（控制理论与控制工程专业论文）温室先进测控技术研究.pdf

摘要 由于具有合理利用农业资源、保护生态环境、提高农产品产量及在国际市场竞争 力等优势，温室技术已成为当前国际上前沿性研究领域。如何利用自动控制系统有效 地提高温室环境控制水平和现代化管理程度，是目前我国温室技术研究的重要课题之 一。随着自动检测技术，过程控制技术、通讯技术及计算机技术的发展，把工业上较 为成熟的、先进的控制方法和管理手段引入到农业的生产设施中，实施有效的温室环 境控制，已成为现阶段温室技术的主要研究方向。 本文首先依据当前国内外温室发展现状，通过分析现有温室控制系统的特点，探 讨了通过虚拟仪器平台，将传感器技术、仪器技术和计算机技术结合起来的新的控制 方法，并根据此方法进行了温室环境监控系统的硬、软件设计。 通过分析温室系统的环境参数及控制特性，本课题设计了由执行系统和p x i 测控 系统组成的温室硬件测控系统，对温室主要环境参数进行综合控制。p x i 测控系统将 高性能的嵌入式数据采集卡与传感元件、检测调理电路和抗干扰技术结合于一体。 采用基于p x i 总线的数据传输方式构建智能温室测控系统是本系统硬件方面的一大 特点。 本课题的软件系统是基于l a b v i e w 虚拟仪器开发平台，采用模块化设计，实现 检测信号的实时采集、数据显示、数据处理、控制信号的输出及采集信号的数据管理 等功能。实时多任务运行方式，使系统的通信、环境参数采集以及控制可以同步进行。 同时设有手动自动切换模式选择，实现了在线控制温室运行的目的。基于网络的决 策支持模块，可以让分散的用户从不同的地点使用该系统，实现了高度的信息共享。 内嵌数据库存储接口采用a c c e s s 文件格式数据存储，为日后大容量数据的分析、存 档提供了便利。温室环境控制系统操作方便，界面友好，经模拟运行，该系统工作稳 定可靠，可以很好地满足设计要求。 由于温室控制系统是一个复杂的大滞后，时变性系统，难以建立精确的系统数学 模型，利用传统的控制算法通常得不到非常满意的控制效果，因此本课题对温室温度 控制算法进行研究，介绍了双位模糊预测控制。该控制方法综合了模糊逻辑和预测控 制各自的优点来提高整个系统的控制性能。仿真结果表明，该方法具有较好的鲁棒性 和较强的跟踪性能，采用该方法对温室环境进行控制可以较好的满足控制要求。在分 析研究控制参数影响的基础上，提出模糊自整定预测控制的结构。 i 最后本文指出了本系统设计的不足和改进思路，为今后课题的进一步深入研究提 供参考。本课题所做研究工作对提高温室控制和管理水平是一次有益尝试。 关键词：温室；虚拟仪器；p x i ；l a b v i e w ；预测控制 g r e e n h o u s et e c h n o l o g yh a sb e c o m ea na d v a n c e dr e s e a r c hf i e l di n t e r n a t i o n a l l yf o ri t s a d v a n t a g ei nm a k i n gg o o du s e o fa g r i c u l t u r er e s o u r c e ，p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t , e n h a n c et h e o u t p u ta n dc o m p e t i t i o nc a p a b i l i t yo ft h ep r o d u c e h o wt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e a n dm o d e r n i z a t i o na d m i n i s t r a t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tt a s k st h a to u rg r e e n h o u s e r e s e a r c hf a c e sa tp r e s e n t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t so fm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , p r o c e s s c o n t r o l t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i m p o r t i n ga d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d sa n dm a n a g e m e n t st oi m p l e m e n te f f i c i e n tg r e e n h o u s e e n v i r o n m e n tc o n t r o lh a sb c a t d m et h ep r i m a r yr e s e a r c ha s p x ：t