摘  要： 詳細(xì)介紹了基于變論域模糊控制的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，以溫度控制系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以變論域模糊控制為核心算法，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改變模糊控制的論域。根據(jù)誤差和誤差變化率選擇合適的論域，不僅克服了誤差過(guò)大或過(guò)小時(shí)對(duì)溫室控制的影響，還解決了溫室多變量難以建立數(shù)學(xué)模型和隸屬度函數(shù)選擇較難的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞： 模糊控制；變論域；溫室環(huán)境控制；專(zhuān)家系統(tǒng)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    隨著農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)將成為未來(lái)農(nóng)業(yè)的主旋律，因此發(fā)展溫室種植成為提高經(jīng)濟(jì)效益、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的一種有效途徑。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育、提高質(zhì)量和產(chǎn)量為目的。而溫室設(shè)施的關(guān)鍵是溫室環(huán)境控制，調(diào)節(jié)溫室環(huán)境的溫度、濕度、CO2濃度、光照等環(huán)境因子，使植物一直在最佳的生長(zhǎng)環(huán)境下成長(zhǎng)。
    溫室環(huán)境控制即實(shí)現(xiàn)溫室的智能化管理，根據(jù)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)把當(dāng)前的溫室環(huán)境參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)到植物最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)多變量、大慣性的非線性系統(tǒng),且有交連、時(shí)延等現(xiàn)象，很難對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變論域模糊控制方法對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行控制，則不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，解決了模糊控制中初始論域選擇不當(dāng)對(duì)溫室控制的影響，也無(wú)需過(guò)多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變論域模糊控制方法不僅使溫室環(huán)境控制更加精確，而且控制系統(tǒng)的建立也變得更加容易。
1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理
1.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器采集到室內(nèi)和室外的溫度，經(jīng)過(guò)變論域模糊控制系統(tǒng)得出控制決策，并通過(guò)被控對(duì)象進(jìn)行加熱和開(kāi)窗操作。變論域模糊控制系統(tǒng)采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變論域模糊控制算法。

1.2 基本原理
1.2.1 變論域模糊控制
    在溫室環(huán)境控制過(guò)程中，由于溫室環(huán)境是一個(gè)多變量的非線性系統(tǒng)，難以建立數(shù)學(xué)模型，雖然使用模糊控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，但初始論域的選擇卻對(duì)整個(gè)控制的精度有很大的影響。因此，變論域模糊控制能解決初始論域選擇的問(wèn)題[1]。
    變論域是在論域上模糊劃分不變的前提下，論域隨著誤差的變小而收縮，亦隨著誤差的變大而膨脹，通過(guò)論域的變換，將專(zhuān)家總結(jié)出來(lái)的初始規(guī)則庫(kù)變成更加有效的新規(guī)則庫(kù)。表面上看，規(guī)則的個(gè)數(shù)沒(méi)有變化，但是由于論域的收縮而使得規(guī)則局部加細(xì)，相當(dāng)于增加規(guī)則數(shù)，從而提高了控制精度[2]。論域的變化情況如圖2所示。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)的原理
    基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變論域模糊控制由模糊控制技術(shù)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合構(gòu)成，它兼有模糊推理的語(yǔ)言表達(dá)能力和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)描述系統(tǒng)論域的伸縮變化，在系統(tǒng)控制過(guò)程中用ＢＰ模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出當(dāng)前系統(tǒng)的伸縮因子，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的誤差利用ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力不斷地對(duì)伸縮因子的模糊劃分進(jìn)行優(yōu)化?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變論域模糊控制系統(tǒng)的原理如圖4所示。

    (4)去模糊化
    從模糊推理而得到的控制輸出是一個(gè)模糊集，它反映了控制語(yǔ)言的模糊性，但實(shí)際中對(duì)于一個(gè)物理對(duì)象的控制是唯一確定的。去模糊化的任務(wù)是將推理得到的模糊輸出轉(zhuǎn)換成非模糊值(清晰值)，以便形成精確的控制量去控制被控過(guò)程。去模糊化的方法有多種，例如最大隸屬度法、重心法（加權(quán)平均法）等。采用重心法反模糊控制的計(jì)算公式為：
    
3 系統(tǒng)的流程
    溫室系統(tǒng)是一個(gè)大滯后、 非線性的系統(tǒng) ,需要不斷地對(duì)溫室系統(tǒng)的調(diào)控參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，調(diào)整各個(gè)執(zhí)行設(shè)備的開(kāi)啟時(shí)間，從而使得溫室總是保持在作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境狀態(tài)。圖5為系統(tǒng)的流程圖[5]。

    本文詳細(xì)介紹了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變論域模糊控制的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以模糊控制為基本控制方法，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)了模糊控制的論域，從而提高溫室環(huán)境控制的精度。適合溫室環(huán)境控制的多輸入、多輸出和多變量的復(fù)雜現(xiàn)象。
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