（森林工程专业论文）模糊控制器在温室自动控制系统中的应用与实现.pdf

摘要：由于从国外引进的温室自动控制系统与我国气候条件不相适应，且引进价格昂 贵，因此很难在我国大规模应用和推广。而目前国内自行设计的温室自动控制系统， 大部分控制水平较低，现代化管理水平不高，有些只能实现对单一环境因子的控制。 这些因素都极大地制约了温室经济效益的发挥。改变传统的控制方式，实施温室环境 的计算机监控，开发符合我国国情的温室自动控制系统，对加快我国温室生产的现代 化水平和提高温室的经济效益具有重要意义。 在总结前人研究的基础上，针对温室系统的环境参数、调控措施及控制特性进行 了分析，得出温室环境系统是一个多变量、大惯性的非线性系统，并且有耦台r 、延迟 等现象的结论。很难对这类系统建立精确的数学模型并用传统控制方法加以控制，而 模糊控制不需要建立被控对象的数学模型，适合时变、滞后非线性系统的控制，因此 对温室系统采用模糊控制不仅是可行的，而且也是合适的。 鉴于上述分析，综合运用模糊控制技术、传感器技术、通讯技术和微控制器技术， 自行设计了一个用于温室环境控制的模糊控制器，以实现对温室环境参数的监控。 在模糊控制算法的设计过程中，为了减弱各环境因子间的耦合作用，将模糊控制 器分解为7 个模糊控制模块分别进行设计。在多方面了解专家或温室操作者经验的基 础上，总结出行之有效的隶属度函数和模糊控制规则，采用m a m d a n i 极大极小 法进行模糊推理，然后利用重心法进行反模糊化，最终得出模糊控制表。在制定控制 规则时，充分考虑各个环境因子间的耦合作用，利用规则本身的解耦作用，实现了温 室环境的多因子综合控制。以m a t l a b 软件的模糊逻辑工具箱作为开发工具，便于 隶属度函数和控制规则的修改，可以方便快捷的设计模糊算法。 在本课题组设计的温室控制器m c g 的基础上，加以完善和扩充，采用软件法实 现模糊控制器的软硬件设计。以m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 微控制器为核心组成模糊控制器 的硬件系统，包括信号输入模块，数码显示模块，键盘输入模块，通讯模块，输出驱 动模块和状态监控模块。采用实时操作系统进行软件设计，嵌入了一个基于时间片的 非抢占式实时内核，在此基础上进行各个任务的程序编写，在模糊控制任务的程序设 计中利用维数转换方法实现了模糊控制表的存放和查询。 通过模拟试验的验证，本模糊控制器运行可靠，能实现温度、湿度、光照度、 c 0 2 浓度的模糊控制，满足温室控制的需要，可直接应用于温室自动控制系统。本控 制器的实现为模糊控制增添了新的应用领域，为温室的现代化管理奠定了一定的技术基础， 关键词：温室环境，模糊控制，微控制器实时操作系统，m a t l a b a b s t r a c t ：g r e e n h o u s ea u t o c o n t r o ls y s t e m si m p o r t e df r o mf o r e i g nc o u n t r ya r ee x p e n s i v e a n dd o n tf i tt h ec l i m a t eo fo u rc o o n r r y , s oi ti sd i f f i c u l tt ob ea p p l i e da n dp o p u l a r i z e d w i d e l y m o s tg r e e n h o u s ea u t o c o n t r o ls y s t e m sd e s i g n e da th o m e ，h o w e v e r , a r ea tl o wl e v e l o fg r e e n h o u s ec o n t r o la n dm o d e mm a n a g e m e n ta n ds o m ec a no n l yc o n t r o ls i n g l e p a r a m e t e rw i t h o u tc o n s i d e r i n gm u t u a le f f e c ta n dc o u p l i n go fe n v i r o n m e n t a lp a r a e t e r s t h o s ef a c t o r sg r e a t l yr e d u c e dt h ee c o n o m i cb e n e f i to fg r e e n h o u s e ，t h e r e f o r ec h a n g i n g t r a d i t i o n a lc o n t r o l l i n gm o d ea n d i m p l e m e n t i n gc o m p u t em o n i t o r i n g ，g r e e n h o u s e a u t o c o n t r o ls y s t e mi na c c o r dw i t l lt h e s i t u a t i o no fc h i n as h o u l db ed e v e l o p e d w h i c hi s s i g n i f i c a n tf o ri n