一种基于滑模控制的植物环境光补光系统及补光方法

1.本发明涉及一种植物环境光的补光系统及补光方法，属于植物光源调控技术领域。


背景技术：

2.光照是植物生长发育过程中最为重要的一环，自植物工厂问世以来，如何为植物提供优质的光照环境成为了重点研究的课题。当前的植物补光系统存在如下问题：
3.1、大多采用全光谱仿太阳光led补光灯，其光源容易受到外界光源影响，使得照射到植物表面的真实光强发生变化，由于这种变化是随机的，不宜用于无土栽培的精确化控制；
4.2、由于开环控制，供电电压波动导致光强不稳定，对无土栽培系统的可视化识别植物叶片面积的测量也会造成影响；
5.3、在植物的不同生长阶段内，对光照强度的大小和光照时间的需求是不同的，导致作物产量降低。
6.现有温室植物补光系统大都无法同时解决以上问题，只能借助外界手段去调整，且精度和灵敏度都很难达到要求，此外由于灯光系统长时间工作对系统的稳定性也提出了挑战。


技术实现要素：

7.本发明目的是为了解决现有植物补光系统存在对光强的测量精度和灵敏度较差，导致对补光的控制不够精确的问题，提供了一种基于滑模控制的植物环境光补光系统及补光方法。
8.本发明所述的一种基于滑模控制的植物环境光补光系统，它包括：dsp微处理器模块、供电模块、光源驱动模块、光照传感器模块和补光灯模块；
9.所述dsp微处理器模块用于向光源驱动模块发出pwm控制信号；采用滑模控制算法，根据pwm占空比和实时采集的光照强度建立pi控制离散传递函数闭环模型，实现对补光灯模块的闭环控制；
10.所述光源驱动模块采用全桥变换电路将pwm控制信号转换为电压信号，驱动补光灯模块开启进行补光；
11.所述光照传感器模块用于以设定频率实时采集当前的光照强度，并采用集成电路总线将光照强度发送至dsp微处理器模块；
12.所述供电模块用于将220v直流电转换为12v直流电，为补光灯模块供电，并采用dc-dc转换器将12v直流电转换为5v直流电，为dsp微处理器模块供电。
13.优选的，它还包括实时时钟模块；
14.所述实时时钟模块用于在dsp微处理器模块下电后产生时钟信号，定时向dsp微处理器模块发出补光开启信号，通过光源驱动模块驱动补光灯模块开始补光；定时向dsp微处
理器模块发出补光关闭信号，通过光源驱动模块驱动补光灯模块停止补光。
15.本发明所述的一种基于滑模控制的植物环境光补光方法，该补光方法的具体过程包括：
16.s1、采用光照传感器模块测量获取光照强度，将光照强度发送至dsp微处理器模块；
17.s2、dsp微处理器模块将光照强度导入matlab；
18.s3、对pwm占空比和光照强度进行拟合，获得拟合曲线，根据拟合曲线获得光强占空比转换参数k；
19.s4、对光照强度和pwm占空比进行数据处理，采用神经网络联合估计模型获得传递函数；
20.s5、将传递函数离散化；
21.s6、根据s3获得的光强占空比转换参数k和s5获得的离散化的传递函数，在simulink中搭建pi控制离散传递函数闭环模型；
22.s7、判断simulink搭建的模型的输出波形是否符合预设要求，否则调节pi参数，重复执行s7，是则执行s8；
23.s8、将pi控制离散传递函数闭环模型的pi控制器函数改写为差分方程，通过dsp微处理器模块实现对补光灯模块的闭环控制。
24.优选的，s1所述采用光照传感器模块测量获取光照强度的具体方法包括：
25.s1-1、将待培养的植物放入水培管道的孔位中，测量每株植物叶片的顶端与水培管道上表面的距离，计算获得平均距离q；
26.s1-2、将与水培管道孔位上表面距离为q的平面记为参考平面，在参考平面上设置多个光强采样点；
27.s1-3、测量光强采样点处的光照强度，计算获得参考平面光照强度的平均值；
28.s1-4、测量所有孔位处的光照强度，将孔位处光照强度与参考平面光照强度的平均值进行比对，将差值最小、且相对误差小于等于0.01％的孔位作为标准孔位，将标准孔位的上方距离q处作为光强测量标准点，将光照传感器模块安装在光强测量标准点处；
29.s1-5、采用光照传感器模块测量获取光照强度。
30.优选的，s3所述对pwm占空比和光照强度进行拟合采用curve fitting toolbox实现。
31.优选的，s4所述对光照强度和pwm占空比进行数据处理，采用神经网络联合估计模型获得传递函数的具体方法包括：
