（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊解耦的分布式温室环境控制系统的研究与开发.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 在温室环境中，众多环境因子影响着作物的生长，各环境因子又是相互影响、 相互制约的。如何从作物生长的角度出发，协调控制各个温室设备，创造利于作 物生长的环境，一直是温室控制研究的主要内容。本文从温室环境的特点和温室 栽培角度出发，总结了环境控制遵循的原则，作为智能、模糊控制算法的出发点， 设计了以温度控制为主、湿度控制为辅，基于模糊解耦的温室环境控制系统。 针对温室温湿度的强耦合性，采用相关分析法选取了合适的温湿度回路分析 温湿度的解耦，并设计了模糊解耦器，使温湿度的相互影响能找到合适的补偿量 达到使其相互影响最小。着重介绍了温度模糊控制器的设计，包括模糊控制器的 结构、输入输出隶属度函数的选取、模糊控制规则库的建立等。对模糊控制算法 进行了仿真。仿真结果表明：与p i d 算法相比，模糊控制算法超调、稳态误差小， 达到稳态所需的时间短，能满足系统控制快速性、稳定性的要求。 文中介绍了温室系统的组成结构及其功能，并在分析国内外温室环境控制系 统的各种控制结构的基础上，提出了基于p c 和p l c 的分布式温室控制结构。p c 机作为上位机，用三维力控工控组态软件设计上位机程序，主要实现操作者对温 室参数的设置，并接收下位机发送来的数据显示和保存。下位机选用西门子2 0 0 系列p l c ( c p u 2 2 4 x p ) ，并扩展了模拟量输入模块、i o 输出模块，基于西门子 提供的软件开发工具s t e p 7 来设计程序，主要实现对温室现场模拟量、开关量 的采集和处理及模糊控制算法的设计。采用o p c 技术实现上下位机的通信。 在经过大量的试验和测试后，最终完成了样机的研制，并对样机进行了现场 调试。试验证明：系统运行稳定，能满足系统对快速性和可靠性的要求。最后， 作者对自己的工作进行了总结，并对温室计算机控制系统的进一步研究开发提出 了一些建议和设想。 关键词：温室环境模糊解耦p l c v 上海大学硕j ：学位论文 a b s r a c t t h em u l t i t u d i n o u se n v i r o n m e n tf a c t o r so fg r e e n h o u s ew h i c hi n f l u e n c eo nt h e p l a n t sa r ea l s om u t u a l l ya f f e c t e da n dr e s t r i c t e d i ti sa l w a y sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h a t h o wt oc o n t r o lt h eg r e e n h o u s ee q u i p m e n t st ok e e pab e t t e re n v i r o n m e n tf o rt h ep l a n t s g r o w t h i nv i e wo ft h ee n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h eg r e e n h o u s ea n dt h ep l a n t i n g o ft h ep l a n t s ，t h ea r t i c l es u m m a r i z e st h ep r i n c i p l e sw h i c ht h ee n v i r o n m e n tc o n t r o l s h o u l da b i d eb y t h ea u t h o ra p p l i e st h ef u z z yt h e o r yo fi n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h mt o t h er e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mo fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n dd e s i g n s t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nf u z z yd e c o u p l i n g t h ed i s s e r t a t i o n g e n e r a l i z e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no f g r e e n h o u s ea th o m ea n da b r o a d ，i n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fg