c r e a s i n go fe c o n o m i cb e n e f i ta n dm o d e m i z a t i o no fg r e e n h o u s e m a n a g e m e n ti no u rc o o n t r y , b a s e do nf o r m e rr e s e a r c hi nt h i sf i e l d ，t h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，a d j u s t i n gm e a s u r e a n di n t e g r a t i v ec o n t r o lp r o p e r t yo fg r e e n h o u s es y s t e mi sa n a l y z e da n dt h ec o n c l u s i o nt h a t t h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t a ls y s t e mi sam u l t i - v a r i a b l e ，b i g i n e r t i a ，n o n l i n e a rs y s t e m w i t hc o u p l i n g a n dd e l a yi sm a d e i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s hm a t h e m a t i cm o d e lf o r g r e e n h o u s es y s t e ma n dc o n t r o li t 埘血t r a d i t i o n a lc o n t r o lt h e o r yw h i l ef u z z yc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g yd o e s n tr e q u i r em a t h e m a t i cm o d e l ，s oa p p l i c a t i o no ff u z z yc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g yt og r e e n h o u s es y s t e mi sf e a s i b l ea n dr e a s o n a b l e a c c o r d i n gt of o r e - m e n t i o n e da n a l y s i s f u z z yc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , s e n s o r 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 dm i c r o c o n t r o l l e rt e c h n o l o g y i su s e d s y n t h e t i c a l l ya n daf i z z yc o n t r o l l e ra p p l i e dt og r e e n h o u s ea u t o c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ， w h i c hc a nm o n i t o ra n da d j u s tt h eg r e e n h o u s ef a c t o r s i nc o l l r s eo fd e s i g n i n gf u z z yc o n t r o la r i t h m e t i c ，t h ef u z z yc o n t r o l l e ri sd i s a s s e m b l e d t os e v e nf u z z yc o n t r o l l i n gm o d u l ei no r d e rt ow e a k e nt h ec o u p l i n go fe n v i r o n m e n t a l f a c t o r s a f t e ru n d e r s t a n d i n gt h ee x p e r i e n c eo fe x p e r t sa n dg r e e n h o u s eo p e r a t o r s e x t e n s i v e l y , t h ee f f e c t i v em e m b e r s h i pf u n c t i o na n df u z z yc o n t r o l l i n gr u l e sa r eg e n e r a l i z e d a n df u z z yc o n t r o l l i n gt a b l ei sm a p p e db y “m a m d a n im a x - m i n t f u z z yr e a s o n i n ga n dc o