（热能工程专业论文）基于模糊神经网络的温室自动控制研究.pdf

河北工业大学硕士学位论文 基于模糊神经网络的温室自动控制研究 摘要 设施农、业是资源高效利用、技术和知识密集、增值效益显著、工业化程度高的农业新 兴产业。现代自动控制温室是设施农业最基本的技术实现形式之一。它要在多变的自然气 候条件下，为动植物的生命活动创造一个优化的生长环境，以实现高生产率、高产出、高 品质、低成本、高效益、环境友好等可持续发展目标，因而越来越引起人们的重视，并成 为一个具有重要意义的研究方向。 温室环境是多变量耦合、时变、非线性的复杂系统。温室环境调控是现代自控温室中 最重要的关键技术之一，温室气候的建模是实现温室控制的关键。本文首先系统地分析了 温室环境中的主要热力学过程，在参照国内外研究成果的基础上，针对我国现有温室的调 控特点，提出了含有控制量的温室温湿度动态模型；接下来详细分析了自控温室系统中的 气候控制问题，包括影响作物生长的各个主要环境因子以及对象的控制特点。在分析温室 被控对象复杂性的基础上及功能分解的前提下，对温室环境控制系统进行总体设计，提出 冬夏季室内控制方案。总的来说，这一部分关于控制方法的研究仅仅作为一种新的尝试， 还有待于进一步的深入。 最后本文将模糊理论的知识表达与神经网络的自学习能力有机地结合起来，采用快速 学习算法，提出了一种模糊神经网络控制方案，并针对冬季温室内加热系统的控制，在 m a t l a b 语言的s i m u l i n k 平台下分别对模糊神经网络控制、常规p i d 控制和模糊控制 进行仿真比较。从仿真结果可以得知：模糊神经网络控制具有更小的超调，无振荡，平稳 性好，达到稳定状态的时间短，稳态误差小，因此其动态特性和静态特性均最为优越。由 此验证了模糊神经网络这种控制方法应用于温室自动控制系统的可行性。 关键词：温室，动态模型，温度控制，模糊控制，神经网络，模糊神经网络，仿真 河北工业大学硕士学位论文 t h es t u d yo ng r e e n h o u s ea u t o m a t i cc o n t r o l u s i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r k s a b s t r a c t e q u i p m e n ta g r i c u l t u r ei sab u r g e o n i n gi n d u s t r y , w h i c hc a r lm a k ef u l lu s eo fr e s o u r c ea n d h a v eh i g h l e v e lo f a u t o m a t i o n i tn o to n l yi st e c h n i q u ea n di n t e l l i g e n c ec o n c e n t r a t e db u ta l s ow i l i b r i n gy o us a t i s f ya p p r e c i a t i o np r o f i t m o d e ma u t o m a t i cc o n t r o lg r e e n h o u s ei s o n eo ft h e r e a l i z a t i o nf o r m so ff a c i l i t ya g r i c u l t u r e ，w h i c hc a r lm a k eam a n m a d ec l i m a t eo ft h eg r e e n h o u s e o re l i m i n a t et h ed i s a d v a n t a g e sf o rc r o p i ns u c ha g r e e n h o u s e ，t h ep r o d u c ep e r i o do fc r o pc a nb e s h o r t e n e dm e a n w h i l et h ea i mo f h i g h q u a l i t y , h i g h o u t p u t ，h i g h b e n e f i tc a nb er e a c h e d g r e e n h o u s ei sam u l t i v a r i a b l e c o u p l e dt i m e 。v a r y i n g a n dn o n 1 i n e a r s y s t e m i t s e n v i r o n m e n tc o n t r o li sn o to n l yo n eo f 也ek e yt e e h n i q u e si nm o d e ma u t o m a t i cc o n t r o lb u ta l s o d i f f i c u l tt oc o n t r o lt h eg r e e n h o u s ec l i m a t e t h em o d e l i n go fg r e e n h o u s ec l i m a t ei st h ek e yt o r e a l i z i n gg r e e n h o u s ec o n t r 0 1 t i l