r e e n h o u s e c o n t r o ls y s t e m b yt a k i n gt h ef e a t u r e so ft h et r a d i t i o n a lg r e e n h o u s ea u t o m a t i o n s y s t e mi n t oc o n s i d e r a t i o n ，ad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e dp ca n dp l c i sp r e s e n t e d t h ei n s i d eo fg r e e n h o u s eh a sas p e c i a lc h a r a c t e r i s t i co fe n v i r o n m e n t w i t ha n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ea u t h o rd e v e l o p st h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nf u z z ya l g o r i t h mt o r e a l i z ea u t o c o n t r o lo ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y i tt a k e st h et e m p e r a t u r ec o n t r o l p r i m a r i l y , t h eh u m i d i t yc o n t r o la st h ea u x i l i a r yc o n t r o lf a c t o r t h ed i s s e r t a t i o n e x p a t i a t et h ed e s i g no ft e m p e r a t u r ef u z z yc o n t r o l l e r , i n c l u d i n gt h ef u z z yc o n t r o l l e r s t r u c t u r e ，t h ei n p u t - o u t p u ts u b o r d i n a t i o nf u n c t i o n s ，a n dt h et a b l e so ft h ef u z z yc o n t r o l r u l e s i nv i e wo ft h ec o u p l i n go ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , t h ed i s s e r t a t i o nu s e st h e c o r r e l a t i o na n a l y t i cm e t h o dt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t et e m p e r a t u r eh u m i d i t yf e e d b a c k l o o p t h ea u t h o rd e s i g n s am e t h o do f f u z z y - d e c o u p l i n gt or e d u c et h em u t u a li n f l u e n c e o ft h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y f i n a l l y , t h es i m u l a t i o no fu s i n gf u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mt oc o n t r o lt h eg r e e n h o u s et e m p e r a t u r ew a sc a r r i e do u t c o m p a r e dw i t hp i d c o n t r o la n df u z z yc o n t r o l ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tf u z z yc o n t r o lh a sl i g h t e r e x c e e d i n gs u i t i n gw e l lt oc o n t r o l ，f i n es t a t i o n a r y , s h o r t e rt i m et or e a c ht h es t a b l es t a t e ， l i t t l ee i t o ro ft h es t a b l es t a t e s oi