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

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)的特點并制定相應(yīng)的控制方案。然后給出了實現(xiàn)該控制方案的硬件和軟件設(shè)計。最后利用vB編寫可視化界面，使得本系統(tǒng)操作簡單、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)展的一個重要途徑已越來越受到世界各國的重視。溫室生產(chǎn)通過科學(xué)管理，能最大限度地提高土地產(chǎn)出率、資源利用率和勞動生產(chǎn)率，產(chǎn)生最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是一種完全有別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式。因此，對溫室的研究越來越被世界各國農(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，一般需要一段時間才能實現(xiàn)，存在滯后性；一個環(huán)境參數(shù)的改變，往往會影響到其它環(huán)境參數(shù)的狀態(tài)。如果對多個參數(shù)同時控制，又會因為系統(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)各個環(huán)境參數(shù)的特點，針對不同的參數(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、符合我國國情的溫室控制系統(tǒng)。本文對溫室的科學(xué)管理、自動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
本系統(tǒng)采用復(fù)合控制方式，根據(jù)各個環(huán)境參數(shù)的特點，設(shè)計相應(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)度對農(nóng)作物的生長起主導(dǎo)作用，因而本文中以它們作為被控的環(huán)境參數(shù)。對參數(shù)的設(shè)置采用順時循環(huán)控制，其順序如圖1所示。

1．1 溫度、濕度的控制
通過調(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溫度和濕度進(jìn)行控制，這兩個參量的耦合性很強(qiáng)，需要一同控制。此控制是一個多變量控制系統(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)測與模糊控制相結(jié)合的控制算法，自適應(yīng)預(yù)測技術(shù)預(yù)測溫濕度一定時間后的狀態(tài)情況，并將一定時間后的狀態(tài)引入到當(dāng)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(tǒng)中耦合性較強(qiáng)，很難單獨控制，利用模糊控制器制定規(guī)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。控制器的整體結(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時間后的溫度和濕度預(yù)測值，ei(t+di)為di時間后的溫度和濕度的偏差，ui(t)為得到的當(dāng)前時刻的控制量(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)前時刻的溫度和濕度測量值。
本文所設(shè)計的溫室控制系統(tǒng)是一個多輸入-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MIMO的控制器，考慮到模糊控制器本身的解耦特點，可將一個MIMO分解為幾個多輸入一單輸出(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。