（电路与系统专业论文）智能温室监控系统的研究与设计.pdf

摘要 一嘲卿卿 温室是现代农业发展的重点之一，也是设施农业的重要组成部分，它能在多变的自然条件下 为作物生长提供一个适宜的环境，从而缩短作物的生长周期，增加经济效益。温度和湿度是温室 内最重要的两个环境因子，它们之间存在着强耦合、非线性关系，增加了控制的难度。通过对国 内外设施农业现状以及温室温、湿度控制算法的总结，本文设计实现了智能温室监控系统。 温室小气候建模是实现温室控制的关键之一。本文首先分析了温室环境主要热力学过程，分 别建立了温室小气候温度、湿度模型。根据模型反映的信息，把潜热交换量作为温湿度解耦的中 间变量。此外，为实现在温室整体监控结构上分布控制、集中管理，本文对智能温室监控系统进 行了整体结构的设计，包括模块化的温室因子采集器和控制器等，并对其硬件进行选型以及控制 器、采集器中的数据进行了处理。 本文通过对温湿度耦合关系的分析，设计了基于模糊p i d 的温湿度控制器。其中，温湿度解 耦控制器是依据湿度变化对温度的影响，将湿度变化时所产生的空气热量值反馈到温度控制的输 入量中，使温度在原来设定的基础上得到了一定量的补偿后再通过控制器进行调控。同时本文还 采用了将模糊控制器与p i d 控制器相结合，使系统即有p i d 控制精度高的优点，又具有模糊控制 的灵活、适应性强等特点。利用m a t l a b 软件仿真，对系统控制器进行了仿真，仿真结果反映 出温湿度解耦控制器的动态响应曲线效果好，超调量小，稳态精度高，能达到理想控制效果。 采用面向对象技术，运用v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 作为程序开发的环境，用p o s t g r e s o l 数据库对 各种数据进行存储。用饼语言进行软件编程，根据实际要求构建了相应的系统监控平台。采用 模块化结构设计，实现了系统状态设置、控制参数设定、实时采集监控、实时数据曲线、历史数 据的查询以及控制等功能。 最后，论文对所取得的成果和结论进行了总结，并对未来工作进行了展望。 关键词：温室控制，温室模型，模糊p i d 控制，远程监控 a b s t r a c t t h e g r e e n h o u s ei so n eo ft h ek e yd e v e l o p m e n to fm o d e ma g r i c u l t u r e ，b u ta l s oa ni m p o r t a n tp a r to f a g r i c u l t u r a lf a c i l i t i e s c h a n g i n gn a t u r a lc o n d i t i o n s ，i tc a l lp r o v i d eas u i t a b l ee n v i r o n m e n tf o rc r o p g r o w t h ，t h e r e b yr e d u c i n gt h ec r o p sg r o w t hc y c l ea n di n c r e a s ee c o n o m i cb e n e f i t s t e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ya r et h et w om o s ti m p o r t a n te n v i r o n m e n t a lf a c t o ri nt h eg r e e n h o u s e ，t h es t r o n gc o u p l i n gt h a t e x i s t sb e t w e e nt h e ma n dn o n - l i n e a rr e l a t i o n s h i p ，i n c r e a s i n gt h ed i f f i c u l t yo fc o n t r 0 1 b yas u m m a r yo f f a c i l i t i e sf o ra g r i c u l t u r a lp r e s e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a da sw e l la st h eg r e e n h o u s et e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yc o n t r o la l g o r i t h m ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t si n t e l l i g e n tg r e e n h o u s ec o n t r o l s y s t e m g r e e n h o u s ec l i m a t em o d e l i n gi so n eo ft h ek e yg r e e n h o u s ec o n t r 0 1 t h ep a p e rf i r s ta n a l y z e st h e m a i nt h e r m o d y n a m i cp r o c e s so