t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c v i 上海大学硕十学位论文 m e e tt h er e q u i r e do ft h es y s t e m i nt h i s s y s t e m ，t h ep c p a r t m a i n l yr e a l i z e s t h eg r e e n h o u s ep a r a m e t e r s e s t a b l i s h m e n tf r o mo p e r a t o r s ，c o m m u n i c a t e sw i t ht h ep l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) ，a n dr e c e i v e st h ed a t at od i s p l a ya n dp r e s e r v e t h ep r o g r a m m i n go fh m i i sw i t hc o n f i g u r a t i o ns o t h v a r e t h ep l cp a r tm a i n l yt o d e v e l o pt h es o t h a r ea n d h a r d w a r ec o n t r o ls y s t e m t h eh a r d w a r ei sm a d eu po fc p u 2 2 4a n dt h em o d u l e s s i m u l a t o rt r a n s f o r m e da n di n p u t o u t p u tm o d u l e t h ec o n t r o ls o f t w a r ea n df u z z y c o n t r o lp r o g r a m m i n gf i n i s h e dw i t hs t e p 7w h i c hi sp r o v i d e db ys i e m e n sc o m p a n y w h e nt h es y s t e mi sr u n n i n g ，t h ep r o g r a mw i l lw o r ka ta u t om o d e a c c o r d i n gt ot h e f u z z yc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ep l cs e n d sc o n t r o li n s t r u c t i o n st oe x e c u t ec o r r e s p o n d i n g m o v e m e n t s t h ep cc o m m u n i c a t e sw i t hp l cb a s e do no p c ( o l ef o rp r o c e s s c o n t r 0 1 ) w i t hal o to fe x p e r i m e n t sa n ds e v e r a lm o d i f i c a t i o n s ，ap r o t o t y p ei sc o m p l e t e da t l a s t t h et e s t st op r o t o t y p es h o wt h a tt h ep r o t o t y p e sp e r f o r m a n c ei se x c e l l e n t ，a n d s a t i s f i e dt h es y s t e md e m a n d t h ea u t h o rc o n c l u d e st h ed i s s e r t a t i o nb ys u m m a r i z i n g t h ep r o j e c ta n dp r o p o s i n gu s e f u ls u g g e s t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：g r e e n h o u s ec o n t r o l f u z z yd e c o u p l i n g p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r v i i 上海大学硕：l 学位论文 插图清单 图1 1 温室环境控制系统总体结构图2 图1 2 单片机控制系统结构框图5 图1 3 工控机组成温湿控制系统框图6 图1 4 温室d e s 系统结构6 图1 5 温室参数的精确性控制8 图1 6 结合作物生理过程的温室环境复合控制8 图3 1 模糊控制系统组成图2 5 图3 2 模糊控制器原理图2 6 图4 1 温湿度耦合关系图2 9 图4 2 温湿度解耦控制框图3 1 图4 3 模糊解耦器内部图3 2 图4 4 二维模糊控制器结构框图3 