智能溫室環(huán)境參數的復合控制系統設計

摘要：本文在分析了溫室環(huán)境的基礎上，提出了根據被控環(huán)境參數的特性將不同的控制方法應用于智能溫室的復合控制思想。首先分析環(huán)境參數的特點(diǎn)并制定相應的控制方案。然后給出了實(shí)現該控制方案的硬件和軟件設計。最后利用vB編寫(xiě)可視化界面，使得本系統操作簡(jiǎn)單、易于掌握。
關(guān)鍵詞：智能溫室；復合控制；硬件；軟件；可視化界面

0 前言
隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，設施農業(yè)作為農業(yè)可持續發(fā)展的一個(gè)重要途徑已越來(lái)越受到世界各國的重視。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)濟效益和社會(huì )效益，是一種完全有別于傳統農業(yè)的生產(chǎn)模式。因此，對溫室的研究越來(lái)越被世界各國農業(yè)界所重視。溫室系統環(huán)境復雜，改變環(huán)境參數狀態(tài)時(shí)，一般需要一段時(shí)間才能實(shí)現，存在滯后性；一個(gè)環(huán)境參數的改變，往往會(huì )影響到其它環(huán)境參數的狀態(tài)。如果對多個(gè)參數同時(shí)控制，又會(huì )因為系統太復雜，難以建立精確的數學(xué)模型，從而很難得到滿(mǎn)意的控制結果。
本文根據各個(gè)環(huán)境參數的特點(diǎn)，針對不同的參數采用了不同的控制方案，提出了分布式溫室復合控制系統方案，取得很好的控制效果。本系統擴展性強，可同時(shí)監控多棟溫室，是一套通用性強，具有一定智能化、模塊化、符合我國國情的溫室控制系統。本文對溫室的科學(xué)管理、自動(dòng)化智能控制有著(zhù)重要的指導意義。

1 控制算法與控制器設計
本系統采用復合控制方式，根據各個(gè)環(huán)境參數的特點(diǎn)，設計相應的控制方案。
在溫室控制中，溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度對農作物的生長(cháng)起主導作用，因而本文中以它們作為被控的環(huán)境參數。對參數的設置采用順時(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)調節加熱蒸汽量、風(fēng)機轉速、水蒸氣量和天窗開(kāi)度對溫度和濕度進(jìn)行控制，這兩個(gè)參量的耦合性很強，需要一同控制。此控制是一個(gè)多變量控制系統，存在大滯后性、強耦合性，很難獲得精確的數學(xué)模型。本文采用廣義自適應預測與模糊控制相結合的控制算法，自適應預測技術(shù)預測溫濕度一定時(shí)間后的狀態(tài)情況，并將一定時(shí)間后的狀態(tài)引入到當前控制中，提前對其進(jìn)行控制，消除滯后性；考慮到溫濕度在溫室系統中耦合性較強，很難單獨控制，利用模糊控制器制定規則表，對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結構如圖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測值，ei(t+di)為di時(shí)間后的溫度和濕度的偏差，ui(t)為得到的當前時(shí)刻的控制量(包括加熱蒸汽量、風(fēng)扇轉速、水蒸氣量和天窗開(kāi)度)，yi(t)為當前時(shí)刻的溫度和濕度測量值。
本文所設計的溫室控制系統是一個(gè)多輸入-多輸出(MIMO)的系統，控制量為熱蒸汽量、風(fēng)扇轉速、水蒸氣量和天窗開(kāi)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)的模糊控制結構。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)扇轉速、水蒸氣量和天窗開(kāi)度。