ft h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t ，n a m e l yt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e g r e e n h o u s em i c r o c l i m a t et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ym o d e l a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o nm o d e l r e f l e c t st h e l a t e n th e a te x c h a n g ec a p a c i t ya st h ed e c o u p l i n go ft h ei n t e r m e d i a t ev a r i a b l e so ft e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t y i na d d i t i o n ，i no r d e rt or e a l i z et h eo v e r a l lm o n i t o r i n gi nt h eg r e e n h o u s es t r u c t u r ed i s t r i b u t i o n c o n t r o l ，c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h eg r e e n h o u s em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ew h o l e s t r u c t u r eo ft h ed e s i g n i n c l u d i n gm o d u l a rg r e e n h o u s ef a c t o rc o l l e c t o ra n dc o n t r o l l e re t c ，a n dt h e s e l e c t i o no fh a r d w a r ea n dt h ed a t ac o n t r o l l e r , t e r m i n a lt od e a l t h i sa r t i c l et h r o u g ht ot h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo ft h ec o u p l i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e na n a l y s i s ， d e s i g no ff u z z yc o n t r o l l e rb a s e do np i dt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y a m o n gt h e m ，t e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yd e c o u p l i n gc o n t r o l l e ri sb a s e do nh u m i d i t yc h a n g e so i lt h ei n f l u e n c eo ft h et e m p e r a t u r e t h e a i rh u m i d i t yc h a n g e sc a l o r i cv a l u eo ff e e d b a c kt ot h et e m p e r a t u r ec o n t r o li n p u ts ot h a tt h et e m p e r a t u r e i nt h eo r i g i n a ls e to nt h eb a s i so fac e r t a i na m o u n to fc o m p e n s a t i o na f t e rt h er e g u l a t i o na n dc o n t r o lb y t h ec o n t r o l l e r m e a n w h i l e ，t h ea r t i c l ea l s ou s e dt h ef u z z yc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e rc o m b i n i n gt o m a k et h es y s t e mn o to n l yh a st h eh i g ha c c u r a c y , b u ta l s oh a st h ef l e x i b i l i t y , a d a p t a b i l i t y , a n do t h e r c h a r a c t e r i s t i c s u s i n gm a t l a bs o f t w