32.s4-1、对光照强度和pwm占空比进行去平均值处理，划分为数量相同的两部分，一部分记为data_est预测数据集，另外一部分记为data_val验证数据集；
33.s4-2、采用quick start确定阶跃响应和响应频率；
34.s4-3、生成神经网络模型，选择多项式模型polynomial models，在极点数目na、零点数目nb、延迟环节nk数量生成多项式模型，并获得误差直方图；
35.s4-4、在误差直方图中输入设置极点数量为1、零点数量为1，选择连续时间的模型仿真，获得传递函数。
36.优选的，s5所述将传递函数离散化采用c2d函数和tustin双线性变换实现。
37.优选的，s7中调节pi参数，判断simulink搭建的模型的输出波形是否符合预设要求的具体方法包括：
38.为系统输入，y＝cx为系统输出，其中，a表示系统矩阵，b表示控制矩阵，c表示输出矩阵，u表示控制率；
39.l
ref
表示参考光强，l0表示实际输出光强，x1表示光强误差值，x2表示x1的导数；
40.获得实际输出光强的状态方程：
[0041][0042]
引入比例微分滑模面k表示光强占空比转换参数；
[0043]
获得控制率：
[0044]
u＝kb-1
ac-1
x1+ε|x1|sgn(s)，ε表示滑模控制参数；
[0045]
根据lyapunov稳定性条件获得：
[0046]
ε≥b-1
ac-1
l
ref
[0047]
调节光强占空比转换参数k和滑模控制参数ε，直至simulink搭建的模型的输出波形符合预设要求。
[0048]
本发明的优点：本发明提出的一种基于滑模控制的植物环境光补光系统及补光方法，建立光源调控的准确数学模型，并根据模型设计控制器参数，根据外界环境自动调整光强及光照时间，有效地改善了植物生长发育的光照环境，有效的提高了作物产量，达到了智慧农业精确化种植的目的。
附图说明
[0049]
图1是本发明所述一种基于滑模控制的植物环境光补光系统的原理框图；
[0050]
图2是本发明所述一种基于滑模控制的植物环境光补光方法的原理框图；
[0051]
图3是实施例3中的20孔位定植篮的小型田七菜植物工厂的定植篮和补光灯模块设置示意图；
[0052]
图4是实施例3中孔位17系统参考点光强随占空比变化曲线图；
[0053]
图5是实施例3中绘制系统光场分布图时各采集点空间位置分布图；
[0054]
图6是实施例3中20孔位定植篮的小型田七菜植物工厂光场分布图；
[0055]
图7是实施例3中20孔位定植篮的小型田七菜植物工厂光场分布投影图；
[0056]
图8是实施例3中各阶模型误差直方图；
[0057]
图9是实施例3中pi控制闭环传递函数模型示意图；
[0058]
图10是实施例3中pi控制闭环传递函数模型仿真的参考光强随时间变化的波形图；
[0059]
图11是实施例3中pid控制器输出的占空比随时间变化的波形图；
[0060]
图12是实施例3中系统经pi调节后实际输出的光强随时间变化的波形图；
[0061]
图13是实施例3中反馈回来的光强参考光强的波形图；
[0062]
图14是实施例3中生成滑模控制的闭环模型的流程图；
[0063]
图15是实施例3中simulink滑模控制闭环系统结构示意图；
[0064]
图16是实施例3中滑模控制器内部结构示意图；
[0065]
图17是实施例3中simulink滑模控制闭环系统参考光强随时间变化的仿真波形图；
[0066]
图18是实施例3中simulink滑模控制闭环系统经smc调节后输出的光强随时间变化的仿真波形图；
[0067]
图19是实施例3中simulink滑模控制闭环系统smc控制器输出的占空比随时间变化的仿真波形图；
[0068]
图20是实施例3中pi控制对比滑模控制pi调节的参考光强随时间变化波形图对比图；
[0069]
图21是实施例3中pi控制对比滑模控制pi调节的经smc调节后输出的光强随时间变化波形图对比图；
[0070]
图22是实施例3中pi控制对比滑模控制pi调节的smc控制器输出的占空比随时间变化波形图对比图；
[0071]
图23是实施例3中pi控制对比滑模控制滑模控制的参考光强随时间变化波形图对比图；
[0072]
