李再新,陳繼飛

(1.西南林業(yè)大學 機械與交通學院,昆明 650224;2.玉溪農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,云南 玉溪 653106)

0 引言

我國是最早栽培食用菌的國家之一,食用菌總產(chǎn)量占全球七成以上,目前,我國已是全球最大的食用菌生產(chǎn)國、消費國和出口國[1]。由于食用菌對生長環(huán)境的要求非常嚴格,不同生長階段對生長環(huán)境的要求也不盡相同,因此,對食用菌的人工種植帶來了很大的挑戰(zhàn)。在栽培食用菌的過程中,溫度是影響食用菌生長的重要因素之一,若能實現(xiàn)對食用菌大棚的溫度控制,可大大提升食用菌的品質(zhì)和產(chǎn)量。常用的食用菌大棚溫度控制有簡單的開關量控制、PID控制、模糊控制、模糊自適應PID控制等。其中開關量控制最為簡單,其原理是通過實時采集的溫度來控制調(diào)溫設備的開關狀態(tài),從而實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié),但該方法存在控制效果不穩(wěn)定、精度低等缺陷;PID控制相比于開關量控制,在精度、滯后性、非線性上都有了很大的提升,但常規(guī)的PID控制中超調(diào)量較大,會導致局部溫度過高,從而影響食用菌的生長。因此,針對食用菌的生長特性研發(fā)超調(diào)量低、響應速度快的溫度控制系統(tǒng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)設計

食用菌的生長受溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等多種因素的影響,但溫度作為影響食用菌生長的重要因素之一,對食用菌的生長、產(chǎn)量及質(zhì)量有著至關重要的作用。因此,本研究只針對溫度控制這一參數(shù)進行探究,在研究過程中,為了使該系統(tǒng)有更好的拓展性,采用有51個I/O口的STM32F103CRT6增強型單片機芯片為核心,通過空氣溫濕度傳感器DHT11對食用菌大棚內(nèi)溫濕度信號進行實時采集,信號線將采集的數(shù)據(jù)傳送至STM32F103CRT6單片機,從而將采集的溫濕度信號送至顯示器進行顯示。同時,中央處理器會將此時的溫度值與預設值進行對比,在模糊PID的運算和處理后,輸出控制信號至光耦固態(tài)繼電器模塊,利用光耦固態(tài)繼電器驅(qū)動電熱風機進行溫度調(diào)節(jié)(圖1)。

圖1 食用菌大棚溫度控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

食用菌大棚溫度控制系統(tǒng)主要由供電模塊、中央處理器模塊、固態(tài)繼電器輸出模塊、空氣溫濕度傳感器模塊、按鍵模塊、顯示模塊、電熱風機模塊等組成。下面將對上述重點模塊進行詳細說明。

2.1 供電模塊

本系統(tǒng)的供電電源采用220 V交流輸入,通過開關電源將220 V交流電變成9 V直流電源后,經(jīng)過7805穩(wěn)壓芯片組成的穩(wěn)壓電路,將電壓轉(zhuǎn)換為5 V,穩(wěn)壓后的5 V直流電源通過AMS1117穩(wěn)壓器將其轉(zhuǎn)換為3.3 V直流電源,再為單片機供電。具體電源電路詳見圖2。

圖2 供電模塊原理圖

2.2 中央處理器模塊

本系統(tǒng)以STM32F103CRT6為核心,芯片為ARM32位Cortex-M3 CPU,最高工作頻率72 MHz,1.25 DMIPS/MHz,芯片上集成512 KB的Flash存儲器,6～64 kB的SRAM存儲器。2.0～3.6 V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動電壓等,具有功耗低、可靠性高、抗干擾能力強和可擴展性高等優(yōu)點[2-3]。因此,該芯片滿足本次系統(tǒng)設計的所有需求。

2.3 溫度采集模塊

DHT11是一款數(shù)字信號輸出的復合型傳感器,可以測量空氣溫度和濕度,該傳感器還具有極高的可靠性和穩(wěn)定性,因此非常適合應用在該系統(tǒng)中。DHT11有四個引腳,其中1號引腳接5 V的電源,4號引腳接電源負極GND,2號引腳接上拉電阻后連接單片機I/0口。具體連接詳見圖3。

圖3 溫度采集模塊原理圖

2.4 固態(tài)繼電器輸出模塊

輸出電路利用單片機輸出I/0口直接與光耦芯片EL871連接,通過光耦隔離單片機與輸出電路,從而起到保護單片機的作用[4]。光耦的輸出端連接NPN型三極管的基極,利用控制集電極與發(fā)射極之間的導通狀態(tài),控制固態(tài)繼電器的吸合達到對熱風機工作狀態(tài)的控制,從而對溫度進行調(diào)節(jié)。固態(tài)繼電器模塊原理圖見圖4。

