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某室内植物园温湿度控制系统设计

摘要

随着工业生产自动化程度的不断提高，模糊控制技术已得到了广泛的推广和应用。

这种建立在模糊控制理论基础上的控制技术为工业控制、家用电器和仪器仪表智能化的应用提供了一种全新的、有效的控制方法，并具有很大的实用意义和前景。

本设计根据室内植物园环境控制的特点，应用模糊控制理论，对植物园内的温度、湿度环境因子进行自动控制，完成了整个控制系统的软、硬件设计。

第一章对室内植物园智能控制系统的发展现状作了一个简单介绍，并确定了本设计的研究目标；第二章对三菱FX2N系列PLC做了简单介绍，并设计了PLC的接口电路；第三章应用模糊控制理论，介绍了室内植物园温度、湿度模糊控制器的设计和实现；第四章介绍了系统的硬件设计；第五章介绍了系统软件的设计；最后对整个系统的完成作出了总结。

关键词：

室内植物园,模糊控制技术,PLC

Abstract

Withindustrialproductionincreasingthedegreeofautomation,fuzzycontroltechnologyhasbeenwidelypromotedandapplied.Thisbuiltonthefuzzycontroltheorybasedonthecontroltechnologyforindustrialcontrol,homeappliancesandinstrumentationintelligentapplicationprovidesanew,effectivecontrolmethod,andhasgreatpracticalsignificanceandprospects.

ThedesignaccordingtothecharacteristicsofindoorenvironmentalcontrolBotanicGardens,theapplicationoffuzzycontroltheory,theBotanicalGardenofthetemperatureandhumidityautomaticcontrolofenvironmentalfactors,thecompletionoftheentirecontrolsystemsoftwareandhardwaredesign.

Thefirstchapteroftheindoorbotanicalgardenintelligentcontrolsystemdevelopmentstatusmadeabriefintroduction,andtodeterminethedesignoftheresearchobjectives;secondchapterMitsubishiFX2NSeriesPLCmadeabriefintroduction,andthedesignofthePLCinterfacecircuit;ThirdChapterfuzzycontroltheory,introducedtheindoorbotanicalgardentemperatureandhumidityfuzzycontrollerdesignandimplementation;fourthchapterdescribesthesystemhardwaredesign;fifthchapterdescribesthesystemsoftwaredesign;finalcompletionoftheentiresystemtomakeasummary.

Keywords:

IndoorBotanicalGarden;fuzzycontroltechnology;PLC

1绪论

1.1设计背景

PLC（ProgrammableLogicController）是一种数字运算操作的电子系统，

专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执

行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、校

拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外

部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

原始的植物园湿温度的控制系统是应用手动控制，后来又发展到机械设备，到20世纪70年代计算机的应用替代了原始的机械设备的控制，使温室控制进入了一个新的时期。

美国、以色列、日本、荷兰等国均致力干该项技术的研究，并取得了公认的成就。

国外的高档温室已达到了工厂化管理的程度，对多种环境因子能够进行集中调控。

我国植物园的整体水平与世界上发达国家相比差距较大，表现在设施结构、配套设备、环境调控、管理技术等方面。

高档温室基本上靠进口，价格昂贵，其自动化控制与监控系统更是如此。

目前智能温室的发展趋势是采用各种传感器检测温室环境参数，自动调节各个设备的工作状况，从而达到全天气候无人监控条件下的植物园控制系统能正常运行，并且能够实现远程监控和管理。

1.2系统总体方案设计

1.2.1确定系统的控制任务

本设计实例的对象是包括两个展览区的室内植物园，每个展览区包括一个独立的温室，分别是热带雨林区、沙生植物区。

各温室的温湿度既可自行设定，也可以人工设定，并能够自动调节。

要求系统能够对植物园内的温湿度进行准确的测量和有效的控制，要求系统能够自动关窗、给水、送风等。

所要控制的设备主要有水泵、三相异步电机等。

本系统不仅要考虑对空气温湿度的控制，还要考虑对土壤温湿度的控制，不考虑对光照、CO2浓度等参数的控制。

综上所述，本系统应完成的主要任务有：

1）两个温室的温湿度数据采集和闭环控制。

2）电机和水泵的启停控制。

3）温湿度的显示和人机交互的实现。

此外，还要实现系统的越限和故障报警等功能。

对于温室内温湿度控制，温湿度必须进行多点采样。

考虑在温室内各处安装温湿度传感器，对温室内各参数进行监测，选用数据采集器进行数据采集及通讯，通过485总线传输数据。

通过监测程序对数据进行分析、处理。

温室常用设备有双向天窗、侧窗、内/外遮阳幕、内保温幕、多级风扇、湿帘、湿帘外翻窗、微雾降温加湿系统、环流风扇、补光灯、空调、热风机、C02补气、水暖混水阀、水暖循环泵、负压变频调速风机（用于检疫隔离温室）、灌溉阀、灌溉水泵等。