f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fm o d e mg r e e n h o u s ec o n t r o ls y s t e m , b a s e do nt h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t i e si n s i d ea n do u t s i d et h ec o u n t r y i tc l a r i f i e su e wc o n t r o l m e t h o d sw h i c ha d o p tv i r t u a li n s t r u m e n tc o m b i n gw i t hs e n s o rt e c h n o l o g y , i n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h e nt h ep a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo f t h eg r e e n h o u s ec o n t r o ls y s t e m o na n a l y z i n gt h ep a r a m e t e r sa n dc o n t r o ls p e c i a l t i e s ，t h ep a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r e s y s t e mw h i c hi sc o m p o s e db ye x e c u t i o ns y s t e ma n dp x im e a s u r e m e n t c o n t r o ls y s t e m t h ep x is y s t e mc o n g r e g a t e sh i g h p o w e r e dd a qw i t ht r a n s d u c e r , m e a s u r e m e n t a d j u s t m e n t c i r c u i ta n da n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y i ti sat r a i to ft h ep a p e rt h a tb u i l d i n gh a r d w a r es y s t e m b a s e do np x ib u si nd a t at r a n s f e r s t h es o f t w a r es y s t e ma d o p t sm o d u l a r i z a t i o nd e s i g nb a s e do nl a b v i e w i tr e a l i z e st h e r e a l t i m ea c q u i s i t i o no fs i g n a l s ，d a t ad i s p l a y , d a t ap r o c e s s i n g , d a t am a n a g e m e n ta n do u t p u t o fc o n t r o ls i g n a l t h er e a l t i m ea n dm u l t i t a s km o d em a k et h ec o m m u n i c a t i o n , a c q u i s i t i o n a n dc o n t r o lr u na to n et i m e t h em a n u a l a u t o m a t i cm o d ec a nb es e l e c t e d i tr e a l i z e s c o n t r o l l i n gs t a t u s e so ft h eg r e e n h o u s eo nl i n e t h en e t w o r k e dd e c i s i o n - m a k i n gm o d u l e , w h i c hr e a l i z e su p s t a i r si n f o r m a t i o nc o m m u n i o n , a l l o w su s e r st oo p e r a t et h es y s t e m sf r o m d i f f e r e n ta r e a s t h ee m b e d d e da c c e s sd a t a b a s ep r o v i d e sg r e a tc o n v e n i e n c ef o rd a t a a n a l y s i sa n ds t o r a g e t h es y s t e mc a n b eo p e r a t e de a s i l ya n dh a sf r i e n d l yi n t e r f