a r es i m u l a t i o n ，a n dt e s t e dt h es y s t e mc o n t r o l l e r , t h et e s tr e s u l t s r e f l e c tt h ed y n a m i cr e s p o n s ec u r v eo ft h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yd e c o u p l i n gc o n t r o l l e ri sg o o d ，s m a l l o v e r s h o o t ，s t e a d ys t a t ea c c u r a c 5a n da c h i e v et h ed e s i r e dc o n t r o le f f e c t u s i n go b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y , u s i n gv i s u a ls t u d i o2 0 0 8a sp r o g r a md e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ， u s eav a r i e t yo fd a t at op o s t g r e s q ld a t a b a s es t o r a g e s o f t w a r ep r o g r a m m i n gi nc 撑l a n g u a g e ， a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr e q u i r e m e n t st ob u i l dt h es y s t e mm o n i t o r i n gp l a t f o r m m o d u l a rs t r u c t u r ed e s i g n ， r e a l i z a t i o no ft h es y s t e ms t a t es e t t i n g , c o n t r o lp a r a m e t e r ss e t ，c o l l e c tr e a l - t i m em o n i t o r i n g ，r e a l - t i m e d a t ac u r v e ，h i s t o r i c a ld a t aa r i dt h ei n q u i r ec o n t r o le t c f i n a l l y , t h ep a p e ro nt h eo b t a i n e d r e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da n df u t u r ew o r ki s p r o s p e c t e d k e yw o r d s ：g r e e n h o u s ec o n t r o l ，g r e e n h o u s em o d e l ，f u z z yp i dc o n t r o l ，r e m o t em o n i t o r i n g 1 i 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着社会经济的不断发展，设施农业是农业可持续发展的重要途径，世界各国越来重视它。 耕地是其中非常珍贵的资源，为了在耕地资源的使用过程中实现效益最大化，采用高新产业技术 来改造传统农业毫无疑问的成为促使农业发展前进的必经之路。温室系统在这样的大环境下产生 了，它综合使用了各种先进的设施、先进的技术等，来模拟作物生长发育的气候条件。为营造一 个有利于作物生长发育的最适宜的环境，温室系统消除了许多不利于作物生长发育的环境因素， 同时能缩短作物生长周期，让作物的生长不受地域、气候等因素的影响，以提高作物内在的品质。 通过对温室生产科学的管理，能最大限度的提高土地产出率，劳动生产效率和资源利用效率， 促使经济效益和社会效益达到最佳，这中生产模式与传统农业生产模式完全不同。因此，我们可 以看出温室的生产控制是现代温室生产所必需的功能，唯有依托先进的科学生产技术，对温室内 的各个环境因素进行有效的监测、控制，才能给温室内的作物营造最适宜的生长环境。 影响智能温室系统的环境因素有很多，较常见的影响因素主要是：室内环境温湿度、室内土 壤温湿度、室内光照强度和室内二氧化碳浓度等。 ( 1 ) 温室是影响作物生长发育的各环境因素中最重要的因素之一，它影响着作物生长发育 中的一切生理变化。因此，对温度的适当控制是提高作物生长速度和质量的重要途径。 ( 2 ) 湿度的控制与温度有一定的耦合关系，对其中一个因子的控制常会带来另外一个因子 的变化，因此，在温室控制中一定要综合考虑这些耦合性。 ( 3 ) 植物生长发育的关键条件之一是光照，没有光照，植物就不能进行光合作用，进而影 响植物的生长发育，温室内外的太阳辐射照度有着显著的关联，比起室外的光照度，室内的光照 度在数量上明显减少。因此，当温室内自然光照度无法满足作物的生长要求时，需人工进行补光。 ( 4 ) c 0 2 浓度也是影响植物光合作用的重要因子，若c 0 2 浓度不足，则会直接影响作物的 生长发育。充足的c 0 2 浓度能提高幼苗的素质，促进生长发育，改善产品品质，抑制、减轻病害 的发生。 1 1 国内外温室控制技术的发展概况 温室环境控制技术是影响现代温室优劣的重要因素之一，它随着过程控制技术、自动检测技 术、计算机技术、通讯技术的发展而发展起来的。把与温室有关的环境参数的数值( 如温度、湿 度、光照强度等) 采集到计算机，并按照一定的控制规则驱动执行机构( 如风机、湿帘等) 从而 达到人工控制温室环境的目的。 1 1 1 国外温室控制技术发展 智能温室控制系统已逐渐成为温室控制的发展方向，由计算机控制的智能温室现已成为现代 温室发展中的主要趋势，它的功能体现在以先进的技术借助现代化措施，人为的控制各个环节参 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 数( 例如温度、湿度、二氧化碳浓度以及光照强度等) 的变化情况f 。国外在这方面发展的较快 并且积累了丰富的经验，每个国家都把一些先进的技术应用在温室系统中，不但实现了温度、湿 度等环境参量的自动控制以及相关数据的采集，而且还加强了对多环境参量的综合技术的研究。 把智能温室控制的水平提高到了一个新的高度，提高了智能温室控制的智能化，并指出了当今温 室系统的发展方向【到。 国外对智能温室环境监控技术的研究【3 4 】开始于2 0 世纪6 0 年代。先是采用模拟式组合仪表来 采集温室现场的信息并记录、，指示和控制。后来，开始研究计算机在温室气候控制中的应用，分 布式控制系统在8 0 年代末期出现了。目前，世界各个国家的温室监控技术发展的非常快，它们 正在全力开发和研制利用计算机技术来采集多因子数据，达到综合控制温室系统的效果。部分国 家在已经实现的自动化温室控制的基础上，逐步朝着完全自动化和无人化管理的方向发展。 日本对蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、滴灌、喷药等作业的自动化、无人化方面进行了 大量的研究。其中，日本在利用计算机监控温室各环境因子中，采用的主要方法是把各个作物在 不同生长、发育时期所需的环境条件设置到计算机程序中，当其中某一个环境因子发生变化时， 其它的影响因子自动做出相应的调整和修正。日本的f i e l d s e r v e r ( 现场服务器) 系统，是一种基 于嵌入式系统的多传感器数据采集设备，它不但可以连接多种传感器，而且能在内部集成微型摄 像机，可同时采集温湿度等环境信息以及图像视频信息，利用t c p i p 协议把采集到得数据发送 到中央服务器上。这种f i e l d s e r v e r 还可以使用电池供电，它有体积小、耗电少、功能强等特点， 便于架在野外来工作。 目前，荷兰有5 个制造温室的大公司，不但在温室的机械化和自动化方面以及采后处理方面 制造设备技术的水平高外，而且在计算机智能化和温室环境监控方面占世界领先地位，其配套温 室设旋在出口额上居世界贸易的8 0 t 5 1 。可以看出，荷兰温室在运行上由计算机来控制和操作， 把计算机和精细控制等结合起来运用到温室控制中。由于其配套的设施齐全，配备加热升温系统 ( 以燃烧天然气为主) 、二氧化碳的旅肥系统、通风换热系统、湿帘、营养液的灌溉系统以及人 工光照系统等，它的温室内的环境控制以及灌溉水、肥控制已经全面进入自动化。利用计算机采 集到每个时刻环境因子变化的数据，对这些数据自动进行在线处理、分析以及自动调控，实现了 温、水、光、气等的自动化监控。温室管理人员只负责购买并安装相关的温室监控系统的软件以 及硬件后，就可以实现温室监控的智能化和自动化，这不仅为作物生长发育提供了一个最适宜的 生长环境，而且也让资源效益以及生产效益合理的达到了平衡。荷兰利用计算机智能监控技术， 已经开发研制了关于温室气候监控方面，主要是番茄、黄瓜等发育生长的模拟型软件1 6 , 7 ，并逐步 向实用化发展。 美国g r e e n a i r 公司生产的g h c l 0 0 模型温室控制器，具有全方位的控制能力，可以实现从 简单的低成本通风控制到全方位的温室控制，为作物生长提供最优的环境。该温室控制主要靠其 前面板的数字设置键，供用户进行监控进程和设置，且允许用户进行远程监控和数据记录。站在 全球经济发展的角度，从现代温室发展的状况分析，在今后一个时期，现代温室将以节能环保和 改善工作条件为核心，广泛深入的应用新技术、新材料和新工艺，以求在更高层次上的提高，稳 步持续的发展。 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 国内温室控制技术发展 我国对温室监控技术的研究相对比较晚，开始于2 0 世纪8 0 年代。我国的工程技术研究人员 在对发达国家温室监控技术研究的基础上，掌握了人工微机控制气候的技术，但该技术还存在缺 陷，它仅仅只针对温湿度和二氧化碳浓度等单项环境因子进行控制。 2 0 世纪9 0 年代初期，中国农科院气象研究所、蔬菜花卉研究所研制并开发了温室环境监控 与管理系统【8 j ，并采用v i s u a lb a s i c 语言研发了基于w i n d o w s 操作系统的监控软件。