i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h em a i nt h e r m o d y n a m i c sp r o c e s s e si nt h e c l i m a t eo ft h eg r e e n h o u s es y s t e m a t i c a l l ya tf r s t ，o nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gf o r e i g nr e s e a r c h r e s u l t s ，d i r e c ta g a i n s tt h er e g u l a t i o na n dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co ft h ee x i s t i n gg r e e n h o u s eo fo u r c o u n t r y , h a v ep r o p o s e dc o n t a i n i n gt h ed y n a m i cm o d e lo ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo f g r e e n h o u s ew h i c hc o n t r o l sq u a n t i t y ：a n dt h e na n a l y z e di nd e t a i lt h ec l i m a t ei nt h eg r e e n h o u s e s y s t e mo ft h ea n t o m a t i cc o n t r o lc o n t r o l st h eq u e s t i o n i n c t u d i n gi n f l u e n c ee a c hm a i n e n v i r o n m e n t a lf a c t o ra n dt h et a r g e t sc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ct h a tt h ec r o pg r o w s 0 ut h eb a s i so f a n a l y z i n gt h a ti sa c c u s e do ft h et a r g e t sc o r n p l e x i t yi nt h eg r e e n h o u s ea n du n d e rt h ep r e r e q u i s i t e t h a tt h ef u n c t i o nr e s o l v e ，d e s i g no v e r a l lt h ee n v i r o n m e n t a lc o n t r o ls y s t e mo ft h eg r e e n h o u s e ， p r o p o s ec o n t r o l l i n gt h es c h e m ei nt h er o o mi ns u m m e ra n dw i n t e r g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h i s c h a p t e ri sa b o u tc o n t r o l l i n gt h er e s e a r c ho ft h em e t h o do n l ya sak i n do fn e wt r y , w a i tf u r t h e r d e e p e n i n g t h j st e x tf i n a l l yp r e s e n t sak i n do ff u z z yn e u r a ln e t w o r km e t h o dw h i c hc o m b i n e sf u z z y k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nw i t hn e u r a ln e t w o r ks e l f - l e a r n i n ga b i l i t ya n da d o p t saf a s ts t u d y a l g o r i t h m f o rt h eg r e e n h o u s eh e a t i n gs y s t e m a t i cc o n t r o li nw i n t e r , ih a v eb e e ng o i n go nt h e s i m u l a t i o nc o m p a r ew i t ht h e 删c 、r o u t i n ep i dc o n t r o la n df u z z ys e p a r a t e l yb yt h es i m u l i n k p l a t f o r r f lo fm a t l a b i nt h ee n dw ec a nl e a mf r o mt h ea r t i f i c i a lr e s u l tt