图24是实施例3中pi控制对比滑模控制滑模控制的经smc调节后输出的光强随时间变化波形图对比图；
[0073]
图25是实施例3中pi控制对比滑模控制滑模控制的smc控制器输出的占空比随时间变化波形图对比图。
具体实施方式
[0074]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0075]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0076]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0077]
实施例1：
[0078]
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于滑模控制的植物环境光补光系统，它包括：dsp微处理器模块、供电模块、光源驱动模块、光照传感器模块和补光灯模块；
[0079]
所述dsp微处理器模块用于向光源驱动模块发出pwm控制信号；采用滑模控制算法，根据pwm占空比和实时采集的光照强度建立pi控制离散传递函数闭环模型，实现对补光灯模块的闭环控制；
[0080]
所述光源驱动模块采用全桥变换电路将pwm控制信号转换为电压信号，驱动补光灯模块开启进行补光；
[0081]
所述光照传感器模块用于以设定频率实时采集当前的光照强度，并采用集成电路总线将光照强度发送至dsp微处理器模块；
[0082]
所述供电模块用于将220v直流电转换为12v直流电，为补光灯模块供电，并采用dc-dc转换器将12v直流电转换为5v直流电，为dsp微处理器模块供电。
[0083]
进一步的，它还包括实时时钟模块；
[0084]
所述实时时钟模块用于在dsp微处理器模块下电后产生时钟信号，定时向dsp微处理器模块发出补光开启信号，通过光源驱动模块驱动补光灯模块开始补光；定时向dsp微处理器模块发出补光关闭信号，通过光源驱动模块驱动补光灯模块停止补光。
[0085]
本实施方式中，光照传感器的灵敏度高，采样频率能够匹配dsp的算法。dsp微处理器模块采用tms320f28335作为处理器，对光照传感器采集的数据进行处理，通过运行加载到flash中的算法，获得一定频率的理想pwm信号，tms320f28335具有主频高、功耗低、外部i/o口丰富的优点，并且具有强大的浮点运算能力，适合加载复杂算法，适用于信号采样率要求不高的植物光源调控领域。光源驱动模块通过该模块中的的全桥变换电路将输入的0-3.3v的pwm信号变为0-12v的电压信号驱动光源发光，该驱动模块采用光耦隔离，即将低压端与高压段隔离，提高了系统安全性与可靠性。
[0086]
本实施方式中，实时时钟模块采用ds3231高精度实时时钟为载体，编写时钟程序，使dsp每天定时自动控制植物补光灯开启和关闭，该模块优点在于拥有自动切换供电电路，当dsp上电后，自动切换至dsp供电电路，当dsp下电后，由于模块自带电池，自动切换至时钟供电电路，保证系统掉电后，时钟仍能正常走动，此外该时钟可以产生精确的时间，年误差约为60s，且具有闰年补偿功能。
[0087]
本实施方式中，基于dsp强大的浮点运算能力结合先进工业软件matalb，相比于pi控制算法，滑模变结构控制算法给出更小的超调量和更快的响应速度，表现在灯光控制领域中实用性更强。
[0088]
实施例2：
[0089]
下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于滑模控制的植物环境光补光方法，该补光方法的具体过程包括：
[0090]
s1、采用光照传感器模块测量获取光照强度，将光照强度发送至dsp微处理器模块；
[0091]
s2、dsp微处理器模块将光照强度导入matlab；
[0092]
s3、对pwm占空比和光照强度进行拟合，获得拟合曲线，根据拟合曲线获得光强占空比转换参数k；
[0093]
s4、对光照强度和pwm占空比进行数据处理，采用神经网络联合估计模型获得传递函数；
[0094]
s5、将传递函数离散化；
[0095]
s6、根据s3获得的光强占空比转换参数k和s5获得的离散化的传递函数，在simulink中搭建pi控制离散传递函数闭环模型；
[0096]
