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        溫室系統(tǒng)溫濕度、水肥耦合的解耦控制器設(shè)計

        2016-07-25 23:50:28付煥森李元貴夏華鳳
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:節(jié)能優(yōu)化

        付煥森++李元貴++夏華鳳

        摘要:溫室控制研究已開展多年,一方面是關(guān)于溫度和濕度的耦合問題運用多種算法進行解耦,另一方面是針對溫室內(nèi)營養(yǎng)成分進行水肥耦合研究。針對溫室系統(tǒng)控制問題,目前還沒有對上述2種耦合進行綜合研究,因此提出溫濕度耦合和水肥耦合的溫室系統(tǒng)生態(tài)耦合觀點,通過傳感器采集溫度、濕度以及土壤氨氮等養(yǎng)分信號,并基于能耗模型以PLC(可編程邏輯控制器)為核心設(shè)計集中式PID(比例、積分和微分)解耦控制器,實現(xiàn)溫室系統(tǒng)在噴淋農(nóng)作物時考慮到土壤水肥營養(yǎng)成分的流失,以此提高溫室系統(tǒng)的產(chǎn)量和品質(zhì),同時降低溫室系統(tǒng)的生態(tài)損耗和污染。

        關(guān)鍵詞:溫濕度耦合;水肥耦合;解耦;節(jié)能優(yōu)化

        中圖分類號: TP273文獻標(biāo)志碼: A文章編號:1002-1302(2016)06-0430-02

        收稿日期:2015-04-01

        基金項目:2014年度江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目(編號:14KJB510033);泰州學(xué)院科研課題(編號:TZXY2015YBKT010)。

        作者簡介:付煥森(1982—),男,江蘇興化人,碩士研究生,講師,研究方向為智能自動化理論與工程。E-mail:fuhuansen@163.com。能源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)是社會發(fā)展的根基,受到各國研究人員的高度重視,三者之間相互依存。溫室系統(tǒng)作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的典型代表,其研究方法已存在多年,目的是克服傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對外界環(huán)境的依賴。在控制方法方面,通過多種算法實現(xiàn)農(nóng)作物溫度、濕度和二氧化碳濃度等參數(shù)的有效調(diào)節(jié),對溫室系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的控制不再局限于單一的溫濕度閉環(huán)結(jié)構(gòu),重點是溫度和濕度之間的耦合關(guān)系,因為耦合問題嚴(yán)重影響了溫室系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制;在生態(tài)研究方面,農(nóng)作物生長環(huán)境中也存在水肥耦合的問題(農(nóng)作物在生態(tài)環(huán)境中,作物根系吸收水分和養(yǎng)分是2個獨立的過程,但是所供給的水分和養(yǎng)分以及養(yǎng)分中的氮、磷、鉀等元素之間是相互制約的過程,這種現(xiàn)象稱為水肥耦合)。水分和養(yǎng)分不合理使用,會制約溫室系統(tǒng)中農(nóng)作物的生長,降低品質(zhì)和整體效益,同時給環(huán)境造成不利影響。徐巖等針對水肥耦合問題進行了研究,內(nèi)容包括水肥效應(yīng)、如何合理施肥、以肥調(diào)水、從微量元素角度如何解決水肥耦合的問題[1-2]。本研究就溫室系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,提出溫濕度耦合和水肥耦合的溫室系統(tǒng)生態(tài)耦合觀點,通過信號采集,以PLC(可編程邏輯控制器)為核心設(shè)計集中式PID(比例、積分和微分)解耦控制器,實現(xiàn)農(nóng)作物在良好的溫室環(huán)境下達到節(jié)能、低污染等優(yōu)化控制。

        1溫室系統(tǒng)模型

        溫室系統(tǒng)研究盡管已開展多年,但是至今還未有精確的數(shù)學(xué)模型,目前Albright提出的模型在控制領(lǐng)域得到廣泛的使用[3-4],模型可以用下式表示:

        dTindt=1ρCpV[qheater+Iin-λqfog]-φventV[Tin-Tout]-KeρCpV[Tin-Tout]

        dHindt=1Vqfog+1VE(Iin,Hin)-φventV[Hin-Hout]

