付煥森++李元貴++夏華鳳

摘要：溫室控制研究已開展多年，一方面是關(guān)于溫度和濕度的耦合問題運(yùn)用多種算法進(jìn)行解耦，另一方面是針對(duì)溫室內(nèi)營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行水肥耦合研究。針對(duì)溫室系統(tǒng)控制問題，目前還沒有對(duì)上述2種耦合進(jìn)行綜合研究，因此提出溫濕度耦合和水肥耦合的溫室系統(tǒng)生態(tài)耦合觀點(diǎn)，通過傳感器采集溫度、濕度以及土壤氨氮等養(yǎng)分信號(hào)，并基于能耗模型以PLC（可編程邏輯控制器）為核心設(shè)計(jì)集中式PID（比例、積分和微分）解耦控制器，實(shí)現(xiàn)溫室系統(tǒng)在噴淋農(nóng)作物時(shí)考慮到土壤水肥營(yíng)養(yǎng)成分的流失，以此提高溫室系統(tǒng)的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)降低溫室系統(tǒng)的生態(tài)損耗和污染。

關(guān)鍵詞：溫濕度耦合；水肥耦合；解耦；節(jié)能優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）06-0430-02

收稿日期：2015-04-01

基金項(xiàng)目：2014年度江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（編號(hào)：14KJB510033）；泰州學(xué)院科研課題（編號(hào)：TZXY2015YBKT010）。

作者簡(jiǎn)介：付煥森（1982—），男，江蘇興化人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)橹悄茏詣?dòng)化理論與工程。E-mail：fuhuansen@163.com。能源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)是社會(huì)發(fā)展的根基，受到各國(guó)研究人員的高度重視，三者之間相互依存。溫室系統(tǒng)作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的典型代表，其研究方法已存在多年，目的是克服傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)外界環(huán)境的依賴。在控制方法方面，通過多種算法實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物溫度、濕度和二氧化碳濃度等參數(shù)的有效調(diào)節(jié)，對(duì)溫室系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的控制不再局限于單一的溫濕度閉環(huán)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)是溫度和濕度之間的耦合關(guān)系，因?yàn)轳詈蠁栴}嚴(yán)重影響了溫室系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制；在生態(tài)研究方面，農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中也存在水肥耦合的問題（農(nóng)作物在生態(tài)環(huán)境中，作物根系吸收水分和養(yǎng)分是2個(gè)獨(dú)立的過程，但是所供給的水分和養(yǎng)分以及養(yǎng)分中的氮、磷、鉀等元素之間是相互制約的過程，這種現(xiàn)象稱為水肥耦合）。水分和養(yǎng)分不合理使用，會(huì)制約溫室系統(tǒng)中農(nóng)作物的生長(zhǎng)，降低品質(zhì)和整體效益，同時(shí)給環(huán)境造成不利影響。徐巖等針對(duì)水肥耦合問題進(jìn)行了研究，內(nèi)容包括水肥效應(yīng)、如何合理施肥、以肥調(diào)水、從微量元素角度如何解決水肥耦合的問題[1-2]。本研究就溫室系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，提出溫濕度耦合和水肥耦合的溫室系統(tǒng)生態(tài)耦合觀點(diǎn)，通過信號(hào)采集，以PLC（可編程邏輯控制器）為核心設(shè)計(jì)集中式PID（比例、積分和微分）解耦控制器，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物在良好的溫室環(huán)境下達(dá)到節(jié)能、低污染等優(yōu)化控制。

1溫室系統(tǒng)模型

溫室系統(tǒng)研究盡管已開展多年，但是至今還未有精確的數(shù)學(xué)模型，目前Albright提出的模型在控制領(lǐng)域得到廣泛的使用[3-4]，模型可以用下式表示：

dTindt=1ρCpV[qheater+Iin-λqfog]-φventV[Tin-Tout]-KeρCpV[Tin-Tout]

dHindt=1Vqfog+1VE（Iin，Hin）-φventV[Hin-Hout]

E（Iin，Hin）=αIinλ-βTHin。

式中：Tin、Tout、Hin、Hout分別為室內(nèi)溫度、室外溫度、室內(nèi)濕度、室外濕度；qheater為加熱速率；qfog為噴霧速率；φvent為通風(fēng)率；V為單位面積等效體積；Ke為空氣傳遞系數(shù)；E為蒸發(fā)速率；Iin為室內(nèi)吸收的太陽輻射；ρ為空氣比熱容；Cp為室內(nèi)空氣比熱容；α和βT為控制系數(shù)；λ為水蒸發(fā)系數(shù)。溫室系統(tǒng)呈現(xiàn)多變量、非線性和強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，上述模型僅考慮農(nóng)作物生長(zhǎng)外環(huán)境的影響，沒有對(duì)土壤內(nèi)環(huán)境的水肥問題進(jìn)行建模。模型建立是一個(gè)系統(tǒng)的過程，利用模糊控制等智能算法綜合考慮溫室外環(huán)境和內(nèi)環(huán)境的影響較有優(yōu)勢(shì)，本研究是基于模糊控制設(shè)計(jì)PLC控制器。