其中，中国农 业工程设计研究院和北京工业大学一起研究了温室环境参量分级监控系统，该系统的实质就是通 过一个单片机系统来控制八间温室中的温湿度以及光照强度，该系统中的p c 机仅仅只储存检测 的数据及完成一些简单的管理工作。因此，这种控制很简单。比如它在控制温度上只有两种方式： 升温( 加热器) 和降温( 风机) 。此外，它的控制属于集中控制模式。所以，整个系统的经济性 以及可靠性都不高，作物在生长环境中调控环境因子的能力很低，这样使得在与国外工厂化的蔬 菜生产相比，我国的温室生产的潜力和效率还存在很大差距。 到了9 0 年代中后期，在对国外温室设备的配置、温室栽培的品种以及栽培技术等各方面进 行了研究的基础上，我国自主开发了一些具有研究性质的温室环境监控系统。1 9 9 5 年，中国农业 大学成功开发了“w j c 1 型实验温室环境监控计算机管理系统”，此系统属于小型的分布式采集 数据监控系统。1 9 9 6 年，江苏理工大学的毛罕平等成功研制了利用工控机来管理的植物工厂系统。 此系统能对温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、施肥等方面进行综合的监控，是目前国产化温室 控制技术中较典型的科研成果。 从总体上看，我国的温室设施计算机应用，正在从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合 性应用阶段过度发展【9 l 。温室监控技术正沿着手动到自动，自动到智能化的进程快速的发展，朝 着更先进、功能等更完善的方向快速的发展。从这点可以得出，基于作物生长的模型、温室综合 环境因子分析模型、温室环境因子自动采集系统的智能化监控，是温室监控技术向着智能化发展 的大势所趋。 1 2 研究的目的及意义 对我国这样一个拥有1 3 亿人口而入均耕地面积只有世界平均水平的1 3 的人口大国来说，耕 地资源是非常珍贵的，因此使用耕地资源的过程中体现效益最大化是非常重要的【1 0 l 。温室的生产 综合的运用了各种先进的技术、先进的设旌，人为的创造出各种作物生长发育过程中最适宜的生 长环境条件，从而提高了单位面积上耕地的年产出率。然而，我国传统的温室栽培技术智能化相 对较低，栽培工作相对落后，根本满足不了实际需求。此外，由于我国辽阔的地域，各地气候条 件、自然条件差异非常大，致使温室中所需研究的环境影响因素复杂、多样。我国在涉及到热、 气、光、水等环境因子的综合研究中尚有欠缺，并且在温室智能化问题上的研究落后于发达国家， 国内的很多温室仍然依靠培育人员的经验进行单个因子的控制，因此加强环境参量综合控制技术 的研究是必要的。 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 曼曼皇鲁量曼皇鼍量曼曼曼皇曼墨曼量皇曼邑量曼曼量曼曼曼曼舅曼曼曼舅皇舞i 舅舅曼曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼寡曼曼曼蔓景曼曼鼍舅量曼皇曼鼍量皇曼曼笪笪皇 1 3 温室环境智能控制算法 温室智能监控系统是通过控制算法对采集来的环境因子值进行调节后再驱动执行机构的过 程，控制算法在很大程度上决定着智能控制系统的性能。近年来在温室控制系统的应用中其控制 算法不断的在传统控制算法中加以改进。 ( 1 ) p i d 控制算法：p i d 控制算法是在传统工业中应用最广泛的控制算法之一，它具有原理 简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定较简单等优点。它可以将输入的偏 差值，按比例、积分或微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，并将其结果用于输 出控制。位置型p i d 控制算法是通过把基本的p i d 控制算法离散化得到的，而增量型p i d 控制算 法是通过位置型p i d 控制算法变化得到的。由此得到，采用步进电机作为执行机构的系统一般要 用增量型p i d 控制算法，而对控制精度要求高的系统一般则采用位置型p i d 控制算法【1 l 】。 ( 2 ) 改进的p i d 控制算法：常规的p i d 控制器参数不容易在线调整，而且容易产生超调， 抗干扰能力差，不能满足现代温室环境智能控制的要求。为了弥补以上不足，提高控制的精度， 研究人员将p i d 控制算法进行了改进，比如积分分离的p i d 控制，即当偏差较大的时，取消积分 得作用；当偏差较小时再将积分作用投入1 1 2 】。不完全微分的p i d 控制，它可以实现对时滞对象的 有效控制，有较好的抗干扰性和鲁棒性【1 3 1 。变速积分的p i d 控制，即通过改变积分项的累加速度， 可以有效避免p i d 控制中积分作用引起的超调，能提高调解品质【1 4 1 。此外，对p i d 控制的改进还 有微分先行型p i d 控制，单神经元自适应p i d 控制，带死区的p i d 控制，融合型智能p i d 控制 等等。 ( 3 ) 模糊控制算法：模糊控制无须知道被控对象的精确数学模型，它是用模糊数学的知识 来模仿人脑的思维方式，对模糊现象进行判决和识别，并根据栽培者的经验或者研究人员的实验 结果得出模糊控制规则，通过模糊逻辑推理完成控制决策的过程，对被控对象进行控制【1 5 】。 ( 4 ) 改进的模糊控制算法：模糊控制比常规的比如p i d 控制相比具有调节速度快、鲁棒性 好等优点，由于其稳态精度欠佳，因此这也是需要改进的地方。