        E(Iin,Hin)=αIinλ-βTHin。

        式中:Tin、Tout、Hin、Hout分別為室內(nèi)溫度、室外溫度、室內(nèi)濕度、室外濕度;qheater為加熱速率;qfog為噴霧速率;φvent為通風(fēng)率;V為單位面積等效體積;Ke為空氣傳遞系數(shù);E為蒸發(fā)速率;Iin為室內(nèi)吸收的太陽輻射;ρ為空氣比熱容;Cp為室內(nèi)空氣比熱容;α和βT為控制系數(shù);λ為水蒸發(fā)系數(shù)。溫室系統(tǒng)呈現(xiàn)多變量、非線性和強耦合等特點,上述模型僅考慮農(nóng)作物生長外環(huán)境的影響,沒有對土壤內(nèi)環(huán)境的水肥問題進行建模。模型建立是一個系統(tǒng)的過程,利用模糊控制等智能算法綜合考慮溫室外環(huán)境和內(nèi)環(huán)境的影響較有優(yōu)勢,本研究是基于模糊控制設(shè)計PLC控制器。

        2解耦算法

        近年來,針對多變量系統(tǒng)的解耦方法經(jīng)歷了傳統(tǒng)解耦、自適應(yīng)解耦、智能解耦等階段,其策略從不同的角度進行解耦,研究人員做了大量的理論算法研究和仿真分析。傳統(tǒng)的解耦方法依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型;自適應(yīng)解耦主要是將參數(shù)辨識、系統(tǒng)控制和解耦方法結(jié)合起來解決系統(tǒng)的耦合問題[5]。盡管上述模型考慮了加熱、通風(fēng)以及加濕等因素,但離精確的溫室系統(tǒng)模型還遠遠不夠,所以利用傳統(tǒng)解耦方法難以解決溫室系統(tǒng)的耦合問題,特別是生態(tài)耦合問題。智能解耦相比常規(guī)的單一控制,無需系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型,有良好的動態(tài)解耦能力,其系統(tǒng)穩(wěn)定性較高,魯棒性較強,具有很好的自適應(yīng)能力,實踐也證明該方法對蔬菜溫室系統(tǒng)在效率和效益方面都有提高。

        鑒于上述模型,設(shè)計了1種集中式PI和模糊PID控制器(圖1)[6]。圖1中:r表示溫室外環(huán)境的溫度、濕度和二氧化碳等輸入信號;e、ea分別表示輸入信號、反饋信號的誤差;G(s)表示被控對象的傳遞函數(shù)模型,由上述模型得到傳遞函數(shù);Gc(s)為對角結(jié)構(gòu)控制器;x1,…,xn表示解耦后的輸出信號;xn+1,xn+2,…表示溫室土壤養(yǎng)分檢測信號;y表示解耦輸出。

        由參考文獻[6]得到PI控制器的結(jié)構(gòu):

        gc,ii(s)=kC,ii+k1,iis=adjGii|G| hii1-hii

        。

        (2)

        式中:kC,ii、k1,iis分別為比例、積分系數(shù);hii為各個環(huán)的傳遞函數(shù)。

        智能解耦部分采用的模糊PID控制,其控制方法較為成熟,在傳統(tǒng)的專家經(jīng)驗庫添加水肥耦合方面的控制規(guī)則即可[7-8]。

        3系統(tǒng)設(shè)計

        溫室系統(tǒng)整體設(shè)計如圖2所示,由3個部分組成,分別是1~N號蔬菜溫室大棚、蔬菜溫室解耦控制設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)控制設(shè)備。1~N號蔬菜溫室大棚環(huán)境內(nèi)安裝溫度、濕度、CO2、光照、土壤水分和養(yǎng)分傳感器,每個溫室大棚內(nèi)配置觸摸顯示屏,用于溫室環(huán)境內(nèi)參數(shù)的顯示和查詢,以及在緊急情況下手動操作升降溫、加濕等按鈕開關(guān),與控制系統(tǒng)配合使用。