对温室内各参数进行监测，同时对现场设备（如风机、喷淋、温控）进行自动控制。

根据以上分析，可初步画出系统构成粗框图如图1.1所示。

下面根据图1.1再逐步进行系统的分析、设计。

图1.1系统构成框图

1.2.2输入输出接口设计

（一）温湿度检测模拟输入接口设计

一个温室里面使有多个传感器采集点，通过RS485将采集数据统一汇聚到集采设备，工业集采设备采用232/485通信方式与无线通信模块进行连接，对传感器数据进行集中轮询后将数据通过串口送往无线通讯模块。

采用标准的工业串口通信，即插即用，使用高规格的模具设计，方便维护，工程人员无需太多的专业知识，在短时间内即可实现系统的安装与运行。

并且可以灵活解决项目点不断增多的需求，可随时对现有的系统新增监控点而且对现有系统无任何影响。

RS232/485接口如图1.2所示。

接口：

RS232接口：

RS485

图1.2RS232/485接口电路

（二）人机交互接口设计

人机界面（HumanMachineInterface）又称为人机接口，简称为HMI。

从广义上说，HMI泛指计算机与操作人员交换信息设备。

在控制领域，HMI一般特指用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的专用设备。

人机界面是按工业现场环境应用来设计的，正面的防护等级为IP65，背面的防护等级为IP20，坚固耐用，其稳定性和可靠性与PLC相当，能在恶劣的工业环境中长时间连续运行，因此人机界面是PLC的最佳搭档。

综上所述，本设计拟采用HMI触摸屏系统实现人机交互。

PLC与HMI触摸屏之间用串口连接线连接。

如图1.3所示。

图1.3人机交互界面通信线路设计

HMI触摸屏系统包括两个部分：

检测装置和控制器。

触摸屏检测装置安装在显示器的显示表面，用于检测用户的触摸位置，在将该处的信息传送给触摸屏控制器。

控制器接收来自触摸点检测装置的触摸信息，并将它转换成触点坐标，判断出触摸的意义后送给PLC。

他同时能接收PLC发来的命令并加以执行，如动态的显示开关量和模拟量等。

PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。

PLC在执行用户程序时所需输入继电器、输出继电器的数据取自于I\O映像区，而不直接与外部设备发生关系。

在运行工作模式时，PLC要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。

PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

为了使PLC的输出及时的响应随时可能变化的输入信号，用户程序不只是执行一次，而是不断的重复执行。

通过HMI触摸屏上按键与变量建立连接，按下触摸屏上的按键，触摸屏控制器做出反应，给PLC发出信号，然后PLC做出反应，驱动各自控制的内部继电器动作。

2微型计算机选择

计算机控制系统各主机有各自的特点：

·PLC专为在工业环境下应用而设，可靠性高，编程容易，功能完善，扩展灵活，安装调试方便。

·工控机是一种面向工业控制、采用标准总线技术和开放式体系结构的计算机，配有丰富的外围接口，具有可靠性高，可维修性好，环境适应力强，控制实时性强,输入输出通道完善等优点。

·单片机体积小、功能全、价格低、软件丰富、面向控制、开发应用方便。

·DSP采用改进型的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，光泛采用流水线操作，提供特殊指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理。

·智能调节器是一利数字化的智能仪表，以微处理器或单片微型计算机为核心。

具有数据通信功能，能完成生产过程1-4个回路直接数字控制任务，在DCS的分散过程控制级中得到广泛应用口

考虑成本、开发周期、应用、安装调试和扩展性等方面，在本设计中采用PLC来作为控制系统主机。

目前生产PLC的厂家较多，但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。

较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有：

德国西门子公司、日本OMRON公司、美国莫迪康公司（施奈德）、美国AB（Alien－Bradley）公司、日本三菱公司等。

其中日本三菱公司的PLC也是较早推到我国来的。

其小型机FI前期在国内用得很多，后又推出FXZ机，性能有很大提高。

在国内有很好的使用基础，并且有较高的性价比。

考虑到双栋温室开关量输入的点数以及必要的点数冗余，本设计选用三菱FX2N型号的PLC。

FX2N是FX系列中功能址强、速度最快的微型可编程序控制器，它的基本指令执行时问高达0.O8us每条指令，远远超过了很多大型可编程序控制器。

PLC具体配置：

FX2N-48MR（控制单元）和FX2N-485-BD（通讯板）。

这款PLC具有控制能力强、操作灵活方便、可靠铃高、适宜长期连续工作的特点，非常适合高效温室的控制。

2.1三菱FX2N-48MRPLC介绍

1）灵活的配置

除了具有满足特殊需求的大量特殊模块外,6个基本单元中的每个单元可扩展至256I/O接点。

2）高速运算

基本指令:

0.08us/指令,应用指令:

1.52至几百us/指令。

3）突出的寄存器容量

FX2N系列包括8K步内置RAM寄存器,用一个寄存器盒可扩展到16RAM或EEPROM。

4）丰富的元件资源

3072点辅助继电器,256点计时器,235点计数器,8000数据存储器。

2.2三菱FX2N-48MRPLC技术参数

FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。

除输入出16—25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

系统配置既固定又灵活：

在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16—256点的灵活输入输出组合。

备有可自由选择，丰富的品种可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。

可根据电源及输出形式，自由选择。

令人放心的高性能程序容量：

内置800步RAM（可输入注释），可使用存储盒，最大可扩充至16K步。

2.3三菱FX2N-48MRPLC开发环境

可编程控制器的产生和发展与继电器有很大的的关系。

继电器室一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，虽有上百年的历史，但在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花大量时间，严重地影响生产。

如果工艺要求发生变化，就得重新设计线路连线安装，不利于产品的更新换代。

显然，需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更可靠，更容易维护，更能适应经常变动的工艺条件，因此在1969年，美国数字设备公司根据要求研制出世界上第一台可编程控制器。

在20世纪70年代后期，随着微电子技术，计算机技术和数字控制技术的迅速发展，人们为了与电脑区分，就把可编程控制器称为PLC。

2.4三菱FX2N-48MRPLC规格参数

产品名称：

三菱PLC

型号规格：

FX2N-48MR-001

最大的输入/输出点数:

48点

电源电压:

100–240VAC

输入点数:

24点

输出点数:

24点

输出类型:

继电器

耗电量:

50VA

重量（kg）:

0.85

尺寸（WxHxD）mm:

182x90x87

三菱FX2N-48MRPLC实物图如下：

图2.1三菱FX2N-48MRPLC实物图

产品单价：

1400元人民币

（来自淘宝网店

3控制算法设计

对于温室内的温湿度这一对被控对象，由于两个参量间的非线性耦合关系，使得被控对象的精确数学模型难以建立。

如果采用模糊控制系统，却可以取得令人满意的控制效果。

而且模糊控制器对被控对象参数的变化有较强的鲁棒性，对干扰有较强的抑制能力，因此本设计将基于模糊控制理论，设计出以智能性的模糊控制器为核心的微型计算机控制系统。

模糊控制器的基本结构如图3.1所示。

图3.1模糊控制系统框图

3.1温室温度模糊控制器及系统设计

模糊控制器（FuzzyController）在模糊自动控制系统中占有举足轻重的地位，因此在模糊控制系统中，设计和调整模糊控制器的工作是很重要的。

模糊控制器的设计包括以下几项内容:

1）确定模糊控制器的输入变量和输出变量；

2）设计模糊控制器的控制规则；

3）建立模糊化和反模糊化的方法；

4）选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参

数（如量化因子、比例因子）；

5）编制模糊控制算法的应用程序；

6）合理选择模糊控制算法的采样时间。

3.1.1模糊控制器的结构设计

模糊控制器有两种组成方式，一种是由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊控制器，它是用硬件芯片来直接实现模糊控制算法；另一种是用微处理器组成硬件系统，用软件来实现模糊控制算法，这种模糊控制器的特点是资源开销小、灵活性高、通用性强、应用范围广。

在本设计的控制系统中，模糊控制器采用第二种方式实现。

模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。

模糊控

制器的输入一般有三个:

偏差、偏差的变化及偏差变化的变化，输出变量选择控制量的变化。

本设计采用的是二维模糊控制器，控制器的输入变量选偏差及偏差的变化，以控制量的变化为输出变量。

根据本系统的特点及控制要求，模糊控制器选用二维结构，其结构如图3.2

所示。

输出

给定输入R+

图3.2二维模糊控制器结构框图

根据本系统的特点及控制要求，模糊控制器采用双输入单输出结构，分别用

偏差

和偏差的变化率

。

作为输入变量，以控制量u作为输出变量。

3.1.2温度对植物生长发育的影响

温度是影响植物生长发育的最敏感的环境因素。

植物的光合作用，呼吸作用

等各种生理活动都需要适宜的温度条件才能顺利进行。

每一种植物的生长发育对

温度都有一定的要求，都有温度的“三基点”:

即最低温度，最适宜温度和最高

温度。

超出最高温度或最低温度的范围，生理活动就会停止，甚至会全株死亡。

不同植物，不同生长发育阶段都有其适宜温度和界限温度，温带植物三基点温度

如表3.1所示。

表3.1温带植物三基点温度

温度功能

生长发育

呼吸作用

光合作用

最高（℃）

35～40

适宜（℃）

25～35

36～46

20～25

最低（℃）

-10

0～5

3.1.3精确量的模糊化

在温室温度模糊控制器里，将触摸屏输入的温度值作为给定值T，由传感器测量得到的温度值记为

，则误差

及误差的变化

为:

式（3.1）

式（3.2）

将

和

作为温度模糊控制器的输入变量，输出变量为加热器及风机等的通断状态。

根据温室的实际工作情况，从温带植物三基点温度如表3.1所示，

可以看出其适宜温度变化值在10℃左右，考虑到实际检测条件和适当的控制精

度，将温度误差的基本论域定为[一5℃～+5℃]，温度误差变化的基本论域定为[-1℃～+1℃]。

为提高控制精度和响应速度，将温度的控制范围分为模糊控制区和确定控制

区，以温度设定值的±5℃为界。

温度在设定值的±5℃以内为模糊控制区，以外为确定控制区。

在确定控制区，系统将进行强制冷却或加热，并发出温度超标报警信号。

而在模糊控制区，将温度偏差、偏差变化率的模糊集合分为7个模糊子集，分别为PB（正大），PM（正中），PS（正小），Z（零），NS（负小），NM（负中），NB（负大）。

选取语言变量

、

的论域均为:

={-4，-3，-2，-1，0,1，2,3,4}。

温度偏差、偏差变化率的隶属函数赋值表如表3.2所示。

表3.2

、

的隶属函数赋值表

论域

子集

-4

-3

-2

-1

0.5

0.2

0.6

0.2

0.5

0.2

0.5

0.2

0.6

0.2

0.5

控制量的隶属函数形状可以是三角形、梯形、单点或其它形状。

采用单点为

控制量在实际处理时较为方便，因为这时只要知道控制量的模糊量也就知道了实

际用于控制的论域元素。

本系统控制量的模糊划分采用单点，分为7个模糊子集，

分别为PB（正大），PM（正中），PS（正小），Z（零），NS（负小），NM（负中），NB（负

大）。

选取语言变量

的论域为:

{-3，-2，-1,0,1,2,3}。

控制量的隶属函数如图3.3所示。

图3.3

的隶属函数

3.1.4模糊控制规则

模糊控制规则实际上是总结有经验的操作者或专家的控制知识和经验制定出的一条条模糊条件语句的集合，通常简写成一个表，即模糊控制规则表。

确定

模糊控制规则的原则必须是系统输出响应的动静态特性达到最佳。

当误差大或较

大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量要注意防

止超调，以系统的稳定性为主要出发点。

根据经验，经过总结和归纳可以得到温

室温度的模糊控制规则表如表3.3所示。

表3.3模糊控制规则表

3.1.5模糊控制算法设计

控制算法是模糊控制的关键，通常可根据不同的系统情况选用不同的控制算

法，常用的有查表法和公式法。

本设计采用查表法实现模糊控制算法。

查表法是根据模糊控制规则表，求出输入量论域元素和输出量论域元素之间

的关系，形成一个表格，这个表格称为控制表。

产生控制表的方法有两种，一种

是间接法，首先求出模糊关系R，再根据输入的偏差和偏差变化率求出控制量，

最后把控制量精确化，由此得到控制表；另一种是直接法，直接从控制规则即推

理语句中求取控制量，由此产生控制表。

本文采用直接法。

本系统中，由于偏差

和偏差变化率

的离散论域都有9个元素{-4，-3，

-2，-1，0，1，2，3，4}，在输入时

或

的精确值都会量化到9个元素之中的任何一个。

这样

和

的输入组合就有

种。

求出这81种输入组合及其对应的输出控制量，即可形成相应的模糊控制表。

例如:

根据表3.2和表3.3可知，当

，对于偏差

有:

=1，NM

=0.2,其余的隶属度为0。

当

，对于偏差变化率

有：

=1，NM

=0.2，有4条控制规则有效，它们分别是：

对于第一条第一条规则，控制量

式（3.3）

对于第一条第一条规则，控制量

式（3.4）

同理，

，

式（3.5），式（3.6）

所以总控制量

式（3.7）

在式（3.7）中，

是

的0.2截集，根据图3.3，由于PB是单点，其对应元素为3，所以

。

根据上述方法，求出其它控制量，列出模糊控制表如表3.4所示。

表3.4模糊控制输出表

-4

-3

-2

-1

-4

1.67

-4

1.67

-2

2.5

0.33

-0.5

-1

2.5

0.5

0.4

-0.25

-1

1.5

0.8

0.2

-0.2

-0.8

-1.5

0.25

-0.4

-0.5

-1.5

-2

-2.5

0.5

-0.33

-1

-2.5

-1

-1.67

-3

-1

-1.67

-3

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