圖4 固態(tài)繼電器模塊原理圖

3 控制算法及仿真

根據(jù)相關文獻[5-6],食用菌的菌柄一般處于20～30 ℃生長最快,溫度在26 ℃為生長速度最大值;食用菌子實重量在24 ℃時最大,超過26 ℃子實重量下降速度非常快。綜上所述,常規(guī)PID控制超調(diào)量較大,很難滿足食用菌的溫度控制要求,本次研究提出一種模糊自適應PID控制方法,即通過處理器計算出溫度傳感器采集到的溫度值與設定溫度值的偏差e和偏差變化率ec,對e和ec進行模糊化處理和模糊推理,然后經(jīng)清晰化處理得到PID控制器的三個修正量即ΔKp、ΔKi、ΔKd,最后再通過PID控制進行溫度調(diào)節(jié),本控制策略可以有效解決PID超調(diào)量過大的問題,還能提升控制系統(tǒng)的響應速度[7]。模糊自適應PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖5所示。

圖5 模糊自適應PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 模糊PID控制

圖5中模糊控制器的輸入變量為模糊子集E、EC,輸出變量為ΔKp、ΔKi、ΔKd[8]。它們的語言變量模糊子集都是取為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},7個量化等級,模糊論域均取為{-1,-0.8,-0.6,-0.4,-0.2,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1},詳見圖6。

圖6 輸入輸出隸屬函數(shù)曲線

模糊推理是模糊控制的重要組成部分,是根據(jù)作物生長規(guī)律和人類實際操作經(jīng)驗總結(jié)出來的一種語言控制規(guī)則[9-10]。本系統(tǒng)具體模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表[10]

將表一中的模糊規(guī)則編輯到模糊控制器中,在控制規(guī)則庫的觀測窗口中可以觀測出ΔKp、ΔKi、ΔKd與輸入變量e和ec的關系(圖7)。

圖7 ΔKp、ΔKi、ΔKd規(guī)則庫觀測窗

3.2 仿真試驗

使用MATLAB/simulink軟件搭建常規(guī)PID控制系統(tǒng)和模糊自適應PID控制系統(tǒng)進行仿真,采用式(1)的數(shù)學模型作為兩個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[2]。

(1)

設定PID控制系統(tǒng)參數(shù)初始值Kp′=4.1、Ki′=0.03、Kd′=20[3]。系統(tǒng)仿真模型框圖,如圖8、圖9所示。

圖8 系統(tǒng)仿真模型框圖

圖9 模糊自適應PID子系統(tǒng)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其中圖9為圖8中模糊自適應PID子系統(tǒng)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,它以偏差e和偏差變化率ec作為輸入量,經(jīng)模糊推導得到PID參數(shù)的修正量△Kp、△Ki、△Kd,再將修正量送入PID控制器中進行PID控制,以此完成整個模糊PID自適應控制。

食用菌生長對溫度要求比較高,通常情況下在24～26 ℃最為適宜,結(jié)合這一特性,本次控制系統(tǒng)設置目標溫度值為25 ℃,系統(tǒng)仿真時間設置為600 s,常規(guī)模糊PID控制和模糊自適應PID控制的溫度響應曲線如圖10所示。

圖10 常規(guī)模糊PID與模糊自適應PID控制的溫度響應曲線對比圖

根據(jù)圖10中兩種控制方案的溫度響應曲線可以計算出系統(tǒng)超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間和峰值時間等參數(shù),結(jié)果如表2所示。

表2 兩種方案的仿真參數(shù)對比

從表2中可以看到模糊自適應PID控制的超調(diào)量為2.35%,常規(guī)模糊PID控制的超調(diào)量高達26%;模糊自適應PID控制的調(diào)節(jié)時間為129 s,常規(guī)模糊PID控制的調(diào)節(jié)時間為131 s。模糊自適應PID控制方案各方面參數(shù)都優(yōu)于常規(guī)模糊PID控制,其系統(tǒng)超調(diào)量低、響應時間快還比較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本研究是基于STM32F103CRT6單片機設計的一款針對與食用菌大棚的溫度控制系統(tǒng),本系統(tǒng)采用了模糊自適應PID控制算法,把常規(guī)模糊PID控制算法跟模糊自適應PID控制算法進行建模仿真對比分析,驗證了模糊自適應PID控制算法,調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量低的控制特性,滿足食用菌大棚溫度控制系統(tǒng)的各項要求,具有現(xiàn)實可行性。另外該系統(tǒng)具有較強的擴展性,空余的I/O接口可為后續(xù)的濕度控制、二氧化碳濃度控制和水肥一體控制等功能研究提供了較大的便利。