（控制理论与控制工程专业论文）现代温室分层递阶控制系统的研究与开发.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本论文的工作是基于上海市科委专利技术二次开发项目( 编号：0 5 d z 5 2 0 3 4 ) 而展开的。作者在调研和消化了国外专利u s 4 9 1 6 6 4 2 “多温区中央控制方式温 室环境控制系统”的基础上，研究开发了基于分层递阶控制方式的温室计算机控 制系统，探讨了分层递阶控制策略在现代温室环境调控中的应用。 论文首先介绍了温室系统的组成结构和各种调控设备，分析了温室控制系统 的特性，并由此提出了温室分层递阶控制方式；设计了具有组织层、协调层和执 行层的三层温室计算机控制系统。控制软件采用模块化结构，实现了温室系统管 理与组态，各子系统调度与控制，现场信息采集与设备驱动等功能。经过实际试 验，整个系统运行稳定、可靠，实现了温室控制各项功能，满足温室控制精度和 实时性的要求。 根据系统不同层次间的数据通讯特点提出了不同的通讯机制，组织层和协调 层之间采用以太网通讯，协调层与执行层之间采用c a n 现场总线连接，通过自 定义的通讯协议实现了温室数据安全、可靠的传输。 温度控制是温室环境控制系统中的关键。本文分别用机理法和测试法对温室 进行了建模，得出温室对象具有纯滞后、大时间常数、增益非线性和强扰动的特 性，又运用现代控制理论中的状态空间方程对温室温度模型进行可控、可观性分 析；并从温度控制原则入手，针对外界环境扰动提出了前馈补偿控制；根据温室 温度模型特点，提出了串级控制和s m i t h 预估补偿相结合的基本控制方案，详细 阐述了协调层控制器的结构以及对加热系统采取的三阶段控制流程。试验结果表 明，分层递阶控制方式可显著改善系统的静、动态特性，取得了很好的控制效果。 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 究应用提出了一些建议和设想。 关键词：温室控制，分层递阶控制，以太网，c a n 总线 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nc o v e r st h ew o r kd o n eb a s e do nt h e p r o j e c t o f p a t e n t r e d e v e l o p m e n ts u p p o r t e db yt h es h a n g h a is c i e n t i f i cc o m m i t t e e ( p r o j e c tn u m b e r ： 0 5 d z 5 2 0 3 4 ) g a i n i n ga l li n - d e p t hu n d e r s t a n d i n go ft h eu sp a t e n t ( u $ 4 9 1 6 6 4 2 ) “e n v i r o n m e n t a lc o n t r o lw i t hm u l t i p l ez o n ec e n t r a lp r o c e s s o rm e a n s ”，t h ea u t h o r d e v e l o p s t h ec o m p u t e r i z e dc o n t r o ls y s t e mf o r l a r g e s c a l eg r e e n h o u s eb a s e do n h i e r a r c h i c a lc o n t r o ls t r a t e g y t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h es t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o ld e v i c e so ft h eg r e e n h o u s e b yt a k i n gt h e f e a t u r e s o 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 ns y s t e mi n t o c o n s i d e r a t i o n ，at r i l e v e lh i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d t h ec o n t