基于模型预测的日光温室温度优化控制_杜太行.pdf

doi 10 11857 j issn 1674 5124 2021010123 基于模型预测的日光温室温度优化控制 杜太行1 刘 德1 孙曙光1 钱春阳1 2 梁倩伟1 1 河北工业大学人工智能与数据科学学院 天津 300130 2 天津市农业科学院信息研究所 天津 300192 摘 要 针 对 日 光 温 室 室 内 温 度 的 优 化 控 制 在 切 换 控 制 的 基 础 上 提 出 基 于 模 型 预 测 model predictive control MPC 的 温 度 控 制 方 法 首 先 以 室 外 环 境 因 素 设 备 开 关 量 以 及 室 内 温 度 为 输 入 建立NARX神 经 网 络 室 内 温 度 预 测 模 型 进 而 将 其 输 出 作 为 目 标 优 化 函 数 的 输 入 该 函 数 以 温 度 的 控 制 误 差 设 备 切 换 次 数 系 统 能 耗 为 约 束 从 而 将 控 制 问 题 转 化 为 目 标 函 数 的 求 解 问 题 在 此 基 础 之 上 得 到 局 部 最 优 的 开 关 设 备 控 制 序 列 最 终 通 过 滚 动 优 化 机 制 进 入 最 佳 温 度 切 换 控 制 状 态 实 验 结 果 表 明 基 于 模 型 预 测 的 切 换 控 制 算 法 可 以 有 效 调 控 温 室 内 的 温 度 降 低 温 室 系 统 能 耗 关键词 日光温室 切换控制 NARX神经网络 模型预测控制 节能 中图分类号 TP273 1 文献标志码 A 文章编号 1674 5124 2022 01 0085 07 Optimal temperature control of solar greenhouse based on MPC method DU Taihang1 LIU De1 SUN Shuguang1 QIAN Chunyang1 2 LIANG Qianwei1 1 School of Artificial Intelligence Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2 Information Institute Tianjin Academy of Agricultural Sciences Tianjin 300192 China Abstract Aiming at the optimal control of indoor temperature in solar greenhouse a temperature control method based on model prediction is proposed on the basis of switching control First take outdoor environmental factors equipment switching values and indoor temperature as inputs to establish a NARX neural network indoor temperature prediction model And then use its output as the input of the objective optimization function which takes the temperature control error the number of equipment switching times and the system energy consumption as constraints so as to transform the control problem into the objective function solution problem On this basis obtain the local optimal switchgear control sequence Finally enter the optimal temperature switching control state through the rolling optimization mechanism The experimental results show that the switching control algorithm based on model prediction can effectively regulate the temperature in the greenhouse and reduce the energy consumption of the greenhouse system Keywords solar greenhouse switching control NRAX neural network model predictive control energy conservation 收稿日期 2021 01 27 收到修改稿日期 2021 03 09 基金项目 天津市农业科技成果转化与推广项目 201901060 天津市科技计划项目 17YFZCNC00280 作者简介 杜太行 1963 男 天津市人 教授 博士生导师 研究方向为电器检测与试验 计算机应用 工业自动化等 通讯作者 钱春阳 1988 男 天津市人 副研究员 研究方向为农业信息技术与智能控制 第 48 卷 第 1 期 中国测试 Vol 48 No 1 2022 年 1 月 CHINA MEASUREMENT TEST January 20220 引 言 日 光 温 室 是 我 国 北 方 主 要 的 特 征 温 室 应 用 广 泛 温 度 是 绿 色 植 物 生 长 发 育 新 陈 代 谢 等 生 命 活 动 的 重 要 环 境 条 件 因 此 温 度 