一种光照度自动调节方法和执行机构与流程

1.本发明涉及智能控制领域，更具体地，涉及一种光照度自动调节方法和执行机构。


背景技术：

2.设施农业作为我国农业领域的一个重要组成部分，涉及多学科和系统，事关人民生活水平与生活质量的提高，其发达程度已成为衡量一个国家或地区农业现代化水平的重要指标之一。温室作为设施农业的一部分，可以改变作物生长环境、为作物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候的影响。温室设施的关键技术是环境控制，现有技术中为了避免外部环境因素造成作物减产，提出了根据当前环境因素对温室设施进行控制的方法，以此使温室内的环境达到最适合作物生长的效果。
3.模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。模糊控制通常以模糊控制器实现，模糊控制器包括：模糊化接口、知识库和推理解模糊接口。模糊化接口用于将输入量模糊量化，知识库用于存储模糊规则，推理解模糊接口用于根据模糊规则完成模糊推理，对控制量输出进行解模糊。
4.随着控制方法不断发展，现有的控制方法已基本完善，能很好地满足环境控制的基本需求。然而对温室光照的控制，现有的方法存在许多不足，其中尤为突出的就是控制方法无法将光照度精确地保持在作物生长的适宜范围内。实现精确控制光照度，并且使光照度符合作物需求，不仅需要复杂的数学模型，还需要能精确执行数学模型的装置。由于控制器难以建立精确的数学模型，并且温室设施复杂，环境因素多变，数学模型预设的规则未必符合作物需求。现有的光照度控制方法无法贴合作物需求，已成了智能控制领域迫切要解决的问题之一。因此，目前亟需一种将光照度控制在作物生长的适宜范围内的光照度自动调节方法和执行机构。本方案基于模糊控制能模拟人的思维方式，将控制经验和知识转化，提高光照度的控制精度和温室的利用效率。