h a tf n n ch a s1 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 0 1 n os h a k i n g f i d es t a t i o n a r i t y,short t i m et or e a c ht h es t a b l es t a t e 1 i t t l ee r r 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 ci st h em o s t s u p e r i o r t h e r e f o r ei th a sv e r i f i e dt h a tt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gf n n c k e y w o r d s ：g r e e n h o u s e ，d y n a m i cm o d e l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k ， f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ( f n n c ) ，s i m u l a t i o n 河北工业大学硕士学位论文 吼一太阳辐射热提供的能量，w q 。一温室灯具、设备散热，矿 g ，一作物及土壤呼吸释放热， 一温室采暖系统散热，w 吼一温室外表面对流散热，矿 q ，一通风换气排除的显热，w q 。一作物蒸腾耗热量，渺 符号说明 g 。一作物光合作用耗热量，w q d 一温室向地中传热量，w q 。一喷雾降温吸收的热量，w 一混帘风机降温吸收的热量， a q 一温室空气显热增量，w 形一温室内作物的蒸腾率，姆s 睨一喷雾系统蒸发的水蒸气率，堙s k 一湿帘风机系统蒸发的水蒸气率，堙s 睨一室内水蒸气在覆盖物内侧的凝聚率，堙s 彬一温室渗漏影响室内水蒸气的变化率，唔，s 暇一通风换气引起室内水蒸气的变化率，堙j 口一统一的物理常量，称为s t e f a n b o l t z m a n 常 量，w i ( m 2 k 4 1 以一温室的地表面积，m 2 r 一温室p c 板透光率 丁一太阳表面绝对温度，k t 一辐照转换系数 r a d 太阳辐照度，w m 2 z ，瓦一分别为温室室内和室外的温度， l 一以比容计的通风量，m 3 s v 空气比容，m3 堙干空气 c 。一于空气比热( u 船干空气) e 一蒸发、蒸腾量与太阳辐射之比 f 一温室中用于作物生长的地面与总地面之比 蚝一温室内空气的对流换热系数，w ( m 2 k ) 吃。一温室外界空气的对流换热系数， w ( m 2 k ) 疋一p c 板的厚度：m 五。一p c 板的热传导系数，w ( m 2 k ) s 一温室的总覆盖面积，m 弓一散热管道温度，k 弓一供暖系统供水温度，k 瓦，一供暖系统回水温度，k 一加热管与空气的换热系数，w m 2 k 一散热管道总外表面积，m 2 九一土壤的导热系数( 由土壤的物理性质、含 基于模糊神经网络的温室自动控制研究 水量决定) ，w m2 k口一温室内相对湿度，g 堙干空气 厶d 一土壤与空气间的对流换热系数，w m 2 k坍。一喷雾系统单位面积和单位时间的喷水量 乃一距地表深度为以处的土壤温度，堙m2 j t 一作物蒸腾系数，j c s m c 一温室饱和湿度 a h 一温室绝对湿度 p 一灯具总功率，w 玎一发光效率， 五一水蒸气固有热系数，为2 2 5 7 j g ； 只。一温室喷雾装置水容量( 每秒钟喷出的水的 质量1 ，g 己一温室湿帘装置水容量( 每秒钟喷出的水的 质量) ，g p 一温室内空气的密度，k g m 3 v 一温室的体积，m 3 c 一温室内空气的热容量，j m 一3 k 一1 岛一相对湿度转换系数； 盯一室内水汽压的亏损影响蒸发的特征系数 l k p a 一水汽压于含湿量之间的转换系数， k p a - 堍 k g l 一以比容计的温室通风量( m 3 s ) p 一室外空气密度，取值为1 1 6 11 8 堙 温度超过3 0 c 时取小值，低于3 0 y 3 时取大值 吒一温室水汽凝结系数 r h 一温室室内空气相对湿度 r h 。一温室室外空气相对湿度 一温室内外空气的通风率，m 3 s 形一温室内外空气的漏气率，m 3 s 河北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 我国是一个农业大国，农业是国民经济的基础，大力发展农业科技有其重要性和必要性，这是由我 国目前的国情决定的。我国农业正处在从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业转化的新 阶段。在工程技术高速发展的今天，现代工业技术应用于农业的必然结果就是设施农业( e q u i p m e n t a g r i c u l t u r e ，e a ) 。设施农业是农业科技中新兴的跨学科研究领域之一，包括各类温室( 含大棚) 、节水设 施、设施水产、设施畜禽等方面的内容，应用范围几乎涵盖农、牧、渔等所有领域。它借助现代化设施 和科学技术，改善作物生长环境或营造人工环境，抵御恶劣的气候和环境条件，延长农业生产时间。