r o l s o f t w a r ei sb a s e do nm o d u l a r i z e ds t r u c t u r e w h i c hc a nf u l f i l la l lk i n d so ff u n c t i o u sa t d i f f e r e n tl e v e l s ，i n c l u d i n gs y s t e mm a n a g e m e n ta n dc o n f i g u r a t i o na to r g a n i z a t i o n l e v e l ， r e a l t i m ec o n t r o la th a r m o n y - l e v e la n dd e v i c ed r i v ea tc o n t r o l l e v e l ，e t c b ya n a l y z i n g t h ep r a c t i c a lc o n t r o le f f e c t ，i ti sf o u n dt h a tt h eg r e e n h o u s ec o n t r o ls y s t e mp r o v i d e d e x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo ns t a b i l i t y , r e a l i z e da l lt h ef u n c t i o n sa n df u l f i l l e dt h e r e q u i r e m e n t so f p r e c i s i o na n dr e a l t i m ec a p a b i l i t y t h es y s t e mh a sas p e c i a lc h a r a c t e r i s t i co fc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s ma td i f f e r e n t l e v e l ：t h ec l i e n t s e v e rs t r u c t u r eo fe t h e m e ti sa p p l i e dt ot h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n o r g a n i z a t i o n l e v e la n dh a r m o n y - l e v e l ，h a r m o n y - l e v e li sc o n n e c t e dw i t hc o n t r o l l e v e l b yc a nf i e l d b u s b a s e do nt h ef e a t u r e so fg r e e n h o u s ec o n t r o ls y s t e m ，au s e f u l a p p l i c a t i o np r o t o c o li sd e v e l o p e d ，w h i c hh a sag r e a te f f e c to nt h es t a b i l i t ya n d e f f i c i e n c yo f c o m m u n i c a t i o n t h et e m p e r a t u r ec o n t r o li st h ek e yo fg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t a lc o n t r o ls e c t i o n t h ep r i n c i p i u mm e t h o da n dt e s t i n gm e t h o dh a v eb e e na p p l i e dt os e tu pt h em o d e lo f g r e e n h o u s et e m p e r a t u r e a n dw eh a v er e a l i z e dt h a tt h eg r e e n h o u s ei sas y s t e mw i t l l t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r e a td