a c e o n s i m u l a t e do p e r a t i o n , t h eg r e e n h o u s ec o n t r o ls y s t e mw o r k ss t e a d i l ya n df i l l st h ed e m a n d s f o rt h eg r e e n h o u s ei sac o m p l e xs y s t e mw i t ht i m e - d e l a ya n dt i m e - v a r i e t y , t h e a c c u r a t em o d e li sh a r dt ob u i l d e x p e c t e dp e r f o r m a n c ec a n tb ea c q u i r e dt h r o u g h t r a d i t i o n a la l g o r i t h m s , s ot h ep a p e ra l s od i s c u s st h ec o n t r o la l g o r i t h m i nt h i sp a p e r , a l l a d a p t i v ed o u b l e - m o c kf u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o lm e t h o di sd e s i g n e d i tc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so ff u z z yl o g i ca n dp r e d i c t i v ec o n t r o lt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h e w h o l es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h i sm e t h o dh a sb e t t e rr o b u s ta n ds t r o n g t r a c k i n gc a p a b i l i t y a n da d o p t i n gt h i sa l g o r i t h mc a nf i l ld e m a n d sw e l li ng r e e n h o u s e c o n t r 0 1 t h e nt h ep a p e ra n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r sa n di n d i c a t e saf r a m eo f f u z z y - p r e d i c t i v ec o n t r o l l e rb a s e do ns e l f - t u r n i n g f i n a l l yt h ep a p e rd o e ss u m m a r i z a t i o n s ，a n di n d i c a t e st h es h o r t a g e sa n dd i r e c t i o n si n s y s t e md e s i g nm a k i n gp r e p a r a t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c h t h ew o r ki nt h i sp a p e ri sau s e f u l a t t e m p tt oi m p r o v et h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n ti ng r e e n h o u s e k e yw o r d s ：c - r c c n h o u s c ；v m u a ii n s t r u m e n t ；p x i ；l a b v i e w ；p r e d i c t i v ec o n t r o l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：么玺。丝 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雄导师签名： i 。1 课题研究背景及意义 第一章绪论 我国是一个人口众多的大国，农业资源相对紧缺，农业发展作为我国持续高速发 展的重要保障，任何时候都不可忽视。现代温室是实现农作物优质、高效生产的重要 设施，是一种资源集约型高效农业设施。它在充分利用自然资源的基础上，通过人工 干预的方式改变区域内温度、湿度、光照度等环境因素，提供反季节规律的适合作物 生长的温室小气候环境，从而实现增加作物产量、调节生长周期的产业化生产“埘。 它使农业生产摆脱了地点、季节和外界气候等诸多自然条件的制约，促进了农业资源 的科学开发和合理利用，进一步提高了土地利用率及社会经济效益。 