CN104020806A - 一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统及控制方法，该系统包括主控模块以及与主控模块连接的信号采集模块和执行机构，所述信号采集模块包括温度传感器和湿度传感器，所述执行机构包括制冷机组和加湿设备；所述信号采集模块中包括的各部分通过数字控制模拟电子开关CD4051中的各通道与主控模块连接。本发明系统能够实现对果蔬保鲜陈列柜温度和湿度两个参数的控制，能够将果蔬保鲜陈列柜环境温度和相对湿度保持在设定的范围内，有效延长果蔬货架销售时间并保持其商品价值，本发明系统通过模糊PID控制计算方法获取湿度控制量，具有控制精确度高、稳定性强和可靠性高的优点。

Description

一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种温湿控制系统，特别涉及一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统及控制方法。

背景技术

随着现代商业的发展和人民生活水平的提高，冷藏、冷冻食品的消费日益普遍，果蔬保鲜陈列柜是超市商店等最为常见的一种果蔬保鲜方式。果蔬保鲜与温度、湿度、气体成分、光等相关因素均有直接关系，采摘后贮藏环境的温度和湿度是两大关键因素。大多数果蔬组织中水分占80％～90％以上，水分是影响果蔬嫩度、鲜度和味道的重要因素，果蔬采收后，水分得不到补充，在运贮过程中容易蒸发散失水分而引起萎焉、失重和失鲜，严重影响果蔬的商品价值。其失水程度不仅仅与果蔬的种类、品种有关，更与果蔬贮藏运输环境密切相关。研究表明：低温可以抑制果蔬呼吸和其他一些代谢过程，并且能减少水分子动能，使液态水的蒸发速度降低，从而延缓衰老，保持水果的新鲜与饱满；采收后的果蔬吸收植物根部水分的过程终止，果蔬中水分的损失可以引起结构、质地和表面的变化，因此减少水分损失对于保持果蔬新鲜度和质量起着关键的作用。减少采摘后水果蔬菜水分的损失主要依靠果蔬和周围环境中水蒸气压差以及果蔬表面及内部组织对水分蒸发作用的抗性。

传统的水果蔬菜销售采用陈列柜低温贮藏的方式实现果蔬的保鲜，在降温过程中，大量水蒸气在蒸发盘管凝结，导致环境相对湿度大大降低，从而加快果蔬货架销售期间的品质下降，并且导致干耗加重等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种稳定、可靠以及精确度高的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统。该控制系统实现了果蔬保鲜陈列柜温度和湿度两个参数的控制，能够将果蔬保鲜陈列柜环境温度和相对湿度保持在设定的范围内，延长了果蔬保鲜期，避免果蔬出现干耗等影响品质的问题。

本发明的第二目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种上述果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统实现的温湿控制方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，包括主控模块以及与主控模块连接的信号采集模块和执行机构，所述信号采集模块包括温度传感器和湿度传感器，所述执行机构包括制冷机组和加湿设备；所述信号采集模块中包括的各部分通过数字控制模拟电子开关CD4051中的各通道与主控模块连接。

优选的，所述加湿设备包括超声波加湿器、为超声波加湿器供水的加湿水箱以及为水箱补充水源的水泵，其中加湿设备中的水泵和超声波加湿器分别与主控模块连接；所述信号采集模块还包括设置在加湿水箱中的液位传感器。

更进一步的，所述加湿设备中包含有9个超声波加湿器，分为五组，其中第一组包括1个超声波加湿器，第二组包括3个超声波加湿器，第三组包括5个超声波加湿器，第四组包括7个超声波加湿器，第五组包括9个超声波加湿器；所述主控模块根据加湿量控制其中一组超声波加湿器工作。

优选的，所述主控模块还连接有保护装置和报警装置，所述保护装置为熔断器装置，所述报警装置包括指示灯和蜂鸣器。

优选的，所述主控模块还连接有用于设置目标保鲜参数范围的键盘以及用于显示保鲜参数的液晶显示器，其中保鲜参数包括温度参数和湿度参数。

优选的，所述主控模块与执行结构之间连接有光电耦合器和复合晶体管阵列ULN2003，通过光电耦合器对主控模块输出的控制信号与执行结构进行隔离。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制方法，包括如下步骤：

S1、系统初始化：开启系统；

S2、判断系统中当前的目标温度参数范围和目标湿度参数范围是否符合所要保鲜的果蔬；若是，则进入步骤S4；若否，则进入步骤S3；

S3、根据所要保鲜的果蔬对温度参数和湿度参数的需求对系统中的目标温度参数范围和目标湿度参数范围进行重新设定；然后进入步骤S4；

S4、信号采集模块采集果蔬保鲜陈列柜当前的温度参数和湿度参数，并将其采集到的温度参数和湿度参数数据传送到主控模块中，主控模块对接收到的温度参数和湿度参数数据采用平均滤波法进行滤波处理；

