菇棚溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

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1、菇棚溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 　　引言 　　以杏鮑菇為代表的珍稀食用菌工廠化栽培，是最具現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特征的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方式，將工業(yè)化的技術(shù)手段引入菌草栽培領(lǐng)域，在相對可控的環(huán)境和設(shè)施條件下實施高效率的機械化、自動化作業(yè)，是實現(xiàn)食用菌規(guī)?；?、集約化的重要途徑。杏鮑菇的生長繁殖過程是一個高級的物質(zhì)生命運動過程，在不同生長期，溫度作為杏鮑菇栽培環(huán)境中最重要的影響因素，除了對杏鮑菇生長起到促進或抑制的作用外，對其他影響因子( 如濕度、光照度以及 CO2濃度等) 也有很大影響。溫度系統(tǒng)具有時滯、非線性等特點，經(jīng)典 PID算法難以達到理想的控制效果，而模糊控制算法與PL

2、C 的有機結(jié)合則是一種有效的解決途徑。 　　PLC 的全稱為可編程控制器，專為在工業(yè)控制環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，具有使用方便、編程簡單、可靠性強等優(yōu)點; 但由于編程語言的限制，很難實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。MATLAB 擁有功能強大的模塊集和工具箱，用戶可直接使用工具箱學(xué)習(xí)而不用自己編寫代碼，用于解決特定課題和數(shù)學(xué)建模問題，但結(jié)果常限于數(shù)字仿真。所以，本文以寧夏南部山區(qū)杏鮑菇菇棚溫度自調(diào)節(jié)系統(tǒng)為背景，以 PC ACCESS 軟件為 OPC服務(wù)器，將 PLC 采集到的實時數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)交換傳給Simulink，進行模糊 PID 算法處理，再將運算結(jié)果傳送給下位機 PLC，由 PLC 的輸出模塊輸出控制信號，

3、從而實現(xiàn)將模糊控制算法用于過程控制，并通過仿真結(jié)果表明控制器的有效性。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)如圖 1所示。【圖1】　　　　1 OPC 技術(shù) 　　OPC 是一個通用的工業(yè)標準，是開發(fā) OPC 服務(wù)器與 OPC 客戶軟件之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)范，并已形成一個體系，包括一整套接口、屬性和方法的標準集，常用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)。OPC 作為微軟公司的對象鏈接和嵌入技術(shù)應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，為工業(yè)自動化軟件面向?qū)ο蟮拈_發(fā)提供一項統(tǒng)一的標準，解決了應(yīng)用軟件與各種設(shè)備驅(qū)動程序之間的通信問題。它把硬件廠商和應(yīng)用軟件開發(fā)商分離開來，為基于 Windows 的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁，大大提高了雙方的工

4、作效率。 　　應(yīng)用程序與 OPC 服務(wù)器之間必須有 OPC 接口，OPC 規(guī)范提供了兩套標準接口: Custom 標準接口和OLE 自動化標準接口，通常在系統(tǒng)設(shè)計中采用 OLE 自動化標準接口。OLE 自動化標準接口定義了以下 3層接口，依次呈包含關(guān)系。OPC Server( 服務(wù)器) : OPC啟動服務(wù)器，獲得其他對象和服務(wù)的起始類，并用于返回 OPC Group 類對象。OPC Group( 組) : 存儲由若干 OPC Item 組成的 Group 信息，并返回 OPC Item 類對象。OPC Item( 數(shù)據(jù)項) : 存儲具體 Item 的定義、數(shù)據(jù)值、狀態(tài)值等信息。3 層接口的層

5、次關(guān)系如圖 2 所示?！緢D2】　　　　2 菇棚溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 　　2． 1 菇棚的溫度控制原理 　　寧夏南部山區(qū)杏鮑菇生產(chǎn)基地采用大棚式培養(yǎng)方式，作為對杏鮑菇生長起最重要影響的因素，溫度顯得尤為重要。菇棚溫度采用自動記錄儀對溫度進行檢測，利用空調(diào)對菇棚溫度進行調(diào)節(jié)。由于溫度控制系統(tǒng)具有大時變、非線性、滯后性等特點，采用模糊控制非常合適。本文對菇棚的溫度進行了控制設(shè)計，最終采用模糊 PID 控制方案，達到對溫度的實時控制，從而將出菇階段的溫度控制在 14 ～17℃的范圍之內(nèi)。菇棚溫度控制系統(tǒng)的原理如圖 3 所示。【圖3】　　　　圖 3 中，虛線框內(nèi)的部分在工業(yè)控制環(huán)境中大多由 PLC 等