温室技术体系已经成为主要发达国家面向2 1 世纪，为合理利用农业资源、提高 农产品产量、降低生产成本、保护生态环境、提高农产品在国际市场竞争力的前沿性 研究领域。对于一些高级温室( 如玻璃温室) ，尤其是高收益、高生长条件要求的经 济作物温室，采用先进的、高精度的温室控制方法非常重要。目前，我国设施农业面 积已居世界首位嘲，但其总体水平与世界设施园艺发达国家相比还有一定差距。温室 控制系统( 特剐是引进的国外温室及其控制系统) 费用太高，控制水平较低，配套的 监控管理系统软件效率较低、操作不方便，严重地削弱了我国温室生产的整体效率， 已成为影响我国温室发展的瓶颈“1 。在我国可持续发展战略指导下，开发低价位、先 进实用的现代温室控制系统及有效的管理系统已经成为我国现代农业发展所面临的 重要课题。 1 2 国外温室控制技术发展现状 二次世界大战以后，随着科学技术的进步和工业水平的提高，工程技术在农业上 广泛应用，加快了农业的工业化进程，温室产业随之在全球范围内繁荣发展起来，已 成为全世界最具活力的产业之一圈。在科技高速发展的今天，衡量一座温室性能好坏 的标准在于温室对影响作物生长要素( 如温度、湿度、二氧化碳和光照等) 的调节程 度，以及调节所达到的自动化水平“1 。目前欧美等发达国家的温室控制技术己经相当 先进，不但能实现对多因素综合控制，还可以根据温室作物的要求和特点，对温室内 光照、温度、水、气、肥等诸多环境参数进行自动调控。当前世界上现代化温室最多 1 温室先进测拧技术研究 的国家是荷兰、美国、日本等国0 1 。 作为一个土地资源匮乏，人口密度大的国家，荷兰最具特色的产业即为温室产业， 是世界著名的设施园艺发达国家嘲。集专业化、市场化、工业化于一体的农业生产方 式，大大提高了生产效率，使荷兰从一个农产品进口国转变为仅次于美国、法国的世 界第三大农产品出口国。荷兰的全自动化温室成套设备在世界市场上享有很高的技术 声誉，已成为世界上最大的温室农业技术输出国，其自动化智能玻璃温室制造公司占 有八成的世界市场份额。 美国作为最早发明计算机的国家，它是将计算机应用于温室控制和管理系统最早 和最多的国家之一。早在2 0 世纪年代初，r a i n b i r di n t e r n a t i o n a li n c ，m o t o r o l ai n c 等几家公司就合作开发了智能中央计算机灌溉控制系统，到2 0 世纪9 0 年代，该系统 在全美得到了广泛的应用“。目前，美国开发的温室计算机控制与管理系统可以根据 温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控， 还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期的控制，以满足生产 和市场的需要。例如，美国g r e e n a i r 公司生产的g h c l 0 0 模型6 温室控制器为用户 提供了全方位的控制能力，可实现从简单低成本的通风控制到全方位的温室控制。用 户可通过其前面板的数字功能键进行设置和监控进程，该温室控制器采用标准 r s 2 3 2 串口通讯与p c 机联接，利用上位机的管理监控软件实现传感器数据读取，并 根据这些信息自动调节换气扇、湿度控制系统和加热系统等1 。并且，美国将全球定 位系统和遥感遥测等高新技术也应用于温室生产，全国约有8 2 的温室使用计算机进 行控制，有6 7 的农户使用计算机，其中2 7 的农户还运用了网络技术“4 以色列地处中东地区，自然条件非常恶劣，水资源奇缺。该国的设施园艺业具有 其鲜明特色“”。由于当地气候干旱，对灌溉系统要求很高，因此在设施栽培综合环境 控制技术中，其灌溉技术特别是滴灌技术和设备发展很快，处于世界先进水平。它采 用在作物附近安装传感器的方式来测定水、肥状况，由中心计算机与田间的控制器进 行通信来遥控灌溉和施肥，使水肥的利用率达到8 0 一9 0 “”至1 9 9 4 年，该国的全 部温室环境调控设备均已实现自动化。其中，以色列的e l g a l 温室环境控制系统是现 阶段国际上较典型的代表性产品，具有很强的实用性。它可以根据控制对象的特点选 用不同类型的控制器及外围设备充分实现现代化温室内部的环境需求。”。 继露天栽培、设施园艺和水耕栽培之后，植物工厂己在日本普及“”。植物工厂用 钠蒸气灯取代太阳光，并通过计算机将温度、湿度、c 0 2 浓度和肥料等控制在最适合 2 济南大学硕七学位论文 蔬菜生长发育的水平。例如，日本e s e 公司开发的设施栽培计算机控制系统可较全 面的对设施栽培内植物所需环境进行多因素检测控制，包括变温控制管理、c 0 2 浓度 控制、人工补光控制等。该公司还开发了采用微机和专用设施栽培控制机组成的网络 系统。该网络可将多台计算机控制系统集中管理，对于设施栽培数量多、地点分散的 大农场可以通过专用配线形成设施栽培专用的网络系统进行集中管理，还可用电话线 实现异地管理。1 。另外，日本的四国电力集团开发了适用于双方向的远程监视控制系 统“o p e np l a n e t ”。该系统主要由检测控制用u 蝌、信息采集单元、数据记录单 元、分散控制器、o p 服务器计算机等组成，能够实现温室的群管理“”。 此外，其他一些发达国家在温室控制方面也取得了显著成果。