DMC控制算法在食用菌温室培养中的应用研究

于囡囡谢子锋

（1.潍坊职业学院，山东潍坊 261000；2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261000）

DMC控制算法在食用菌温室培养中的应用研究

于囡囡1谢子锋2

（1.潍坊职业学院，山东潍坊 261000；2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261000）

食用菌温室培养已成为现代农业生产中的重要一环，实现食用菌培养环境的良好控制是食用菌培养成功的重要环节。本文利用MATLAB仿真软件，对食用菌温度控制器进行了建模、控制算法设计与仿真，并利用研华控制器进行了运行测试。结果表明，该DMC控制系统具有良好的动态调节品质和很好的鲁棒性，解决了温控过程中温差微小变化的控制问题，取得了较为理想的控制效果，满足了控制要求，具有较好的实用价值，这为高效的实现食用菌培养环境的控制提供了理论依据与指导。

食用菌；温室培养；DMC控制系统；MATLAB；仿真

食用菌培养对环境具有特殊的要求，人为地创造食用菌生长所需的最佳环境条件，能够保障食用菌生产潜力的发挥，达到食用菌生产的高产、优质、高效的目的[1]。因此，建立一个良好的培养环境控制系统，是食用菌培养成功的关键所在。

DMC算法属于预测控制算法中的一种，也是应用最为广泛的一种模型预测控制算法，由于它在控制中具有良好的动态响应、跟踪性、鲁棒性（控制系统在一定结构，大小等参数摄动下，维持某些性能的特性），在工业过程控制中受到广泛重视和应用。DMC算法直接采用工业过程易得到的对象阶跃响应，汇集不同时刻的采样值作为描述对象动态特征的信息，从而构成预测模型。DMC控制算法模型采用非最小化描述的模型，包含信息量大，这提高了系统的鲁棒性。尤其是针对在控制中较难解决的纯迟延系统，DMC算法在跟踪能力和鲁棒性上有其独到之处[2]。

本文将DMC控制算法应用到食用菌培养环境的控制上，提出了食用菌温控系统的DMC控制策略，通过MATLAB仿真与研华控制器测试，取得了良好的控制效果。

1 DMC的基本原理

DMC算法是建立在系统阶跃响应上的一种预测控制算法，它应用于渐进稳定的线性控制对象，主要包括预测模型、滚动优化和反馈校正三部分[3]。

1.1 预测模型

在DMC控制系统中，首先测定在采样时刻t=T,2T,…,NT的采样值a1,a2,…aN构成动态系数，这样，利用采样值组成的有限集合!a1,a2,…aN"就可以近似的对动态信息进行描述，这个集合的参数就构成了DMC控制系统的模型参数。其中，参数个数N称为模型的时域长度，N的选择应使aN接近阶跃响应的稳态值a∞。根据线性系统具有比例和叠加的性质，用模型参数就足以预测对象在未来的输出值：

1.2 滚动优化

DMC控制算法以优化确定控制策略。控制系统在每一时刻的控制输出上，通过确定M个控制增量，在其作用下使得被控对象未来的P个输出尽可能的接近给定期望值，M称为控制时域，P称为优化时域。选取性能指标：

其中Q=diag(q1…qp)，R=diag(r1…rM)由权系数构成的对角阵Q、R分别称为误差权矩阵和控制权矩阵，它们分别表示对跟踪误差和控制量的变化的抑制。ωp(k)为对象的期望输出。由式（2）可导出性能指标中yPM(k)与△u的关系，其向量形式为：

其中，△uM(k)为预测的未来M个时刻的被控量，△u(k)为当前时刻的被控量。

1.3 反馈校正

有了yN0(k+1)，整个控制就可以结合反馈校正的滚动优化方式反复的在线进行。DMC的控制原理图如图1所示。

图1 DMC控制原理图Fig.1DMC Principle control diagram

2 仿真结果分析

通过MATLAB软件进行设计仿真。在设计中，采样时间设为5S，由于系统在阶跃响应下经过400S进入稳定状态，选取N=40，预测时域P=12，误差权矩阵Q=diag（0,1，…,1）1×p，控制时域M=1，控制权矩阵R=diag（0,1），预测误差校正系数矩阵H=ones（N,1），调节器参数选定后进行仿真[4-6]，选定单位阶跃信号作为输入，从图3中可以得出，DMC控制系统过渡平稳，超调量小，控制品质良好。考虑被控对象的实际运行情况，为了减小控制阀的磨损，延长控制阀的使用寿命，一般要求被控阀门每次的动作都不要太大，最好是沿某一方向变化，从图4可以看出，DMC控制系统在控制量的输出上获得了较为理想的控制效果[7]。