g d e f u z z y i n gt h ec o n t r o l l i n gr u l ei se s t a b l i s h e dw i t hc o n s i d e r a t i o no ft h ec o u p l i n go f e n v i r o n m e n t a lf a t o r s ，s ot h em u l t i - f a c t o ri n t e g r a t i v ec o n t r o lo fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n ti s r e a l i z e db yt h ed e c o u p l i n gf u n c t i o no ft h er u l e s u s i n gt h em a n a bf u z z yt o o l b o xs y s t e m a sd e v e l o p i n gt o o l ，w h i c hi sc o n v e n i e n tt om o d i f yt h em e m b e r s h i pf u n c t i o n sa n dt h em l e s ， t h ef u z z yc o n t r o la r i t h m e t i cc a r lb ea c h i e v e de a s i l ya n dq u i c k l y i i t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f f u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e do nf o u n d a t i o no f e x t e n d i n g a n dp e r f e c t i n gt h eg r e e n h o u s ec o n t r o l l e rm c gw h i c hh a sb e e nd e v e l o p e db e f o r e t h e h a r d w a r es y s t e mi ss t r u c t u r e do nt h ec o r eo fm i c r o c o n t r o l l e rm c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 ，i n c l u d i n g s i g ni n p mm o d u l e ，l e dd i s p l a ym o d u l e ，k e y b o a r di n p u tm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， o u t p u td r i v i n gm o d u l ea n ds t a t em o n i t o rm o d u l et h es o f t w a r es y s t e mi sar t o s ，w h i c hi s e m b e d d e dal i o n p r e e m p t i v er e a l t i m ek e r n e lb a s e do nt i m es l i c ea n di n c l u d e se i g h tt a s k s i nt h ep r o g r a mo ff u z z yc o n t r o l l i n gt a s k ，t h es t o r a g ea n di n q u i r yo ff u z z yc o n t r o l l i n gt a b l e i sr e a l i z e db yd i m e n s i o ns w i t c h d u r i n gs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a t i o n ，t h eg r e e n h o u s ef u z z yc o n t r o l l e ro p e r a t e ds t a b l y a n da c h i e v e dt h ef u n c t i o no ff u z z yc o n t r o l l i n ga n df u l f i l l e dt h ed e m a n do fg r e e n h o u s e c o n t r o l ，s oi tc a nb eu s e di ng r e e n h o u s ea u t o c o n t r o ls y s t e md i r e c t l y ，t h er e a l i z a t i o no f f u z z yc o n t r o l l e ra d d san e wa p p l i c a t i o nf i e l d t of u z z yc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g