希腊的l o u k f a t m 公司开发了现代化温室控制单元。该单元系统由计算机( 控制气候状况) 、气象站和 营养液控制系统组成。该系统与装有控制软件( 超级连接) 的计算机相连，不仅可以 进行数据采集和处理，还可以进行远程控制，并由机电设备( d g t v o l m a t i c ) 来保证 控制温室单元的所有操作参数完全并且精确“”。英国的无线系统公司开发了一系列应 用于温室的无线通讯设备，如适于分布广泛的花园温室或储藏室的无线霜冻和入侵警 报系统、便携的无线电视系统、远程无线洒水系统以及加热和通风控制系统等等“。 1 。3 国内温室控制技术发展现状 我国的温室技术研究起步较晚，温室控制技术的优势并不明显，总的来说落后于 发达国家。七十年代末，我国的温室以日光温室、塑料大棚为主，这类温室成本较低、 效益较好。但是设备相对简陋、环境调控能力差，限制了温室作物的产量、质量以及 温室利用率。 自2 0 世纪8 0 年代以来，我国工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术 的基础上，进行了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究。1 9 8 2 年，中国农业科学院引进了f e l i x c - 5 1 2 计算机系统，并建立了全国农业系统的第一 个计算机应用研究机构。随后，清华大学首先提出7 应用单片机控制人工气候箱的方 法和思路，上海园林工具厂研究了以节能为目标的温室微机控制系统。与此同时，浙 江农业大学、江苏理工大学等单位还提出了一些气候物理过程的模型理论“1 。然而在 实际应用中，单因子控制技术在保证作物获得最佳环境条件方面表现出了定的局限 性。与此同时，对于自动化温室环境的优化控制国内还尚未开展过相关研究。 2 0 世纪9 0 年代，国内一些研究单位初步建立了具有研究性质的温室环境控制系 3 温室先进测拧技术研究 统，如吉林工业大学研制的温室环境自动检测系统，可以自动调节温室内温度、湿度 等参数；中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所，研制开发了温室控制与 管理系统，并应用v i s u a lb a s i c 语言开发了基于w i n d o w s 操作系统的控制软件。至本 世纪初，我国的温室研究主要集中在计算机的直接数字控制，以及基于单片机和单板 机的温室控制系统的研究，控制决策和管理较为简单。以下两种温室自动控制系统基 本代表了我国在这方面的研究进展： 一种是由江苏大学李萍萍、毛罕平等人自行研制的智能温室环境控制系统“”。它 采用工业控制计算机作为温室控制系统的核心，将传感器采集到的信号经变送器进行 a d 变换，通过接口板传递到计算机进行控制；同时控制信号再次通过接口板经驱动 电路控制各执行机构( 如图1 - 1 所示) 随后，于1 9 9 6 年初步建成了一套1 5 0 m 2 的 温室，实现了对营养液、温度、光照、二氧化碳施肥浓度4 个因子的综合控制；1 9 9 7 年又相继完成了采用夜加温和太阳能加温的系统，是目前国产的温室计算机控制系统 较为典型的研究成果。 图1 - 1 智能温室环境控制系统结构图 另一种是由中国农业大学设计的华北型联栋温室控制系统。它主要利用单片机对 温室环境进行监测与控制”m “，采用上位机下位机的结构，以p c 机为上位机， 单片机为下位机，p c 机端可以通过友好的用户界面监控温室内环境状况及存储历史 数据等。此类型在我国应用相对广泛，文献 2 2 中就是采用该类型，通过串口通讯与 上位机p c 进行数据传输，由计算机的控制算法程序对温室进行控制，从而实现温室 的分布式远程控制。 目前，随着现场总线、计算机技术和网络技术的迅速发展，温室智能化控制出现 了一些新的模式。例如，r s 4 8 5 现场总线控制系统嘲( 原则上它不属于国际公认的现 场总线) 和基于c a n 总线的温室现场总线控制系统1 已经开始应用于温室控制。以 及利用现有网络，通过i n t e r n e t 可对温室环境因子进行监测，使有关人员及时了解温 室内环境参数的情况，及时做出决策“1 。可以看出，基于网络的温室控制系统顺应 4 一执行机构一 济南大学硕士学位论文 国际温室技术的发展潮流，已成为我国温室控制技术的发展趋势。 1 4 温室控制系统中控制算法的应用 温室控制算法中p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，其算法简单、鲁棒性 好及可靠性高，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。文献 2 6 1 1 2 7 分别介 绍了改进型p i d 控制和分段积分p i d 控制在温室温度控制系统中的应用研究。此外， p i d 控制还与其他控制算法相融合，产生了神经网络p i d 控制、模糊p i d 控制等控制 算法，使得系统控制性能大为提高。然而，由于实际作物生长过程中所存在的非线性、 时变不确定性等特性，温室的精确数学模型通常难以建立，也使其控制参数整定不良， 控制性能欠佳。 