基于matlab的智能多输入多输出智能解耦系统设计仿真(编辑修改稿)

基于matlab的智能多输入多输出智能解耦系统设计仿真(编辑修改稿)内容摘要：

的温室中几乎所有的环境因子之间都存在着一定的或多或少的联系，一个因素变化了，其它因素也会跟着做出一定的变化，牵一发而动全身。 多因子综合控制 也可以叫做 复合控制 ， 能多多少少解决单因子控制存在的不足，此种 控制方法 依据 作物对 不同 环境 因子之间 的 影响联系 ， 如果其中一个因子改变了 ， 其它因子也会跟着做出相应的变化 ， 由于这种方法能更好的结合众多的环境因子的变化 ， 所以未来的温室技术的发展也会偏向于这种控制方法。 由于常见的 控制系统 都运用 单级控制 这种方式，这样的系统 还是可以满足一些规模比较小的、普通的、对控制精准对要求不是那么高的温室系统 ， 但是随着时代的不断发展与进步 ， 温室向着越来越大型，系统越来越复杂，要对也越来越高的方向发展，很明显 这种 比较单纯 的控制方式 是无法满足时代的需要的。 所 以，针对当代的大型复杂的温室研究出更好的温室控制系统是非常有必要的 ， 也是很多实际价值的。 因为在温室众多的环境因子中，温度和湿度是作为重要的也是对温室环境影响最大的两个因子，所以 本科题 的目的就是 把温室里的温度、湿度作为研究对象 来探索 温室环境的自动控制技术， 仅采用 对 温湿度 环境因子的 测控和 研究， 争取用合乎情理的 实验 方法得到相对来说比较准确 的控制效果， 模拟创造出一个人工的环境作为适宜作物生长和发育的生活气候 ，来代替那些影响作物健康生长和良好发育的环境因子 ， 实现在实际的 在农业生产 活动 中作物的生长周期 变短 ， 增加作物的 产量 ， 来得到更好的 经济效益。 国内外研究现状和发展趋势 在温室中对作物影响最严重的环境因子主要就是温度和湿度这两个因子，所以 ，对温湿度进行 智能 解耦 是当今 温室环境控制系统 研究的主要方向，随着我国 温室产业的 不断进步 ， 温室的大小和种类也随之增加 ， 我国的资源环境也跟着一步步短缺，所以 ， 温室也趋向于向节约资源同时高产高效的方向发展 ， 如果 温度 和 湿度 得到了优良 的解耦 那么温室的资源消耗就会大大的降低 ， 温室的这种特点尤其是冬季升温和夏季降温这两个时候洛阳理工学院毕业设计（论文） 5 变现的更为明显。 之前人们 对温室中温度湿度 的 解耦 控制 问题 已经进行 了深入探索 ， 总结出了各种，其中最好的 解决方法 就是通过 模糊控制 的 方法， 搭建一个 模糊控制系统模型 然后再进行 模糊控制器 的设计 ， 加进 解耦参数， 通过这种方法来实现 对 温室 的温湿度 进行 解耦控制， 可以很大程度的提高控制系统的控制精准度。 由之前人们 的研究 能够知道 ，第一，温室中的温湿度 两者之间的解耦是 温室解耦 的主要目标 ，温室 中有众多 环境因子 ，进行 解耦 时例如 二氧化碳 、氧气含量以及 光照 强度 等重要因子 并没有考虑进去 ， 温室的 解耦 本应该把其它的重要的 环境因子 也包括进去， 第二， 有很大部分都 是 采用要求有 精确 的 数学模型 才能 解耦 的解耦方法 ， 而 温室是一个比较模糊的 模型参数，第三， 以往采用的进行 温室环境控制系统 的 解耦 方法适用性较差 ， 不一样 的温室， 它的 环境模型 也是不相同的 ， 所以 温室解耦的数学模型 应该选取那些较为普遍的环境模型。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 第 2 章 系统总体设计 控制系统的设计要求 利用 MATLAB/Simulink 仿真 的功能 ，设计基于 MATLAB 的 温室大棚温湿度智能解耦 系统并进行仿真，以 温湿度的偏差量和偏差率 为输入量，反模糊后的精确的温湿度控制量为 输出量，采用 模糊 解耦方法对系统进行控制： (1) 了解和掌握解耦控制系统的设计方法； (2) 建立被控对象的 模糊解 耦 系统的仿真模型； (3) 进行系统辨识、稳定性分析、控制策略选择、参数整定； (4) 最终进行系统仿真， 并对仿真结果进行分析。 设计目标 学习多变量系统的特点 、 系统运动和平衡时各变量之间关系的数学描述法， 理解多变量系统 的内部结构和性质。 用 MATLAB 实现多变量系统的智能解耦控制是利用模糊控制理论实现的。 