e l a y , b i gt i m ec o n s t a n t ，n o n l i n e a rp l u sa n df r e q u e n t d i s t u r b a n c e t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o l l a b i l i t ya n d o b s e r v a b i l i t yo fg r e e n h o u s et e m p e r a t u r em o d e lb yu s i n gt h er e p r e s e n t a t i o no fs p a c e v i 上海大学硕士学位论文 s t a t ei nm o d e r nc o n t r o lt h e o r y t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eg r e e n h o u s e h a r m o n y - l e v e lc o n t r o l l e r a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o la n db y f o c u s i n go nt h eh i g hd i s t u r b a n c ei ng r e e n h o u s ec o n t r o l l e dp r o c e s s ，t h ef e e df o r w a r d c o m p e i l s a t i o nm e t h o di sa p p l i e dt oo v e r c o m et h ed i s t u r b a n c 蟹b a s e do nt h ea n a l y s i s o ft h em o d e lo fg r e e n h o u s et e m p e r a t u r e ，ab a s i cc o n t r o ls c h e m ew h i c hi sm a d eu po f c a s c a d ec o n t r o la n ds m i t hp r e d i c t i v ec o n t r o li sp r o p o s e d t h ed i s s e r t a t i o na l s oc o v e r s t h es t r u c t u r eo fh a r m o n y - l e v e lc o n t r o l l e ra n dt h e3 - s t a g ec o n t r o ls t r a t e g yi nh e a t i n g s u b s y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l th a sp r o v e dt h a tt h eh i e r a r c h i c a lc o n t r o ls t r a t e g y p r o v i d e se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e 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 gt h ep r o j e c ta n dp r o p o s i n g u 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 y w o r d s ：g r e e n h o u s ec o n t r o l ，h i e r a r c h i c a lc o n t r o ls t r a t e g y ，e t h e r n e t ， c a nf i e l db u s 上海大学硕士学位论文 插图清单 图1 1 温室气候控制系统总体结构图 图2 1 温室环境控制系统总体结构图 图2 2 多级多目标结构图 图2 3 典型分层递阶结构 图2 4 组织层结构 图2 5 协调层树形结构图 图2 6 执行层结构图 图3 1 硬件系统总体结构图 图3 2 基于p c 1 0 4 嵌入式系统硬件框架图 图3 3 单元控制器硬件结构图 图3 4c a n 总线接口模块电路图 图3 5 一路模拟量输入通道示意图 图3 6 