        4軟硬件設(shè)計

        控制器核心采用西門子PLC,傳感器信號采用標(biāo)準(zhǔn)的 4~20 mA 電流傳輸。蔬菜溫室解耦控制設(shè)備是整個設(shè)備控制的核心,利用高版本Matlab軟件里的GUI功能設(shè)計上位機界面,實現(xiàn)以下功能和目標(biāo):(1)解決了常規(guī)單片機和PLC難以實現(xiàn)復(fù)雜的解耦算法問題,同時利用強大的數(shù)據(jù)處理功能,可以根據(jù)不同大棚內(nèi)蔬菜品種,調(diào)用專家數(shù)據(jù)庫,系統(tǒng)會自動給出蔬菜種植的推薦參數(shù),實現(xiàn)溫濕度和水肥耦合的解耦,提高溫室生產(chǎn)產(chǎn)量和品質(zhì);(2)上位機可以顯示1~N號溫室環(huán)境內(nèi)參數(shù)數(shù)據(jù),可以查詢、統(tǒng)計和打印,為蔬菜種植提供參考價值;(3)上位機可以設(shè)置多種按鈕,用于控制加濕等設(shè)備,減少了實際按鈕數(shù)量,降低了成本;(4)配備了常用和緊急操作面板按鈕,與上位機按鈕配合使用,以防止上位機軟件死機等意外情況;(5)出現(xiàn)溫室環(huán)境異常,如溫度過高等情況,以及執(zhí)行機構(gòu)的故障,控制系統(tǒng)會通過故障報警提醒;(6)控制設(shè)備內(nèi)安裝GPRS無線設(shè)備和服務(wù)器,種植用戶可以利用手機及電腦網(wǎng)絡(luò)遠程訪問控制系統(tǒng)和操作相應(yīng)的按鈕開關(guān)。

        5結(jié)論與討論

        本研究針對溫室系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀,從解耦、節(jié)能優(yōu)化2個方面作了介紹。盡管Albright的模型得到了認(rèn)可,但是溫室系統(tǒng)融合了生物、能源和控制等多種學(xué)科,有效而全面的溫室系統(tǒng)模型是當(dāng)前研究的重點。針對溫室系統(tǒng)內(nèi)的溫濕度耦合問題,隨著控制技術(shù)的發(fā)展,智能解耦是發(fā)展的趨勢,同時溫室系統(tǒng)的解耦要綜合考慮溫濕度耦合和水肥耦合,這樣才能保證農(nóng)作物生長的外在、內(nèi)在環(huán)境;關(guān)于溫室系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制,解決耦合問題是實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化的基礎(chǔ),除了理論方面的研究,在保證農(nóng)作物品質(zhì)的前提下,應(yīng)用先進的傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是溫室系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

        參考文獻:

        [1]徐巖. 水肥耦合對日光溫室生菜生育及土壤環(huán)境的影響研究[D]. 長春:吉林大學(xué),2011.

        [2]張麗瑩. 水肥耦合對溫室無土栽培水果黃瓜生長發(fā)育的影響及其生理機制的研究[D]. 呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

        [3]Krner O,Aaslyng J M,Andreassen A U,et al. Microclimate prediction for dynamic greenhouse climate control[J]. HortScience,2007,42(2):272-279.

        [4]徐立鴻,蘇遠平,梁毓明. 面向控制的溫室系統(tǒng)小氣候環(huán)境模型要求與現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(19):1-15.

        [5]馬萬征,毛罕平,李忠芳,等. 溫室環(huán)境多變量控制系統(tǒng)解耦現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(2):313-314.

        [6]陳強,欒小麗,劉飛. 高維多變量時滯系統(tǒng)多環(huán)PI控制的解析設(shè)計[J]. 信息與控制,2014,43(2):205-210.

        [7]洪運國. 基于粒子群優(yōu)化 PIDNN 的溫室溫濕度解耦控制仿真[J]. 制造業(yè)自動化,2013,35(4):124-126.

        [8]黃力櫟,胡斌,羅昕. 溫濕度解耦模糊控制系統(tǒng)的研究[J]. 農(nóng)機化研究,2010(2):56-59.

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