温度与湿度 是影响 温室大棚环境 的两个重要 环境因子。 模糊 解耦 控制系统 的原理是把被控量的理想值与 t时刻的测量值作出比较 ，进而得到偏差 e，再计算出偏差的 变化率 ec， 然后， e和 ec分别量化为模糊量 E和 EC，然后进 行模糊决策，模糊决策是根据 E、 EC和 模糊控制规则 R依据推理合成规则 ，得到模糊控制量 u，最后把前面计算的模糊控制量 u反模糊化成精确量 U，作用在被控制的对象身上 ，这样不断的循环下去从而实现对被控对象的模糊控制，来 达到系统解耦 的 目的 [1]。 解耦设计的目的是构成独立洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 的单回路控制系统，利用单回路控制理论实现系统控制性能。 为了简化分析 的难度但 同时 又 不影响对 整个 问题分析 的正确性 ，系统以 温度和湿度的偏差值和偏差率为输入 ， 反模糊化后的温度和湿度的精确控制量为 系统输 出量， 选用模糊 解耦法对 本 系统进行 设计和 仿真。 解耦系统的组成及解耦原理 本设计是基于 模糊 解耦法的 温室温湿度智能解耦 控制系统， 比较重要的部分 有 温度和湿度传感 器、 模糊逻辑控制器以及执行机构等。 本模糊系统方案如图 21 所示： 1 α T1 α T模糊控制器模糊控制器模糊控制器模糊控制器α Tα Tα Hα H1 α H1 α H温 度 传 感 器温 度 传 感 器湿 度 传 感 器湿 度 传 感 器执 行 机 构 1执 行 机 构 1执 行 机 构 2执 行 机 构 2执 行 机 构 1执 行 机 构 1执 行 机 构 2执 行 机 构 2温 室 环 境温 室 环 境d / d td / d td / d td / d tT 0 H 0e Te He T ( h )e c Te H ( t )e c HU t 1U t 2U h 1U h 2TH图 21 模糊控制系统方案结构图 图中 ， 0T 是 专家 经验 给出的作物生长 所需的 最佳 理论 温度， 0H 为给出洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 的理论最佳理论湿度。 Te 、 He 分别 是理想理论 值与实际 监测 值 之间比较后的温度和湿度的 偏差， Tec 、 Hec 分别是他们的 偏差 的 变化率。 因为 实际中温 度和 湿度 存在一定的耦合作用 ， 所以 通过 加 入解耦参数来 减弱他们的耦合性，即 ： HHTThT eee   )1()( （ 21） TTHHtH eee   )1()( （ 22） 经 过 模糊控制器 的解耦 后， 求得图中 执行机构的 输出 控制量 ，本 系统的 最重要的组成部分就是图中的两个 模糊逻辑控制器， 其推理设计方法 为： 把系统的 输入 量和 输出量转化 成 模糊子集， 然后 定义论域， 再由 各输入输出量的 真实 变化范围 构造 模糊化表。 根据 这个方面 专家的知识经验 组成一个 知识库，并 构建 模糊控制规则表。 然后由模糊化表和模糊规则表，设计控制表格 ,计算出对应的模糊控制量。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 第 3 章 解耦方法的选择 系统环境因子的研究 温度对作物的影响 温度是 影响农 作物生长发育 相当 重要的环境因 素 之一。 农 作物在 整体的生长发育过程 中所 需要 一切生物 及 化学反应， 全都是 在 特定 温度下 发生的。 农作物生长发 育良好 的前提就是必须要在适合的温度范围内才生长，如果温度高于上限或者低于一定的温度值，那么农作物就会畸形生长或者无法生长和发育，甚至死亡。 所有农 作物 都有三个不同的温度基点，即能生存的 最高温度 和 最低温度 以及 最 适合作物生长的 适宜温度。 由于作物的种类、品种等不同，它们生长发育的最适宜温度也不一样。 温室内的地温 、气温 以及 营养液的 温度都有 对作物的呼吸作用 、 光合作用 ，还有 光合 作用产物的 传送 、根 部 的生长和水分、养分的吸收均有 明显 的影响。 常见温室农 作物生 长发 育的最 合适的 温度区间 如图表 31。 