一路数字量通道输入接口电路图 图3 7 一路数字量通道输出接口电路图 图3 8 组织层管理机软件结构框架图 图3 9 协调层调控机软件结构框架图 图3 1 0 单元控制器软件结构图 图3 1 1 传感器组态流程图 图3 1 2 正比例型关系图 图3 1 3 温室设备组态流程图 图3 1 4 温度子系统控制策略组态流程图 图4 1 命令帧格式示意图 图4 2 响应帧格式示意图 图4 3 数据流s o c k e t 工作过程原理图 图4 4 控制参数报文传输示例 图4 5 状态信息报文传输示例 图4 6 错误报警报文传输示例 图4 7 位时间分配图 图5 1 温室输入、输出示意图 图5 2 管温开环响应曲线 图5 3 温室温度开环响应曲线 图6 1 一般前馈补偿系统框图 图6 2 变型后前馈补偿系统框图 图6 3 对外界温度及风速扰动的前馈补偿 图6 4 加热系统串级控制方框图 图6 5 单回路p i d 控制系统方框图 图6 6s m i t h 预估补偿原理图 图6 7s m i t h 预估器实施方框图 图6 8 分派器和协调器统一控制结构 图6 9 加热系统控制方框图 图6 1 0 加热效果图( 冬季) x 6 2 6 3 6 5 6 6 2 7 9 nj培h垢埔坞均加肌毖坜盯凹约札弘踮盯虬虬虬钙盯们弱晒f耵雠 上海大学硕士学位论文 图6 1 1 通风效果图( 春秋季，辐照度：o 3 0 0 w m 2 ) 6 7 图6 1 2 通风效果图( 夏季，辐照度：o 8 0 0 w m 2 ) 6 7 表格清单 表3 1 温室分层递阶控制系统功能表1 6 表4 1 通讯协议指示符含义表3 5 表4 2e r r o r e v e n t 参数取值和含义表3 8 表4 3 不同类犁报文标识符分配表4 0 表4 4 相同类型报文标识符分配表4 0 表4 5 位速率与总线长度的关系4 2 上海大学硕士学位论文 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：彳垂 、 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：二苯j 圭一导师签名蜮：日期： 签名：二寥正导师签名v 塞! 斗日期： i l 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 随着世界范围内科学技术的进步及人民物质生活水平的大幅度提高，农业生 产的方式已由传统的分散型小规模生产转变到了集约化、工厂化的大规模农业生 产。温室生产作为一种高效、高科技含量的大规模生产方式已经成为世界农业未 来的发展趋势。随之而来，世界各国在温室控制方面的研究也迅速发展起来。 1 1 国内外温室控制现状及发展方向 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，现代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，配有以燃烧天然气或煤为主的加热系统、 通风系统、帘幕系统、湿帘系统、营养液循环灌溉系统、c 0 2 施肥系统和人工补 光系统等，通过计算机采集每一时刻的环境因子信息，自动进行数据在线处理分 析。温室调控已从单因子控制发展成多因子协调控制和网络化的多温区群控 1 】。 温室自动化控制技术的成熟，使欧美等国家的温室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【2 】。 我国通过“九五”、“十五”科技攻关的努力，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性，纷纷投入力量研究。迄今已研究 出若干个温室自控系统，这些系统有p c 机控制系统、p l c 控制系统或单片机控 制系统等不同的类型，可以运用于单个温室或大型连栋温室【3 】。基于工业p c 的 控制系统具有接口全、可靠性高、计算能力强的特点，但是成本很高，布线复杂； 基于可编程序控制器的控制系统能实现顺序逻辑控制功能，并且可靠性高，但其 通讯能力、运算能力、模拟量处理能力都相对较弱；基于单片机的控制系统结构 简单、成本低、易于调试，但是由于8 1 6 位单片机本身的运算速度和通信能力 上海大学硕士学位论文 有限，用于实现复杂的温室控制算法有较大困难【4 1 。所以，这三种温室控制系统 都存在不同程度的弊端。 目前，温室正向大规模、集群化的方向发展，这将对温室控制系统的可靠性、 数据处理能力、通信能力和开发成本提出更高的要求。