由于不可预知的环境因素等的干扰，使得被控对象的动态特性具有时变性。从图5、图6的仿真结果来比较系统的鲁棒性，在DMC控制系统控制参数保持不变的情况下，分别将传递函数的增益发生0.5倍增幅变化；将传递函数的时延时间增大一倍，可以看出DMC控制系统在超调量和过渡时间上也取得了很好的效果[8，9]。

图2 控制效果Fig.2Control effect

图3 被控量输出Fig.3Control output

3 控制算法运行试验

根据实际参数模型，对控制算法进行编程，利用研华工控机进行实际运行试验测试。将温度设定值定为32.5℃，检测一天的数据曲线如图6所示。从得到的曲线可以看出，系统运行平稳，温度基本控制在设定值附近，误差在±1℃范围内。实践证明该控制算法具有性能稳定可靠、控制精度高等优点。

图4 传递函数增益发生0.5倍增幅变化时鲁棒性比较Fig.4Robustness comparing as gain change

图5 传递函数时延发生1倍延长变化时鲁棒性比较Fig.5Robustness comparing as delay time change

图6 实验效果Fig.6Experiment effect

4 结束语

仿真实验结果表明，采用DMC控制策略的食用菌温控系统具有良好的动态调节品质和很强的鲁棒性，达到了试验控制的要求，尤其是在系统模型失配的情况下，取得了较为理想的控制效果，具有较好的实用价值，因此，下一步可以在食用菌温室培养的控制系统中加以应用。

[1]贾文庆.食用菌设施栽培智能控制系统初探[S].福建:福建农林大学,2005.

[2]舒迪前.预测控制系统及其应用[M].北京:机械工业出版社.1996.

[3]席裕庚.预测控制[M].北京:国防工业出版社,1993.

[4]王丹力,赵剡,邱治平.MATLAB控制系统设计仿真应用[M].北京:中国电力出版社,2007.

[5]张德丰,杨文茵.Matlab仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2012.

[6]李国勇.智能控制及其MATLAB实现[M].北京:电子工业出版社,2005:289-292.

[7]Dale E.Seborg,Thomas F.Edgar,Duncan A.Mellichamp.过程的动态特性与控制[M].北京:电子工业出版社,2006．

[8]周福恩,毕效辉.动态矩阵预测控制算法在过程控制中的应用研究[J].长沙航空职业技术学院学报,2005,4(4):43-45.

[9]储静.智能预测控制及其应用[M].杭州:浙江大学出版社, 2002:100-142.

Application of DMC Control Algorithm in Edible Fungus Cultivation in Greenhouse

YUNan-nan1XIE Zi-feng2
(1.WeifangVocational College,Weifang261000,China;2.Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang261000,China)

Edible fungus cultivation in greenhouse has become one of the key section in modern agricultural production, Achieving good control environment of edible fungi culture is an important part of edible mushroom cultivation successfully.In this paper,using the MATLAB simulation software,the edible fungus temperature controller on the modeling,design and simulation of control algorithm,and has been running tests using Advantech controller.Results showed that the DMC control system had good regulating performance of dynamic and good robustness,could solve the control problem of temperature difference between small changes in temperature control process,achieve the ideal control effect,could meet the control requirements,and had better practical value,which provides a theoretical basis and guidance for efficient cultivation environment control implementation of edible fungi.

Edible fungi;glasshouse culture;DMC control system;MATLAB;simulation

S646

A

1008-1038(2015)06-0034-04

2015-02-10

于囡囡，女，研究方向为食品科学