表 31 常见温室作物的生育适宜温度 蔬菜名称 发芽期 幼苗期 采收期 白天 黑夜 白天 黑夜 黄瓜 2528 2528 1315 2528 1519 番茄 2830 2528 1517 2528 20 茄子 3035 2730 ≥ 17 1730 20 生菜 1520 1520 1215 1718 1215 有表中数据可知，农 作物的 各种化学、光合 作用 和 大部分产物 运输 是同 一时刻完 成 的。 如果下午和 晚上 的温度 偏低时 ，叶 子 中光合 作用的 产物就 不能 运输 出去， 那么 叶 子就会 变厚、 同时会发 紫，衰老 的速度也会比较快 ， 就会消弱以后 的光合作用， 使 光合强度 明显 下降。 如果光 的强度比 较洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 弱， 而温室内温度较 高，光合 作用的强度就会 较 弱 ， 而呼吸作用就相对多一些 ，则 作物枝干比较瘦小脆弱，叶子也会表薄。 有 结果 表明，在 作物的生 长发 育过程 中如果 夜 晚 营养液 的 温度 比温室环境温度高 ，能 加快 作物 的生长。 作物生长发育 前期 温室 温度应高 一些 ， 有利于叶面积指数的增加。 到达 生 长发 育 的 中后期后，叶面积指数 就能够达 到最大 值 ， 以后阶段 单位面积的净同 化率速率 将决定作物的 生产 多少。 在这个阶段 就应该 适当 的下降温室 温度， 来不断 积累净光合 作用的 产物。 湿度对作物的影响 湿度是指空气中含有湿空气的量。 如果温室中的湿度偏低那么作物中的水分就不足，就无法发生正常的光合作用和蒸腾作用，同时温室中的湿度偏高也会大大加大作物发生病虫害的发生率。 并且，湿度的不适宜会导致作物产量的下降，由于温室内作物的不断蒸腾作用和土壤的蒸发，温室内的湿度会很容易的比地面的湿度的高一些。 适宜作物生长发育的环境白天为相对空气湿度大概在 35%左右，晚上为相对空气湿度是 83%左右。 所 以，温室内的的湿度改变主要就是降低湿度。 表 32 给出了常见的几种温室作物生长的最适宜温度。 表 32 常见温室作物生育适应湿度 蔬菜名称 发芽期 幼苗期 采收期 白天 黑夜 白天 黑夜 黄瓜 6085 3080 7085 3070 7075 番茄 5080 2070 6080 2070 6080 生菜 6080 3070 7075 3080 6085 空气湿度 经常用以下 表示方法 ： 水汽压、露点温度、含湿量、相对湿度 、 绝对湿度和饱和差等，在 此次研究中 的湿度 用的是 相 对湿度表示。 相对湿度通常用 %表示，记作 %RH。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 温度和湿度的耦合关系 长期以来，温室环境因子研究的重点 都是 温度和湿度的 耦合 关系， 只有 经过 众多 的实践经验 并 总结 规律才能 正确 领悟两者 之间 存在 的 耦合 关系。 温度和湿度这是两个耦合度很高的环境因子，只要其中的一个因子改变那么另外一个也会跟着做出相对的改变，因此想要同时控制这两个因子是一件非常不容易的事情。 在一定的范围内如果温室内温度升高，那么湿度也会跟着下降，因为如果温室内的温度高上升，温室内土壤里的水分蒸发出来同时作物的蒸腾作用也会加强，加起来就会造成 温室内的湿度有所下降。 同样，如果温室内的湿度即水分含量发生了一定的变化，那么温室温度也会发生逆向的变化。 本 文所 研究 的 对象 是 温室 环境中的 温湿度 这两个因子 ， 它们 具有非线性、时变性、多变量 耦合 性 、 控制时延性、分布不均匀性等 特点。 首先，温室就相当于一个系统，其气候是一种 热平衡状态， 所以按照普通的 方法对其进行建模是不合理的，适用性也会较差。 其 次 ， 通常来说 温室 环境的建筑 面积都 相对来说很 大， 每个地方，每个角落的温湿度也会有所不一样 ，一般 四周 的温湿度 都 会 比中间的 要 低 一些 ， 上 部和 下 部 同样也会 有 些 差别，其值的大小 取决 于气流的 流动 方向 和 空间位置等 多种 因素，温室 的构造环境也会 对温湿度 产生一定的 影响。 其三，因为作物 的 吸 收 热 量和 散 发 热 量的 能力 以及 光合作用 的 能力 它们的生长发育阶段有关 ，所以 整个 温室 的 气候 也会跟着作物的成长周。