基于前馈补偿算法温室解耦及PLC控制器设计

付焕森，李元贵

(1.泰州学院 船舶与机电工程学院，江苏 泰州　225300；2.江南大学 轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡　214122)



基于前馈补偿算法温室解耦及PLC控制器设计

付焕森1,2，李元贵1

(1.泰州学院 船舶与机电工程学院，江苏 泰州225300；2.江南大学 轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡214122)

摘要：为解决温室系统由于非线性、大时滞和强耦合等特点引起的关键因子难以控制和效率低下的问题，研究了前馈补偿解耦算法。通过该算法实现了温室系统温度和湿度二维变量系统的解耦，并在MatLab仿真模型中验证了该算法的实用性和高效性。利用MatLab GUI(graphical user interface)强大的数据计算能力，设计了上位机控制界面，克服了常规的工业控制器难以编写复杂算法的缺点；再结合PLC执行稳定的优点，设计了PID解耦控制器。实践验证表明：该解耦控制器克服了单一温度和湿度控制的缺点，提高了系统的整体工作效率，保障了关键生长因子控制的稳定。

关键词：温室系统；前馈补偿；解耦算法；PLC；Matlab GUI

0引言

随着现代农业的快速发展和人们生活水平的提高，对农作物的生长环境和生产质量的要求越来越高。蔬菜温室系统是现代设施农业的一个主要代表，具有很好的推广价值和应用前景。温室系统中，温度和湿度是农作物生长环境的重要因素，保证适宜的温度和湿度控制才能保证农作物生产的质量和品质。传统的温室系统控制方法是基于温度和湿度的单一控制，忽略了温室和湿度之间存在的强耦合、大滞后现象；而这种现象最终导致了传统控制方法的效率低、生长环境控制不稳定和产品营养成分的流失。解耦思想在理论方面提出了很多方法，如前馈补偿算法解耦、等价传递函数解耦、对角矩阵解耦、模糊和神经网络解耦等，这些算法通过数学建模和仿真，都验证了各自的优越性；而理论方法应用于实践时，都要经过计算机采样离散化，离散化之后会出现意想不到和难以解决的问题。前馈补偿算法是一种理论和结构简单、实用性较强的方法。本文利用前馈补偿算法、MatLab GUI功能和PLC设计温室系统的上位机和下位机，并利用上位机Matlab实现温室系统的前馈补偿解耦算法，克服PLC程序设计难以实现复杂算法的缺点。经过运行证明：该系统克服了单一的温度和湿度的控制缺点，保证了温室系统中的关键生长环境因子的稳定性，提高了温室系统整体的效率[1-2]。

1前馈补偿解耦算法

温室系统中的生长环境有温度、湿度和二氧化碳浓度等多种因子，比较关键的因子是温度和湿度。所以，温室系统可以看成一个二维变量的耦合系统，如图1所示。其中，T、H为温度和湿度输入变量，YT和YH为温度和湿度控制输出，G11、G21、G12、G22为温室系统等价模型的传递函数。从图1中可以看出：温度输出YT由两个通道组成，分别是温度T直接通过G11控制和湿度H间接通过G12影响。同理，湿度输出YH也类似，只和输入量H有关系，和输入量T没有关联。

图1　温室系统等价模型

前馈补偿算法是设计一个补偿装置，通过补偿装置也就把原有耦合的输入输出关系解耦成单一的输入输出关系。即把原有传递函数进过运算后变成新的传递函数，实现对角线以外的变量归零。现利用前馈补偿解耦算法，在图中增加前馈补偿解耦控制器的传递函数P12、P21，如图2所示[3]。

图2　前馈补偿解耦温室系统模型

根据图2建立方程式为

(1)

整理式(1)得到

(2)

分析式(2)，输出YT由T和H的多项式组成，若要消除H对YT的耦合，必须P12G11+G12=0；同理，对于YH，P21G22+G21=0，所以有

(3)

根据此方法，可以推广到三通道和四通道的变量解耦。对于高维的耦合系统，该方法计算量会增大；但对于温室系统，计算简单，容易实现。

2仿真示例

2.1解耦仿真

现有近似温室系统模型为例[4]，其传递函数为

经过式(3)运算后，得到

(4)

在MatLab里建立温室系统的仿真模型，给定[10,0]的阶跃信号，分为两个步骤：第1步是直接对未解耦的近似传递函数模型进行仿真，得到如3所示的波形。从图3上可以看出：尽管只给了温度信号，但因耦合的原因，湿度YH信号也受到了影响。

图3　输入为[10,0]时未解耦温室系统的响应

第2步以式(4)得到的P12和P21，通过前馈解耦算法加入解耦函数对温度通道进行仿真，得到如图4的波形。通过对图4分析可知：湿度YH未受到温度信号的影响，实现了解耦。同理，当给湿度通道增加解耦函数时，给定[0,10]的阶跃信号，可以实现对温度的解耦；若同时加入温度和湿度两通道的解耦函数，给定[10,10]的阶跃信号，可以实现温度YT和湿度YH两通道的解耦。