s7、判断simulink搭建的模型的输出波形是否符合预设要求，否则调节pi参数，重复执行s7，是则执行s8；
[0097]
s8、将pi控制离散传递函数闭环模型的pi控制器函数改写为差分方程，通过dsp微处理器模块实现对补光灯模块的闭环控制。
[0098]
进一步的，s1所述采用光照传感器模块测量获取光照强度的具体方法包括：
[0099]
s1-1、将待培养的植物放入水培管道的孔位中，测量每株植物叶片的顶端与水培管道上表面的距离，计算获得平均距离q；
[0100]
s1-2、将与水培管道孔位上表面距离为q的平面记为参考平面，在参考平面上设置多个光强采样点；
[0101]
s1-3、测量光强采样点处的光照强度，计算获得参考平面光照强度的平均值；
[0102]
s1-4、测量所有孔位处的光照强度，将孔位处光照强度与参考平面光照强度的平均值进行比对，将差值最小、且相对误差小于等于0.01％的孔位作为标准孔位，将标准孔位的上方距离q处作为光强测量标准点，将光照传感器模块安装在光强测量标准点处；
[0103]
s1-5、采用光照传感器模块测量获取光照强度。
[0104]
更进一步的，s3所述对pwm占空比和光照强度进行拟合采用curve fitting toolbox实现。
[0105]
更进一步的，s4所述对光照强度和pwm占空比进行数据处理，采用神经网络联合估计模型获得传递函数的具体方法包括：
[0106]
s4-1、对光照强度和pwm占空比进行去平均值处理，划分为数量相同的两部分，一部分记为data_est预测数据集，另外一部分记为data_val验证数据集；
[0107]
s4-2、采用quick start确定阶跃响应和响应频率；
[0108]
s4-3、生成神经网络模型，选择多项式模型polynomial models，在极点数目na、零点数目nb、延迟环节nk数量生成多项式模型，并获得误差直方图；
[0109]
s4-4、在误差直方图中输入设置极点数量为1、零点数量为1，选择连续时间的模型仿真，获得传递函数。
[0110]
更进一步的，s5所述将传递函数离散化采用c2d函数和tustin双线性变换实现。
[0111]
更进一步的，s7中调节pi参数，判断simulink搭建的模型的输出波形是否符合预设要求的具体方法包括：
[0112]
为系统输入，y＝cx为系统输出，其中，a表示系统矩阵，b表示控制矩阵，c表示输出矩阵，u表示控制率；
[0113]
l
ref
表示参考光强，l0表示实际输出光强，x1表示光强误差值，x2表示x1的导数；
[0114]
获得实际输出光强的状态方程：
[0115][0116]
引入比例微分滑模面k表示光强占空比转换参数；
[0117]
获得控制率：
[0118]
u＝kb-1
ac-1
x1+ε|x1|sgn(s)，ε表示滑模控制参数；
[0119]
根据lyapunov稳定性条件获得：
[0120]
ε≥b-1
ac-1
l
ref
[0121]
调节光强占空比转换参数k和滑模控制参数ε，直至simulink搭建的模型的输出波形符合预设要求。
[0122]
本发明中，要想建立系统模型就需要知道输入与输出，以无土栽培双列平行多孔位系统为例，考虑不同植物，所建立的植物补光系统模型也不同，现给出植物补光系统模型
建立的所需数据的普遍测量方法。
[0123]
针对不同类植物均可通过此方法得到建立植物补光系统模型所需的数据，首先确定植物补光系统模型的输入为pwm占空比，输出为光照强度lux。
[0124]
将要培养的植物放入水培管道的孔位中，测量每株植物叶片上顶端距离水培管道上表面的平均距离记为q，将距离水培管道孔位上表面的q处的平面记为参考平面，在参考平面上平均设置多个光强采样点(根据不同数量的孔位灵活设置)并测量各个采样点的光照强度，计算所有孔位光强的平均值。
[0125]
在所有孔位中选择一个孔位光强与平均值最为接近(平均光强与孔位光强相对误差不大于0.01％)的孔位作为系统标准孔位，上方q处作为光强测量标准点，将光照传感器固定在距离系统标准孔位上表面q处，在光强测量标准点处测量不同占空比下的光照强度，并拟合占空比-光强曲线图，综合上述借助matlab软件生成系统模型。
[0126]
该方法给出系统模型的优点在于，测量数据种类多，根据数据绘制图像，对要估计模型的系统能有比较直观的把握，同时借助先进的matlab软件进行数据分析，为后续估计模型的准确率提供了保障。