由于模糊控制不需要掌握过程的精确数学模型，过程的动态响应品质优于常规 p i d 控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性汹1 ，因此成为现代温室控制理论研 究的主要方向。3 c 献 2 9 采用模糊控制算法对温室的温度等变量进行控制，控制过程 无超调，调节时间短，具有较强的鲁棒性。文献 3 0 1 中针对温室环境中的执行机构多 为开关量( 只有开关两种状态) 控制的状况，基于模糊理论中的t - s 模型提出了一 种温室多输入多输出模糊控制模式。经实验表明，该控制模式具有较好的控制效果， 并能降低系统成本，提高系统的运行效率和可靠性。但由于存在模糊规则，并且隶属 函数带有主观性，稳态精度欠佳，因此只能进行粗略控制，不能很好解决稳态精度等 问题。 此外，其他控制方法如广义预测控制。”啪1 、非线性反馈技术和优化方法沮1 等也 在温室控制中得到应用，并在广大科研人员的努力下迸行了改进与创新。文献 3 5 1 中 利用人工神经网络神经元之间的非线性，将b p 神经网络理论应用于温室环境自动检 测系统数学模型的建立中，讨论了网络结构的设计、学习算法等问题。文献【3 6 】中利 用模糊神经网络对温室夏季温湿度控制进行了仿真研究，采用改进的遗传算法对网络 的参数进行训练，从而为将模糊逻辑、神经网络、遗传算法三者有机地结合起来应用 于温室环境控制提供了理论依据。而文献 3 7 1 中的仿真结果也表明，应用遗传算法能 够提高神经网络的学习效率，保证神经网络全局快速收敛。同时该算法使神经网络控 制器的输出可以适应对象参数和环境的变化，使温度控制系统具有很好的学习和自适 应控制能力。文献f 3 8 】中研究的加热实时专家控制系统在上海农业科学研究院示范温 室运行了两个月，在外温的强扰动作用下，能够较好地满足温室的温度控制要求。虽 然b p 算法结构简单、算法稳定，但学习速度慢且存在局部极小问题：而专家系统与 s 温室先进测挖技术研咒 遗传算法相对复杂，在实际应用中存在一定困难。 可以清楚地看出，对于温室各参数复杂的过程控制，目前仅靠任何某种单一的控 制算法很难达到理想的控制目标，由多个各有所长的控制算法有机的组成集成控制系 统或综合优化系统( 即智能控制系统) ，才有可能解决这一问题。 1 5 本课题的提出及主要研究内容 从发展的角度来看，我国从欧美、日本等国引进的一系列现代化大型温室设备和 技术是有成效的，它不仅推动了我国设施园艺的发展，而且推动了技术进步，填补了 许多领域的空白，对于我国现代化农业发展是十分必要的。但是，由于温室控制系统 的成本高，能耗大以及配套监控管理不善，导致经济效益低，严重削弱了温室生产的 整体效率嘲“儿“1 目前国内的温室控制系统主要在以下两方面存在问题： 1 从对温室中环境参数采用的控制方法来看，现在大多数温室中主要采用传统 的一些控制方法，如常规p i d 调节、模糊控制等，在温度、湿度等一类具有时滞性及 时变性参数的控制上具有一定的局限性，控制性能有待进一步提高。 2 自动控制系统大多采用单片机控制为主的现场控制，一些上位机对温室的管 理只限于存储历史数据，不能进行实时数据采集与控制，给温室管理人员造成不便， 工作效率低。 总体看来，我国的温室技术水平较低，现代化管理程度不高，还需要在控制技术 上进行改进和提高。因此，研究和开发新的控制方法，提高控制水平，降低设备成本， 对提高我国温室控制水平，加快农业发展，实现温室智能化具有重要意义。 本课题的研究目的在于提高当前温室环境因子的控制水平、控制精度以及控制稳 定性。本课蹶应用美国n i 公司的虚拟仪器开发平台( l a b v i e w ) 和硬件板卡 ( p 6 2 8 1 ) ，研究开发了功能强大的温室测控系统。主要研究内容如下： 1 温室中测控对象的研究。主要针对温室环境中影响作物生长的环境因子的研 究，如温度、湿度、光照等；分析各环境因子的影响方式、监测方式及控制策略。 2 基于虚拟仪器技术，进行温室测控系统的硬件设计。根据执行设备作用效果 设计参数的执行系统，并根据温室要求选用合适的测控系统。 3 基于l a b v i e w 开发平台，进行温室测控系统的软件设计，进行系统数据采 集与分析、监测与控制、历史数据处理、网络通讯等。 4 探讨研究先进控制方法来提高温室的控制水平。 6 第二章温室系统硬件设计 温室( g r e e n h o u s e ，g l 勰s h o u s e l 的控制是通过人工干预的方式改变指定区域内的温 度、湿度、光照、土壤水分、养分和二氧化碳浓度等诸多环境因素，使之适合所培育 作物的生长需求。通过对温室中多个对象的数据采集处理，实现多个执行机构的自动 控制、管理与维护等功能，以营造适合作物生长的有利条件。 2 1 温室系统控制参数 影响作物生长发育的主要环境参数包括温度、湿度、光照以及二氧化碳浓度等。 而所有这些条件是相互作用、相互联系、相互耦合的，环境因子在不同的条件下所起 的作用也不同，因此分析环境因子对作物的影响及其相互关系，对研究温室环境控制 十分重要。 2 1 1 温度控制 环境温度是作物生育过程中极其重要的环境因子，作物的生长发育和生理代谢存 在所谓的生长、光合、呼吸“三基点温度”，即最高温度、适宜温度和最低温度汹1 。 