技术实现要素：

5.本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种光照度自动调节方法和执行机构，用于解决光照度不适宜作物，控制精度低的问题。
6.本发明采取的技术方案是：一种光照度自动调节方法，包括：对光照度误差、光照度误差变化率和光照度控制量进行模糊量化；将模糊量化后的所述光照度误差通过光照度误差量化因子进行论域变化，得到光照度误差赋值表；将模糊量化后的所述光照度误差变化率，通过光照度误差变化率量化因子进行论
域变化，得到光照度误差变化率赋值表；将模糊量化后的所述光照度控制量，通过比例因子进行论域变化，并对模糊量化的所述光照度控制量进行解模糊，得到光照度控制量赋值表；获取光照度误差和光照度误差变化率的输入值，根据所述输入值，查询预设的模糊控制规则表和所述光照度误差赋值表、所述光照度误差变化率赋值表、所述光照度控制量赋值表，得到需要的光照度控制量；将查询得到的所述需要的光照度控制量，通过所述比例因子计算得到已就绪的光照度控制量；所述已就绪的光照度控制量可被执行机构读取，实现光照度自动调节。
7.进一步地，所述光照度误差和所述光照度误差变化率的模糊集均为{pb，pm，ps，z，ns，nm，nb}；所述光照度控制量的模糊集为{pb，ps，z，ns，nb}，pb、pm、ps、z、ns、nm、nb分别表示语言值。
8.进一步地，所述光照度误差的基本论域为xj＝[-xj，xj]（xj》0）=[-4，4]，所述光照度误差变化率的量化论域为nj＝[-nj，nj]（nj》0）={-3，-2，-1，0， 1， 2， 3}，所述光照度误差变化率量化因子ke=nj/xj=3/4=0.75。
[0009]
进一步地，所述光照度误差变化率的基本论域为yj＝[-yj，yj]（yj》0）=[-1，1]，所述光照度误差变化率的量化论域为mj＝[-mj，mj]（mj》0）={-3，-2，-1，0， 1， 2， 3}，所述光照度误差变化率量化因子kec=mj/yj=3/1=3。
[0010]
进一步地，所述光照度控制量的基本论域为n＝[-n，n]（n》0）=[-8，8]；基本论域u＝[-u，u]（u》0）={-2，-1，0， 1， 2}，所述比例因子ku=u/n=8/2=4。
[0011]
进一步地，所述光照度误差赋值表、所述光照度误差变化率赋值表和所述光照度控制量赋值表的赋值通过正态分布函数计算得到，所述正态分布函数为：a为隶属函数的中心值；θ为隶属函数的宽度；x为光照度误差、光照度误差变化率和光照度控制量。
[0012]
进一步地，所述光照度误差赋值表：所述光照度误差变化率赋值表：
所述光照度控制量赋值表：
[0013]
进一步地，所述模糊控制规则表：
[0014]
进一步地，对模糊量化的所述光照度控制量进行反模糊量化处理，包括：采用以下公式对模糊量化的所述光照度控制量进行反模糊量化处理光照度控制量：光照度控制量其中，所述lu为反模糊量化处理后的所述光照度控制量，n为光照度控制量的量化论域上限，xi为模糊量化的所述光照度控制量。
[0015]
一种光照度自动调节执行机构，包括：光照控制装置和控制器；所述控制器，用于读取如上述光照度自动调节方法所得到的已就绪的光照度控制量，根据所述已就绪的光照度控制量控制所述光照控制装置，实现光照度自动调节。
[0016]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本方案通过基于模糊控制的调节方法，不仅将光照度调节在作物生长的适宜范围内，还使光照度遵循专业人员的长期工作实践经验而变化，提高了光照度的控制精度，更贴合于作物需求。此外，执行机构的动作连续，在超调量和稳定性上体现了明显的控制优势，有利于延长执行机构的使用寿命。
附图说明
[0017]
图1为本发明实施例的光照度自动调节方法流程图；图2为本发明实施例的执行机构结构图；图3为本发明实施例的光照度传感器和单片机电路图。
具体实施方式
[0018]
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0019]
实施例如图1所示，本实施例提供一种光照度自动调节方法，包括：s10.对光照度误差、光照度误差变化率和光照度控制量进行模糊量化；所述光照度误差和所述光照度误差变化率的模糊集可以均为{pb，pm，ps，z，ns，nm，nb}；所述光照度控制量的模糊集为{pb，ps，z，ns，nb}，pb、pm、ps、z、ns、nm、nb分别表示语言值。
[0020]
s20.将模糊量化后的所述光照度误差通过光照度误差量化因子进行论域变化，得到光照度误差赋值表；假设光照度误差的基本论域为xj＝[-xj，xj]（xj》0），所述光照度误差变化率的量化论域为nj＝[-nj，nj]（nj》0），定义从xj映射到nj的变换系数ke为光照度误差量化因子，则光照度误差量化因子ke的计算公式为ke=nj/xj。在优选的实施方式下，光照度误差le的量化论域为{-3，-2，-1，0， 1， 2， 3}，光照度误差le的变化范围为[-4，4]，则光照度误差变化率量化因子ke=nj/xj=3/4=0.75。
[0021]
s30.将模糊量化后的所述光照度误差变化率，通过光照度误差变化率量化因子进行论域变化，得到光照度误差变化率赋值表；假设光照度误差变化率的基本论域为yj＝[-yj，yj]（yj》0），所述光照度误差变化率的量化论域为mj＝[-mj，mj]（mj》0），定义从yj映射到mj的变换系数kec为光照度误差量化因子，则光照度误差量化因子kec的计算公式为kec=mj/yj。