利 用现代科学技术，改善作物品质，延长其生长周期，提高产量，具有十分重要的理论意义和研究价值【1 】。 其中，设施农业领域内出现最早、同时也是设施农业的主要组成部分的农业温室，已成为设旌农业中应 用最为广泛，研究投入最多和发展最快的部分，是现代农业的标志之一。在发达国家，温室工程已初具 规模，形成了“温室产业( g r e e n h o u s ei n d u s t r y ) ”的概念，即在不适宜露地栽培农作物的季节或地区，利 用温室设施创造出适合于农作物生长发育的人t 4 , 气候环境，从而达到增产增收目的的一项现代农业技 术。 温室是利用透明覆盖材料与围护结构把一定的空间与外界环境隔离开来，并在一定的时间范围内， 通过调控环境进行作物生产的一种农业设施。现代化温室就是采用先进科学技术设计、制造而成的工厂 化生产设施，并为作物生长提供良好的生态环境。它可以不受地点和气候的影响，设置在包括寒冷地区 或不毛之地的各地区，高效、均衡地生产各种蔬菜、水果、花卉、药材等，它能够有效的改善农业生态、 生产条件，促进农业资源的科学开发与合理利用，提高土地生产率、劳动生产率和社会、经济效益。可 以说温室工程的发展与人民生活水平的提高有着密切的关系。因此，在世界范围内得到了广泛的应用。 温室设施主要包括温室结构和环境调控设施两个方面。而环境调控是现代化温室的必备功能，只有 依靠先进的科学技术，对温室内的环境因素进行检测和控制，才能在温室内给作物提供最佳的生长环境， 并且，有时单靠人是无法实现的，所以温室的发展其实也就是温室自动控制技术的发展，这已经受到温 室设计专家和研究人员的高度重视。 温室环境控制是一项综合性技术，它是当代农业生物学、环境科学、计算机控制与管理科学的综合 应用。任何一个作物的生长、繁育都要求一定的环境条件，具有地区性和季节性，这是在长期的自然选 择中形成的。作物种类不同对环境条件的要求也不尽相同。温室综合环境控制就是对环境因子，如温 度、湿度、光照、c 0 2 浓度等，进行综合调节和控制，为不同作物的生长、繁育提供适宜的环境，使作 物与环境得到较好的统一。利用温室环境控制技术，可以安排作物全年均衡生产，控制作物的适时上市， 提高作物的产量和质量，使环境资源和生态资源得到有效的利用，并使环境条件得到改善。另外，利用 1 河北工业大学硕士学位论文 温室环境控制技术，按生态学的原理和生态平衡的规律组织生产，可以更好的发展生态农业，实现生态 与经济的良性循环。 但是，温室作物环境的控制远比一般工业环境控制要复杂得多。面临的挑战有多变的外部环境，受 控对象的不确定性与作物形态、尺寸不断变化，缺少能直接感知作物生长生理状态信息的检测传感器； 生产者管理经验差异大：恶劣工作环境和控制元件持续长时间监控的高可靠性要求之间的矛盾；投资与 效益等诸因素。早期的温室环境控制，多采用开关量( o n o f f ) 控制，继而逐步采用工业领域应用的 反馈控制，如p i d 控制等。用这种常规的控制方法来处理温室这一多输入、多输出、时空变异大、非 线性强的生物过程控制问题，很难获得比较理想的结果。这就要求我们在控制系统的结构、控制原理及 方式等方面进行研究与探索，使温室环境控制不仅做到能控制，而且合理可靠、节能节水，在控制过程 中尽可能充分体现人的智慧与经验。 l 一2 国内外温室环境控制技术发展与现状 l 一2 1 国外状况 科技是农业创新的手段，国外温室技术起步较早，温室控制技术随着温室农业的发展应运而生。近 年来，一些科学技术和工业生产较发达的国家，温室园艺不仅发展速度快，而且广泛地应用了自动控制 调节环境条件的先进技术，其中计算机的采用代表着它发展的逐步成熟。采用计算机自动化控制植物生 长所需的部分或全部的环境条件，在一些农业发达的国家里已经非常普及。它们起步较早、已见规模效 益。目前发达国家的温室环境工程技术已经成熟，具有先进的设各，生产规范，正向自动化、智能化发 展，以确保温室作物的产量和质量。 温室环境调控技术至今经历了几十年的发展过程。初期是使用仪表对温室设施中的温度、光照等参 数进行测量，再使用手动或电动执行机构( 如卷帘、通风设备等) 实施简单的控制。随着传感元件、仪 表及执行器技术的进步，逐步发展成为对温度、湿度、光照、灌溉及室内几乎所有环境参数分别进行自 动控制。计算机技术的发展使环境参数的综合控制成为可能。欧、美等国在3 0 年代末就相继建立了人 工气候室。计算机的发展最早可以追朔到本世纪的4 0 年代，7 0 年代中期，荷兰、日本、美国、意大利 等国家已使用微型计算机进行作物生长环境监控1 2 1 ，在7 0 年代末，东京大学首先研制出微型计算机 温室综合环境控制系统【3 】。从8 0 年代开始，根据不同作物、不同生产阶段及外界环境条件变化对温 室环境参数进行综合调节控制的技术得到了很快的发展。目前，在温室控制技术方面，美国、荷兰、以 色列和日本等国较为先进，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 因子进行自动调控。典型的系统如：j o s e p h ，b a u m 研制了一个温室群的集中控制系统p m s 2 0 0 0 【4 】：h b e r n i e 研制了一个以微处理器6 8 0 9 为核心的实时多任务环境控制系统【5 】；jk t i t l o w 研制了l a i s 环境控制系统，并着重研究了温室数据在传输及管理时出错的软件对策【6 】。