S5、主控模块将信号采集模块采集到的温度参数和湿度参数分别与目标温度参数范围和目标湿度参数范围进行对比，判断当前采集的温度和湿度参数是否分别在目标温度参数范围和目标湿度参数范围内；

若是，则回到步骤S2；

若否，则主控模块启动制冷机组和/或加湿设备对当前的温度和/或湿度进行调整，其中主控模块采用模糊PID控制算法计算湿度控制量，并且输出到加湿设备中，加湿设备根据其所接收到的湿度控制量信号对当前果蔬保鲜陈列柜环境进行湿度控制。

优选的，所述步骤S5中模糊PID控制算法计算当前果蔬保鲜陈列柜环境的湿度控制量的具体步骤如下：

S5.1、精确量的模糊化：

S5.1.1、确定湿度误差、湿度误差变化率和湿度PID控制量修正值的基本集合论域；

S5.1.2、将湿度误差、湿度误差变化率和湿度PID控制量修正值的基本集合论转换成模糊集合论域；

S5.1.3、确定湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值模糊论域上模糊子集的个数和每个模糊子集的语言变量；

S5.1.4、根据模糊子集的个数和每个模糊子集的语言变量，分别建立湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值的语言变量模糊集合隶属度函数；

S5.2、制定模糊控制规则和实现模糊推理：

S5.2.1、建立PID控制量修正值的控制规则表；

S5.2.2、实现模糊推理：根据输入的模糊量和知识库进行模糊推理，从而获取模糊控制量，具体步骤如下：

S5.2.2.1、获取当前湿度误差e和误差变化率ec；

S5.2.2.2、比较当前湿度误差e与模糊控制临界值E；

当e<E时，PID控制器的控制参数选取初始值K_p0、K_i0和K_d0，则K_p＝K_p0，K_i＝K_i0，K_d＝K_d0；进入步骤S5.4.2；

当e≥E时，启用模糊控制，进入步骤S5.2.2.3；

S5.2.2.3、根据湿度误差的语言变量模糊集合隶属度函数将当前湿度误差e量化为模糊论域中的语言变量，即得到输入的湿度误差模糊量；并且判断当前湿度误差e是否大于系统设定的湿度误差上限值或小于湿度误差下限值：若是，则当前湿度误差e设置为系统的湿度误差上限值或下限值；

根据湿度误差变化率的语言变量模糊集合隶属度函数将当前湿度误差变化率ec量化为模糊论域中的语言变量，即得到输入的湿度误差变化率模糊量；并且判断湿度误差变化率ec是否大于系统设定的湿度误差变化率上限值或小于湿度误差下限值：若是，则将当前湿度误差变化率ec设置为系统的湿度误差变化率上限值或下限值；

S5.2.2.4、求模糊控制量：通过查找PID控制量修正值的控制规则表，根据步骤S5.2.2.3获取的当前湿度误差e和当前湿度误差变化率ec在模糊论域中的语言变量确定PID控制量修正值的模糊输出量，进入步骤S5.3；

S5.3、将PID控制量修正值的模糊输出量进行清晰化计算，得到PID控制量修正值的清晰输出量△K′_p、△K′_i和△K′_d，进入步骤S5.4；

S5.4、PID控制量计算与输出：

S5.4.1、获取PID控制器的控制参数值K_p、K_i和K_d：

K_p＝K_p0+△K′_p，

K_i＝K_i0+△K′_i，

K_d＝K_d0+△K′_d；

K_p0、K_i0和K_d0分别是PID控制器的控制参数值初始参数，△K′_p、△K′_i和△K′_d是步骤S5.3获取的PID控制器修正值的清晰输出量；

S5.4.2、PID控制量计算：PID控制器根据e、ec、K_p、K_i和K_d进行运算，得出湿度控制量。

更进一步的，所述步骤S5.1.1的湿度误差的基本集合论域为：

[-e，e]＝[-5,5]；

所述湿度误差变化率的基本集合论域为：

$[-\stackrel{.}{e},\stackrel{.}{e}]=[-\mathrm{5,5}];$

所述PID控制量修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的基本集合论域分别为：

[-k_p，k_p]＝[-0.45,0.45]，

[-k_i，k_i]＝[-0.09,0.09]，

[-k_d，k_d]＝[-1.2,1.2]；

步骤S5.1.2中将湿度误差的基本集合论域分成2n等份，取n＝5，分割点个数为2n+1＝11，将这11个分割点作为模糊集合论域元素，获取的湿度误差的模糊集合论域为：

E＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；

将湿度误差变化率的基本集合论域分成2m等份，取m＝5，分割点个数为2m+1＝11，将这11个分割点作为模糊集合论域元素，获取的湿度误差变化率的模糊集合论域为：

$\stackrel{.}{E}=\{-5,-4,-3,-2,-\mathrm{1,0,1,2,3,4,5}\};$

将PID控制量修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的基本集合论域均分成2d等份，取d＝3，分割点个数为2d+1＝7，将这7个分割点作为模糊集合论域元素，则获取的PID控制量修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的模糊集合论域分别为：

△K_p＝{-0.45，-0.3，-0.15，0，0.15，0.3，0.45}，

△K_i＝{-0.09，-0.06，-0.03，0，0.03，0.06，0.09}，

△K_d＝{-1.2，-0.8，-0.4，0，0.4，0.8，1.2}；

所述步骤S5.1.3中湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值的模糊集合论域上模糊子集的个数为7，其中7个模糊子集的语言变量分别为正大、正中、正小、零、负小、负中和负大；

所述步骤S5.1.4中构建的湿度误差、湿度误差变化率的语言变量模糊集合隶属函数为高斯函数隶属函数：

$f\left(x\right)=\exp [-\frac{{(x-c)}^2}{2{\mathrm{\&delta;}}^2}];$

构建的PID控制量修正值的语言变量模糊集合隶属度函数为三角函数隶属函数；

所述步骤S5.3中利用隶属函数采用重心法将PID控制量修正值的模糊输出量进行清晰化计算，得到PID控制量修正值的清晰输出量△K′_p、△K′_i和△K′_d。

优选的，所述步骤S4中信号采集模块设置在加湿设备水箱中的液位传感器将采集到的液位信号传送给主控模块；

当水箱中的液位低于下限位置时，所述步骤S5中主控模块控制水泵工作，向水箱中补充水源，当水箱液位达到水箱液位上限位置时，则主控模块控制水泵停止工作。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明系统能够实现果蔬保鲜陈列柜温度和湿度两个参数的控制，能够将果蔬保鲜陈列柜环境温度和相对湿度保持在设定的范围内，有效解决了传统单温度控制陈列柜由于制冷导致的环境相对湿度大大降低而加快果蔬货架销售期间的品质下降、干耗加重等问题，有效延长果蔬货架销售时间并保持其商品价值。

(2)本发明系统中信号采集模块通过模拟电子开关CD4051与主控模块的I/O端连接，通过模拟电子开关CD4051将信号采集模块各传感器采集的信号轮流的传送给主控模块，为主控模块减少了硬件资源的开支，另外模拟电子开关CD4051最多可以实现8路模拟信号的输入，从而提高了系统的可拓展性。

(3)本发明系统中采用模糊PID控制算法计算湿度控制量，由于模糊PID控制算法是基于启发性的知识和语言决策规则设计的，并且能够模拟人工控制过程和方法的，因此非常适合在这种受外界因素制约大、非线性、时变及滞后大并且难以建立湿度精确数学模型的敞开式果蔬保鲜陈列柜中使用，而且能够增强本发明系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。另外对加湿设备采用的模糊PID控制方式，使得本发明系统能够根据外界湿度环境，自动调控加湿量的大小，能够更加精确的调节保鲜环境的湿度，具有稳定性及可靠性高的优点。

(4)本发明系统的加湿设备中包含有多个超声波加湿器，当外界湿度值与设定值差距较大时，主控模块输出控制信号，使较多的超声波加湿器工作，加湿量增大；当外界湿度值与设定值差距较小时，主控模块输出控制信号，使较少的超声波加湿器工作，加湿量减小。

(5)本发明系统的加湿设备水箱中安装有液位传感器，能够实时的监控水箱内液位是否超出安全范围，并且当水箱中的液位低于水箱下限位置时，本发明系统控制开启水泵，为水箱补给水源。

(6)本发明系统中设置有键盘和显示器模块，能够实现人机交互。另外本发明系统中的保护装置和报警装置为本发明的安全性提供了保障。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