研究人员为了能更好的利用模糊 控制的优点，弥补模糊控制的不足，提出了多种改进的模糊控制器。例如：复合型模糊p i d 控制 器，即将模糊控制器和p i d 控制器并联在一起，对阀值进行调节，当在大偏差时用模糊控制器， 当小偏差时用p i d 控制器，使系统既有模糊控制器的灵活，自适应强的特点，又具有p i d 控制器 稳态精度高等特点【l 刨。参数自整定模糊p i d 控制器，即将偏差和偏差的变化率利用模糊控制规则 调整p i d 的三个参数，并实时的进行修改，确保系统的优化运行后，使系统满足技术性能指标【1 7 】。 ( 5 ) 神经网络控制算法：2 0 世纪8 0 年代末期，神经网络控制逐渐发展起来并成为自动控制 领域的前沿学科之一。它是智能控制领域一个新的分支，在解决复杂的非线性、不确定、不确知 系统的控制问题上开辟了新途径。顾名思义，它是由许多神经元按照一定的拓扑结构相互连接的 网络结构。复杂的非线性映射问题可以通过3 层b p 神经网络逼近任一连续函数来解决【1 8 】。神经 网络算法一般不需要精确的数学模型，它具有良好的非线性映射能力，自适应能力，联想记忆能 力和容错性能。神经网络算法的稳定性分析与权值有关，若选择不当会出现收敛速度很慢甚至不 收敛的现象。因此，如果要对系统进行优化控制，必须将神经网络算法与其它控制算法结合起来 使用1 1 9 - 2 1 1 。 4 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 由于温室控制系统是一个有着非线性，大滞后、多输入和多输出等特点的复杂系统，单一的 控制算法很难满足温室控制系统的要求，因此必须对传统的控制算法加以改进，将两种或者两种 以上控制算法相结合，互补优缺点，以此来提高智能监控系统的性能，为温室内作物创造出良好 的生长环境。 1 4 论文的主要内容 考虑到对温室环境控制系统有许多的干扰因素，所以设计控制系统是一个重要的问题。只有 有效、合理的设计控制系统，才能在最大程度上体现环境因子调控的优势，即具有误差小与稳定 性强的特点。本文针对这个问题主要做以下几方面的工作： ( 1 ) 通过阅读大量的国内外文献，对国内外温室控制系统的发展、控制算法的发展、农业 的现状作了介绍，并分析了温室监控系统的发展趋势。对温室监控系统的构成和特点作了阐述， 并对现有温室监控系统所采用的控制策略进行了总结和分析。 ( 2 ) 介绍了影响温室环境的主要因素，并对其中温度、湿度的耦合关系进行理论分析。研 究温室环境中的主要热力学过程，分别建立了温室小气候温度、湿度模型，并分析了温室控制的 特点。 ( 3 ) 提出智能温室监控系统的总体方案，根据系统的总体方案对智能温室监控系统的硬件 进行了研究与设计。 ( 4 ) 分别介绍了p i d 控制和模糊控制的原理，优点和不足。同时，根据模型中对温湿度耦 合关系的分析，设计了基于模糊p i d 温湿度解耦控制器，并利用m a t l a b 软件进行了仿真。 ( 5 ) 利用甜技术构建了一个智能温室监控平台，在此平台中包括登陆、查询、控制等模块， 有效完成对温室运行状态的监控，能及时有效监测温室内的环境参量，及时发现问题排除隐患。 1 5 本章小结 本章简单介绍了温室控制系统的发展历史和概况，总结了当前温室控制系统在国内外研究现 状与发展趋势。提出了本文的研究目的及意义，并对全文内容的安排作了一个简要的介绍。 5 宁夏大学硕士学位论文 第二章温室监控系统的热环境模型 第二章温室监控系统的热环境模型 遗传和环境两大因素决定着农业生产力的发展。其中，遗传因素决定着农业生产力的潜势， 而环境因素则决定着这种潜势能够发挥兑现的程度。农作物伴随着品种、生长发育的阶段以及昼 夜更替的生理活动的变化，对环境的要求也在不断变化。影响温室中作物生长发育的环境因素有 很多，其中主要有温湿度、光照强度和c 0 2 浓度等，在整个农作物的生育期中，为了使各环境因 子尽可能的满足农作物的需求，同时能够使农作物达到优质、高产及低耗的效果，这需要采取适 当的措施进行调节，使温室内的这些影响环境的因素在很大程度上符合作物的需求。而温室环境 监控涉及诸多领域，要比普通的工业环境监控复杂的多。温室环境监控也是一项综合性技术，因 此要为温室中的作物创造一个适合其生长发育的最佳的环境条件，先要熟悉温室环境的特点及要 求，后制定温室监控系统的总体设计方案、控制策略并付诸实施。 温室又称为暖房，它可以模拟作物生长所需的气候条件，创造人工气象环境，可提高作物的 产量，增加经济效益。温室作物的生长和发育不但受内在遗传特性的影响，而且也受作物外部环 境条件如温湿度等环境因素的影响。因此对这些环境因子进行优化调控，把它们维持在适合于作 物生育的范围，来获得优质、高产和低耗的目的。 2 1 影响温室环境的主要因素 2 1 1 温度 温度是影响作物生长发育的最重要的环境因素之一，它对作物生理性的变化有一定影响，是 维持作物生长发育的最基本要素。不同的作物都有其各自的温度要求，即最低温度、最高温度和 最适温度瞄】。作物的这三个基点一般与作物的生产地有密切的联系，喜凉作物一般原产于温带地 区，它发育的最适温度约为2 0 * ( 2 左右；耐寒作物一般原产于高山和冷凉地区，它发育的适宜温度 约在1 0 - 1 5 左右；喜温作物一般原产于热带地区，它发育适宜温度约在2 0 3 0 c 左右。