ya n d e s t a b l i s h e sas t a b l et e c h n o l o g i cf o u n d a t i o no f m o d e mm a n a g e m e n to f g r e e n h o u s e k e yw o r d s ：g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t ，f u z z yc o n t r o l ，m i c r o c o n t r o l l e r , r t o s ，m a t l a b i i l 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料，与我同工作的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：堑熟 日期：q 塑型：摧 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文：提交论文一年后，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。 ( 保密的论文在解密鏖应遵守此规定) 签名：弱堡 导师签名 蚀瓤赴 绪论 1 绪论 温室是种为作物生长创造适宜环境的农业设施，是一个半独立于自然界大气候 的半封闭式人工生态系统，它可以避开外界种种不利因素的影响，创造更佳的环境气 候。近百年来，温室作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断提高， 在世界各地得到了广泛的应用。温室控制大致经历了“手动控制机械控制分 散电子控制多功能集中电子控制微机综台控制”等5 个发展阶段。近年来， 随着电子技术和信息技术的飞速发展，以微机为核心的温室环境控制系统得到了长足 的发展，并步入网络化智能化阶段l 。 1 1 温室自动控制系统概述 1 1 1 国内外温室自动控制系统的应用现状 温室自动控制系统是指能对温室环境因素，如温湿度、土壤水分、光照、c 0 2 浓度和檀物营养滚成分等进行有效控制，使植物最佳生长条件褥以满足的一套自动化 装置。通过各项设施的有效动作为温室作物创造一个最适宜的环境条件，可极大地减 小外界气候环境的不利因素对农业生产的影响。该系统是计算机技术、生物工程、自 动化技术和信息管理技术综台应用的结果。 早期的温室只能起到篙单的保护作用，如抵御低温冻害、遮风挡雨等。2 0 世纪 6 0 年代诞生了溢室自动控制系统，使温室不仪具有一般保护功能。还能促进作物生 长发育，改善作物品质。2 0 世纪8 0 年代初诞生了第一批温室控制计算机，此时的温 室除具有上述功能外，还可以对作物成熟( 开花) 期、株高等进行目标控制，使温室 作物更具商业价值。此后温室自动控铷系统便先在发达国家中广泛斑用，秸来各发展 中国家也都纷纷引进或开发出适合自己的系统【2 l 。 1 1 ，1 1 国外温室自动控制系统的应用状况 美国是最早发明计算桃的国家，也是最早将计算机应用于温室控制和管理的国家 之一。1 9 4 9 年，借助工程技术的发展。美国建成了世界上第一个植物人工气候室 “p h y t o t r o n ”，开展了包捶农作物在内的各种植物对自然环境的适应性和抗御能 模糊控制器在温室自动控制系统中的应用与实现 力的基础研究，对温室应用于农业生产进行了尝试。2 0 世纪8 0 年代初，阿鸟 ( r a i n b i r d ) 、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 等几家公司就合作开发了智能中央计算机灌溉控 制系统，并于9 0 年代在全美得到了广泛应用；开发的温室计算机控制与管理系统可 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，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进行控制， 啦满足生产和市场的需要。此外，美国己将全球定位系统g p s 、地理信息系统g i s 和遥感技术r s 等高新技术应用于温室生产。目前美国已有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 的农户运用网络技术。 以园艺业著称的荷兰从2 0 世纪8 0 年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制 系统，不断开发模拟控制软件。到8 0 年代中期已有5 0 0 0 多台计算机应用于温室，目 前荷兰拥有玻璃温室1 8 万多亩，占世界1 4 以上，有8 5 的温室种植者使用环境控 制计算机。种植者只需从软件公司购买温室控制软件，从化学公司购买营养液后，即 可按照不同作物的特点进行自动控制，从而满足作物生长发育的要求。 日本在8 0 年代中期应用于温室中的计算机就达到1 0 0 0 多台，到1 9 9 5 年达6 0 0 0 多台，还建造了世界上最为先进的植物工厂，采用完全封闭生产、人工补充光照，全 部由计算机控制，农业生产部门中计算机技术的普及率高达9 2 。日本的甜瓜农场 应用种新型的智能计算机系统，对7 个温室群进行管理，实现最佳控制。