图2是本发明系统中信号采集模块的电路原理图。

图3是本发明系统中执行机构的电路原理图。

图4是本发明系统中键盘的电路原理图。

图5是本发明系统中1602LCD液晶显示器的电路原理图。

图6是本发明方法的流程图。

图7a是本发明方法中湿度误差隶属函数分布图。

图7b是本发明方法中湿度误差变化率隶属函数分布图。

图8a本发明方法中PID控制量修正值ΔK_p的隶属函数分布图。

图8b本发明方法中PID控制量修正值ΔK_i的隶属函数分布图。

图8c本发明方法中PID控制量修正值ΔK_d的隶属函数分布图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例公开了一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，包括主控模块以及与主控模块连接的信号采集模块、执行机构、报警装置、保护装置、键盘和液晶显示器，执行机构包括制冷机组和加湿设备，其中加湿设备包括超声波加湿器、为超声波加湿器供水的加湿水箱以及为水箱补充水源的水泵，加湿设备中的水泵和超声波加湿器分别与主控模块连接；信号采集模块包括温度传感器、湿度传感器和设置在加湿水箱中的液位传感器；本实施中的主控模块根据信号采集模块采集的信号，控制执行机构的相应工作。

本实施例中所采用的主控模块为ATmega16AVR单片机，ATmega16AVR单片机自带一个10位分辨率的逐次逼近型模拟数字转换器(ADC)；如图2所示，在本实施例中，信号采集模块的温度传感器、湿度传感器和液位传感器通过8通道的模拟电子开关CD4051的Sensor端口与ATmega16的IO端连接，通过控制模拟电子开关CD4051的地址端A、B和C端将温度传感器、湿度传感器和液位传感器采集的信号轮流的发送到ATmega16AVR单片机中，ATmega16AVR单片机通过ADC能够对来自端口A的8路单端输入电压进行采样，节省了主控模块硬件资源的开支，CD4051最多可以实现8路模拟信号的输入，因此提高了本实施例系统的可拓展性。在本实施例中CD4051的三个地址端A、B和C端分别通过电阻R7、R8和R9接地，并且分别与NPN三极管Q1、Q2和Q3的发射极连接，三极管Q1、Q2和Q3的集电极分别通过电阻R1、R2和R3接直流电源，基极分别与电阻R1、R2和R3连接，通过电阻R1、R2和R3输入信号，以使得三极管Q1、Q2和Q3处于导通或截止状态，从而提供低电平或者高电平给地址端A、B和C端。

其中本实施例信号采集模块的湿度传感器采用优质高分子湿度传感器元件湿敏电阻作为湿度测量部件，温度传感器铂热电阻作为温度敏感元件，液位传感器采用普通触点触发液位传感器。本实施例的温度传感器测量范围为-20℃～80℃，测量精度为±0.3℃；湿度传感器测量范围0～100％，测量精度为±3％。温度传感器和湿度传感器输出电流信号分别并联的电阻R10和R11，将温度传感器和湿度传感器的电流信号转换成电压信号，传送到CD4051中。

本实施例的执行机构中包括两组制冷机组，在果蔬保鲜陈列柜左右两边对称安装，使得果蔬保鲜陈列柜中温度参数的调节更加均匀。本实施例通过加湿设备中采用雾化头型号为JAS-20-B、雾化量>400mL/h的超声波加湿器对果蔬保鲜陈列柜进行喷雾加湿，其中超声波加湿器中的水来自加湿设备的加湿水箱中，加湿设备中的水泵根据加湿水箱中的液位对加上水箱补给水源。在本实施例的加湿设备中包含有9个超声波加湿器，将它们分为五组，其中第一组包括一个超声波加湿器，第二组包括三个超声波加湿器，第三组包括五个超声波加湿器，第四组包括七个超声波加湿器，第五组包括九个超声波加湿器。主控模块根据加湿量的大小选择其中一组，从而实现微小、小、中、大、极大五个等级变加湿量的加湿功能。

如图3所示，在本实施例中主控模块ATmega16单片机的IO端输出的控制信号通过光电耦合器TLP521-4和复合晶体管阵列ULN2003后传送到执行机构中，通过光电耦合器TLP521-4将主控模块输出的控制信号与执行机构隔离开来，以避免执行机构对主控模块输出的控制信号的影响，保证控制信号的准确性。另外本实施例的复合晶体管阵列ULN2003对主控模块ATmega16单片机输出的控制信号进行功率放大后发送给执行机构，以能够驱动执行机构执行相应工作。

本实施例与主控模块连接的保护装置为熔断器装置，报警装置包括指示灯和蜂鸣器，在系统发生故障时通过熔断器保护系统，通过报警装置进行报警告知相关人员，以保证系统的安全性。

本实施例主控模块ATmega16单片机所连接的键盘和液晶显示器1602LCD电路图如图4和5所示，通过该键盘设定系统的目标保鲜参数范围，实现目标温度参数范围和湿度目标参数范围的设定；通过该液晶显示器1602LCD显示系统工作时采集的实时温度和湿度参数数据。