因此，如何针对目前国内 温室控制系统中存在的问题，开发出功能强、成本低、扩展性好、可靠性高的温 室控制系统，成为温室科技工作者需要关注的一个问题。 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 温室气候控制系统总体结构图 2 上海大学硕士学位论文 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 上海大学硕士学位论文 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。 1 3 课题背景与所做工作 1 3 1 课题背景与意义 目前，我国温室计算机控制系统还是由国外进1 2 1 产品一统天下，然而国外产 品的价格高、质量良萎不齐、使用和维护复杂且非常不方便，使得温室制造商和 温室用户放弃了进一步采用自动控制的愿望。同时，由于以上原因，在国内目前 3 0 0 多家的温室制造和销售企业中，具备能够建造计算机控制的现代化温室的厂 商不到十家。这些都造成了国内温室采用计算机控制系统的比例远小于国外。 因此，能否形成具有中国自主知识产权的温室计算机控制系统产品并加以产 业化，就成为我国设施农业和温室自动化技术水平发展的关键。 本课题来源于上海市科委专利技术二次开发项目( 编号：0 5 d z 5 2 0 3 4 ) 。在国 外专利u s 4 9 1 6 6 4 2 “多温区中央控制方式的温室环境控制系统”的基础上进行 二次开发。本课题由上海大学和上海都市绿色工程有限公司共同承担合作开发。 该国外专利技术先进，是比较典型的国外温室环境控制计算机系统专利。该 系统通过p c 机和各温区的单元控制器组成二级计算机控制系统，通用p c 机作 为中央控制器，进行各温区的单元控制器和中央控制器之间的通讯和协调管理； 温区单元控制器完成对该温区的环境调控，各温区可独立控制。 针对以上基础专利的技术特点，除了吸取该专利采用单元控制器进行大型温 室多个温区环境的独立调控，完成较为齐全的温室设施的控制等优点以外。本课 题通过设计更适合大型温室调控的分层递阶控制方式，采用c a n 现场总线通讯 以及研制高性能低成本的嵌入式温区单元控制器，对温室环境气候、灌溉同时进 行综合协调控制。 4 上海大学硕士学位论文 1 3 2 本论文完成的主要工作 1 温室控制系统整体结构设计 论文在分析温室控制系统特性的基础上，提出了分层递阶控制方式。并根据 温室控制的任务要求将控制系统分为三层：组织层、协调层和执行层。组织层负 责温室系统的管理和组态；协调层实现温室各个子系统的调度和控制，并由执行 层采集现场信息、驱动温室现场执行机构。温室控制系统结构清晰，功能描述明 确，充分体现了分层递阶控制“精度递增伴随智能递减”的设计原则。 2 温室分层递阶控制系统的软硬件设计与实现 论文根据温室分层递阶控制系统三层结构的不同特点和要求，分别设计和组 建了各层的计算机控制系统。组织层采用p c 机；协调层选用处理能力强、稳定 可靠的p c 1 0 4 嵌入式系统。根据组织层和协调层硬件平台的特点，采用面向对 象的d e l p h i 编程工具开发了温室控制软件，包括人机交互、系统组态、控制调 度等核心部分，其中系统组态的实现大大提高了温室控制系统的通用性。执行层 为了满足温室控制精度和实时性的要求，设计了基于p i c l 8 f 6 5 8 5 的嵌入式单元 控制器，主要包括c a n 总线接口、模拟量输入、数字量输入和数字量输出模块； 采用嵌入式c 语言开发了通用的设备驱动程序，使得单元控制器无需改动程序 就能满足不同温室的需要。 3 温室控制系统数据通讯机制设计与实现 论文从数据通讯角度对温室分层递阶控制系统进行了层次划分，将温室控制 系统分为决策控制层和控制执行层，并通过分析不同层次数据通讯的特点提出了 不同的通讯机制。决策控制层采用以太网通讯，并自行设计了通讯协议，采用 w i n d o w ss o c k e t 技术实现了通讯模块的软件开发。控制执行层通过c a n 现场总 线实现数据交互，为了保证控制执行层数据通讯的实时性和可靠性，根据数据通 讯特点设计了适合于温室控制系统的c a n 总线应用层协议，并解决了c a n 通 讯过程中位定时、错误检测等关键技术问题。 4 温室温度控制系统控制策略研究 论文通过机理法和测试法建立并分析了温室温度模型，提出了温度控制的基 本原则，为温度控制策略的研究奠定了良好的基础。针对温室存在的多方面扰动， 设计了前馈补偿器进行控制。