因此， 可以看出大多数作物发育速度与温度呈线性正相关的关系【2 3 l 。 2 1 2 湿度 温室内部由环境湿度和土壤水分含量共同构成作物的湿度环境，作物的生长和发育受此湿度 环境的影响。即温室内作物对水分的要求也就是对空气湿度、土壤湿度的要求。当温室内环境湿 度在5 5 9 0 范围内，此时环境湿度对作物发育生长的影响较小。当环境湿度过低时，能够阻碍 细胞的分裂，影响细胞的伸长，导致作物毛孔关闭，c 0 2 交换下降，光合作用也显著下降，从而 影响作物干物质积累。当环境湿度过大时，能够引起多种病害，因为病原抱子的形成、传播、发 芽与侵害各阶段均需高湿条件。且环境湿度过高，还能抑制作物的蒸腾作用，影响作物吸收养料 和水分。温室内的环境湿度由蒸腾作用以及土壤蒸发影响。当作物处于旺盛的生长期时，在温室 6 宁夏大学硕士学位论文 第二章温室监控系统的热环境模型 密闭的环境中作物能够利用蒸腾作用释放大量水蒸气，此时叶面积指数高，室内的水蒸气快速达 到饱和，与室外相比，室内的环境绝对湿度以及相对湿度明显较高。同时，温室内环境湿度还受 天气、采暖、通风、换气等因素影响。 不同的植物对湿度的要求不同，即便是同一种植物在不同发育期的不同阶段对湿度的要求也 不相同，因此在温室中应该考虑到湿度的控制问题。温室中的湿度控制指的是对温室中的空气湿 度和土壤湿度进行调节，使其达到满足作物生长的要求【2 4 1 。 2 1 3 光照强度 光照也是影响作物生长发育的关键条件之一。没有光照，就谈不了植物的生长，光照不足， 必会影响植物的生长发育。太阳光光照也是外界对温室中环境影响的主要原因之一，它直接影响 着温室内的环境温湿度、基质温湿度、作物的光合作用以及呼吸作用等等。光照强度直接影响着 农作物的光合作用以及产量的形成。在一定范围内，随着光照强度的增强，光合作用也增强，当 光照增加到一定强度时，光合作用不再增强，把此时的光照强度称之为光的饱和点。当叶片处于 光照强度的光饱和点时，才能把积累和制造干物质的能力发挥到最大。当光照强度大于光饱和点 时，此时光合作用不但不会增强反而会降低，而且光照强度过高会直接损害作物的组织细胞，致 使作物死亡。光照强度也不能过弱，过弱的光照强度会减缓作物生长发育的速度，延迟结果。因 此，对光照的控制相当的重要。如果由于外界气候的原因，比如连续阴雨等情况，使作物有效的 光照时间缩短，应当开启人工光源采用人工光照补充光照。 2 1 4c 0 2 浓度 c 0 2 作为作物进行正常生理活动的“碳源”，也是影响作物生长发育的重要因素之一。c 0 2 浓 度影响着作物的光合作用，从而影响作物发育、产量以及品质。绝大多数作物的产量将随二氧化 碳浓度的升高呈增长趋势，而且还可以改变某些作物中蛋白质、赖氨酸和粗淀粉的含量。由此得 出，提高c o ：的浓度，能够缩短农作物的生长周期，提高其个体重量。温室中作物的密度大，如 果不加以控制，c o ：浓度含量必将低于大气中的含量，这样会直接影响作物的光合作用。 在露天的大田生产状况下，空气中二氧化碳浓度的含量是0 0 3 即3 0 0 p p m ，一般情况下符 合作物光合作用的要求，但在密闭温室中生长的作物其二氧化碳浓度含量经常不足。若c 0 2 浓度 含量不足，即使光照强度符合要求，水肥充足，作物仍然不能进行较强的光合作用，致使作物的 生长减缓，营养物质的积累减少，难以早熟、高产。同样的，二氧化碳浓度不易过高，否则也会 对作物的生长发育产生影响，会导致叶片边缘的焦边，甚至死亡等。因此，应综合考虑不同的作 物在它们每个生长发育期以及气候等因素来决定所需施放的二氧化碳浓度。为了最大程度的提高 二氧化碳的施肥效果，必须把温湿度以及光照强度控制到最适宜条件之后，再进行二氧化碳的施 放。 可以说作物的生长和发育是这些影响因素综合作用的结果，而且这些影响因子之间是相互联 系、相互作用、相互耦合的。 三墨盔兰堡圭兰笪兰：一 一 第二章温室监控系统的热环境模型 2 2 系统控制对象分析 因为作物的生长发育都是由以上所述的几个条件综合作用的结果，而且这些环境因子之间是 相互作用、相互联系、相互耦合的。由于温度和湿度的耦合性最为明显，因此将温度、湿度确立 为温室监控系统的控制对象，本文中主要研究对温湿度的控制。 2 2 1 温度和湿度耦合关系理论分析 表2 - 16 月1 日数据 一一 采样时间环境温度 环境湿度 基质温度 基质湿度光照强度 2 0 1 1 6 10 ：0 1 2 0 31 0 0 2 0 20 2 0 1 1 i 6 | 11 ：0 4 2 0 1 1 6 12 ：o o 2 0 1 1 ，6 13 ：0 3 2 0 1 1 6 14 ：0 5 2 0 1 1 6 15 ：0 1 2 0 1 1 6 16 ：0 4 2 0 1 1 6 17 ：0 0 2 0 1 1 ，6 l8 ：0 3 2 0 1 1 6 19 ：0 5 2 0 1 1 6 11 0 ：0 3 2 0 1 1 6 11 1 ：0 0 2 0 1 1 6 11 2 ：0 2 2 0 1 1 6 11 3 ：0 4 2 0 1 1 6 11 4 ：0 1 2 0 1 1 | 6 j l1 5 ：0 3 2 0 1 1 6 11 6 ：o o 2 0 1 1 6 11 7 ：0 5 2 0 1 1 6 11 8 ：0 2 2 0 1 1 ，6 11 9 ：0 4 2 0 1 1 6 12 0 ：0 1 2 0 1 1 6 12 1 ：0 3 2 0 1 1 6 12 2 ：o o 1 9 9 1 9 6 1 9 4 1 9 1 1 8 6 1 8 4 2 0 2 4 6 2 8 8 3 1 2 8 9 2 9 7 3 0 2 3 0 3 2 9 2 2 8 2 2 6 8 2 6 2 5 4 2 3 6 2 1 8 2 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 l o o 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 8 5 7 6 7 9 9 5 3 9 9 9 8 9 1 8 6 4 8 7 9 4 7 9 8 9 8 4 1 2 9 5 5 9 8 5 9 9 6 1 0 0 1 9 9 1 9 6 1 9 3 1 9 1 1 8 8 1 8 5 1 9 2 2 2 2 2 6 6 2 7 2 6 2 6 6 2 7 9 2 7 8 2 6 8 2 5 4 2 4 4 2 3 7 2 4 2 2 3 5 2 2 2 2 1 4 o o 0 9 6 2 0 2 1 9 3 1 9 5 1 8 6 1 7 1 5 3 1 3 6 1 2 6 1 1 2 1 1 5 1 0 7 9 9 0 o o 0 0 0 o 2 8 2 5 9 5 2 2 1 7 7 3 2 4 4 1 6 6 9 0 7 8 1 6 6 8 2 8 2 3 6 1 2 1 5 1 7 2 1 9 4 1 4 8 2 7 4 4 2 8 1 0 o o 0 2 0 1 1 6 12 3 ：0 22 0 51 0 0 2 0 7 9 20 - * - 一_ - 一 试验在宁夏回族自治区银川市宁夏农业科学研究院内的大型连栋温室中进行。虽然温度、湿 - 8 o o o o o o 宁夏大学硕士学位论文 度在不断的进行各自的变化，但两者也有一定的相关性。 处我只给出2 0 1 1 年6 月1 日的数据，如表2 1 所示。 第土章温室监控系统的热环境模型 由于从试验温棚中采集的数据很多，此 根据数理统计，把其中2 0 1 1 年6 月份3 0 天中同一时间的温度、湿度值分别进行加权平均， 从而做出1 天内温湿度变化的耦合曲线如图2 - 1 所示【矧。 图2 - 1 温湿度变化的耦合曲线 由曲线图可以得出：( 1 ) 温湿度间的变化规律是随着相对湿度降低温度呈上升的趋势，随着 相对湿度增高温度呈下降趋势；( 2 ) 湿度的变化滞后于温度的变化；( 3 ) 在上午温度上升的时段 相对湿度的变化速度要比温度的变化速度快。这些规律的认识对我们理解温度与湿度的耦合关 系，还有在后面的研究中制定模糊控制规则都是所须的。 2 2 2 温度湿度解耦中间变量 当空气遇到飞溅的水滴或敞开的水面时，将与水表面之间发生湿、热交换。在与湿交换的同 时将发生潜热交换。潜热交换就是空气中的水蒸气蒸发( 或凝结) 而吸收( 或放出) 汽化潜热的 结果。本文把潜熟交换量作为解开温湿度耦合关系的中间变量，即通过湿度在一定范围内的变化， 来计算潜热交换量，并将这部分潜热量反馈到温度中，以此来调节温度。 湿交换量是： 嬲一( 0 一) 幽 ( 2 - 1 ) 式中：k 。：水表面与空气间的湿交换系数( 由水蒸汽分压力差来计算) ，k g ( n s ) ； 乞、艺d ：主体空气、边界层空气水蒸汽的分压力，p 。 因为当水蒸汽的分压力差温度小的范围内，可以代替成不同的湿交换系数含湿量的差，因此 可将湿交换量写成： d s = ( 一睨) a a( 2 - 2 ) 式中：h 。d ：与水表面问的湿交换系数( 按含湿量差来计算) ，k g ( m 2 s ) ； 矽、暇：主体空气、边界层空气含湿量。 潜热交换可由下士表示： 宁夏大学硕士学位论文 第二章温室监控系统的热环境模型 a r q = r d s = 缈一睨) 幽( 2 - 3 ) 式中：r ：水的汽化潜热( 温度等于边界层的空气温度时) ，j k g 。 2 3 温室小气候模型建立 温室小气候建模是温室控制的关键之一，但要建立一个全面而完善的模型也很困难。由于温 室环境涉及的变量较多，而这些变量之间又是相互影响、相互制约的，而且温室环境内既有物理 现象，又存在植物的生理现象，因此温室小气候的建模必须要考虑详尽。 数学模型可描述为，为了一个特定的目的，对于现实世界的一个特定对象，依据特有的内在 规律，做出一些必要的假设简化，运用适当的数学工具，从而得到的一个数学结构。所谓的数学 建模就是确定系统的模型结构、形式和参数，从而得到能够正确描述系统特征和性状的最简的数 学表达式【2 6 , 2 7 1 。 2 3 1 温室小气候温度模型 由于受到太阳辐射照射的不均匀性，温度调控设备的分布位置与室外气象等多种因素的综合 影响和考虑，温室的温度空间分布是不均匀的。因此可以假设整个温室内的温湿度是均匀混合分 布的，并将温室内部空气视为一个整体。图2 2 反映了温室系统内的能量的交换过程。 7 图2 - 2 温室能量交换平衡图 由温室的热平衡状态稳定原理【2 8 2 9 1 ，得到温室内温度动态方程式如下： a q q 1 + q 2 - i - q 3 + q 4 + q 5 - i - q 6 一q 7 一q 8 ( 2 4 ) 式中：q ：温室中空气显热的增量； q l ：太阳光辐射的能量； q 2