美国和荷兰还利用温差管 理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花期和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。另外，近年 来随着计算机技术和互连网技术的迅猛发展，一些高科技温室已经实现了通过i n t e r n e t 进行温室远程控 2 河：i l t 业大学硕士学位论立 温室环境控制技术，按生态学的原理和生态平衡的规律组织生产，可以更好的发展生态农、i k ，实现生态 与经济的良性循环。 但是，温室作物环境的控制远比一般工业环境控制要复杂得多。面临的挑战有多变的外部环境，受 控对象的不确定性与作物形态、尺寸不断变化，缺少能直接感知作物生长生理状态信息的检测传感嚣； 生产者管理经验差异太：恶劣工作环境和控制元件持续长时间监控的商可靠性要求之间的矛盾：投资与 效益等诸因素。早期的温室环境控制，多采用开关量( o n o f f ) 控制，继而逐步采用工业领域应用的 反馈控制，如p 1 d 控制等。用这种常规的控制方j 去来处理温室这一多输入、多输出、时空变异大、非 线性强的生物过程控制问题，很难获得比较理想的结果。这就要求我们在控制系统的结构、控制原理及 方式等方面进行研究与探索，使温室环境控制不仅做到能控制，而且合理可靠、节能节水，在控制过程 中尽可能充分体现人的智慧与经验。 1 2 国内外温室环境控制技术发展与现状 1 2 1 国外状况 科技是农q k 创新的手段，国外温室技术起步较早温室控制技术随着温室农业的发展席运而生。五 年米，一些科学技术和工业生产较发达的国家，温室园艺不仅发展速度快，而且j i 泛地应用了自动控制 调节环境条件的先进技术，其中计算机的采用代表着它发展的逐步成熟。采用计算机自动化控制植物生 长所需的部分或全部的环境条件，在一些农业发选的国家里已经非常普及。它们起步较早、己见规模效 益。目前发达国家的温室环境工程技术已经成熟，具有先进的驶备生产规范。正向自动化、智能化发 展，以确保温窜作物的产量和质量。 温室环境调控技术至今经历了几十年的发展过程。初期是使用仪表对温室设施中的温度、光照等参 数进行测量再使用手动或屯动执行机构( 立口卷帘、通风设备等) 实施简单的控制。随着传感元件、仪 表及执行器技术的进步，逐步发展成为对温度、湿度、光照、灌溉及室内几乎所有环境参数分别进行自 动控制。计算机技术的发展使环境参数的综台控制成为可能。欧、美等国在3 0 年代末就相继建立了人 丁气候室。计算机的发展最早可以追朔到本世纪的4 0 年代，7 0 年代中期，荷兰、日本、美国、意大利 等国家已使用微犁计算机进行作物生长环境监控【2 】在7 0 年代末，东京大学首先研制出微型计算机 温室综合环境控制系统【3 】。从8 0 年代开始，根据不同作物、不同生产阶段及外界环境条件变化对温 室环境参数进行综合调节控制的技术得到了很快的发展。目前，在温室控制技术方面，美国、荷兰、必 色列和日本等国较为先进，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 冈子进行自动调控。典型的系统如：j o s e p hb a u m 研制了一个温室群的集中撺制系统p m s 2 0 0 0 1 4 1 ；h b e r n i e 研制了一个以微处理器6 8 0 9 为核，1 3 , 的实时多任务环境控制系统【5 】： jkt i t l o w 研制了l a i s 环境控制系统，并着重研究了温室数据在传输及管理时出错的软件对策【6 】。美国和荷兰还利用温差管 理技术，实现对藐卉、果蔬等产品的开花期和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。另外，近年 来随着计算机技术和互连网技术的迅猛发展，一些高科技温室已经实现了通过i n t e r n e t 进行温室远程控 来随着计算机技术和互连网技术的迅猛发展，一些高科技温室己经实现了通过i n t e r n e l 进行温室远程控 河北工业大学硕士学位论文 温室环境控制技术，按生态学的原理和生态平衡的规律组织生产，可以更好的发展生态农业，实现生态 与经济的良性循环。 但是，温室作物环境的控制远比一般工业环境控制要复杂得多。面临的挑战有多变的外部环境，受 控对象的不确定性与作物形态、尺寸不断变化，缺少能直接感知作物生长生理状态信息的检测传感器； 生产者管理经验差异大：恶劣工作环境和控制元件持续长时间监控的高可靠性要求之间的矛盾；投资与 效益等诸因素。早期的温室环境控制，多采用开关量( o n o f f ) 控制，继而逐步采用工业领域应用的 反馈控制，如p i d 控制等。用这种常规的控制方法来处理温室这一多输入、多输出、时空变异大、非 线性强的生物过程控制问题，很难获得比较理想的结果。这就要求我们在控制系统的结构、控制原理及 方式等方面进行研究与探索，使温室环境控制不仅做到能控制，而且合理可靠、节能节水，在控制过程 中尽可能充分体现人的智慧与经验。 l 一2 国内外温室环境控制技术发展与现状 l 一2 1 国外状况 科技是农业创新的手段，国外温室技术起步较早，温室控制技术随着温室农业的发展应运而生。近 年来，一些科学技术和工业生产较发达的国家，温室园艺不仅发展速度快，而且广泛地应用了自动控制 调节环境条件的先进技术，其中计算机的采用代表着它发展的逐步成熟。