[0127]
利用matlab生成系统数学模型步骤如下：
[0128]
步骤1：将测量得到的数据导入matlab，并借助curve fitting toolbox拟合曲线得到光强占空比转换参数k。
[0129]
步骤2：借助system identification toolbox，将测量的得到的系统参考光强和占空比数据导入其中，使用神经网络与多种算法联合估计模型并得到传递函数。
[0130]
步骤3：使用tustin双线性变换将传递函数离散化。
[0131]
步骤4：在simulink中搭建系统的闭环传递函数模型，并加入离散pid环节和被控系统离散传递函数模型。
[0132]
步骤5：借助pid tuner，整定参数，至波形符合预期设计，更新参数至simulink模型中。
[0133]
步骤6：仿真simulink模型，观察波形是否符合预期设计要求，如若不符，则重复上述步骤至符合要求。
[0134]
步骤7：利用euler法将pi控制器改为差分方程的形式，在ccs环境中编写程序写入dsp并上机调试。
[0135]
一种用于无土栽培植物补光系统控制的滑模控制算法。
[0136]
应用pi调节可以十分简单快速的调节系统，且应用范围广泛，但相关数据表明，全世界范围内，超过80％的pid参数均未调整至最佳，利用pid tuner确实可以快速逼近系统期望状态，但在不同的工作环境下很难保证良好的增益和相位裕度，同时根据该系统存在着调节时间较长，超调量较大，系统鲁棒性较低等问题，基于此通过引入滑模控制替换pi控制来改善系统动态响应和鲁棒性。
[0137]
记为系统输入，y＝cx为系统输出，在pi控制中已经生成了系统的模型，借助system identification toolbox生成系统的状态空间方程，并得到系统矩阵a，控制矩阵b，输出矩阵c。
[0138]
具体实现步骤如下：
[0139]
步骤1：记其中l
ref
为系统的参考光强，l0为系统实际输出光强
[0140]
由上述可以得到输出光强控制系统状态方程
[0141]
步骤3：引入比例微分滑模面
[0142]
步骤4：得到控制律u＝kb-1
ac-1
x1+ε|x1|sgn(s)由lyapunov稳定性条件得到ε≥b-1
ac-1
l
ref
同时可以确定参数ε的下界。
[0143]
步骤5：基于植物补光系统模型在simulink中搭建闭环滑模系统控制模型；
[0144]
步骤6：仿真模型调节滑模控制器参数k与ε至系统输出波形符合要求。
[0145]
步骤7：对比pi控制与smc控制
[0146]
步骤8：编写smc控制的程序更新到dsp中。
[0147]
实施例3：
[0148]
以20孔位定植篮的小型田七菜植物工厂为例，实现光源闭环调控的具体过程为：
[0149]
步骤1：20孔位定植篮的小型田七菜植物工厂，其上方固定有5个对称放置的植物全光谱补光灯，如图3所示，先测量20孔位定植篮，每个孔位上表面5厘米处的光照强度数据并计算出平均值数据表，如表1所示：
[0150]
表1 20孔位定植篮每一孔位上方5cm处的光照强度数据
[0151]
孔位12345678910光强lux809011010122101216012240129601323014930149409960孔位20191817161514131211光强lux806010730123801155011130120001224014210139109970平均光强lux11895l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
[0152]
在20个光强数据中选择一个最接近于平均值光强的孔位17上方5cm处的点设定为光强测量参考点。
[0153]
步骤2：在光强参考点处固定光照强度传感器，利用pwm信号发生器控制植物补光灯两端电压进而控制植物补光灯发出不同的强度的光照，同时用光照强度传感器测量该点光照强度随pwm信号占空比的变化数据如表2：
[0154]
表2孔位17处上方5cm光强与占空比数据
[0155]