7 图4 5 控制量u 的隶属度函数图3 8 图4 6 温度模糊控制器输入输出曲面图4 2 图4 7m a t l a b 算法仿真图4 3 图4 8 系统温湿度控制及模糊解耦控制框图4 4 图5 1 系统整体框图4 7 图5 2p l ci o 控制量分布图4 7 图6 1 上位机软件设计主菜单5 4 图6 2 上位机主界面图5 4 图6 3 温室通风系统设置界面图5 5 图6 4 温室帘幕系统设置界面图5 5 图6 5 温室灌溉系统动态图5 7 图6 6 下位机程序设计流程图5 8 图6 7 温湿度模糊解耦及温度模糊控制程序流程图6 1 图6 8 温湿度特殊解耦及温度模糊控制流程图6 2 图6 9 温室灌溉控制流程图6 3 x 上海大学硕士学位论文 表格清单 表4 1 温度偏差和湿度偏差的隶属度表3 2 表4 2 温湿度补偿量隶属度表3 3 表4 3 温度同路补偿量模糊规则表3 4 表4 4 湿度回路补偿量模糊规则表3 4 表4 5 温室温度模糊控制规则表3 9 表4 6 温室温度控制规则表5 3 表6 1 通信设备通信参数设置5 6 表6 2p l c 设备属性设置5 6 表6 3 温室主要变量分布表5 9 x l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垄盈芏 日期：逊：兰：兰 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒盈丝i 一导师签名蝼日期 n ：兰竺竺：三：二f ： i 卜海大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 现代化温室生产的一个重要特征是温室内环境气候及水肥灌溉可以根据植 物生长、发育和产量形成相应的要求，利用计算机进行调节控制，为作物创造最 优化的环境条件，从而达到高产、优质、高效的目标。 随着计算机、自动控制和农业机械技术在温室环境控制及管理等方面的广泛 应用，温室生产技术发生了巨大进步，其中以欧洲的荷兰、法国和西班牙，中东 的以色列，美洲的加拿大和美国最为突出。温室环境气候控制和水肥灌溉调控已 经全面走向自动化，配置设施齐全，配有通风系统、帘幕系统、湿帘系统、营养 液循环灌溉系统、c 0 2 系统和人工补光系统、以燃烧天然气或煤为丰的加热系 统等，通过计算机采集每一时刻的环境因子变化数据，自动进行数据在线处理分 析。 温室自动化控制技术的成熟，使欧美等国家的温室管理全部采用计算机控制 系统，将温度、湿度、c 0 2 浓度和肥料等控制在适合植物生长发育的水平，大 大提高了生产效率。 我国通过“九五 、“十五科技攻关以及各地方的努力，特别是国内一些著 名院校和科研单位也认识到设施农业自动化发展的迫切需要，纷纷投入力量研 究。如上海大学、同济大学、上海交大、江苏大学、中国农大、中科院合肥智能 所、中科院上海植生所等，迄今已研究出若干个温室计算机控制系统【l 】。温室的 控制主要是体现在对温室环境的控制上，而温室环境的特殊性也要求在控制系统 的策略设计上需要研究人员付出更多的努力。 本课题来源于上海市科技兴农重点攻关项目“花卉种质创新和产业发展关键 技术研究”( 沪农科攻字【2 0 0 6 1 第4 6 号) 和国家8 6 3 高技术研究发展计划资 助项目( 项目编号：2 0 0 6 a a l 0 a 3 1 1 ) ，课题名称为“现代温室品种花卉工厂化栽 培智能专家控制系统的研究开发和应用示范”。本文将在分析国内外温室控制系 统的基础上，研究开发基于模糊控制器思想的，适合大型温室调控的分布式温室 环境控制系统。 上海大学硕士学位论文 1 2 温室控制系统组成及其功能 温室控制系统分为环境控制系统和灌溉控制系统。主要针对温室内辐照度、 温度、湿度、c 0 2 浓度等环境因子进行的控制，称为环境控制。针对灌溉量及其 营养液的浓度，包括溶液e c 、p h 值等进行的控制，称为灌溉控制。 1 2 1 环境控制系统组成 环境控制是指由计算机软件控制，动态采集来自传感器的环境因子信息，并 通过相应的控制算法处理后，输出控制信息到相应的环境控制执行机构，环境控 制执行机构动作后，使得环境因子值向期望的目标接近的过程。 环境控制系统主要由加热系统、通风系统、帘幕系统、湿帘风机系统、二氧 化碳系统、屋顶喷淋系统、喷雾系统等组成。温室环境控制结构如图1 1 。 图1 1 温室环境控制系统总体结构图 1 加热系统 利用热水锅炉，通过加热管道对温室加热以控制温室温度。该系统由锅炉、 锅炉房、调节组、连接附件及传感器，进水及回水主管、温室内的散热管等组成。 在供热调节和控制过程中，调节组是关键环节。调节组中的电动调节阀可按照计 算机系统的指令调节阀门叶片的角度，进而调节输送到散热管道的热水温度。 2 通风系统 利用天窗与侧窗的启闭进行温室内外空气的交换，以便更好地利用外界的自 然气候条件来调节和改善温室内的小气候环境。天窗分迎风窗与背风窗，通过联 2 上海大学硕七学位论文 动式驱动系统实现迎背风窗的启闭。 3 帘幕系统 不同的帘幕材料有不同的功能。概括地说共有四种作用：暗期、保温、遮荫、 保湿。