日本还在 鸟取县的沙漠地带进行了塑料大棚的蔬菜种植，取得了良好效果。北海道大棚盘育灌 水实现了自动化，可自行调节自动行走喷灌机的行走速度和喷水量，达到合理灌水的 目的日j 。近年来日本还研制了一种遥感温室环境控制系统，将分散的温度群与计算机 控制中心联结，能实现更大范围的温室自动化管理。 有“沙漠上的绿洲”美誉的以色列对农作物的灌溉采用了先进的滴灌和微喷灌技 术，在作物附近安装了电子传感器和测定水肥需求的计算机，在办公室里遥控，能使 水肥利用率达到8 0 9 0 ，使得原本资源匮乏的以色列成为沙漠上的蔬菜出口国。 另外英国、德晷、奥地利在温室计算机智能控制技术、遥测技术等方面也很先进。 1 1 1 2 国内温室自动控制系统的应用状况 2 0 世纪8 0 年代以来，我国先后从荷兰、以色列等国引进了四十多套大中型温室， 对于消化、吸收国外先进的温室生产经验起到了积极的作用，但是，由于引进的温室 价格和运行成本都很高，所以并未得到普及，我国科技人员也对温室的环境控制进行 2 绪论 了研究。 国内农业计算机的应用始于2 0 世纪7 0 年代中期，到8 0 年代初期计算机开始应 用于温室管理和控制领域。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，研制开发了温室控制与管理系统，并采用v i s u a lb a s i c 开发了基于 w i n d o w s 操作系统的控制软件。9 0 年代中后期，江苏理工大学毛罕平等研制开发 了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都侧重不 同领域，研究温室设施的计算机控制与管理技术。“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”中，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【4 j 。9 0 年代末河北职业技术师范学院的闫忠文研制了蔬菜大棚温湿度测量系 统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。中科院合肥智能机械研究所研制了“农 业专家系统开发环境一d e t 系列软件”和智能温室自动控制系统，能有效提高作物 产量、缩短生长期、减小人工操作的盲目性。北京农业大学研制成功“w j g 1 ”型实 验温室环境监控计算机管理系统，采用了分布式控制系统。河南省科学院自动化控制 中心研制了“g c s i 型智能化温室自动控制系统”，采用上位机加p l c 的集散式控制 方法，软件采用智能化模糊算法。中国农业大学设计研制的“山东省济宁大型育苗温 室计算机分布式控制系统”，实现了计算机分布式控制和变温模糊控制方法的结合， 在国内处于领先水平口j 。 可以看出我国温室自动控制系统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。但是由于我国的设施大多比较简单，大量的作业和 调整都要人工操作，环境因子调控程度较低，因此温室生产潜力和效率与国外的“工 厂化温室”生产相比尚有较大差距。 1 1 2 温室自动控制系统中关键技术的发展概况 完整的温室自动控制系统包括传感器、控制器( 含控制软件) 和执行机构，其关 键技术包括自动控制技术、传感器技术和环境控制设施技术。 模糊控制器在温室自动控制系统中的应用与实现 1 1 2 。1 温室自动控制技术 温室自动控制系统的核心是其控制技术，控制技术的优劣直接关系到整个系统的 控制效果。好的控制技术不但要为作物生长提供最佳的环境条件，还要使执行机掏的 能耗最低。 最初温室环境控制采用传统的控制方法，而传统的控制方法都要求建立被控对象 的精确模型，所以建立合适的温室环境模型就成了关键问题。建模的方法有两种j 。 1 ) 一种方法是以温室环境模式、作物生长模式为依据，通过对温室内传热介质 物理过程以及作物生理特性的分析，建立模型。1 9 6 3 年b u s i n g e r 采用热孚衡稳定状 态方法，由其他环境因素来确定温室内的空气温度，这是温室建模的一个里程碑【7 】。 1 9 7 1 年t a k a k u r ae t a l 对系统的边界条件进行了阐述，还涉及了内袭面冷凝和温度土 壤层的二维分析口j 。1 9 8 3 年，b o t 提出了一个较完善的模型，它包括三个主要的子模 型：光透射，热和物质交换以及控制函数州。1 9 8 5 年，t a n t a u 综合温室内外的温度、 光照、风速以及热水管的进出口温度，建立起温室数学模型，毙将温室系统控铝i 在设 定温度值上【。1 9 8 9 年，b a i l e y 综合考虑了保温幕对温度的影响，以及对整个加热 系统的经济型进行了分桥，提出了优化以后的温度控制范围 “l 。h e n t e n 用二阶线性 方程拟合非线性温室系统，对以前的线性模型进行了优化 l “。t 9 9 2 年s t a n g h e l l i n i 建 立了作物的蒸腾模型，在该模型中，不是设定环境控制因子温湿度，箍是设定作物的 蒸腾量，根据模型计算温湿度的组合，以期获得较好的作物品质”。1 9 9 3 年b o u la l d 和b a f f l e 用能量和物质平衡方程来描述温室环境，将温室系统分为五个组成部分：土 壤层、加热管道、作物、室内空气和温室大棚。