加热系统是温度控制的主要手段，根据温室加热系 上海大学硕士学位论文 统特点，采用串级控制+ s m i t h 预估的控制策略，并精心设计了协调层控制器对 控制流程进行调度，实现了加热系统的3 阶段控制：在起动阶段，系统调节控制 速度快，过渡时间短，使得大偏差的过渡能尽快地进入新的稳态。进入调节阶段 后，系统的管温控制可以消除静态偏差，能有效消除常规控制的稳态波动性，节 能效果明显。在关闭阶段，通过设置不同的温度阀值，很好地避免了加热系统频 繁启闭的问题。 1 4 本论文的内容安排 本论文共分为七章： 第一章介绍了国i 为# 1 - 温室控制的现状和发展方向，简述了温室控制系统的组 成功能，提出了本课题的背景及意义。 第二章为首先对温室控制系统的特性进行分析，由此提出分层递阶控制方 法，并对温室控制系统进行结构分层，介绍了各层的功能。 第三章根据本课题特点，从硬件、软件和系统组态三个方面对温室控制系统 进行设计。 第四章详细分析了温室控制系统中的数据通讯机制，介绍了以太网通讯和 c a n 现场总线在不同通讯层面上的应用。 第五章用机理法和测试法建立了温室温度的数学模型，分析了温室模型所具 有的特点。 第六章分析了温度控制的基本原则，并根据扰动量特点设计了前馈补偿器。 提出了串级控制和s m i t h 预估相结合的加热控制方案。阐述了协调层控制器的结 构和控制流程，并通过详细的实验数据分析、比较了实控效果。 第七章对本课题进行了总结，并展望了温室控制的发展趋势。 6 上海大学硕士学位论文 第二章温室分层递阶控制理论体系 2 1 温室控制系统特性分析 温室控制系统与常规工业控制系统有所不同。一般的工业控制系统属于典型 的物物控制系统，即输入信息及反馈信息经过控制器处理，随之送出控制信息 到执行机构，执行机构动作的结果将使得被控对象的状态发生预期的改变。而温 室控制系统涉及植物生理、环境和自动控制技术等领域的相关知识，是包括诸多 因子组成的复杂系统。其复杂特性主要包括以下几个方面： i 复杂对象： 温室控制系统属于典型的多输入多输出系统( 如图2 1 ) ，同一个输入量可以 对多个被控量产生作用，典型的如天窗动作将同时影响温室内的温度、湿度及 c 0 2 浓度；加热系统动作将同时影响到温度、湿度。而且同一个被控变量也将同 时受到多个输入量的影响，变量之间存在耦合现象。常规的温室环境控制是建立 在单输入单输出对象模型的基础上，很难适应温室环境控制向优化控制方向发展 的需要。 温室中种植的农产品数量、种类及生长所属的阶段都与温室气候有密切的关 系。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。而植物也影响着温室的气候，它们使温室的温度、湿度等气候 因子发生变化。植物和温室是相互作用、相互制约的。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。 加热管温 天窗开度 c 0 2 供给 人工补光 婪凳算餐凳 藿墨需矍墨 图2 1 温室环境控制系统总体结构图 7 上海大学硕士学位论文 2 复杂任务： 由上一章节可知，温室系统由多个子系统组成。各子系统有各自的输入量和 相应的输出量，具有一定的独立性。但是各控制量对温室所产生的效果却是相互 影响，相互耦合的，因此各个子系统之间相互关联，需要协调控制。例如：在温 室降温控制过程中，按照降温控制力度从低到高是：天窗和侧卷开启一遮荫帘幕 展开一轴流风机强制通风一启动湿帘风机降温一系统屋顶喷淋、喷雾；升温控制 过程中，按照升温控制力度等级从低到高是：天窗、侧卷关闭一内帘展开保温一 管道加热系统。温室控制任务的多样化在控制层面上体现了温室系统的复杂性。 3 复杂环境： 温室控制系统的复杂性还体现在温室内各环境因子( 温度、湿度、光照、二 氧化碳等) 之间是相互作用、相互协调的。适宜的环境因子只是一个相对的概念。 例如：各种环境因子都有可能同时对光合作用产生影响，当各环境因子同时与光 合作用产生影响时，光合速率往往受最低因子所限制【5 1 。据参考资料统计，晴天 和阴天作物对补充二氧化碳的使用效率分别为6 9 和3 9 t 6 3 。这说明：在低光照 下，二氧化碳很快达到饱和点，即使再补充二氧化碳也无明显作用，即在低光照 下补充二氧化碳的效率将大大降低；而在高光强下增施二氧化碳，光合速率提高 很快，效果很好。因此在温室环境控制中，补充二氧化碳必须考虑光照条件。而 且，由于植物在进行光合作用的同时也在进行呼吸作用，呼吸强度随温度的升高 而增加，在0 - - 3 5 c 范围内，温度每升高i o * c ，呼吸强度提高2 3 倍 7 1 。所以， 光合作用的效果也与温度因子有关。