低于最低温度或高于最高温度时，作物的生理代谢活动都不正常。当环境温度在作物 的生长最低温度以上时，其生长速度随温度的升高而加快，超过适宜温度后，又慢慢 趋于缓慢。另外，作物光合作用与呼吸作用的三基点温度并不完全相同，其中呼吸作 用的三基点温度范围更宽。当环境温度跨过光合作用的适宜温度后，光合作用明显减 弱，而呼吸作用在一定范围内仍然较强，这期间作物的积累减慢而消耗增大。此外， 作物的呼吸作用、光合作用和生长发育，还明显受昼夜温度变化的影响。昼夜温差大 则有利于增强光合作用，降低呼吸作用，有利于植物的生长；反之，则不利于植物的 生长。因此，温度控制是温室环境调控的主要任务之一 为充分满足作物的适温要求，应随时采取必要的升温、保温以及降温措施。温室 的加温系统是我国温室中的必配设备。在寒冷的北方，因其加温时间长，一般都配置 水暖加温辅以电加温，而在加温时间较短的南方，一般配置电加温或燃油( 煤) 热风 机加温。保温措施中，天窗的关闭程度与卷帘的关闭数目差异会带来保温效果的不同。 降温措施中自然通风及喷淋降温其效果较有限，主要用于春、秋季等气温不很高的季 节进行通风换气和降温。而轴流式通风机强制通风只能将温度控制在与室外温度相当 温室先进测撺技术研究 的水平。喷淋降温、湿帘风扇降温等蒸发降温措旌效果最佳，主要用于夏季室外高 温而自然通风不能有效降温时。需要注意的是，以上各措施在不同的季节和时期往往 会起到不同作用，同时伴随着加温、保温设备同时工作等情况时，温室内温度主要取 决于室内外的温差以及湿度等其他环境因子。 2 1 2 湿度控制 温室内空气湿度较大，绝对湿度与相对湿度一般均大于露地。空气湿度大，会减 少作物蒸腾量，作物不易缺水，有利于植物的生长发育，但空气湿度过大，则会使作 物的茎叶生长过旺，造成疯长，影响作物的开花结果。此外，湿度过高还易促成病虫 害的发生，而过低的湿度将使作物受到水分胁迫而使生长受阻。同时，不同的作物对 不同的湿度也有不同的要求，因此控制湿度时必须考虑不同作物种类在不同生长期， 对温室湿度的不同要求。 湿度控制包括低温、阴雨季节的除湿和高温、晴朗天气的加湿。除湿一般是通过 天窗、卷帘的开启进行自然通风来实现的，也可以通过轴流风机强制通风来增强这种 效果。在高温晴朗的天气，达不到作物生长需求的湿度条件时要求增加室内空气的湿 度，喷雾加湿装置或配合风机使用，可以达到较好的增湿效果。由于存在耦合性，在 对湿度单独进行调控时，要注意尽量选择对其他参数影响较小的调控方案。又或者当 与其他环境参数同时需要调控时，尽可能地选用能同时调节这些环境参数的调控方 案。 2 1 3 光照控制 光照是作物生长发育的能量源泉，几乎所有的作物都是通过太阳辐射进行光合作 用。光照对温室作物主要起两个方面作用：一是为作物的光合作用提供能量，二是为 温室的气候环境提供热量。同时光照度与光照时间受地理位置、季节以及天气等自然 条件制约，因此对温室作物的光照度和光照时间进行一定的调节与控制是十分必要 的。 作物的光照有两个重要的坐标点光补偿点和光饱和剧剜，对光照的控制可以 通过设定值来实现。当光照度高于作物光饱和点时，遮阳幕自动张开。由于遮阳幕的 启、闭与温度有关，当光照强度未超过光合作用的适宜值，但温度控制需要打开遮阳 幕时，需要检测光照度是否高于的光照下限，只有高于下限才能打开遮阳幕，内、外 8 济南大学硕士学位论文 遮阳幕两者同时张开时，优先考虑打开外遮阳幕。若阴雨天或由于季节变化造成光照 不足，光照度低于补光设定值时需要补光，则自动打开光源补光。常用的温室人工补 光装置主要包括自炽灯0 n c a n d e s c e n tt a m p ) 、荧光灯( f u o r e c e n tt a m p ) 、高压水银灯 ( h i g hp r e s s u r em e r c u r yt a m p ) 以及高压钠灯( h i g hp r e s s u r es o d i u mt a m p s ) 等。 2 1 4 二氧化碳浓度控制 二氧化碳是影响植物进行光合作用的重要因子，如果不足会成为影响植物生长发 育的限制因素。在现代化温室栽培中，特别是在寒冷的冬季，由于空间相对封闭， c 0 2 浓度变化很大，白天室内可降至x s 0 p p m ，夜间则高达4 5 0 - 5 0 0 p p m ( 植物正常光 合作用的c 0 2 浓度为3 0 0 p p m ) 。充足的二氧化碳可以提高温室内幼苗素质，为获得 较高产量奠定基础，同时促进作物的生长发育，改进产品品质，抑制或减轻病害发生。 温室的c 0 2 施肥方法较多，最常用的是采用二氧化碳发生器和钢瓶装的液态c 0 2 气源“1 ，通过电磁阀的启闭和控制时间等措施来实现二氧化碳的释放量。 2 2 温室系统主要特点 综上所述，温室内各环境因子之间是相互作用、相互影响的，温室系统作为一个 复杂对象，其主要特点如下； 1 非线性系统，大量随机、不确定性因素使得对其精确建模比较困难； 2 时滞系统，温、湿度等一类对象变化缓慢，参数分布不均匀； 3 时变系统，在季节、昼夜等自然条件变化时，温室系统动态过程往往受之影响 而发生改变，同时作物在不同生长阶段也不同程度作用与反作用于各参数； 4 多变量耦合系统，各参数之间并不是相互独立的，对单一参数的控制往往引起 其它参数变化，是一个多输入多输出系统。 