采用计算机自动化控制植物生 长所需的部分或全部的环境条件，在一些农业发达的国家里已经非常普及。它们起步较早、已见规模效 益。目前发达国家的温室环境工程技术已经成熟，具有先进的设各，生产规范，正向自动化、智能化发 展，以确保温室作物的产量和质量。 温室环境调控技术至今经历了几十年的发展过程。初期是使用仪表对温室设施中的温度、光照等参 数进行测量，再使用手动或电动执行机构( 如卷帘、通风设备等) 实施简单的控制。随着传感元件、仪 表及执行器技术的进步，逐步发展成为对温度、湿度、光照、灌溉及室内几乎所有环境参数分别进行自 动控制。计算机技术的发展使环境参数的综合控制成为可能。欧、美等国在3 0 年代末就相继建立了人 工气候室。计算机的发展最早可以追朔到本世纪的4 0 年代，7 0 年代中期，荷兰、日本、美国、意大利 等国家已使用微型计算机进行作物生长环境监控1 2 1 ，在7 0 年代末，东京大学首先研制出微型计算机 温室综合环境控制系统【3 】。从8 0 年代开始，根据不同作物、不同生产阶段及外界环境条件变化对温 室环境参数进行综合调节控制的技术得到了很快的发展。目前，在温室控制技术方面，美国、荷兰、以 色列和日本等国较为先进，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 因子进行自动调控。典型的系统如：j o s e p h ，b a u m 研制了一个温室群的集中控制系统p m s 2 0 0 0 【4 】：h b e r n i e 研制了一个以微处理器6 8 0 9 为核心的实时多任务环境控制系统【5 】；jk t i t l o w 研制了l a i s 环境控制系统，并着重研究了温室数据在传输及管理时出错的软件对策【6 】。美国和荷兰还利用温差管 理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花期和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。另外，近年 来随着计算机技术和互连网技术的迅猛发展，一些高科技温室已经实现了通过i n t e r n e t 进行温室远程控 2 河北工业大学硕士学位论文 制和管理诊断的功能。美国、日本等国家目前建造了一些世界上最为先进的植物工厂，采取完全封闭生 产、人工补充光照，全部采用电脑控审及机器人或机械手进行播种、移动作业、采收等。 以色列、荷兰、加拿大等国家还设有专门的温室研究所。他们在研究植物生理活动的同时，不断 探索温室的自动化控制技术，在原有开关控制和p i d 控制的基础上，运用了自适应控制、最优控制等 先进控制理论。由于借鉴了工业、航空和航天领域中的先进技术成果，技术水平不断提高。它能根据作 物生长的最适宜生态条件进行四季恒定的环境自动控制，从而不受气候和土壤条件的影响，在有限的土 地上周年均衡地生产蔬菜和鲜花。 除了对温室环境实时控制外，在计算机优化环境参数、节能、节水及设施装备的可靠性等很多方 面都取得了很好的技术成果。计算机可根据室外温度、湿度、风速、风向调节相关的控制机构来实现对 温度和湿度的控制。发达国家的温室控制技术正在向高度自动化、智能化方向发展，遥测技术、网络技 术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。 国外的温室总结起来有如下几个特点： ( 1 ) 规模大，设备齐全 花卉温室农场生产规模都比较大，在美国温室面积超过4 6 h m 2 且经营状况良好的有1 0 0 家，规模 最大的是基塔雅马公司，面积为4 63 46 h m 2 温室均为大跨度连栋温室，大型货车或农机具出入十分方便。 温室采用不同类型的加热器加热以适应蒸汽、热水、燃油、天然气及电网等不同热源。一些温室配有保 温幕用于保暖，通常降温、降湿用自然通风或排风扇，冬季补充人工照明多用高压钠灯或金属卤素灯。 ( 2 ) 环境控制系统先进 绝大多数温室农场装各了环境控制计算机，对温室环境包括气象环境和栽培环境进行监测和控制。 检测项目多，控制精度高是这类环境控制计算机的特点。在温室内的测控项目包括空气温湿度、水温、 土壤温度、锅炉温度、管道温度、保温幕状况、通风窗状况、水泵工作状况、二氧化碳浓度、e c 调节 池状况、回流管数值，在温室外测定大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等；控制精度主要 表现在温室内空气温度上，恒温控制时一昼夜间单测点的温度波动偏差小于士1 5 摄氏度。 f 3 ) 专家系统的应用 温室专家系统在一些农户的生产业务中发挥作用，并取得经济效益，例如通过精确调节温室昼温、 夜温及昼夜温差，可以控制花卉产品的形态，如株高、叶片数、花朵数等，这样可以带来巨大的效益， 因此专家系统应运而生。1 9 9 0 年，密淄安州立大学推出了以昼夜温差对节间生长的作用规律为基础的 专家系统，首先在一品红上试用。从密淄安州的8 个农户在总数为8 0 万株的使用效果上看，确有一定 功效。除带来经济效益外，它还提高了决策水平，减轻技术管理工作量，为种植者带来很大方便。 在科技高速发展的今天，衡量一座温室性能好坏的标准关键在于温室对影响植物生长的要素( 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。所谓温室的自动调节就是 指通过相应的传感器，计算机和其他的控制设备相连构成一个自动控制系统。