智能溫室環境參數的復合控制系統設計

摘要：本文在分析了溫室環境的基礎上，提出了根據被控環境參數的特性將不同的控制方法應用于智能溫室的復合控制思想。首先分析環境參數的特點并制定相應的控制方案。然后給出了實現該控制方案的硬件和軟件設計。最后利用vB編寫可視化界面，使得本系統操作簡單、易于掌握。
關鍵詞：智能溫室；復合控制；硬件；軟件；可視化界面

0 前言
隨著經濟的發展，設施農業作為農業可持續發展的一個重要途徑已越來越受到世界各國的重視。溫室生產通過科學管理，能最大限度地提高土地產出率、資源利用率和勞動生產率，產生最佳經濟效益和社會效益，是一種完全有別于傳統農業的生產模式。因此，對溫室的研究越來越被世界各國農業界所重視。溫室系統環境復雜，改變環境參數狀態時，一般需要一段時間才能實現，存在滯后性；一個環境參數的改變，往往會影響到其它環境參數的狀態。如果對多個參數同時控制，又會因為系統太復雜，難以建立精確的數學模型，從而很難得到滿意的控制結果。
本文根據各個環境參數的特點，針對不同的參數采用了不同的控制方案，提出了分布式溫室復合控制系統方案，取得很好的控制效果。本系統擴展性強，可同時監控多棟溫室，是一套通用性強，具有一定智能化、模塊化、符合我國國情的溫室控制系統。本文對溫室的科學管理、自動化智能控制有著重要的指導意義。

1 控制算法與控制器設計
本系統采用復合控制方式，根據各個環境參數的特點，設計相應的控制方案。
在溫室控制中，溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度對農作物的生長起主導作用，因而本文中以它們作為被控的環境參數。對參數的設置采用順時循環控制，其順序如圖1所示。

1．1 溫度、濕度的控制
通過調節加熱蒸汽量、風機轉速、水蒸氣量和天窗開度對溫度和濕度進行控制，這兩個參量的耦合性很強，需要一同控制。此控制是一個多變量控制系統，存在大滯后性、強耦合性，很難獲得精確的數學模型。本文采用廣義自適應預測與模糊控制相結合的控制算法，自適應預測技術預測溫濕度一定時間后的狀態情況，并將一定時間后的狀態引入到當前控制中，提前對其進行控制，消除滯后性；考慮到溫濕度在溫室系統中耦合性較強，很難單獨控制，利用模糊控制器制定規則表，對二者相互影響的效果進行反向消除，起到解耦作用。控制器的整體結構如圖2所示。

圖中ri(t+di)為溫度和濕度的給定值，yi(t+di)為di時間后的溫度和濕度預測值，ei(t+di)為di時間后的溫度和濕度的偏差，ui(t)為得到的當前時刻的控制量(包括加熱蒸汽量、風扇轉速、水蒸氣量和天窗開度)，yi(t)為當前時刻的溫度和濕度測量值。
本文所設計的溫室控制系統是一個多輸入-多輸出(MIMO)的系統，控制量為熱蒸汽量、風扇轉速、水蒸氣量和天窗開度，被控量主要為溫度和濕度，因而模糊控制器也是一個MIMO的控制器，考慮到模糊控制器本身的解耦特點，可將一個MIMO分解為幾個多輸入一單輸出(MISO)的模糊控制結構。模糊控制的輸入選擇為溫度和濕度的偏差量，輸出分別為熱蒸汽量、風扇轉速、水蒸氣量和天窗開度。