图4　输入为[10,0]时解耦温室系统的响应

2.2PID前馈解耦控制器

通过MatLab建立温室系统的PID解耦模型[5-6]，如图5所示。该模型由近似传递函数、式(3)求出的解耦函数及常用PID控制器组成。给定[10,10]的阶跃信号，仿真波形如图6所示。从图6中可以看出：在PID参数P=10、I=2的调整下，温度和湿度很快响应到目标值，超调量几乎为零，实现了温室系统温度和湿度的完全解耦，证明了前馈补偿解耦算法的简单实用性。

图5　PID前馈解耦温室系统模型

图6　PID前馈解耦仿真波形

3PLC设计与实现

3.1算法实现

目前，在实际应用中，算法的实现多是通过单片机、PLC和LabView等工业工具进行程序的设计，但是此类工具实现算法存在局限性：一是先进复杂的算法难以用C语言、梯形图等语言编制；二是先进算法一般是基于系统的数学模型(如传递函数等)，转化成实际算法时要进行离散化。系统一旦离散化会出现意想不到的问题，在精确度和稳定性方面都受到影响。温室系统整体结构如图7所示。

图7　温室系统整体结构图

传统工业组态和触摸屏等上位机只能设计控制界面(如一些按键和显示相应的参数值和曲线等)，无法完成复杂计算。MatLab软件除可建模仿真外，还具有非常快速的数值计算能力，容易编写复杂的算法，且可以利用里面的GUI功能设计上位机界面，以此代替传统的工业组态软件。

3.2数据通讯实现

图7中，MatLab GUI作为温室系统的上位机界面，一方面实现温室系统的加热、降温和加湿等执行动作；另一方面显示温室系统的温度和湿度等动态参数，用户可以查看当前和过去的参数历史曲线。在MatLab GUI和S7-200PLC之间是采用OPC(OLE for Process Control)，用于过程控制的OLE一个工业标准。OPC服务器由服务器、组和数据项3类对象组成，通讯方式如图8所示[7-8]。

图8　通讯方式

3.3实践运用

温室系统解耦控制器硬件设计PLC选用s7-200，带有模拟量信号输入输出控制模块EM235；温度传感器采用PT100，湿度传感器采用西门子QFM3171D。PLC程序设计一般采用梯形图编写，缺点是复杂的算法难以实现，或是运行效率会下降很多。因为前馈解耦算法已在MatLab里完成，所以PLC仅作为信号的采集、处理和完成相应的执行动作，整体编程难度下降很多。

由上述原理设计了一台PLC解耦控制器，上位机运行界面如图9所示。

图9　温室系统运行界面

由图9可知：温室系统可以查看24h温度、湿度和光照曲线，实时显示当前值。由于该系统设置了蔬菜品种在白天和夜间的适宜生长温度值分别为15℃和25℃，根据温度曲线可以发现系统能够稳定控制设置值的温度，数据波动控制在2%范围之内。

为了验证系统的反应能力，在14:00人为加湿来降低温度至22℃，系统立刻开启加热设备，在15:00 已经调制至25.5℃，验证了该系统具备快速的响应速度和很好的稳定性。

4结束语

把前馈补偿解耦算法应用在温室系统中，进一步验证了该算法的简单实用性，如推广到三维等多维空间系统中，只要联立相应的维数方程组，在MatLab中求出解耦矩阵即可。PLC已经广泛地应用工业控制中，优点也非常明显，能够很好地控制多个单一的闭环控制系统；但是涉及到大型的现场控制，设计先进、复杂的算法时，难以在梯形图中体现出来。因此，利用MatLab强大的计算能力完成复杂的解耦算法，并利用其GUI设计上位机界面，与PLC进行通讯(Matlab2010版以上)，填补了理论仿真和项目实践的缺口，实现了先进算法在大型系统中的应用。

参考文献：

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[2]徐立鸿, 苏远平, 梁毓明. 面向控制的温室系统小气候环境模型要求与现状[J]. 农业工程学报, 2013, 29(19):1-15.

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[8]林宝全, 陈冲. 基于Matlab与PLC的实时控制系统[J]. 南昌大学学报:工科版,2011(3):298-302.

Decoupling and PLC Controller Design in Greenhouse Based on Feed Forward Compensation Algorithm

Fu Huansen1,2, Li Yuangui1

(1.School of Ship & Mechanical & Electrical Engineering, Taizhou College, Taizhou 225300, China; 2.Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry of the Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Abstract：The feed forward compensation algorithm based on the greenhouse has been studied in this paper with the purpose resolving the problem that the key factors are difficult and inefficient to control because of its nonlinear, time-delay and decoupling characteristics. According to this algorithm, the two dimensional inputs of temperature and humidity have been decoupled and simulated in the Matlab with the results that the algorithm has a good quality of practice and efficiency.Based on the theoretical results, the PID decoupling controller and display interface have been designed.Several typical greenhouse examples are employed to demonstrate effectiveness and simplicity of this design controller ensuring stability of the key factors in control processes.

Key words：greenhouse; feed forward compensation; decoupling algorithm; PLC; Matlab GUI

文章编号：1003-188X(2016)02-0205-04

中图分类号：S625.1；TP273

文献标识码：A

作者简介：付焕森(1982-)，男，江苏兴化人，讲师，江南大学博士研究生，(E-mail)fuhuansen@163.com。

基金项目：江苏省高校自然科学研究面上项目(14KJB510033)

收稿日期：2015-01-14