如图6所示，本实施例还公开了基于上述果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统的温湿控制方法，具体步骤如下：

S1、系统初始化：开启系统，通过系统硬件电路上的ON/OFF开关的切换，将开关切换到ON，开机指示灯指示系统已经开机，系统初始化完成后进入等待状态；

S2、判断系统中当前的目标温度参数范围和目标湿度参数范围是否符合所要保鲜的果蔬；若是，则进入步骤S4；若否，则进入步骤S3；

S3、根据所要保鲜的果蔬对温度参数和湿度参数的需求，通过主控模块连接的键盘输入目标温度参数范围和目标湿度参数范围，以对系统中的目标温度参数和目标湿度参数范围据进行重新设定；然后进入步骤S4；

S4、信号采集模块中的温度传感器、湿度传感器以及液位传感器分别采集果蔬保鲜陈列柜当前的温度参数、湿度参数以及加湿设备水箱中的液位参数，并将其所采集到的温度参数数据、湿度参数数据以及液位参数数据分别传送到主控模块中，主控模块对接收到的来自信号采集模块的数据采用平均滤波法进行滤波处理；同时通过显示模块1602LCD显示主控模块所接收的上述数据。

在本实施例中信号采集模块中的温度传感器、湿度传感器以及液位传感器通过模拟电子开关CD4051与主控模块ATmega16单片机连接，因此在本实施例中根据模拟电子开关CD4051地址端的控制信号，将温度传感器、湿度传感器以及液位传感器采集的信号轮流传送给ATmega16单片机的IO端。

S5、主控模块将温度传感器、湿度传感器和液位传感器采集到的温度参数、湿度参数和加湿设备水箱中的液位信号传送给主控模块，主控模块将接收的这些参数分别与目标温度参数范围、目标湿度参数范围和加湿设备中水箱的液位下限值进行比较；

在本实施例中判断当前采集的加湿设备中水箱的液位是否低于水箱的液位下限值；

若是，则报警装置报警，主动模块启动水泵工作，通过水泵向加湿设备的水箱补充水源，当主控模块检测到液位达到水箱液位上限值时，则控制水泵停止工作，从而停止向水箱补充水源；

在本实施例中判断当前采集的温度参数和湿度参数是否分别在目标温度参数范围和目标湿度参数范围内；

若是，则回到步骤S2；

若否，则主控模块启动制冷机组和/或加湿设备对当前的温度和/或湿度进行调整；当采集的温度参数不在目标温度参数范围内时，则控制制冷机组工作；当采集的湿度不在目标湿度参数范围时，则控制加湿设备工作。当采集的温度参数和湿度参数均不在目标温度参数范围和目标湿度参数范围时，则控制制冷机组和加湿设备均工作。其中本实施例主控模块采用模糊PID控制算法计算湿度控制量，并且输出到加湿设备中，加湿设备根据其所接收到的湿度控制量信号对当前果蔬保鲜陈列柜环境进行湿度控制。其中本实施例模糊PID控制算法计算湿度控制量具体步骤如下：

S5.1、精确量的模糊化：

S5.1.1、确定湿度误差、湿度误差变化率和湿度PID控制量修正值的基本集合论域；

其中湿度误差的基本集合论域为：

[-e，e]＝[-5,5]；

湿度误差变化率的基本集合论域为：

$[-\stackrel{.}{e},\stackrel{.}{e}]=[-\mathrm{5,5}];$

PID控制量修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的基本集合论域分别为：

[-k_p，k_p]＝[-0.45,0.45]，

[-k_i，k_i]＝[-0.09,0.09]，

[-k_d，k_d]＝[-1.2,1.2]；

S5.1.2、将湿度误差、湿度误差变化率和湿度PID控制量修正值的基本集合论转换成模糊集合论域；

其中本实施例中将湿度误差的基本集合论域分成2n等份，取n＝5，分割点个数为2n+1＝11，将这11个分割点作为模糊集合论域元素，获取的湿度误差的模糊集合论域为：

E＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；

将湿度误差变化率的基本集合论域分成2m等份，取m＝5，分割点个数为2m+1＝11，将这11个分割点作为模糊集合论域元素，获取的湿度误差变化率的模糊集合论域为：

$\stackrel{.}{E}=\{-5,-4,-3,-2,-\mathrm{1,0,1,2,3,4,5}\};$

将PID控制量修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的基本集合论域均分成2d等份，取d＝3，分割点个数为2d+1＝7，将这7个分割点作为模糊集合论域元素，则获取的PID控制量修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的模糊集合论域分别为：