[0022]
在优选的实施方式下，光照度误差le的量化论域为{-3，-2，-1，0， 1， 2， 3}，光照度误差le的变化范围为[-1，1]，则光照度误差变化率量化因子ke=mj/yj=3/1=3。
[0023]
s40.将模糊量化后的所述光照度控制量，通过比例因子进行论域变化，并对模糊量化的所述光照度控制量进行解模糊，得到光照度控制量赋值表；假设光照度控制量的量化论域n＝[-n，n](n》0)，基本论域u＝[-u，u](u》0)，则比率因子ku定义为ku=u/n。
[0024]
在优选的实施方式下，光照输出量lu的论域取为{-2，-1，0， 1， 2}，光照输出量lu的的变化范围为[0，8]，则比例因子ku＝8/2＝4。
[0025]
在上述步骤s20至步骤s40中，分别计算光照度误差赋值表、光照度误差变化率赋值表以及光照度控制量赋值表中的具体复制，可以采用以下方式：定义模糊子集，实际上就是在确定了模糊子集的隶属度函数曲线形状后，再将隶属度函数曲线离散化，得到有限个点上的隶属度值，便构成相应的模糊变量的模糊子集，根据试验采用正态函数来描述，表达式如下：a为隶属函数的中心值；θ为隶属函数的宽度；x代表随机变量函数，即光照度误差、光照度误差变化率和光照度控制量。
[0026]
根据光照度误差、光照度误差变化率和光照度控制量的各语言值对应的隶属度函数，可以得到各变量的赋值表。
[0027]
在优选的实施方式下，光照度误差赋值表如下：
光照度误差变化率赋值表如下：光照度控制量赋值表如下：s50.获取光照度误差和光照度误差变化率的输入值，根据所述输入值，查询预设的模糊控制规则表和所述光照度误差赋值表、所述光照度误差变化率赋值表、所述光照度控制量赋值表，得到需要的光照度控制量；为了得到更优化的光照调节效果，在优选的实施方式下，预设的模糊控制规则表可以如下：根据光照度误差和光照度误差变化率的输入值，可以先分别查询光照度误差赋值表、光照误差变化率赋值表，得到分别对应光照度误差输入值的语言值，以及对应光照误差变化率输入值的语言值；根据光照度误差输入值和光照误差变化率输入值的语言值，可以再查询模糊控制规则表，得到光照度控制量的语言值；根据光照度控制量的语言值，最后查询光照度控制量赋值表，得到需要的光照度控制量。
[0028]
s60.将查询得到的所述需要的光照度控制量，通过所述比例因子计算得到已就绪的光照度控制量；所述已就绪的光照度控制量可被执行机构读取，实现光照度自动调节。
[0029]
将查询得到的需要的光照度控制量，乘以比例因子ku，可以得到精准的已就绪的光照度控制量，执行机构读取这个光照度控制量可以作用于被控对象上，实现模糊控制过程。
[0030]
本实施例通过基于模糊控制的调节方法，不仅将光照度调节在作物生长的适宜范围内，还使光照度遵循专业人员的长期工作实践经验而变化，提高了光照度的控制精度，更贴合于作物需求。
[0031]
光照度控制量图2为本发明的执行机构结构图，如图2所示，一种光照度自动调节执行机构，包括：光照控制装置和控制器；所述控制器，用于读取如上述光照度自动调节方法所得到的已就绪的光照度控制量，根据所述已就绪的光照度控制量控制所述光照控制装置，实现光照度自动调节。
[0032]
具体地，光照度自动调节方法不依赖于被控对象精确的数学模型，通过模拟人的思维方式，将专家的控制经验和知识转化成控制器，实现对被控对象的智能控制，以符合温室设施的控制需求。此外，执行机构的动作连续，在超调量和稳定性上体现了明显的控制优势，有利于延长执行机构的使用寿命。控制器为模糊控制器，模糊控制器（fuzzy controller—fc）也称为模糊逻辑控制器（fuzzy logic controller—flc），由于所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的，因此模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器（fuzzy language controller—flc）。模糊控制器包括：模糊化接口（fuzzy interface）、知识库（knowledge base—kb）和推理与解模糊接口（inference and defuzzy-interface）。知识库包括：数据库（data base—db）和规则库（rule base—rb）。模糊化接口用于对光照度误差和光照度误差变化率进行模糊量化；数据库用于存储光照度信息赋值表，知识库用于存储模糊控制规则表。推理与解模糊接口用于模糊推理和解模糊。在本方案中，采用stc89c52rc单片机为模糊控制器。所述stc89c52rc 单片机是stc公司生产的一种低功耗、高性能的8位单片机，具有8k字节的程序存储空间和512字节数据存储空间，32个i/o口，3个16位定时器，4路外部中断，可通过串口直接下载用户程序。光照控制装置包括：光照度传感器、遮光膜、补光灯、键盘和显示器。单片机分别与光照度传感器、遮光膜、补光灯、键盘和显示器连接，以实现光照度自动调节的功能。在本方案中，光照度传感器采用型号为bh1750fvi的传感器，图3为本发明的光照度传感器和单片机电路图，如图所示，光照度传感器与单片机连接。键盘采用2
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2矩阵式键盘，显示器为lcd显示系统。
[0033]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。