本课题中帘幕系统又分成两个子系统外遮荫帘幕系统和内保温帘幕系 统，利用帘幕的展开和收拢进行室内辐照度和温度的控制。帘幕系统通过齿轮一 一齿条机构驱动帘幕展开和收拢。 4 湿帘风机系统 湿帘风机降温是夏季温度控制中的关键技术。一般在温室一侧装有湿帘，正 对着的另一侧装有风机。通过风机的开启使湿的冷空气进入温室以降低温室内的 温度。 5 二氧化碳系统 二氧化碳来源的一种方法是采用二氧化碳发生器，即将煤油和石油气等碳氢 化合物通过充分燃烧以释放二氧化碳。另一种方法是采用储气罐或储液罐，通过 输送管道将二氧化碳引进温室，出气端口安放在循环风扇附近，启动二氧化碳输 送设备同时也启动循环风扇，使被输送的二氧化碳能够均匀地分布在整个温室。 1 2 2 灌溉控制系统组成 水和营养液是生命之源，温室栽培由于密度高，作物长势旺，消耗的水分也 多。温室灌溉系统可在计算机的控制下对作物定时定量灌溉，同时按设定的肥料 配比和p h 、e c 等目标值自动施肥。灌溉调控系统通常可以以独立组件的形式出 现，当然这需要配备温室内相应的环境检测和灌溉实施装置。由于灌溉调控系统 对温室的温度、湿度等环境因子变化起着不容忽视的影响，尤其是湿度，因此目 前更多的现代化温室已经将灌溉调控系统作为环境控制系统的一个组成部分来 看待。它与环境控制系统的其它组成部分，如加热系统、通风系统等，共同协作 完成对温室环境因子的调节作用。这种方式不仅降低了设备成本，更重要的是提 高了温室控制系统的整体效果。 上海大学硕士学位论文 1 3 温室控制系统的发展状况 早期国外温室环境监控经历了由完全人工操作逐渐地向以自动化控制为主 体、兼有人工干预的控制模式的转变。 自2 0 世纪7 0 年代起采用模拟式组合仪表，采集现场数据信息，并以相关的 模拟式仪表进行指示、记录和控制。随着计算机技术的发展，温室的直接的数字 控制技术兴起了，7 0 年代中期，荷兰、日本、美国和意大利等国采用微型计算 机进行温室环境的监测与控制，获得了一些有益的成果。8 0 年代采用数字式单 元组合仪表进行指示、记录和控制。8 0 年代末出现了分布式控制系统，发达国 家己经能根据不同的作物、不同的生产阶段和不同外界环境及气候条件实现对温 室环境参数的调控。9 0 年代，发达国家如荷兰、日本、美国及以色列等国温室 控制技术己经相当先进，己经能达到对多因素综合控制的水平，另外在综合控制 成本和效益、根据不同的作物信息来优化环境参数、节能节水技术及温室配套设 备的研制等方面取得了长足的进步，并带动了温室配套产业的发展。例如以色列 温室全部环境调控设备均实现自动化，并以其优秀的灌溉系统而著称；荷兰温室 已经实现了基于i n t e r n e t 的远程的控制参数设定和综合的环境调控【2 】。 我国对于温室控制技术的研究较晚，2 0 世纪6 0 年代中期，我国才开始设计 建造塑料大棚。从2 0 世纪7 0 年代起，我国的农业工程学家和农学家已经开始学 习、借鉴国际上设施农业发展的先进经验，致力于温室工程的研究与开发工作。 我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，掌握了人工气候室内 微机控制技术，但该技术仪限于温度、湿度和c 0 2 浓度等单项环境因子的控制。 2 0 世纪8 0 年代，我国先后从欧美和日本等发达国家引进了连栋温室【1 2 】。由于当 时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能 耗过高，致使企业相继亏损或停产。9 0 年代初，我国大型温室跌入了发展的低 谷。“九五”初期，以以色列温室为代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我 国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕。 9 0 年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个 方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。1 9 9 5 年，北京农业大学研制成功了“w j g 一1 型实验温室环境监控计算机管理系统”， 此系统属于小型分布式数据采集控制系统。1 9 9 6 年，江苏理工大学等研制成功 4 上海大学硕士学位论文 了使用工控机进行管理的植物工厂系统。该系统能对温度、光照、c 0 2 浓度、营 养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果。 ， 中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统。该系统由大棚本体及 通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参 数测控系统等组成。1 9 9 7 年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方 面也取得了一定的成果。9 0 年代末，河北职业技术师范学院研制了蔬菜大棚， 其能够对温、湿度进行实时测量与控制【3 】。