该系统在无人为干预的情 况下仍然能够保证温室内的重要技术指标( 如温度，湿度，二氧化碳含量，光辐射量等) 达到系统所设定 的要求，使植物始终处于良好的环境中。以前在手动控制f 无法实现的高技术应用，例如温室机器人生 产技术，在计算机控制下有了可能。 河北工业大学硕士学位论文 l 一2 2 国内状况 我国的温室技术开发工作起步较晚。为了提高设施农业水平，加快农业现代化建设，七十年代后期 以来，我国的设施农业取得了较大的发展，它已成为我国农业中最有活力的新产业。以日光温室、塑料 大棚为主体的设施农业在我国得到了迅速发展，在大部分省、直辖市先后建立了现代农业科技示范园区， 为缓和蔬菜季节性短缺的矛盾和发展农村经济都起到了积极的作用。在国产化技术不断取得进展的同 时，也加快了引进国外大型现代化温室设备和综合控制系统的进程，这对我国温室环境调控技术的发展 起到了非常积极的推动作用。因此，如何在充分吸收国外温室成功经验的基础上开发出适合我国特点的 智能型温室环境控制系统愈来愈受到行内人士的重视。我国温室环境控制的发展，按照控制的形式来分， 基本上经历了三个阶段。 第一个阶段：起步 国内计算机应用于农业始于7 0 年代中期，当时主要用于数据统计和分析计算。8 0 年代初期，计算 机开始应用于温室的管理和控制领域。1 9 8 1 年中国农业科学院引进了f e l i x c 一5 1 2 系统。清华大学郑 学坚首先介绍了应用单片机控制人工气候箱的方法和思路：此后中国农业科学院的徐师华等先后报道了 z - 8 0 微机控制温室的软硬件实施方案，以及利用z 8 0 机控制气候箱自然光照的模拟试验；陈思聪等人 研究了以节能为目标的温室微机人工气候控制系统；以及上海园林工具厂等单位设计的温室微机控制系 统等，均取得了良好的应用效果。在单片机应用方面，中国农业科学院气象所等单位，研制了t p 8 0 1 微型单片机人工气候箱控制与管理系统：重庆柑桔所人工气候室的单片机控制系统等。从1 9 8 5 年起， 我国引进了现代化大型温室近1 0 0 h m 2 ，主要分布在经济发达的东部、东南沿海省份的大城市、直辖市 郊区。如北京、上海、哈尔滨、大庆、广州、深圳等地，但由于能源消耗大，管理不善，从经营情况来 看，大部分温室入不敷出，有的甚至不能维持下去。然而，从技术角度来看，对提高我国温室的工程技 术水平起了很大的促进作用。这些温室的引进与使用给中国的设施农业带来了经验与教训，为发展具有 中国特色的设施农业提供了极其宝贵的经验。后来，我国出现了一些在消化吸收引进设备的基础上研制 的控制设备和一些研究性质的环境控制系统【7 8 】。但其使用范围尚不广泛，生产批量不大。 第二阶段：发展 9 0 年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所。研制开发了温室环境控制与管 理系统，并采用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：中国农业工程设计 研究院和北京工业大学在温室群环境参数分级监控方面做了一些研究，该系统中的p c 机只用于存储测 量数据及一些简单的管理工作，其实质就是利用一个单片机系统来同时控制八间温室中的温度、湿度和 光照。所以，这种控制只能很简单。例如它的温度控制只有两种方式：升温用加热器，降温用风机。另 外，它的控制模式还属于集中控制，因此，整个系统的可靠性和经济性不高。9 0 年代中后期，江苏理 工大学的毛罕平等研制开发的温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、c 0 2 施肥等进行综 合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。在此期间，中国农业大学【9 】、吉林 工业大学【l o l 等单位也都侧重不同领域，研究温室设施的计算机控制与管理技术；北京农业大学研制 成功的“w j g 1 型实验温室环境监控计算机管理系统”；中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大 学，中国科学院上海植物生理研究所等单位也侧重在不同领域研究温室设旅计算机控制与管理技术；上 海同济大学电气工程系与上海浦东孙桥现代农业开发区合作进行“中档改良型温室的国产化系列产品的 4 河北工业大学硕士学位论文 研制开发”；吉林工业大学研制成功的用于温室的智能喷水控制器，能够根据温室内的温度、湿度和光 照度来自动调节喷水量；中国农业机械化科学研究院研制的新型智能温室；由北京昆仑海岸传感技术中 心开发了的智能网络型环境温湿度监测系统，该系统采用了r s 4 8 5 远距离通讯，多点数据采集，工控 组态图形动态监测的系统集成方式；浙江大学农业生物环境工程研究所也一直在进行温室环境的研究， 研制了两种不同型式的水生动植物综合种、养温室，在水生动植物养殖温室和植物栽培温室之间组成了 物质与气体的交换系统。但是，一方面，由于采用集中控制模式，故可靠性不是很高：另一方面，控制 方式属于简单的逻辑控制，没有智能决策等环节，所以，还有很多工作有待于改进。“九五”期间，国 家科技攻关项目和国家自然科学基金，均首次增设了工厂化农业( 设施农业) 研究项目，并且在项目中 加大了计算机应用研究的力度。