基于受限冲突多目标的温室小气候PID控制

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针对山西晋中市一日光温室,提出一种基于受限冲突多目标的温室小气候PID(Proportion Integral Differential)控制方案。传统温室控制一般关注控制性能,较少考虑控制能耗,这很可能导致生产成本过高。本文采用控制性能和控制能耗这两个冲突控制目标函数,提出了一种基于非支配排序遗传算法(Nondominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA-II)的受限冲突多目标温室小气候PID控制方案。这里的温室小气候主要指温室温度和湿度,这二者之间存在一定的耦合关系。选择控制性能和控制能耗这两个冲突控制目标函数,考虑执行器的可执行范围,根据温室小气候环境模型,采用NSGA-II优化算法,设计PID控制器并进行解耦。在模拟实验中,通过控制性能指标和能耗指标,测试了温室气候控制的阶跃响应。本文主要研究内容和结果如下:(1)通过已有的温室模型设计PID控制器,实现对温室内温度和湿度的控制,通过仿真实验,获得控制过程中温度、湿度初始值和目标值变化情况。(2)根据温室温度和湿度之间存在的耦合关系,在PID控制器设计方案基础上加入温室温度和湿度耦合关系,设计温室温湿度PID解耦控制器。结果显示:温度和湿度的控制系统响应速度提高6.3%和53%。稳态时间缩短21.8%和24.2%。(3)选择控制性能和控制能耗这两个冲突控制目标函数,考虑执行器的可执行范围,根据温室小气候环境模型,采用NSGA-II优化算法,设计基于受限冲突多目标的温室小气候PID控制器。仿真结果表明,所给出的温室温湿度控制算法可以在保证较低成本的基础上实现较好的控制。通过NSGA-II算法优化PID控制器,温度和湿度控制系统达到稳态所需时间分别减少545s和381.6s,控制速度分别提升86.5%和54.2%,稳态误差分别减少1.5%和1.2%,温度控制的超调量降低1.2%。其温度控制误差范围为±5.0℃,湿度控制误差范围为±2 RH%。该控制方案的提出和实现为温室小气候的调控提供了一种思路和技术支持。
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