2解耦算法

近年來，針對(duì)多變量系統(tǒng)的解耦方法經(jīng)歷了傳統(tǒng)解耦、自適應(yīng)解耦、智能解耦等階段，其策略從不同的角度進(jìn)行解耦，研究人員做了大量的理論算法研究和仿真分析。傳統(tǒng)的解耦方法依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型；自適應(yīng)解耦主要是將參數(shù)辨識(shí)、系統(tǒng)控制和解耦方法結(jié)合起來解決系統(tǒng)的耦合問題[5]。盡管上述模型考慮了加熱、通風(fēng)以及加濕等因素，但離精確的溫室系統(tǒng)模型還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以利用傳統(tǒng)解耦方法難以解決溫室系統(tǒng)的耦合問題，特別是生態(tài)耦合問題。智能解耦相比常規(guī)的單一控制，無需系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，有良好的動(dòng)態(tài)解耦能力，其系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，魯棒性較強(qiáng)，具有很好的自適應(yīng)能力，實(shí)踐也證明該方法對(duì)蔬菜溫室系統(tǒng)在效率和效益方面都有提高。

鑒于上述模型，設(shè)計(jì)了1種集中式PI和模糊PID控制器（圖1）[6]。圖1中：r表示溫室外環(huán)境的溫度、濕度和二氧化碳等輸入信號(hào)；e、ea分別表示輸入信號(hào)、反饋信號(hào)的誤差；G（s）表示被控對(duì)象的傳遞函數(shù)模型，由上述模型得到傳遞函數(shù)；Gc（s）為對(duì)角結(jié)構(gòu)控制器；x1，…，xn表示解耦后的輸出信號(hào)；xn+1，xn+2，…表示溫室土壤養(yǎng)分檢測(cè)信號(hào)；y表示解耦輸出。

由參考文獻(xiàn)[6]得到PI控制器的結(jié)構(gòu)：

gc，ii（s）=kC，ii+k1，iis=adjGii|G| hii1-hii

。

（2）

式中：kC，ii、k1，iis分別為比例、積分系數(shù)；hii為各個(gè)環(huán)的傳遞函數(shù)。

智能解耦部分采用的模糊PID控制，其控制方法較為成熟，在傳統(tǒng)的專家經(jīng)驗(yàn)庫添加水肥耦合方面的控制規(guī)則即可[7-8]。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖2所示，由3個(gè)部分組成，分別是1～N號(hào)蔬菜溫室大棚、蔬菜溫室解耦控制設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制設(shè)備。1～N號(hào)蔬菜溫室大棚環(huán)境內(nèi)安裝溫度、濕度、CO2、光照、土壤水分和養(yǎng)分傳感器，每個(gè)溫室大棚內(nèi)配置觸摸顯示屏，用于溫室環(huán)境內(nèi)參數(shù)的顯示和查詢，以及在緊急情況下手動(dòng)操作升降溫、加濕等按鈕開關(guān)，與控制系統(tǒng)配合使用。

4軟硬件設(shè)計(jì)

控制器核心采用西門子PLC，傳感器信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)的 4～20 mA 電流傳輸。蔬菜溫室解耦控制設(shè)備是整個(gè)設(shè)備控制的核心，利用高版本Matlab軟件里的GUI功能設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)以下功能和目標(biāo)：（1）解決了常規(guī)單片機(jī)和PLC難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的解耦算法問題，同時(shí)利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以根據(jù)不同大棚內(nèi)蔬菜品種，調(diào)用專家數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出蔬菜種植的推薦參數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫濕度和水肥耦合的解耦，提高溫室生產(chǎn)產(chǎn)量和品質(zhì)；（2）上位機(jī)可以顯示1～N號(hào)溫室環(huán)境內(nèi)參數(shù)數(shù)據(jù)，可以查詢、統(tǒng)計(jì)和打印，為蔬菜種植提供參考價(jià)值；（3）上位機(jī)可以設(shè)置多種按鈕，用于控制加濕等設(shè)備，減少了實(shí)際按鈕數(shù)量，降低了成本；（4）配備了常用和緊急操作面板按鈕，與上位機(jī)按鈕配合使用，以防止上位機(jī)軟件死機(jī)等意外情況；（5）出現(xiàn)溫室環(huán)境異常，如溫度過高等情況，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障，控制系統(tǒng)會(huì)通過故障報(bào)警提醒；（6）控制設(shè)備內(nèi)安裝GPRS無線設(shè)備和服務(wù)器，種植用戶可以利用手機(jī)及電腦網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問控制系統(tǒng)和操作相應(yīng)的按鈕開關(guān)。

5結(jié)論與討論

本研究針對(duì)溫室系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀，從解耦、節(jié)能優(yōu)化2個(gè)方面作了介紹。盡管Albright的模型得到了認(rèn)可，但是溫室系統(tǒng)融合了生物、能源和控制等多種學(xué)科，有效而全面的溫室系統(tǒng)模型是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。針對(duì)溫室系統(tǒng)內(nèi)的溫濕度耦合問題，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，智能解耦是發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)溫室系統(tǒng)的解耦要綜合考慮溫濕度耦合和水肥耦合，這樣才能保證農(nóng)作物生長(zhǎng)的外在、內(nèi)在環(huán)境；關(guān)于溫室系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制，解決耦合問題是實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化的基礎(chǔ)，除了理論方面的研究，在保證農(nóng)作物品質(zhì)的前提下，應(yīng)用先進(jìn)的傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是溫室系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

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