△K_p＝{-0.45，-0.3，-0.15，0，0.15，0.3，0.45}，

△K_i＝{-0.09，-0.06，-0.03，0，0.03，0.06，0.09}，

△K_d＝{-1.2，-0.8，-0.4，0，0.4，0.8，1.2}；

S5.1.3、确定湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值模糊论域上模糊子集的个数和每个模糊子集的语言变量；在本实施例中湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值的模糊集合论域上模糊子集的个数均为7，其中7个模糊子集的语言变量分别为正大、正中、正小、零、负小、负中和负大；

S5.1.4、根据模糊子集的个数和每个模糊子集的语言变量，分别建立湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值的语言变量模糊集合隶属度函数；

其中本实施例构建的湿度误差、湿度误差变化率的语言变量模糊集合隶属函数为高斯函数隶属函数f(x)：

$f\left(x\right)=\exp [-\frac{{(x-c)}^2}{2{\mathrm{\&delta;}}^2}];$

本实施例构建的湿度误差和湿度误差变化率的隶属函数分别如图7a和7b所示；

本实施例构建的PID控制量修正值的语言变量模糊集合隶属度函数为三角函数隶属函数；其中PID控制量三个修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的隶属函数分别如图8a、8b和8c所示；

S5.2、制定模糊控制规则和实现模糊推理：

S5.2.1、根据专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，建立PID控制量修正值的控制规则表；本实施例中PID控制量修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的控制规则分别如表1、表2和表3所示：

表1

表2

表3

其中表中的NB、NM、NS、ZR、PS、PM和PB分别表示语言变量负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。

S5.2.2、实现模糊推理：根据输入的模糊量和知识库进行模糊推理，从而获取模糊控制量，具体步骤如下：

S5.2.2.1、获取当前湿度误差e和当前误差变化率ec；

S5.2.2.2、比较当前湿度误差e与模糊控制临界值E；

当e<E时，PID控制器的控制参数选取初始值K_p0、K_i0和K_d0，则K_p＝K_p0，K_i＝K_i0，K_d＝K_d0；进入步骤S5.4.2；

当e≥E时，启用模糊控制，进入步骤S5.2.2.3；

S5.2.2.3、根据湿度误差的语言变量模糊集合隶属度函数将当前湿度误差e量化为模糊论域中的语言变量，即输入的湿度误差模糊量；并且判断当前湿度误差e是否大于系统设定的湿度误差上限值或小于湿度误差下限值：若是，则当前湿度误差e设置为系统的湿度误差上限值或下限值；即在当前湿度误差e大于湿度误差上限值时，则将当前湿度误差e设置为系统的湿度误差上限值；在当前湿度误差e小于湿度误差下限值时，则将当前湿度误差e设置为系统的湿度误差下限值；

根据湿度误差变化率的语言变量模糊集合隶属度函数将当前湿度误差变化率ec量化为模糊论域中的语言变量，即输入的湿度误差变化率模糊量；并且判断湿度误差变化率ec是否大于系统设定的湿度误差变化率上限值或小于湿度误差下限值：若是，则将当前湿度误差变化率ec设置为系统的湿度误差变化率上限值或下限值；即在当前湿度误差变化率ec大于湿度误差变化率上限值时，则将当前湿度误差变化率ec设置为系统的湿度误差变化率上限值；在当前湿度误差变化率ec小于湿度误差下限值时，则将当前湿度误差变化率ec设置为系统的湿度误差变化率下限值；

S5.2.2.4、求模糊控制量：通过查找PID控制量修正值的控制规则表，根据上述获取的当前湿度误差e和湿度误差变化率ec在模糊论域中的语言变量确定PID控制量修正值的模糊输出量，进入步骤S5.3；

S5.3、利用隶属函数采用重心法将PID控制量修正值的模糊输出量进行清晰化计算，得到PID控制量修正值的清晰输出量△K′_p、△K′_i和△K′_d，进入步骤S5.4；

S5.4、PID控制量计算与输出：

S5.4.1、获取PID控制器的控制参数值K_p、K_i和K_d：

K_p＝K_p0+△K′_p，

K_i＝K_i0+△K′_i，

K_d＝K_d0+△K′_d；

K_p0、K_i0和K_d0分别是PID控制器的控制参数值初始参数，△K′_p、△K′_i和△K′_d是步骤S5.3获取的PID控制器修正值的清晰输出量；

S5.4.2、PID控制量计算：PID控制器根据e、ec、K_p、K_i和K_d进行运算，得出湿度控制量。此时根据湿度控制量的大小选择加湿设备中微小、小、中、大、极大五个等级的其中一个等级对当前果蔬保鲜陈列柜环境进行湿度控制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，包括主控模块以及与主控模块连接的信号采集模块和执行机构，其特征在于，所述信号采集模块包括温度传感器和湿度传感器，所述执行机构包括制冷机组和加湿设备；所述信号采集模块中包括的各部分通过数字控制模拟电子开关CD4051中的各通道与主控模块连接。