6、控制設(shè)備完成，而這些設(shè)備很難實現(xiàn)模糊PID 的控制功能。因此，將虛線框部分在 Simulink 中實現(xiàn)，把在 Simulink 中創(chuàng)建的模糊 PID 控制器直接應(yīng)用到現(xiàn)場設(shè)備中。菇棚實時溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖 4 所示。【圖4】　　　　圖 4 中，該系統(tǒng)以 PC ACCESS 軟件作為 OPC 服務(wù)器，用 MATLAB/OPC 工具箱中的 OPC Write 模塊和OPC Ｒead 模塊與 Simulink 進行數(shù)據(jù)交換。傳感變送裝置檢測溫度后將電信號傳送給 S7－200PLC 的模擬量輸入模塊 EM231，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后得出溫度值; PCACCESS 軟件從 PLC 中讀取溫度值，通過

7、 OPC Ｒead 模塊傳送給 Simulink; 在 Simulink 中與設(shè)定的溫度值進行比較后，進行模糊 PID 計算，將結(jié)果通過 OPC Write 模塊傳送給 PC ACCESS 軟件，經(jīng) PC ACCESS 軟件寫入到PLC 中，計算分析得出數(shù)字量，輸出到模擬量輸出模塊EM232，經(jīng) D / A 轉(zhuǎn)換為電信號送給溫控裝置( 空調(diào)) ，實現(xiàn)對菇棚溫度的模糊 PID 控制。 　　2． 2 模糊 PID 控制系統(tǒng) 　　2． 2． 1 模糊 PID 控制器的設(shè)計 　　菇棚的溫度控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，而常規(guī)的 PID 控制則需建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型

8、，對被控過程的適應(yīng)性差，算法得不到滿意的控制效果。單純使用模糊控制時，控制精度不高、自適應(yīng)能力有限，可能存在穩(wěn)態(tài)誤差，引起振蕩。因此，本文針對 PID 控制和模糊控制的各自特點，將兩者結(jié)合起來，設(shè)計了模糊 PID控制器，可以利用模糊控制規(guī)則對 PID 參數(shù)進行在線修改，從而實現(xiàn)對菇棚溫度的實時控制，將出菇階段的溫度控制在 14 ～17℃的范圍之內(nèi)。 　　基于上述分析，將菇棚溫度作為研究對象，E、EC作為模糊控制器的輸入，其中 E 為設(shè)定溫度值與實際溫度值的差值。PID 控制器的 3 個參數(shù) KP、KI、KD作為輸出。設(shè)輸入變量 E、EC 和輸出變量的 KP、KI、KD語言值的模糊子集均為{

9、NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} = { 負大，負中，負小，零，正小，正中，正大} ，誤差E 和誤差變化率 EC 的論域為{ －30，－20，－10，0，10，20，30} ，KP的論域為{ －0． 3，－0． 2，－0． 1，0，0． 1，0． 2，0 ． 3 } ，KI的論域為{ － 0． 06，－ 0． 04，－ 0． 02，0，0 ． 0 2 ，0． 04，0． 06} ，KD的論域為{ －3，－2，－1，0，1，2，3} 。為了論域的覆蓋率和調(diào)整方便，均采用三角形隸屬函數(shù)。根據(jù)對系統(tǒng)運行的分析和工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，得出KP、KI、KD的模糊控制規(guī)則表

10、，如表1 所示。利用 Simulink 工具箱，建立系統(tǒng)的模糊 PID 控制器的模型，如圖 5 所示?！颈? 圖5】　　　　2． 2． 2 系統(tǒng)的仿真菇棚溫度的傳遞函數(shù)采用【1】　　　　其中，α 為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)，α = 10． 3s / ℃ ; k = 0． 023; τ =10s，為純滯后時間。 　　設(shè)定菇棚溫度值為 15℃，常規(guī) PID 控制器的仿真結(jié)果如圖 6 所示，模糊 PID 控制器的仿真結(jié)果如圖 7所示。結(jié)果表明，菇棚溫度控制系統(tǒng)采用模糊 PID 控制器具有超調(diào)小、抗干擾能力強等特點，能較好地滿足系統(tǒng)的要求?！緢D6-7】　　　　3 Simulink 與 S7－200