2 3 温室硬件系统 从设备的性质、安装，以及在温室中的功能出发，将本温室硬件系统中的主要设 备分为执行系统和测控系统两类。 2 3 1 温室执行系统 结合温室环境中各参数的特点、执行设备作用效果，以及工作人员的操作经验， 9 温室先进侧控技术研冤 将温室执行系统划分为如下几个分系统，以便于针对各分系统的参数进行测量与控 制。 1 温控系统 温控系统主要有改变室内温度、促进室内空气流动和降低空气湿度的作用。当室 内的温度低于当时的加热温度时，供热系统开启在供暖正常的情况下，温室内温度 一般不低于该设定温度。冬季温度较低时，采用热水采暖，有时辅以加热炉升温。在 整个采暖期间，根据温室热负荷的大小分为两个阶段，热负荷大时2 台水泵全开，较 小时只开1 台水泵。在春、秋季主要采用可调电加热炉升温。保温卷帘能有效地反射 夜间温室内的红外线辐射，防止热量通过辐射形式散失，从而起到保温作用。 2 微雾系统 该系统利用高压微雾装置将水以微米级或1 0 微米级的雾粒形式喷入温室，使其 迅速蒸发，利用水的蒸发潜热大的特点，大量吸收空气中的热量，然后将潮湿空气排 出室外从而达到降温目的。这项技术对相对湿度较低的地区和自然通风好的温室尤为 适用，不仅降温成本低，而且效果明显，降温能力3 1 0 c 左右。 3 通风系统 通风系统利用侧窗的开合实现自然通风，同时安装排风扇进行纵向强制通风换 气，实现通风、降温和排湿等作用。通过换气可降低室内温度，又可起到排除湿气和 补充二氧化碳的作用。自然通风主要用于春季、秋季等气温不很高的季节的通风换气 和降温。纵向强制通风主要采用t f j 1 0 型轴流式通风机，使室内气压均匀。 4 湿帘风机系统 该系统由湿帘泵及排风机构成，利用水的蒸发降温原理实现降温目的。特制的疏 水湿帘能确保水均匀地淋湿整个降温湿帘墙，空气穿透湿帘介质时，与湿润介质表面 的水气进行热交换，实现对空气的加湿与降温。系统中湿帘风阻小，蒸发效率高，从 而达到较好的降温效果。同时控制简单经济，只需驱动风机与湿帘泵，与遮阳系统综 合使用，降温效果更佳。 5 遮阳系统 当光照强度大于系统设定的上限时，则系统启动传动机构开启遮阳幕，遮蔽日光 的暴晒，防止室内的光照强度过大；当外部的光照强度小于系统设定的下限时，则启 动室内光照设备，进行室内光照的补充。 遮阳系统包括内遮阳系统和外遮阳系统。内遮阳系统中，夏季遮阳幕能反射掉部 1 0 济南大学硕上学位论文 分阳光，并使阳光漫射进入温室，均匀照射植物。冬季和夜间，该系统可以有效地阻 止红外线外逸，减少地面的辐射热量流失，减少热能消耗，大大降低温室运行成本。 同时还能阻止室内水汽无限制地外溢，可有效保持空气湿度，减少灌溉用水，延长作 物收获期，达到增加作物产量、提高作物品质效果。外遮阳系统主要作用是遮蔽过多 的阳光，由于阻挡了大量光线的进入，有效减少了温室内部热量的积聚，从而拥有比 内遮阳系统更好的降温效果。通过选用不同遮阳率的幕布，可满足不同作物对阳光的 需求，同时起到防雹保护作用。 6 补光席 气系统 补光系统采用飞利浦专用农用钠灯，具有发光效率高、使用寿命长等优点。c 0 2 补气系统采用钢瓶装的液态c 0 2 气源，通过温室配套专用的c 0 2 浓度检测设备，它 可以检测并控制c 0 2 的释放量。 7 喷灌，施肥系统 喷灌，施肥系统由p g 9 9 s j 型喷灌机、比例注肥器、电磁阀和控制器等组成。p g 9 9 s j 型移动式喷灌机能够实现智能控制，一次可输入2 0 个可分别设置的独立工作。比例 注肥器安装在供水管道上，不用电驱动，以水压作动力，设备安装后运行便不需要看 管“”。由于该部分独立存在，不属于本温室自动控制系统的一部份，在此不多作介绍。 2 3 2 温室测控系统 测控系统是温室测控系统中的关键环节，它既要实现对环境参数的检测，同时又 要通过驱动执行设备实现温室环境参数的控制。由于温室环境中需要采集和控制的参 数以及执行设备比较多，因此测控系统的选取既要满足环境参数数量与特性的要求， 又需要满足设备工作的要求。由于温室技术不断进步发展，测控系统同时应便于维护 和扩展。根据温室控制对测控系统以及相应配套管理软件的要求，本课题的温室测控 系统采用美国n i 公司的p x i 系统，主要由机箱( p x i - 1 0 4 2 ) ，系统控制器( p x i - 8 1 8 7 ) 和外设模块( p x i - 6 2 8 1 ) 三部分组成，如图2 - 1 。 温室先进测控技术研究 图2 - 1p x i 测控系统 p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n 面向仪器系统的p c i 扩展) “2 1 系统是一 种坚固的基于p c 的测量和自动化平台，结合了p c i 的电气总线特性与c o m p a c t p c i 的坚固性、模块化以及e u r o c a r d 机械封装的特性，并增加了专门的同步总线m 1 和主 要软件特性，能够对温室中温度等参数进行实时检测与控制。 本课题中选取的p x i 1 0 4 2 型机箱具有8 槽插口，第1 槽安装p x l 8 1 8 7 嵌入式控 制器，其余7 条插槽均可安装不同外设模块。同