控 制 是 现 代 化 温 室 管 理 的 首 要 任 务 1 日 光 温 室 室 内 温 度 较 高 时 打 开 风 口 降 温 当 温 度 持 续 升 高 时 关 闭 风 口 打 开 风 机 进 行 机 械 通 风 这 种 以 输 入 量 为 开 关 量 的 切 换 控 制 在 温 室 中 较 为 普 遍 开 关 控 制 具 有 设 备 价 格 低 易 操 作 以 及 易 维 护 等 优 点 但 同 输 入 为 连 续 量 的 系 统 相 比 开 关 量 控 制 系 统 的 温 室 小 气 候 环 境 控 制 难 度 更 高 2 近 些 年 国 内 外 许 多 专 家 学 者 针 对 温 室 小 气 候 控 制 进 行 了 深 入 的 研 究 模 糊 控 制 专 家 系 统 控 制 都 依 赖 于 生 产 经 验 3 4 且 作 用 于 被 控 制 对 象 都 是 连 续 的 输 入 控 制 量 对 于 输 入 为 开 关 量 的 温 室 系 统 难 以 取 得 较 好 的 控 制 效 果 文献 5 针 对 离 散 开 关 量 控 制 的 温 室 设 计 了 混 杂 控 制 器 其 本 质 仍 是 基 于 事 件 触 发 的 切 换 控 制 控 制 的 有 效 时 间 短 效 率 低 文 献 6 设 计 了 开 关 组 合 的 预 测 控 制 克 服 了 温 室 系 统 的 时 滞 问 题 但 设 计 的 预 测 模 型 过 于 简 单 难 以 适 应 环 境 复 杂 多 变 的 温 室 上 述 方 法 均 未 考 虑 到 控 制 过 程 中 执 行 设 备 是 否 切 换 过 于 频 繁 以 及 设 备 能 耗 问 题 文献 7 通 过 遗 传 算 法 确 定 了 温 室 机 理 模 型 未 知 参 数 建 立 了 精 确 的 预 测 模 型 同 时 将 能 耗 和 水 耗目标引入预测控制中 但建模的过程较为复杂 本 文 在 现 有 研 究 理 论 的 基 础 上 提 出 了 基 于 模 型 预 测 model predictive control MPC 的 日 光 温 室 温 度 优 化 控 制 方 法 通 过 神 经 网 络 来 建 立 温 度 的 灰 箱 预 测 模 型 克 服 温 室 建 模 复 杂 的 问 题 在 日 光 温 室 夏 季 温 度的4种 开 关 量 控 制 切 换 中 通 过 引 入 模 型 预 测 控 制 思 想 建 立 以 温 度 的 控 制 误 差 设 备 切 换 次 数 系 统 能 耗 为 优 化 条 件 的 目 标 函 数 该 控 制 方 式 主 要 侧 重 于 未 来 局 部 控 制 时 域 内 控 制 性 能 最 优 最 后 在 实 验 现 场 对 基 于 模 型 预 测 的 温 室 切 换 系 统 进行验证 1 温室温度预测模型构建 在 实 现 模 型 预 测 控 制 时 首 先 要 建 立 对 象 的 数 学 模 型 然 后 收 集 实 时 数 据 根 据 模 型 来 预 测 被 控 对 象 的 运 行 状 况 日 光 温 室 是 一 个 非 线 性 强 耦 合 时 变 的 复 杂 系 统 很 难 建 立 准 确 的 数 学 模 型 针 对 温 室 的 上 述 特 点 采 用 在 非 线 性 模 型 的 长 时 域 多 步 预 测 中 有 良 好 表 现的NARX神 经 网 络 预 测 未 来 时 刻 温 室 室 内 温 度 以 外 界 环 境 输 入 量 温 室 控 制 状 态 量 室 内 温 度 共 同 作 为 神 经 网 络 的 输 入 未 来 时 刻的室内温度作为输出 建立预测模型 1 1 温室简介与数据处理 实 验 温 室 位 于 天 津 市 北 辰 区 由 天 津 农 科 院 提 供 是 典 型 的 北 方 日 光 温 室 温 室 结 构 见图1 温 室 坐 北 朝 南 长约70 m 宽6 m 脊高3 5 m 占 地 面 积 约为420 m2 温 室 支 撑 材 料 采 用 的 是 铝 合 金 覆 盖 的 透 光 材 料 为 加 厚 的 聚 乙 烯 薄 膜 日 光 温 室 在 夏 季 共有4个 控 制 状 态 均 为 开 关 量 输 出 分 别 为 保 温 自 然 通 风 机 械 通 风 风 机 湿 帘 状 态 它 们 的 降 温 能 力 依 次 增 强 同 时 消 耗 的 能 量 也 依 次 增 强 温 室 在这4个 状 态 中 进 行 切 换 达 到 降 温 的 目 的 如表1 所示 作物 湿帘 现场集控 中心 电机 传感器 节点 控制各个执行机构动作 室外传感器节点 防虫网 通风口 自然通风 风机 强制通风 储 水 箱 水 泵 S7 200 smart PLC 图 1 实验温室结构示意图 表 1 温室控制状态 控制状态 状态名称 执行装置 编号 M1 保温 关闭所有设备 001 M2 自然通风 电机 010 M3 机械通风 负压风机 011 M4 风机 湿帘 风机 水泵 100 根 据 现 代 温 室 的 需 求 设 计 了 现 场 温 室 环 境 监 测 系 统 在 温 室 现 场 布 置 的 各 类 传 感 器 采 集 环 境 信 息 为 控 制 决 策 提 供 依 据 温 湿 度 传 感 器 的 型 号 为 SHT35 测 量 太 阳 辐 射 的 传 感 器 和 风 速 风 向 一 体 传 感 器 分 别 为 仪 谷 公 司 生 产的YGC TBQ和YGC FX 测 量 时 间 间 隔为1 min 传 感 器 数 据 的 准 确 性 是 模 型 有 效 的 先 决 条 件 传 感 器 采 集 环 境 因 素 时 可 能 会 出 现 电 磁 干 扰 通 信 错 误 等 问 题 导 致 测 得 的 数 据 会 有 较 大 的 偏 差 因 此 需 要 对 传 感 器 采 集 的 数 据 进行处理 1 1 1 异常数据剔除 对 于 偏 差 较 大 的 测 量 数 据 应 给 予 剔 除 采 用 86 中国测试 2022 年 1 月