duty12345678910lux1251142215221627172818251927202720502140duty11121314151617181920lux2240234024402540264027402850295030503140duty21222324252627282930lux3240334034403550365037603840393040304160duty31323334353637383940lux4260437044604560466047604850495050605170duty41424344454647484950lux5260536054605550564057505860596060606150duty51525354555657585960lux6250635064506560666067606860698070807190duty61626364656667686970
lux7290738074807580770077907890798081108220duty71727374757677787980lux8320841085208610872088308930903091309230duty81828384858687888990lux9330943095409640974098709970100301008010100duty919293949596979899100lux10115101201013010140101551017010170101701018010180
[0156]
以此作为系统模型的输入与输出来估计模型，并利用curve fitting toolbox根据表2的数据去拟合函数并绘制如图4光强占空比的函数关系图像以及光强占空比转换参数k为后续搭建系统闭环模型做准备。
[0157]
步骤3：将定植篮上表面5cm的平面记为x-y参考平面，在参考平面上平均取50个格点，数据采集点分布如图5所示，即横向x(平行于水培管道)采样点10个，纵向y(垂直于水培管道)采样点5个，共5
×
10＝50个格点，x方向的整数坐标1-10代表着水培管道的每一个孔位，y方向的整数坐标2，4为两列平行水培管道，3为两列平行水培管道中点，1，5为关于3对称的点，每一格点的光照强度数据如表3：
[0158]
表3
[0159][0160][0161]
由此绘制光场分布图6，图中x-y平面为参考平面，z轴为光照强度，光场分布投影图(投影到x-y参考平面)如图7，通过图6与图7可以比较直观的观察到系统中各点的光强，本步骤所提供的方法具有测量数据维度多，数据量大，精度高等优点，为后续估计模型的准确率提供了保障。
[0162]
步骤4：利用system identification toolbox去平均值处理数据，将步骤2测得的数据分为数量相同的两部分利用神经网络估计模型，前一部分记为data_est预测数据集2，后一部分记为data_val验证数据集3。
[0163]
步骤5：借助quick start初步确定模型阶跃响应，响应频率等。
[0164]
步骤6：利用神经网络生成模型，并选择polynomial models，自动生成系统的多项式模型，order selection estimate系统自动在极点数目na，零点数目nb，延迟环节nk数量生成1-10阶数的多项式模型并给出误差直方图(横坐标为模型阶数，纵坐标为相对误差)如图8所示，可以观察到系统模型在一阶情况下拟合条件较好(红色直方)，误差不超过0.002％。
[0165]
步骤7：估计传递函数，根据步骤4的误差直方图在输入设置极点数量为1、零点数量为1，选择continuous-times连续模型仿真，采样时间选择0.5s，拟合率为99.05％，表明拟合效果极佳。
[0166]
步骤8：利用c2d函数和tustin双线性变换将传递函数离散化。
[0167]
步骤9：在simulink中搭建系统pi控制离散传递函数闭环模型，为便于后续方便用dsp实现加入离散pid控制器，其闭环模型包括光强占空比转换参数k，pid控制器，被控系统传递函数模型，模型示意图如图9。
[0168]
步骤10：借助pid tuner调节响应时间与超调量至预期状态，并更新pi参数至simulink。
[0169]
步骤11：根据实际情况确定植物生长时所需参考光照强度为6000lux，并在30秒时设置光强跳变点3000lux用于检查系统模型动态响应。