2.根据权利要求1所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，其特征在于，所述加湿设备包括超声波加湿器、为超声波加湿器供水的加湿水箱以及为水箱补充水源的水泵，其中加湿设备中的水泵和超声波加湿器分别与主控模块连接；所述信号采集模块还包括设置在加湿水箱中的液位传感器。

3.根据权利要求2所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，其特征在于，所述加湿设备中包含有9个超声波加湿器，分为五组，其中第一组包括1个超声波加湿器，第二组包括3个超声波加湿器，第三组包括5个超声波加湿器，第四组包括7个超声波加湿器，第五组包括9个超声波加湿器；所述主控模块根据加湿量控制其中一组超声波加湿器工作。

4.根据权利要求1所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，其特征在于，所述主控模块还连接有保护装置和报警装置，所述保护装置为熔断器装置，所述报警装置包括指示灯和蜂鸣器。

5.根据权利要求1所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，其特征在于，所述主控模块还连接有用于设置目标保鲜参数范围的键盘以及用于显示保鲜参数的液晶显示器，其中保鲜参数包括温度参数和湿度参数。

6.根据权利要求1所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制系统，其特征在于，所述主控模块与执行结构之间连接有光电耦合器和复合晶体管阵列ULN2003，通过光电耦合器对主控模块输出的控制信号与执行结构进行隔离。

7.一种果蔬保鲜陈列柜温湿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、系统初始化：开启系统；

S2、判断系统中当前的目标温度参数范围和目标湿度参数范围是否符合所要保鲜的果蔬；若是，则进入步骤S4；若否，则进入步骤S3；

S3、根据所要保鲜的果蔬对温度参数和湿度参数的需求对系统中的目标温度参数范围和目标湿度参数范围进行重新设定；然后进入步骤S4；

S4、信号采集模块采集果蔬保鲜陈列柜当前的温度参数和湿度参数，并将其采集到的温度参数和湿度参数数据传送到主控模块中，主控模块对接收到的温度参数和湿度参数数据采用平均滤波法进行滤波处理；

S5、主控模块将信号采集模块采集到的温度参数和湿度参数分别与目标温度参数范围和目标湿度参数范围进行对比，判断当前采集的温度和湿度参数是否分别在目标温度参数范围和目标湿度参数范围内；

若是，则回到步骤S2；

若否，则主控模块启动制冷机组和/或加湿设备对当前的温度和/或湿度进行调整，其中主控模块采用模糊PID控制算法计算湿度控制量，并且输出到加湿设备中，加湿设备根据其所接收到的湿度控制量信号对当前果蔬保鲜陈列柜环境进行湿度控制。

8.根据权利要求7所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制方法，其特征在于，所述步骤S5中模糊PID控制算法计算当前果蔬保鲜陈列柜环境的湿度控制量的具体步骤如下：

S5.1、精确量的模糊化：

S5.1.1、确定湿度误差、湿度误差变化率和湿度PID控制量修正值的基本集合论域；

S5.1.2、将湿度误差、湿度误差变化率和湿度PID控制量修正值的基本集合论转换成模糊集合论域；

S5.1.3、确定湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值模糊论域上模糊子集的个数和每个模糊子集的语言变量；

S5.1.4、根据模糊子集的个数和每个模糊子集的语言变量，分别建立湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值的语言变量模糊集合隶属度函数；

S5.2、制定模糊控制规则和实现模糊推理：

S5.2.1、建立PID控制量修正值的控制规则表；

S5.2.2、实现模糊推理：根据输入的模糊量和知识库进行模糊推理，从而获取模糊控制量，具体步骤如下：

S5.2.2.1、获取当前湿度误差e和误差变化率ec；

S5.2.2.2、比较当前湿度误差e与模糊控制临界值E；

当e<E时，PID控制器的控制参数选取初始值K_p0、K_i0和K_d0，则K_p＝K_p0，K_i＝K_i0，K_d＝K_d0；进入步骤S5.4.2；

当e≥E时，启用模糊控制，进入步骤S5.2.2.3；

S5.2.2.3、根据湿度误差的语言变量模糊集合隶属度函数将当前湿度误差e量化为模糊论域中的语言变量，即得到输入的湿度误差模糊量；并且判断当前湿度误差e是否大于系统设定的湿度误差上限值或小于湿度误差下限值：若是，则当前湿度误差e设置为系统的湿度误差上限值或下限值；