这些系统主要用p c 机、p l c 或单片机 等作为控制器，可以运用于单个温室或大型连栋温室。 虽然我国对温室控制系统有了一定的研究，但是从引进的温室控制系统的运 行效果来看，由于不能与我国各地区实际气候相适应，这些控制系统的性能并未 充分发挥出来，且这些控制系统价格昂贵，维护不方便，所以我国有必要开发具 有独立知识产权的控制系统。 1 3 1 当前温室控制系统的控制结构 1 ) 单片机控制系统 目前，温室控制器的结构主要是以单片机为主控板的控制系统【4 7 1 ，如图1 2 所示结构，一般以m c s 一5 1 系列为基础，采用8 位c p u ，从数据采样到算法控制 都是由单片机完成的。 该类控制方式控制简单、价格低廉，适用于单个温室控制。但由于单片机性 能有限，在控制系统设计时，复杂的控制算法不容易实现，网络通讯功能也常常 需要做大量的工作才能实现。 叫加h 骨卜 温 n 勺 c 室 一- ，oh 电器h 构卜 图1 2 单片机控制系统结构框图 2 ) 基于i p c 的温室控制系统 基于工业控制机( i p c ) 的温室控制系统是由工控机、各种传感器及执行机构 5 i ：海大学硕1 ：学位论文 组成的控制系统【8 1 ，图1 3 为工控机组成的温室控制系统框图。i p c 具有标准通 信接口，为温室的群控和网络化的实现提供了方便。以工控机为核心的系统需要 的硬件及软件都能从市场买到，但总体价格昂贵、布线复杂。 温度传感器卜_ + 一 开窗机构 i 湿度传感器卜 工 一 喷灌机构 控 i 机 i ii ii 光照传感器卜+ 一风机机构 图1 3 工控机组成温室控制系统框图 3 ) 集散型温室控制系统 集散型温室控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ：d c s ) ，即分布式控制 系统。它是相对于集中式控制而言的。在集中式温室控制系统中，所有输入输出 功能都由控制器集中控制，一旦控制器发生故障将会使整个系统瘫痪。而在d e s 系统( 图1 4 ) 中，现场控制器发生故障及现场控制器与p c 机相连的通信线路发 生故障时不会影响其他现场控制器的正常工作，系统的可靠性高。但工业意义上 的d c s 极少用于温室，它的成本极大。 图1 4 温室d c s 系统结构 目前在温室控制上广泛采用可编程控制器( p l c ) 作为现场控制器。因为随 着p l c 技术的发展，p l c 已经在向模块化、微型化发展，且通讯功能不断的完善。 用户可以依据系统的特点，灵活的配置需要的模块，节约了使用成本。又因为现 6 上海大学硕士学位论文 代p l c 自身具有丰富的指令，有相当高的运算能力，且控制能力强、操作灵活方 便、可靠性高等特点，易于实现对系统的扩展。本文设计的即为一种由p c 机与 p l c 组成的温室d c s 控制系统。系统设计这样的结构可以实现p c 机对各个温室 的集中管理，p l c 实现对各个温室小区的分散控制。 1 3 2 温室控制系统的控制策略 温室控制是一个较为特殊的控制系统，与一般的工业控制不同。它是一个复 杂的实时控制。其复杂性在于温室内各环境因子( 温度、湿度、光照、二氧化碳 等) 之间是相互作用、相互协调的。而且现代温室环境控制是相当复杂的一项综 合技术，它涉及到生物环境工程三方面的内容，知识领域不仅包括自动 化技术，还涉及物理学、化学、植物生理学、植物营养学、电磁、电器和计算机 技术等。在温室气候自动控制系统研究中，温室气候控制策略的研究是最重要的。 从控制温室的控制策略视角来看，温室控制的研究者试图把更好、更适合的控制 理论应用于温室这个复杂对象的控制中去，所以对温室控制的研究也呈现出了由 简单、线性化、单闭环控制到复杂的大系统、非线性、多变量控制这样一个过程 的特点。最初，研究者通过简化问题设计控制策略，运用简单的p i d 控制等简单 控制算法，控制效果基本得到了满足，但是比较粗糙。随着对温室对象特性的深 入研究，对温室特性理解的加深，一些复杂的、非线性的、多变量的、人工智能 的、最优化的控制策略渐渐也被运用到温室控制中来【9 1 们，且取得了比较好的控 制效果，提高了作物产量，降低了能源的消耗，增加了经济效益。 当前大部分的研究大体可以分为以下两大类： ( 1 ) 只考虑温室气候效果的控制 这种控制不考虑或很少考虑温室中作物的生理过程对温室气候的影响，需要 人的参与，注重气候因子的精确控制。这是温室控制的传统研究领域。这种控制 策略是把温室环境控制纯粹看作是个过程控制问题来研究的，是以找到合适的控 制算法达到控制温室环境参数为目的的，也就是说是为了控制温室环境参数而控 制温室的环境参数，从而达到控制的目的。这种策略虽然应用了先进的控制算法， 但是控制的目的还是属于过程控制中的被控量的精确控制，这种类型的研究可以 概括成图1 5 所示。 7 上海大学硕士学位论文 图1 5 温室参数的精确性控制 ( 2 ) 结合作物生理过程的温室环境复合控制 这种控制系统的本质特征就是考虑了温室环境的变化对作物产生的作用。