总之，在较强光照条件下，应配合较高的温 度与二氧化碳浓度以提高光合效率；而在弱光条件下，则应适当降低温度与二氧 化碳浓度以提高净光合速率。 温室和外界之间不停地进行热量和物质的交换，外界对温室的影响主要包括 太阳辐照、外界气候的温度、湿度和风速等。其中太阳辐照对温室的影响最为强 烈，而外界温度、风速和风向对天窗调温控制影响较大。温室外部扰动的时变性 和不确定性，增加了温室环境控制的复杂性。 上海大学硕士学位论文 2 2 温室分层递阶控制方法的提出 由上节分析可知，温室控制系统是一个控制对象复杂，子系统相互关联，多 因子耦合的大型复杂系统。对于复杂的温室控制系统，本文提出采用分层递阶控 制的形式。分层递阶控制( h i e r a r c h i c a l l yc o n t r 0 1 ) 是从工程控制论的角度总结 人工智能与自适应、自学习和自组织控制的关系之后而逐渐形成的【踟。分层递阶 控制的核心思想是对复杂系统逐层分解，简化模型，使得系统复杂性大大降低的 同时，控制效果也得到很大提高。 2 2 1 复杂系统分层递阶结构的描述 当复杂系统由若干个可分的相互关联的子系统组成时，可将所有决策单元按 一定支配关系递阶排列，同一级各单元要受上一级的干预，同时又对下一级决策 单元施加影响。同一级决策单元如有相互冲突的决策目标，由上一级决策单元加 以协调，这是一种多级多目标的结构，如图2 2 所示。多级多目标决策单元在不 同级间递阶排列，形成了金字塔式结构。上一级负责协调同一级之间的目标冲突， 协调的总目标是使全局达到优化或近似优化【9 1 。 几； _ 弋 l ：! ；i ： ；也： ：；：地 i底层设各控制 图2 2 多级多目标结构图 可以看出，所谓多层描述，实际是对一个复杂系统的决策问题纵向分解，按 任务复杂程度分成若干个自决策层，如图2 2 中分成r 层。而多级描述则考虑到 各子系统的关联，将决策问题进行横向分解，如图2 2 中分成n 级。 9 上海大学硕士学位论文 2 2 2 分层递阶控制的一般原理 分层递阶控制的基本原理是把个总体问题p 分解成有限数量的子问题p i 。 总体问题p 的目标应使复杂系统的总体准则取得极值。设p 是对子问题求解时， 不考虑各子问题之间存在关联时的解，则有 【p 1 ，p 2 ，p n 】的解jp 的解 ( 2 1 ) 实际上，各子系统之间存在关联，因而产生耦合作用，所以必须引进一个干 预向量或协调参数，用以解决由于关联而产生的冲突。用p i ( a ) 代替p i ，可得 【p ( a ) ，p 2 ( 兄) ，p n ( a ) 。“的解jp 的解 ( 2 2 ) 递阶控制中的协调问题就是要选择 ，从某个初值旯。经过迭代达到终值， 从而使递阶控制达到最优【1 们。 协调有多种方法，但多数都基于以下两个基本方式。 1 关联预测协调方式【1 l 】 协调器要预测各个子系统的关联输入输出变量，下层的各决策单元根据预测 的关联变量求解各自的决策问题，然后把达到的性能指标值送给协调器，协调器 再修正关联预测值，直到总体目标达到最优为止。这种协调模式称为直接干预模 式。 2 关联平衡协调方式【1 2 j 关联平衡协调原则又称目标协调法。下层的各决策层单元在求解各自的优化 问题时，把关联变量当作独立的变量来处理，即不考虑关联的约束条件，而依靠 协调器的干预信号来修正各决策单元的优化指标，以保证最后关联约束得以满 足。 根据温室控制的特点，各个子系统之间虽然是相互联系的，但又有一定的独 立性。可以各自采用相对独立的控制算法，再经过协调器的干预信号对各个子系 统进行集中调度，达到控制要求，因此本系统采用关联平衡协调方式。关于协调 器的研究，在第六章中进行详细介绍。 i o 上海大学硕士学位论文 2 3 温室分层递阶控制系统的结构 分层递阶控制具有分层信息处理和决策机制，对于复杂的温室控制系统，作 者根据任务分块，控制分散方式，按照自上而下“精度递增伴随智能递减”的原 则进行设计，将系统分为组织层、协调层和执行层，如图2 3 所示。 用户指令c 图2 3 典型分层递阶结构 下面结合温室控制系统，对各层的功能予以简要介绍： 1 组织层 组织层位于分层递阶控制系统的最高层，它的作用是对于用户给定的外部 命令和任务，设法找到能够完成该任务的子任务( 和设备) 组创”】。再将这些控制 信息送到协调层，通过协调处理，将具体的动作要求送至执行层完成所要求的任 务。最后对协调层和执行层的反馈信息进行汇总、处理和显示。同时对各类信息 加以存储，以便用户随时对系统性能进行评价、分析。组织层结构如图2 4 所示。 