它们之间的能量交换以及与外界的能 量交换包括：光照热辐射、长波热辐射、通风热交换、与大棚的热交换、人工加热系 统、与土壤的热交换以及植物的蒸腾作用，这是应用较多的一种模型f ”) 1 1 5 ) 。 2 ) 另一种方法是以自适应控制论和系统论为依据，将温室作为一个多输入多输 出的黑箱或灰箱模型来考虑，通过系统辨识方法建立模型。1 9 8 6 年，h e s k e n 针对新 西兰温室设计的数字控制系统能检测室内温度，并随光照、加热设备及降温设备的工 作情况丽变化，从而随时改变动态模型的参数h q 。1 9 8 9 年s i g r i m i s 推导和测试了一 个线性模型结构，将温室系统作为一个多输入多输出系统来跟踪和预测温室特性并采 用递推加权最小二乘估计算法进行参数估计。1 9 9 5 年n i e l s o n 介绍了一种确定温室 气温传递函数的方法，通过应用桥回归获得脉冲响应函数，从而得到r 整个温室的输 入输出特性“。1 9 9 6 年c h a o 将状态空间平均法用于开关控制系统的设计，采用平 4 1 绪论 均时间的温度反馈控制传统的单向两速通风风机。实验分析表明，温室内的温度更接 近于设定值，且温度的波动减小“”。1 9 9 7 年，b o a v e n t u r a 阐述了用于温室自适应气 候控制的动态温湿度模型实时参数估计方法口。 上述精确的数学模型虽然发挥了一定的作用，但它们要么仅适用于理论分析，要 么对系统进行了线性化处理，并且进行了高度简化，只能对单一要素( 如温度或湿度) 进行控制。随着智能控制的发展，一些先进的智能控制方法也被应用于温室控制。1 9 8 8 年，k a l r l o 阐述了一个应用专家系统的温室环境控制系统阱】。1 9 9 4 年，s e g i n e r 详细阐 述了建立温室神经翮络模型的方法闻。1 9 9 7 年s i g r i m i se ta l 在温室控制系统中引入 了模糊控制。叙述了温室环境的模糊逻辑控制方法】：1 9 9 8 年，g a t e se ta l 将模糊控 制应用于温室的加热控制和通风控制 驯，同年，p a u l os a l g a d oe ta l 在温室温度和c 0 2 浓度控制中使用了模糊控制器口“。1 9 9 8 年p d l n l i r e z a r i a se t a l 提出使用人工智能技术 建立温室优化控制约混合系统，在该系统中应用了遗传算法、模糊控制技术和神经网 络技术阳。 2 0 世纪9 0 年代，温室控制的研究基本趋于成熟，此间提出了温室的分级控制系 统。分级控制系统可以创造合适的温室气候条件。保证作物的良好生长发育以及最佳 产量输出。该模型分为三级，最高级( 第三级) 控制第= 级，第二级控制第一级，温 室环境控制是分级控制的第一级，其任务是测量和控制温室内的环境参数，一般采用 自适应控制系统或带有前馈与反馈的闭环控制系统。第二级控制是在线植物生长的优 化，有很多方案可以在这级上运作，例如光合作用和呼吸作用进程中的强度变化， 以及植物蒸腾过程中气孔阻力的变化等，都可以作为第二级子系统的输出变量以此 判断并控制作物的生长发育。第三级主要由产品计划、经济模型以及商业预测、病虫 害防治等组成的专家系统承担，一般可以离线运行口”。 可以看出，采用智能控制是温室自动控制系统发展的一个趋势，而且近年来开发 的温室自动控制系统也基本上都采用了模糊控制技术。 1 1 22 温室传感器技术 温室控制的依据是温室传感器检测到的信号，如果这个信号本身不可靠，那么按 个控制系统的可靠程度就无从谈起，因此温室传感器技术是温室控制中最为关键的技 术之一。温室传感器所要求的精度固然不高，但它的特殊性却给设计人员带来了挑战。 首先温室内长期高温离湿，由于施肥的原因，土壤及空气还会其有较高的酸碱性，这 模糊控制器在温室自动控制系统中的应用与实现 就要求温室传感器具有长久耐热、耐湿和耐腐蚀的特性。其次测试现场与控制器距离 通常较远，因此输出信号必须能够进行长距离传输。另外由于农产品价贱，因此温室 传感器的成本要低口”。国外的传感器技术比较成熟，不仅能实现对温室内温、瀑、光、 气、热、营葬液养分状况及植物根部环境温湿度等因子的检测，而且用于检测叶蕊积 指数、叶温、蒸腾量和长势等信息的传感器也已开始使用，这使得国外的温控系统自 动化程度和控制精度都很高。而目前温室传感器技术相对落后也正是我国温室控制技 术发展的主要障碍所在。我国在温室内c 0 2 检测方面的研究十分薄弱，这是我国c 0 2 施肥技术落后的主要原因；另外我国的土壤水分传感器多数还是开关量传感器，这使 得我国灌溉的自动化程度相对较低【“。 1 1 2 。3 环境控制设施技术 一套现代化温室递常包括下列环境控制设施：加热系统、通风系统、遮荫保温 内帘幕系统、外遮荫系统、c 0 2 施肥系统、空气循环系统、植物保护系统、高压喷雾 降温系统、湿帘风机系统、屋顶喷淋系统、补充光照系统、灌溉施肥系统、废液回收 消毒系统等。这些系统都需要大量的执行机构，它们同温室传感器技术样，也是温 室环境控制的关键技术。执行机构的材料、可靠性、寿命都将对接个控制系统的工作 状况产生重大的影响。以色列节水灌溉技术的关键便是其微米级的滴头和喷嘴，滴头 间距的合理选择决定系统灌水均匀程度，滴头的工作压力及喷嘴的设计不仅影响系统 流量及喷洒距离，还影响雾化程度，最终决定节水程度。