因 为温室作用主要是为了给作物提供最合适的生长环境，使得可以得到最大的经济 效益，很自然在设计温室控制策略时，把温室的特性与所种植作物的特性结合起 来成为主流。在这类研究中主要应用最优化控制策略，优化控制需要模型，这种 类型的研究可以概括成如图1 6 所示。 图1 6 结合作物生理过程的温室环境复合控制 从上面分析来看，温室环境的控制策略的应用研究是从简单到复杂，从半自 动到全自动，从单维度到多维度这样的一个变化过程。温室控制系统考虑的因素 越来越多，系统更加完善，尤其是考虑温室气候、作物生长规律的综合大系统的 优化控制将成为温室控制的研究方向【1 1 1 。 1 4 课题研究内容及意义 我们知道，我国设施农业目前存在着诸如土地利用率低、盲目引进温室、设 施结构不合理、能源浪费严重、运营管理费用高、管理技术水平低、劳动生产效 率低、单位面积产量低等诸多问题，但随着社会的进步和科学的发展，我国设施 农业的发展将向着地域化、节能化、专业化发展，由传统的作坊式生产向高科技、 自动化、机械化、规模化、产业化的工厂型农业发展，为社会提供更加丰富的无 污染、安全、优质的绿色健康食品。 如何摆脱对国外温室控制系统开发技术的依赖，研究出符合我国国情的、拥 上海大学硕：l 学位论文 有自主知识产权的温室环境自动控制系统，以指导温室制造、生产经营人员进行 更有效的温室相关工作，是国内温室技术迫切需要解决的问题，这也是本论文研 究工作开展的初衷。 在温室环境自动控制系统研究中，温室环境控制策略的研究是最重要的。本 文主要工作就是在原有温室控制系统的基础上来研究温室环境的控制策略。从温 室温湿度耦合的特点出发，结合工业过程多变量控制理论，寻求温室多变量的控 制策略。通过关联性分析，选取了合适的控制回路，提出以控制温室温度为主、 湿度为辅的控制策略，探讨使用模糊解耦技术解决温室温湿度之间的耦合。耦合 解开后，以温度控制为主，来设计温室主要参数温度的控制策略。 全文共分七章： 第一章为绪论，主要阐述了温室的发展过程及国内外温室的发展状况，提出 了课题背景及主要研究内容。 第二章为温室环境特征分析，介绍了温室环境控制的主要内容及温室环境控 制的主要难点；分析了温室内主要控制参数温、湿度的耦合关系并根据目前国内 外温室气候控制的发展方向，结合我们当前的研究所具备的实验条件等具体情况 提出了本文所要采用的控制策略。 第三章为模糊控制理论概述，并对当前解耦控制的研究现状给了详细的阐 述，并提出了本文将采用的解耦控制方法。 第四章为温室模糊控制器的设计，对温室内温湿度的解耦设计，首先通过相 关分析法选取合理的控制回路，提出以温度控制为主，湿度控制为辅的解耦原则， 按此原则采用模糊解耦技术来解决温度控制回路和湿度控制回路之间的耦合；接 着设计了温室温度模糊控制器，详细的阐述了温室温度模糊控制器的设计过程， 并对温度模糊控制算法进行了仿真。最后阐述了温湿度模糊控制器在系统工作时 的控制过程。 第五章是系统结构及硬件配置，首先介绍了系统的功能、结构，并对o p c 技 术进行了阐述；介绍了系统上下位机的硬件配置及下位机p l c 的选型和参数设 置。 第六章是系统软件设计，主要介绍了上位机软件部分上位机界面的设计和下 位机程序结构及算法的实现。 9 l 海大学硕上学位论文 第七章为总结和展望，总结了本文的主要的研究内容，指出了本文所研究课 题不足之处，展望了温室工程的研究方向。 1 0 上海大学硕十学位论文 第二章温室环境特征 2 1 温室环境控制的主要内容 由于农作物的生长状况及产量与环境息息相关，所以温室人工环境的调节控 制显得尤为重要，从植物生长发育的角度来看： ( 1 ) 温度调控：温度与光照是植物生长发育最重要的两个因素。主要果菜类 的生育适宜温度，白天为2 3 。c 至02 8 。c ，夜间为1 2 。c 到1 8 【1 2 1 。一般来说作物所 需温度在1 7 一2 8 之间，最佳生长温度为2 6 。c d 】。农作物的生育适宜温度会 因其品种的不同而有所差别，即使是同一种作物，其适宜温度也因其生长阶段的 不同而不完全相同。当环境温度超过农作物生育适宜温度时，会引起延迟生育， 并常影响花蕾的发育。由于温室作物会陆续的开花，连续的结果，不同层次的花 蕾、花、幼果处于不同的发育阶段，所以要求精细的温度控制。当温度过低时， 低温会降低叶片的光合速率，同时也延迟生育，降低果蔬品质。温度越低，低温 持续时间越长，延迟生育的程度越显著。遇到低温抑制生育时，一般加热温室； 而高温时，又会发生生育障碍，在夜间低温、白天高温的情况下，生育愈发受到 抑制。超出生育适宜温度的低温和高温间完全不存在相互补偿的作用。 ( 2 ) 湿度调控：如果不是极端干燥或过湿，作物的生育不受湿度的影响，叶 片气孔能自由开闭调节蒸腾量。但在持续干燥条件下，叶片气孔关闭，影响光合 作用，会抑制生育。在过湿条件下，抑制蒸腾，进而影响叶片的光和速率，也会 抑制生长。温室中，作物生产是在封闭、半封闭条件下进行的，作物蒸腾作用产 生的水蒸气凝结水大都滞留在室内，使空气相对湿度和绝对湿度显著高于外界。 傍晚温度下降，湿度过饱和后会产生雾。温室地表湿度越高，室温越低，雾持续 时间越长、浓度越大。雾在作物表面凝成水滴，好湿性病原菌随水滴侵入气孔。 