动控制系统。仿真结果表明，系统具有可行性和实用性，对提高固定床煤造发生炉煤气的产量、质量和降低能耗成本具有现实意义。参考文献：[13康托罗夫，杨子国．煤气发生炉和煤气发生站[M]．北京：中国工业出版社．[2]宋国强，陈晓婷．发生炉煤气生产过程的优化操作[J]．煤气与热力，2001，21(5)：460—462[3]徐西征，直径1．6米水煤气两段炉热平衡及物料平衡的计算与分析[J]．煤气与热力，1995，15(4)：3—11．[41夏勇，陈卫昌，张振仁，刘学杰．基于神经网络的传质系数模型建立及应用[j]．计算机测量与控制，2002，10(2)：110—111．