目前我国在加热装霞、通风 装置、帘幕装置等执行机构方面与国外相差不大，但在灌水装置和c 0 2 施肥装置等 方面与国外尚存在一定的差距【“。 1 1 。3 温美蛊动控制系统的发展趋势 随着计算机技术和农业技术的进步以及市场对高质量农产品需求的逐步增加，温 室自动控制系统将会在高智能化、高可靠性、操作的方便性等方向得到进一步发展， 具体体现在以下几个方面： 1 ) 智能化 随着计算杌技术的不断发展，温室控制系统将由简单的以数据采集处理和监测为 主，逐步转向以知识处理和应用为主。现阶段温室控制系统的发展方向，除了不断完 6 1 绪论 善硬件控制设备外，主要是软件系统研究的深入和完善，其中以专家系统为代表的智 能管理系统已取得了不少研究成果。专家系统作为一种知识的载体。所表现出来的可 靠性、客观性、永久性及其易于传播和复制的特性，是入类专家所不及的。因此在处 理与解决某些领域问题时具有不可取代的重要作用。从这个意义上说，开发领域内的 专家系统不仅非常必要，而且应用前景非常广阔。 2 ) 网络化 近年来美国农户可以每月只花3 0 美元，通过互联网或购买光盘随意获取美国乃 至世界范围的有用信息，指导自己的生产，甚至可以通过在线服务系统( o n h n es e n i c e ) 进行咨询服务。因此有关专家提出了所谓“虚拟农业”( v i r t u a la g r i c u l t u r e ) 的新概念， 依此类推提出“虚拟温室”( v i r t u a lg r e e n h o u s e ) 的概念。随着设施农业的规模纯和产 业化程度的不断提高，网络通讯技术将在温室控制与管理中得到广泛的应用。随黄网 络通讯技术的发展，地区之间甚至国家之间可以通过互联网进行远程控制或诊断。我 国幅员广阀，气候复杂，种植模式多样，而且种植者专业水平相对较低，因此利用现 代化网络授术进行在线或离线服务，从长远观点看不仅有广阔的应用前景，而且是完 全有可能的。 3 ) 分稚式系统和现场总线控制系统 过去温室计算机控制蒙统基本上都采用了主机一一终端模式( h o s t t e r m i n a l m o d e ) ，该模式以台主机为控制中心，对其它各子系统进行控制管理，这种控制模 式不灵活，且投入较大。目前分布式系统是计算机控制系统的主要发展方向，该控制 系统采用了服务器客户模式( s e r v e r - c l i e n t m o d e ) 。最近国际上c a n 现场总线在 温室控制中的推广应用需引起关注，c a n 总线或以c a n 为基础的新型总线在欧美已 通过国家立法确定为农业机械的标准总线，因此在温室控制系统上的应用也是其发展 的一个趋势。 1 1 4 我国温室自动控制系统亟待解决的问题 从日前的研究情况来看，我国的温室控制系统科研水平与国外仍有报太差距，主 要表现在以下方面； 1 ) 基础研究薄弱 我国温室研究起步较晚，室内作物生长发育与环境因子关系等方面的研究薄弱， 可以提供的定性经验多，定量数据少这给温室自动控制系统的软件开发带来了不小 ， 模糊控铷器在温室昏瓤崩割系统中的应用与实现 的难度，这也整目前我国大型温宣基本上没有自己的控制软件的原因。 2 ) 对智能控技术的研究不够 在温室作物培育方面往往是专家经验多，而定量数据少，这是其不同予工业控制 的地方，在这种条件下要保证控制效果，就必须充分利用专家经验，最好的解决方法 就是引入模糊控制。我国在这方面的理论研究已经比较成熟的，但将其应用于温室自 动控制的研究还不多觅。 3 ) 对气候及作物多样性的研究不够 我国作物多样性和气候多样性都非常明显，国外的气候条件与我国存在很大差 异，即使是在我国本土范围内南北差异也很大，不同地区的同一作物或是厨一地区的 不同作物对环境要求的差异也很大。国外的温室自动控制系统不可能考虑到我国的气 候和作物生长条件，因此应用到我国后出现了“水土不服”现象：国内自行研制的系 统也常常因为镊难兼顾到这些多样性而在控制效暴上大打折扣。 4 ) 缺乏温室优化控制软件。 目前我国引进的温室控制系统运行费用高，而嚣内自行研制的控制系统又缺乏相 应的优化软件，大多数仍使用单嗣子开关嚣进行环境因子的调节。而实际上，温室内 光照量、气温、地温、湿度及c 0 2 浓度等环境参数是相互联系，彼此影响的，因此 结合温室内的物理模型、作物的生长模型和温室生产的经济模型，开发出一套与我国 温室生产现状相适应的温室环境多因子自动控制优优软件是非常重要的嘲。 5 ) 廉价易用的温室自动控制系统不多 目前市场上提供给种植户的控制系统普遍存在价格高、操作复杂等问题，从国外 进口的系统更是如此。丽我国的太多数温室都是中型或小型，种植户专业程度不高， 经济能力有限。因此如何针对我国这些中小型种植户开发出方便、廉价、实用的自动 控制系统，是救内开发人员应当慎重恳考的问题。 1 2 模糊控制的发展概况 模糊控制是以模糊集合论为基础，基于模糊逻辑推理，以人的经验和知识为依据， 模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实掩的一种控制。它是模糊数学 同控制理论相结合的产物，同时也是智能控制的重要组成部分口1 】。 绪论 1 2 1 模糊控制的产生背景 自2 0 世纪6 0 年代以来，现代控制理论己经在工业生产、航空航天等多方面取得 了成功的应用，但其基础是需要建立精确的数学模型。