其中，“九五”国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”，直 接设置了“智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”专题。由此可以看出，我国温室设 施中计算机的应用在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。 第三个阶段：向分散控制发展 九十年代后期中国农业大学、江苏理工大学都提出了温室环境控制向分散控制发展的方法，并且进 行了相应的试验。江苏理工大学自行研制了智能温室环境控制系统【1 l 】，它是江苏省“九五”农业科 技项目，其控制系统的组成如图1 1 所示： 图1 1 控制系统组成 f i g l1t h ec o n t r o ls y s t e mm a k e u p 它采用工业控制计算机作为温室环境控制系统的核心，该环境自动控制系统为多变量输入输出控制 系统。通过传感器检测温室中各环境参数，得到模拟输入量，经过相应变送器转变成数字信号，在自编 软件支持下，经过接口板采集数据，计算机进行处理分析，将输入量与设定量比较后，输出开关量，通 过驱动电路控制各执行机构。 该温室是具有降温、补光、控湿和增施二氧化碳、夜加温和太阳能加温系统的自控温室。利用这套 系统，研究人员进行了温室环境控制的技术效果测试分析，对于环境参数的合理取值进行研究，并进行 了作物栽培实验。 中国农业大学设计的华北型连栋温室自动控制系统【1 2 】，其形式如图1 2 所示。 河北工业大学硕士学位论文 图1 2 温室自动控制系统 f i 9 1 2a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo f t h eg r e e n h o u s e 它采用以单片机为主的测控设备对温室环境进行自动检测与控制，在温室群控制时考虑采用上位机 下位机的形式，通过传感器检测温室中各环境参数，得到模拟输入量，经过相应变送器转变成数字信 号，传送到单片机进行控制。该系统能够实时采集温室内、外温度、湿度、光照、土壤温度等环境参数 值，并进行显示与存储：实时控制通风降温、地中热交换储能加温及热水采暖加温等。 总之，温室环境控制的三个阶段与工业控制的发展是密不可分的。温室环境控制往往是采用工业控 制中已经证明了的有效、廉价的方案。但温室环境控制有其自身特色，这种特色就是由于农业领域的控 制对象不同于工业领域的控制对象而造成的。 综上所述，可以看出国外发达国家的温室环境控制系统起步早，技术成熟，功能完善。而我国现代 化温室环境控制系统的研制则刚刚起步，在适应温室生产上，还应进行装备的优化与功能的完善。在充 分吸收国外温室先进生产经验的基础上，如何根据我国不同地区、不同气候特点对国外温室进行改造和 创新，实现计算机控制，开发符合我国国情的现代化温室已经成为亟待解决的问题。 1 3 温室控制的发展方向 传统的温室控制技术，多为针对个别参数的集中式控制系统，而实际温室环境控制面对的是空间分 布性强、时空变异性大、多参数相互影响、基于生命活动的控制对象。不均匀的环境参数空间分布，导 致作物生长条件差异性明显，昂贵的设施资源得不到高效利用，大大影响了实现高投入、高产出、高品 质的目标。为此，现代温室控制系统在结构上应考虑分布式，在控制方式上应考虑智能化。特别是随着 微机技术、控制技术和传感技术的发展及其产品的性能价格比的改善，已大大有利于这一设想成为现实。 基于微处理器的智能控制终端日益小型化，可以与被控设备紧密结合或融为机电一体化装置，所有智能 控制终端由管理计算机集中进行协调管理。知识系统和管理信息系统软件融入上层主计算机，可使之对 各种现场参数进行决策分析，再分别向各智能终端发出参数调节指令，真正实现分散控制集中管理，提 高设备的利用率和系统运行的可靠性，从而实现高效可靠的控制与管理，实现高投入、高产出、高品质 的目标。 6 河北工业大学硕士学位论文 当代科学技术的重大变革和发展，已突破旧的自动控制系统框架而向复杂的自动控制系统框架发 展，这些复杂的自动控制系统凭单一控制模式难以解决。人们在生产实践中看到，许多复杂的生产过程 难以实现目标控制，可是熟练的操作工，技术人员或专家却操作自如，可以获得较满意的控制效果。而 这些熟练的操作工、技术人员或专家的经验知识若能和控制理论结合，把它作为一种新控制理论来解决 复杂生产过程，这将使控制理论解决法在生产过程中有一个突破性的进展。事实上，计算机控制技术的 发展为这种新控制理论的实现提供了有效的工具。计算机在处理图像、符号逻辑、模糊信息、知识和经 验等方面的功能，完全可以将熟练的操作工、技术人员和专家的知识经验、操作方法等付诸对生产过程 的操作和控制，使之达到或超过人的操作水平。这就相当于人的知识经验直接参与生产过程的控制，这 样的自动控制称为智能控制。智能控制系统是由模糊控制规则和知识控制规则所构成的自动控制系统。 它具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程。它适用于含有复杂性、不完全 性、模糊性、不确定和不存在己知算法的生产过程。它根据被控动态过程的特征进行辨识，采用闭环控 制以及定性与定量控制相结合的复合控制方式。 智能控制系统具有分层信息处理和决策机构，它实际上是对人的神经结构或专家决策结构的一种模 仿。在复杂的大系统中，通常采用任务分块、控制分散方式。智能控制核心在高层控制，它对环境或过 程进行组织、决策和规划，实现广义求解。要完成