11、PLC 數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn) 　　PC ACCESS 軟件是專用于 S7 － 200 PLC 的 OPC服務(wù)器軟件，它向作為客戶機的 MATLAB/OPC 客戶端提供數(shù)據(jù)信息。在菇棚溫度控制系統(tǒng)中，模糊 PID控制器 的 輸 出 值 和 反 饋 值 就 是 Simulink 與 S7 －200PLC 進行交換的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的具體步驟如下: 　　1) 打開軟件 PC ACCESS V1． 0 SP4，在"MicroWin( USB) ";下，單擊右鍵設(shè)置"PC/PG";接口，本文選用"PC/PPI ( cable ) ";。 然 后，右 鍵 單 擊 "MicroWin( USB) ";進入"

12、新 PLC";，添加監(jiān)控 S7－200PLC，本文默認名稱為"NewPLC";。右鍵單擊所添加的新 PLC 的名稱，進 入"New Item";添 加 變 量，本 文 為 輸 出 值"wendu1";和反饋值"wendu2";，設(shè)置完成，如圖 8 所示。PC ACCESS 軟件自帶 OPC 客戶測試端，客戶可以將創(chuàng)建的條目拖入測設(shè)中心進行測試，觀察通信質(zhì)量，如圖 9 所示。測試后的通信質(zhì)量為"好";?！緢D略】　　　　2) 打開 MATLAB，在工作空間輸入命令"opctool";后，將彈出 OPC Tool 工具箱的窗口，在該窗口的 MAT-LAB OPC Clients 對話框下單擊右鍵，進

13、入"Add Client";添加客戶端，用戶名默認"localhost";，Server ID 選擇"S7200． OPCServer";; 與 PC ACCESS 軟件連接成功后，在"S7200． OPCServer";中添加組和項，把在 PC ACCESS軟件中創(chuàng)建的兩個變量"wendu1";和"wendu2";添加到項中，操作完成后結(jié)果如圖 10 所示。【圖略】　　　　3) 新建 Simulink 文件，導(dǎo)入模糊 PID 控制器模型，調(diào)用 OPC Write 模塊、OPC Ｒead 模塊和 OPC Configura-tion 模塊，設(shè)置 OPC Write 模塊和 OPC Ｒead 模

14、塊的屬性，把 OPC 工作組中的變量"wendu1";添加到 OPCWrite 模塊中，把變量"wendu2";添加到 OPC Ｒead 模塊中，設(shè)置完成后兩個模塊與控制器相連，如圖 11 所示。這樣，基于 Simulink 和 S7－200PLC 的模糊 PID 實時溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計就完成了?！緢D11】　　　　4 結(jié)論 　　針對工業(yè)現(xiàn)場中 PLC 難以實現(xiàn)復(fù)雜控制算法這一問題，采用 OPC 技術(shù)將 Simulink 與 PLC 連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，解決了 Simulink 僅用于數(shù)字仿真的缺點，完成了對寧夏南部山區(qū)杏鮑菇菇棚溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計。仿真結(jié)果表明，采用模糊 PID 控制器較常規(guī)

15、PID控制器具有更好的動態(tài)適應(yīng)性和良好的抗干擾能力，對溫度的控制效果更好，設(shè)計方案可行。 　　雖然 PLC 在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛、可靠性強，但是由于自身編程語言的限制，難以實現(xiàn)諸如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法等復(fù)雜的智能算法，而MATLAB 擁有強大的運算功能和豐富的工具箱，能仿真實現(xiàn)各類算法。因此，采用 OPC 技術(shù)將二者結(jié)合，能將復(fù)雜的算法直接應(yīng)用到現(xiàn)場 PLC 中，具有良好的實用性。 　　參考文獻: 　?。?］ 李廣明，黃立平，詹錦川，等． 食用菌工廠化生產(chǎn)智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］． 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34( 17) : 96－97．　?。?］ 王巖． 淺談 PLC 控制技術(shù)的特點和發(fā)展方向［J］． 蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報，2011( 2) : 41－44．　?。?］ 程睿，吳澤全，徐東，等． PLC 在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］． 農(nóng)機化研究，2011，33( 2) : 167－169．