然而由于一系列原因( 如被控 对象的非线性、时变性、强耦合等) ，往往不可能建立被控对象的精确数学模型，蔼 通常只能测得其参数闯的模糊关系，因此采用传统的控制方法还不如一个有实践经验 的操作人员所进行的手动控制效果好。 1 9 6 5 年，美国控制论专家l a z a d e h 教授在仔细研究人脑思维之后，突破了德国 数学家g c a n t o r 创立的古典集合中非此朝彼的二值概念，提出了能够表征人类思维中 模糊概念的方式隶属度函数，发表了题为f u z z ys e t 的论文p “。l a z a d e h 教 授这一开创性的工作，为人类模拟人的思维解决复杂问题提供了新的数学工具，标志 着数学的一个分支模糊数学的诞生。 自从乙a ，z a d e h 教授创立模糊数学以来许多学者对模糊语言变量及其在控制中 的应用进行了探索和研究。1 9 6 6 年，p n m a r i n o s 发表了模糊逻辑的研究报告，真正 标志着模糊逻辑的诞生。1 9 7 3 年，l a z a d e h 教授又给出了模糊逻辑控制的定义和定 理，为模糊控制奠定基础m 1 。1 9 7 4 年，英国的e h m a m d a n i 酋先利用模糊控制语句 组成模糊控制器，并将其用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功【3 4 】。这一开拓 性的工作，标志着模糊控制论的诞生。 1 2 2 模糊控制发展的二个阶段 自从1 9 6 5 年l a z a d e h 教授提出模糊集食理论以盾，模糊控制无论在理论上还 是在工程应用上都取得了很大的发展。其发展阶段大致可分为以下二个阶段。 1 2 2 1 基本模糊控制器 基本模糊控制器是按一定的语言控制规则进行工作的，两这些控制规则是建立在 总结操作者对过程进行控制的经验基础之上，或设计者对某个过程认识的模糊信息归 纳基础之上，因而它适用于控制不易获得精确数学模型和数学模型不确定或多变的一 类对象【“。 基本的模糊推理具有以下形式【3 5 】： 9 模糊控毒器在温室自动控制系统中的应用与实现 r ：i f 置i s ，x 2i sa ；a n d 矗i s ，t h e nyi sb ( 其中一：和均为模糊量) 1 9 8 5 年，t a k a g i 和s u g e n o 提出了t - s 模型，规则输出段采用线形集结方法： r l ：i fx l i s 群，x 2 i s4 a n dhi s ， t h e ny = c ：而+ 矗x 2 + - - + x 。 这类模糊系统采用局部线形环节整体实现非线形，形式简单，易于工程应用叫i 。 1 9 9 2 年，w a n g 提出基于模糊基函数f b f ( f u z z yb a s i cf u n c t i o n ) 的模糊系统， 这类系统具育重心平均非模糊化机制、乘积推理规则及单僮模糊化机制”7 1 。 1 9 9 4 年，k o s k o 提出了标准加型s a m ( s t a n d a r da d d i t i v e m o d e l ) ，这类系统结构 类似于f b f ，但它从映射的角度去研究模糊系统，其有更广泛的应用范围口”。 1 2 2 2 自适应模糊控制器 对于些复杂的被控过程，人们很难精确完整地总结出操作者的操作经验，致使 控制规则比较粗糙，不完善，从穗势必影响控制效果；另一方面，即使控制规则总结 得比较完善，但由于被控过程在运行中工况变化，始终按组控制规则对其进行控制， 也不可能取得理想的控制效果。 为了克服基本模糊控制器的缺陷，基于基本模糊控制器研制出一种自适应、自组 织、自学习的模糊控制器，试图吸取人脑对复杂对象进行随机识别和判决的特点口9 1 。 自适应功能模糊控制器的杰出代表是自组织模糊控制器( s o c ) ，它是由p r o c y k m a m d a n i 于1 9 7 9 年提出的。s o c 的思想就在于在线或离线调节模糊控制规则的结构 或参数，使之趋近于最优状态1 4 0 1 。1 9 9 0 年，日本著名的神经网络专家甘利俊一发表 了他对神经网络与模糊技术相结合的看法1 4 ”，k e l l e r 于1 9 9 2 年提出利用神经厕络实 现模糊逻辑推理的方法p “，同年，y a g e r 提出利用神经网络实现模糊控制的方法t 4 ”。 神经网络为模糊控制提供了一种比较好的结构体系，采用神经网络解决模糊控制中的 结构与参数调节问题以及实现模糊控制的自适应能力是一种很好的方法。近年来，基 于神经网络的模糊控制器的研究已成为热点。1 9 9 3 年，k a r r 将遗传算法应用于模糊 控制，采用遗传算法对隶属度函数参数进行调节m 】。由于遗传算法具有并行搜索、全 局收敛等特点，可以解决一般模糊控制器中隶属度函数及控制规则的参数调节问题， 1 绪论 所队近年来也开始研究基于遗传算法的模糊控制器。 12 3 模糊控翎的应用概述 模糊控制理论是控制领域中非常有前途的一个分支，在工程上也取得了很多成功 的应用。1 9 7 4 年英国的e h m a m d a n i 首次地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制， 取得了满意的控制效果；随后