根据湿度误差变化率的语言变量模糊集合隶属度函数将当前湿度误差变化率ec量化为模糊论域中的语言变量，即得到输入的湿度误差变化率模糊量；并且判断湿度误差变化率ec是否大于系统设定的湿度误差变化率上限值或小于湿度误差下限值：若是，则将当前湿度误差变化率ec设置为系统的湿度误差变化率上限值或下限值；

S5.2.2.4、求模糊控制量：通过查找PID控制量修正值的控制规则表，根据步骤S5.2.2.3获取的当前湿度误差e和当前湿度误差变化率ec在模糊论域中的语言变量确定PID控制量修正值的模糊输出量，进入步骤S5.3；

S5.3、将PID控制量修正值的模糊输出量进行清晰化计算，得到PID控制量修正值的清晰输出量△K′_p、△K′_i和△K′_d，进入步骤S5.4；

S5.4、PID控制量计算与输出：

S5.4.1、获取PID控制器的控制参数值K_p、K_i和K_d：

K_p＝K_p0+△K′_p，

K_i＝K_i0+△K′_i，

K_d＝K_d0+△K′_d；

K_p0、K_i0和K_d0分别是PID控制器的控制参数值初始参数，△K′_p、△K′_i和△K′_d是步骤S5.3获取的PID控制器修正值的清晰输出量；

S5.4.2、PID控制量计算：PID控制器根据e、ec、K_p、K_i和K_d进行运算，得出湿度控制量。

9.根据权利要求8所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制方法，其特征在于，所述步骤S5.1.1的湿度误差的基本集合论域为：

[-e，e]＝[-5,5]；

所述湿度误差变化率的基本集合论域为：

$[-\stackrel{.}{e},\stackrel{.}{e}]=[-\mathrm{5,5}];$

所述PID控制量修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的基本集合论域分别为：

[-k_p，k_p]＝[-0.45,0.45]，

[-k_i，k_i]＝[-0.09,0.09]，

[-k_d，k_d]＝[-1.2,1.2]；

步骤S5.1.2中将湿度误差的基本集合论域分成2n等份，取n＝5，分割点个数为2n+1＝11，将这11个分割点作为模糊集合论域元素，获取的湿度误差的模糊集合论域为：

E＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；

将湿度误差变化率的基本集合论域分成2m等份，取m＝5，分割点个数为2m+1＝11，将这11个分割点作为模糊集合论域元素，获取的湿度误差变化率的模糊集合论域为：

$\stackrel{.}{E}=\{-5,-4,-3,-2,-\mathrm{1,0,1,2,3,4,5}\};$

将PID控制量修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的基本集合论域均分成2d等份，取d＝3，分割点个数为2d+1＝7，将这7个分割点作为模糊集合论域元素，则获取的PID控制量修正值ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的模糊集合论域分别为：

△K_p＝{-0.45，-0.3，-0.15，0，0.15，0.3，0.45}，

△K_i＝{-0.09，-0.06，-0.03，0，0.03，0.06，0.09}，

△K_d＝{-1.2，-0.8，-0.4，0，0.4，0.8，1.2}；

所述步骤S5.1.3中湿度误差、湿度误差变化率和PID控制量修正值的模糊集合论域上模糊子集的个数为7，其中7个模糊子集的语言变量分别为正大、正中、正小、零、负小、负中和负大；

所述步骤S5.1.4中构建的湿度误差、湿度误差变化率的语言变量模糊集合隶属函数为高斯函数隶属函数：

$f\left(x\right)=\exp [-\frac{{(x-c)}^2}{2{\mathrm{\&delta;}}^2}];$

构建的PID控制量修正值的语言变量模糊集合隶属度函数为三角函数隶属函数；

所述步骤S5.3中利用隶属函数采用重心法将PID控制量修正值的模糊输出量进行清晰化计算，得到PID控制量修正值的清晰输出量△K′_p、△K′_i和△K′_d。

10.根据权利要求7所述的果蔬保鲜陈列柜温湿控制方法，其特征在于，所述步骤S4中信号采集模块设置在加湿设备水箱中的液位传感器将采集到的液位信号传送给主控模块；

当水箱中的液位低于下限位置时，所述步骤S5中主控模块控制水泵工作，向水箱中补充水源，当水箱液位达到水箱液位上限位置时，则主控模块控制水泵停止工作。