智能溫室環(huán)境參數(shù)的復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文在分析了溫室環(huán)境的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)被控環(huán)境參數(shù)的特性將不同的控制方法應(yīng)用于智能溫室的復(fù)合控制思想。首先分析環(huán)境參數(shù)的特點(diǎn)并制定相應(yīng)的控制方案。然后給出了實(shí)現(xiàn)該控制方案的硬件和軟件設(shè)計(jì)。最后利用vB編寫可視化界面，使得本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、易于掌握。
關(guān)鍵詞：智能溫室；復(fù)合控制；硬件；軟件；可視化界面

0 前言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要途徑已越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。溫室生產(chǎn)通過(guò)科學(xué)管理，能最大限度地提高土地產(chǎn)出率、資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，產(chǎn)生最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是一種完全有別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式。因此，對(duì)溫室的研究越來(lái)越被世界各國(guó)農(nóng)業(yè)界所重視。溫室系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜，改變環(huán)境參數(shù)狀態(tài)時(shí)，一般需要一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)，存在滯后性；一個(gè)環(huán)境參數(shù)的改變，往往會(huì)影響到其它環(huán)境參數(shù)的狀態(tài)。如果對(duì)多個(gè)參數(shù)同時(shí)控制，又會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)太復(fù)雜，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，從而很難得到滿意的控制結(jié)果。
本文根據(jù)各個(gè)環(huán)境參數(shù)的特點(diǎn)，針對(duì)不同的參數(shù)采用了不同的控制方案，提出了分布式溫室復(fù)合控制系統(tǒng)方案，取得很好的控制效果。本系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，可同時(shí)監(jiān)控多棟溫室，是一套通用性強(qiáng)，具有一定智能化、模塊化、符合我國(guó)國(guó)情的溫室控制系統(tǒng)。本文對(duì)溫室的科學(xué)管理、自動(dòng)化智能控制有著重要的指導(dǎo)意義。

1 控制算法與控制器設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用復(fù)合控制方式，根據(jù)各個(gè)環(huán)境參數(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制方案。
在溫室控制中，溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)起主導(dǎo)作用，因而本文中以它們作為被控的環(huán)境參數(shù)。對(duì)參數(shù)的設(shè)置采用順時(shí)循環(huán)控制，其順序如圖1所示。

1．1 溫度、濕度的控制
通過(guò)調(diào)節(jié)加熱蒸汽量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水蒸氣量和天窗開度對(duì)溫度和濕度進(jìn)行控制，這兩個(gè)參量的耦合性很強(qiáng)，需要一同控制。此控制是一個(gè)多變量控制系統(tǒng)，存在大滯后性、強(qiáng)耦合性，很難獲得精確的數(shù)學(xué)模型。本文采用廣義自適應(yīng)預(yù)測(cè)與模糊控制相結(jié)合的控制算法，自適應(yīng)預(yù)測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)溫濕度一定時(shí)間后的狀態(tài)情況，并將一定時(shí)間后的狀態(tài)引入到當(dāng)前控制中，提前對(duì)其進(jìn)行控制，消除滯后性；考慮到溫濕度在溫室系統(tǒng)中耦合性較強(qiáng)，很難單獨(dú)控制，利用模糊控制器制定規(guī)則表，對(duì)二者相互影響的效果進(jìn)行反向消除，起到解耦作用?？刂破鞯恼w結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖中ri(t+di)為溫度和濕度的給定值，yi(t+di)為di時(shí)間后的溫度和濕度預(yù)測(cè)值，ei(t+di)為di時(shí)間后的溫度和濕度的偏差，ui(t)為得到的當(dāng)前時(shí)刻的控制量(包括加熱蒸汽量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、水蒸氣量和天窗開度)，yi(t)為當(dāng)前時(shí)刻的溫度和濕度測(cè)量值。
本文所設(shè)計(jì)的溫室控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入-多輸出(MIMO)的系統(tǒng)，控制量為熱蒸汽量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、水蒸氣量和天窗開度，被控量主要為溫度和濕度，因而模糊控制器也是一個(gè)MIMO的控制器，考慮到模糊控制器本身的解耦特點(diǎn)，可將一個(gè)MIMO分解為幾個(gè)多輸入一單輸出(MISO)的模糊控制結(jié)構(gòu)。模糊控制的輸入選擇為溫度和濕度的偏差量，輸出分別為熱蒸汽量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、水蒸氣量和天窗開度。