上海大学硕士学位论文 用户输入 图2 4 组织层结构 由此可见，组织层的作用主要是进行任务规划，它是典型的人工智能中的问 题解析过程。不同温室的控制设备类型、数量是不同的，这是由温室的规模，植 物生长对环境调控手段的需求所决定的。例如有的温室配备了管道加热系统，有 些小规模温室则只是通过加热炉进行加热控制。而不同设备的控制策略也是不一 样的。因此组织层就必须根据用户的控制要求，按照当前温室设备配置情况，规 划合理的控制手段，包括采用哪些控制设备，采取何种控制算法。 2 协调层 协调层是组织层和执行层之间的接口，其功能为根据组织层提供的信息进行 任务协调【1 4 1 。协调层的结构如图2 5 所示，是一种树形结构。其中：d 是根点， 称为分派器，c 是子节点的有限集合，称为协调器，每个协调器与分派器之间均 存在双向联系，而在协调器之间没有直接的联系。 上海大学硕士学位论文 组织层 l lll 执行层 图2 5 协调层树形结构图 从组织层来的命令首先传送到协调层中的分派器。分派器负责对组织层命令 进行解析、分类。并根据当前的温室状况和设备工作状态，对各个温室子系统进 行控制算法的调度和控制参数的传递。在控制任务执行完毕后，分派器还负责向 组织层传送温室现场反馈信息。为了完成上述任务，分派器需具备以下功能： 1 ) 数据通讯功能：它能够对上层的组织层和下面的协调层发送和接受信息。 2 ) 信息解析、描述功能：它能对组织层来的命令信息和从执行层来的反馈 信息进行解析，并可为协调器的决策单元提供控制信息描述。 3 ) 控制算法调度功能：它能对要执行的任务进行识别，为相应的协调器选 择合适的控制步骤和控制参数。 协调器和温室内的各个子系统成一一映射关系。每个协调器均与一定的控制 设备相联系，并通过执行层对这些设备进行实时控制与驱动。它将面向协调器的 控制行动序列翻译成面向执行层的实时操作序列，并连同相关的数据一起送至执 行层，在任务执行完成后，它还负责向分派器报告执行的结果。 3 执行层 执行层又称运行控制层，是分层递阶控制系统的最低一层。它有多个嵌入 式单元控制器组成，分布在温室各个温区的现场，直接驱动和控制现场的执行机 构，如图2 6 所示。 上海大学硕士学位论文 组织层 l 协调层 l 执行层 i 黼i 制罂# 1l - - 一控制器 1 2 一i h 控制器# nl iil 温室现场执行机构 图2 6 执行层结构图 按照“精度递增伴随智能递减”的设计原则，执行层必须有很高的控制精度， 而不要求有更多的智能，所以采用常规控制手段。各个单元控制器软硬件结构相 同，是一个通用的控制器，具有很好的移植性。 通过上述结构分析可知将温室控制系统分为上述三层结构具有以下特点：从 横向来看，把复杂的温室系统分解成若干个相互联系的子系统，对每个子系统单 独配置控制算法，便于进行直接控制，使复杂的问题在很大程度上得到了简化； 从纵向来看，把控制整个复杂系统所需要的知识的多少，或者说所需智能的程度 又从高到低做了一次分解，即温室分层递阶控制系统在结构上的多层次有两方面 的意思：一个是指温室被控对象具有许多层次，其中有些层次之间存在耦合，这 种层次越多，控制困难越大；另一个是指控制有多个层次，这与分层递阶控制系 统的设计、研制和运行有关，并规定在各层间实现“精度递增伴随智能递减”的 原则。这样温室分层递阶控制系统就能在组织层的统一组织下，实现对复杂温室 系统的优化控制，这种结构的优点是控制线路明确，易于解析描述【1 5 】。 2 4 小结 本章首先分析了温室控制系统的特性，提出了分层递阶控制方法，并介绍了 分层递阶控制的一般原理，随后根据温室控制特点分析了温室分层递阶控制的结 构体系和核心思想。 1 4 上海大学硕士学位论文 第三章温室分层递阶控制系统设计 上一章提出了温室分层递阶控制系统的三层结构，本章将详细介绍各层的软 硬件设计和系统组态功能实现。 3 1 硬件系统设计 3 1 1 硬件系统总体结构 本系统在硬件上根据组织层、协调层和执行层的要求和特点相应设计了不同 的计算机控制系统。硬件系统总体结构如图3 1 所示。 馘 键盘，鼠标卜- - 叫管理机 - - - - 叫 打印机 县 l 一羔世一一一一一 !i 调三机h 一一一一一一一一一1 叽01 c a n 现场总线 。j 盱一 县 l 黼罂jl 黼lit 未蓑警4 难溉机 薯专，区沮专当区 图3 1 硬件系统总体结构图 管理机作为组织层的核心部分，要求处理速度快，数据存储容量大；因此采 用高性能p c 机，基本配置为p 处理器，2 6 6 g h z 主频，2 5 6 m 内存，4 0 g 硬盘。 调控机在协调层完成温室控制系统任务调度、控制算法实现等工作，是系统 的