[0170]
步骤12：仿真simulink模型观察输出波形是否符合预期设计如图10为参考光强随时间变化的波形图，图11为pid控制器输出的占空比随时间变化的波形图，图12为系统经pi调节后实际输出的光强随时间变化的波形图，图13为反馈回来的光强(l-err)参考光强(l-ref)的差值对应的占空比)。
[0171]
步骤11：利用euler法将pi控制器函数改写为差分方程形式y(z)代表输出，u(z)代表输入，其改写过程为：
[0172][0173][0174]
y(z)-y(z)*z-1
＝p*u(z)-p*u(z)+i*ts*u(z)
[0175]
y(k)-y(k-1)＝p*u(k)-p*u(k-1)+i*ts*u(k-1)
[0176]
步骤13：在ccs集成ide环境中编写pi控制程序并下载至dsp中。
[0177]
步骤14：再次利用system identification toolbox生成state space models(状态空间模型)，并得到参数矩阵a，b，c。
[0178]
步骤15：计算得到滑模控制器控制律。
[0179]
步骤16：在simulink中搭建闭环滑模控制系统，其操作流程图如图14，其闭环模型结构示意图如图15，smc控制器的输入为参考光强(l-ref)与反馈光强(l-err)的差值，输出为占空比，其控制器内部算法由符号函数模块，绝对值模块等构成，其示意图如图16。
[0180]
步骤17：整定滑模控制参数k与eplison。
[0181]
步骤18：仿真闭环滑模控制系统，观察其波形图如图17-19(图17为参考光强随时间变化的波形图，图18为经smc调节后输出的光强随时间变化的波形图，图19为smc控制器输出的占空比随时间变化的波形图)是否符合预期设计。
[0182]
步骤19：对比pi控制与滑模控制的波形图20(左侧3幅图为pi调节的波形图，右侧3幅图为滑模控制的波形图)。
[0183]
步骤20：更新算法到dsp中。
[0184]
步骤21：dsp结合上位机在线调试系统。
[0185]
对比pi控制与smc仿真的波形图20-图25，可以看到，smc控制的系统光照强度超调量明显小于pi控制的系统光照强度且接近于0，smc系统的调节时间基本为0，明显优于pi控制，同时注意到当系统光照强度发生阶跃性跳变时仍能保持很好的动态特性，相比较pi而
言，动态响应和鲁棒性均得到了很大的改善。减小了灯光调节时的频闪现象，且实现方式简单拥有非常好的应用前景。
[0186]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

技术特征：
1.一种基于滑模控制的植物环境光补光系统，其特征在于，它包括：dsp微处理器模块、供电模块、光源驱动模块、光照传感器模块和补光灯模块；所述dsp微处理器模块用于向光源驱动模块发出pwm控制信号；采用滑模控制算法，根据pwm占空比和实时采集的光照强度建立pi控制离散传递函数闭环模型，实现对补光灯模块的闭环控制；所述光源驱动模块采用全桥变换电路将pwm控制信号转换为电压信号，驱动补光灯模块开启进行补光；所述光照传感器模块用于以设定频率实时采集当前的光照强度，并采用集成电路总线将光照强度发送至dsp微处理器模块；所述供电模块用于将220v直流电转换为12v直流电，为补光灯模块供电，并采用dc-dc转换器将12v直流电转换为5v直流电，为dsp微处理器模块供电。2.根据权利要求1所述的一种基于滑模控制的植物环境光补光系统，其特征在于，它还包括实时时钟模块；所述实时时钟模块用于在dsp微处理器模块下电后产生时钟信号，定时向dsp微处理器模块发出补光开启信号，通过光源驱动模块驱动补光灯模块开始补光；定时向dsp微处理器模块发出补光关闭信号，通过光源驱动模块驱动补光灯模块停止补光。3.