湿度是影响设施农作物病虫害发生的主要因素，高湿加上适宜发病的温度条件对 作物更为不利【1 4 】。 ( 3 ) 二氧化碳调控：众所周知，二氧化碳是绿色植物光合作用的主要原料之 一，生态环境中二氧化碳的供给水平直接影响光合作用的速率、产量和品质，提 高二氧化碳的浓度，可提高农作物的个体重量，缩短其生产周期。当室内二氧化 上海大学硕士学位论文 碳的浓度高于大气环境中二氧化碳浓度的2 - 3 倍时，大部分农作物的产量可提高 一倍【15 1 。温室内二氧化碳浓度的变化规律是：夜间由于作物的呼吸作用释放二氧 化碳，使室内二氧化碳的浓度高于自然界；日出后随着光线射入室内，作物光合 作用消耗部分二氧化碳，使室内二氧化碳浓度急剧下降，低于自然界的二氧化碳 浓度，如果此时不及时采取措施，人为提高室内二氧化碳的浓度，尽管光合温度 条件满足要求，在这种密闭设施内也会出现二氧化碳不足而影响光合作用的情 况。 如何将温室的温度、湿度等气候因子控制在作物适宜生长的范围内，及作物 在该条件下的响应，再考虑经济效益使得最终的经济效益最大化是当今研究人员 孜孜不倦所探讨的问题。 2 2 温室环境控制的难点 温室控制系统是个“大系统”、复杂系统，对于这样的系统的控制也比较复 杂，其控制难点主要有以下几个方面： ( 1 ) 被控对象的大纯滞后特点 温室是一个大的纯滞后工业对象。纯滞后不但导致输出响应的迟缓，超调和 振荡，同时容易导致系统的不稳定。这一点表现在温室温度模型中较大的滞后时 间常数。 ( 2 ) 温室内作物的影响 温室中种植的农产品数量、种类及生长所属的阶段都对温室气候有密切的影 响。由于不同的植物在不同的时期所需要的条件各不相同，所以，温室气候控制 的目标也随之变化。而植物也影响温室的气候，植物和温室是相互作用，相互制 约的。它们使温室的温度、湿度等气候因子发生变化。所以温室对象的参数受到 作物生理过程的影响，这使得建立精确的温室数学模型较为困难。 ( 3 ) 外界气候的影响 温室和外界之间不停的进行热量和物质的交换，外界对温室的影响主要包括 阳光幅照、外界空气的湿度及温度和外界风速。其中，阳光幅照对温室的影响最 为可观，而外界温度和风速对调温过程影响较大。温室的外部扰动是时变的，不 确定的。这使得温室气候控制更为复杂。 1 2 k 海大学硕士学位论文 ( 4 ) 温室气候因子之间的相互耦合 温室的湿度、温度、光照、c 0 2 浓度之间有一定的耦合性，而温湿度之间的 耦合最为严重。温度对湿度的影响较大，湿度对温度的影响则相对较小。温室的 湿度很大程度上可受温室内的农作物调节。当出现湿度较湿或较干时需要除湿或 增湿。虽然温室气候控制中，温度控制是最重要的，但是湿度的控制也不容小视。 2 3 温室内温湿度的关系 2 3 1 温室气候原理概述 温室是一种由光透明的围墙构成的建筑，它能人工构造一个适应植物生长的 环境条件。温室中影响作物生长的一整套短期环境因素就称为温室气候。从物理 的角度来看，温室可看作是一个生物反应器，作物通过光合作用，从二氧化碳和 水肥中吸收营养，生产可在市场销售的产品。温室气候影响植物的生长和光合作 用，所以，为产牛最大效益而控制温室气候是非常重要的。 温室气候的特点是由两种机制引起的：首先，由于围墙的存在，温室里的空 气是内部流动的，但是与外界空气相比，它的空气流动速率很小。同时，室内外 空气会有限可控交换，直接影响了温室空气能量与物质交换。此外，适当的空气 速率也将影响温室空气与温室内作物之间的传输过程【l5 1 。 温室生产的用意在于理想地利用进入温室的直接或漫射的太阳辐射，促进光 合作用。太阳辐射对于作物的直接贡献在于根据作物的能量守恒，把太阳辐射能 转化为温室中作物的能量。 温室与作物息息相关，作物与温室空气交换水蒸气、二氧化碳和能量。没有 作物的话，则温室气候是一种沙漠气候，有了植物可以将气候转变为湿热的气候。 要控制温室中的温度和湿度，需要对湿空气特性做一下分析。 2 3 2 湿空气的物理状态及其在环境控制中的作用 湿空气是干空气和水蒸气的混合物，干空气又是氮、氧及其它少数气体的混 合物。干空气的成分比较稳定，水蒸气在湿空气中的含量是不稳定的，在有生物 的农业建筑物，例如封闭的畜舍中，或天窗关闭的现代化温室中，由于动物或植 1 3 卜海大学硕上学位论文 物的呼吸等原因，会使湿空气中的水蒸气含量增加。此外，在湿空气中还会含有 不同数量的氨、甲烷、硫化氢等有害气体和尘埃微粒。二氧化碳的浓度也会发生 变化。 湿空气中的水蒸气含量，决定湿空气的状态。在炎热的季节里，由于水份的 蒸发而吸收空气中的显热，从而使环境温度降低，达到冷却效果。在寒冷季节， 由于温室天窗大部分时间处于关闭状态，导致温室的湿度增加过大，对作物生长 极为不利，容易发生病虫害，此时则应减少水蒸汽的含量，还作物以舒适的气候 条件。不难看出，通过对湿空气的控制，不仪能控制环境因素，改善环境条件， 还能给作物提供适宜的生长环境。因此，对温室中的环境控制来说，湿空气是个 可控环境介质。 下面考察相对湿度计算，试图通过考察相对湿度的计算揭示温度与湿度之间 的关系，为温湿度的解耦提供前提条件。 温室中湿空气参数的计算。湿空气的主要参数，都可以通过计算求出。一般情 况下应首先知道湿空气的t 球温度和湿