一种基于滑模控制的植物环境光补光方法，该补光方法基于权利要求1或2所述的补光系统实现，其特征在于，该补光方法的具体过程包括：s1、采用光照传感器模块测量获取光照强度，将光照强度发送至dsp微处理器模块；s2、dsp微处理器模块将光照强度导入matlab；s3、对pwm占空比和光照强度进行拟合，获得拟合曲线，根据拟合曲线获得光强占空比转换参数k；s4、对光照强度和pwm占空比进行数据处理，采用神经网络联合估计模型获得传递函数；s5、将传递函数离散化；s6、根据s3获得的光强占空比转换参数k和s5获得的离散化的传递函数，在simulink中搭建pi控制离散传递函数闭环模型；s7、判断simulink搭建的模型的输出波形是否符合预设要求，否则调节pi参数，重复执行s7，是则执行s8；s8、将pi控制离散传递函数闭环模型的pi控制器函数改写为差分方程，通过dsp微处理器模块实现对补光灯模块的闭环控制。4.根据权利要求3所述的一种基于滑模控制的植物环境光补光方法，其特征在于，s1所述采用光照传感器模块测量获取光照强度的具体方法包括：s1-1、将待培养的植物放入水培管道的孔位中，测量每株植物叶片的顶端与水培管道上表面的距离，计算获得平均距离q；s1-2、将与水培管道孔位上表面距离为q的平面记为参考平面，在参考平面上设置多个光强采样点；s1-3、测量光强采样点处的光照强度，计算获得参考平面光照强度的平均值；s1-4、测量所有孔位处的光照强度，将孔位处光照强度与参考平面光照强度的平均值
进行比对，将差值最小、且相对误差小于等于0.01％的孔位作为标准孔位，将标准孔位的上方距离q处作为光强测量标准点，将光照传感器模块安装在光强测量标准点处；s1-5、采用光照传感器模块测量获取光照强度。5.根据权利要求3所述的一种基于滑模控制的植物环境光补光方法，其特征在于，s3所述对pwm占空比和光照强度进行拟合采用curve fitting toolbox实现。6.根据权利要求3所述的一种基于滑模控制的植物环境光补光方法，其特征在于，s4所述对光照强度和pwm占空比进行数据处理，采用神经网络联合估计模型获得传递函数的具体方法包括：s4-1、对光照强度和pwm占空比进行去平均值处理，划分为数量相同的两部分，一部分记为data_est预测数据集，另外一部分记为data_val验证数据集；s4-2、采用quick start确定阶跃响应和响应频率；s4-3、生成神经网络模型，选择多项式模型polynomial models，在极点数目na、零点数目nb、延迟环节nk数量生成多项式模型，并获得误差直方图；s4-4、在误差直方图中输入设置极点数量为1、零点数量为1，选择连续时间的模型仿真，获得传递函数。7.根据权利要求3所述的一种基于滑模控制的植物环境光补光方法，其特征在于，s5所述将传递函数离散化采用c2d函数和tustin双线性变换实现。8.根据权利要求3所述的一种基于滑模控制的植物环境光补光方法，其特征在于，s7中调节pi参数，判断simulink搭建的模型的输出波形是否符合预设要求的具体方法包括：为系统输入，y＝cx为系统输出，其中，a表示系统矩阵，b表示控制矩阵，c表示输出矩阵，u表示控制率；l
ref
表示参考光强，l0表示实际输出光强，x1表示光强误差值，x2表示x1的导数；获得实际输出光强的状态方程：引入比例微分滑模面k表示光强占空比转换参数；获得控制率：u＝kb-1
ac-1
x1+ε|x1|sgn(s)，ε表示滑模控制参数；根据lyapunov稳定性条件获得：ε≥b-1
ac-1
l
ref
调节光强占空比转换参数k和滑模控制参数ε，直至simulink搭建的模型的输出波形符合预设要求。

技术总结
一种基于滑模控制的植物环境光补光系统及补光方法，属于植物光源调控技术领域，本发明为解决现有植物补光系统存在对光强的测量精度和灵敏度较差，导致对补光的控制不够精确的问题。它包括：DSP微处理器模块向光源驱动模块发出PWM控制信号；光源驱动模块采用全桥变换电路将PWM控制信号转换为电压信号，驱动补光灯模块开启进行补光；光照传感器模块用于以设定频率实时采集当前的光照强度，并采用集成电路总线将光照强度发送至DSP微处理器模块；DSP微处理器模块采用滑模控制算法，根据PWM占空比和实时采集的光照强度建立PI控制离散传递函数闭环模型，实现对补光灯模块的闭环控制。本发明用于植物环境光的自动调整补光。本发明用于植物环境光的自动调整补光。本发明用于植物环境光的自动调整补光。


技术研发人员：刘宇博 房俊龙 何雨林 金柏锐 陈弼臣
受保护的技术使用者：东北农业大学
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/7/12