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梁永春，劉建業(yè)
我國正逐步提高農(nóng)業(yè)的自動(dòng)控制水平，特別是蔬菜的溫室種植已經(jīng)在各地被廣泛采用和重視。但現(xiàn)有的溫室大多采用人工控制，無法很好的跟隨蔬菜的生長過程，實(shí)時(shí)地進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了提高我國的溫室技術(shù)水平，上海和北京等地從荷蘭引進(jìn)了一些現(xiàn)代化的溫室設(shè)備和控制系統(tǒng)。但這些設(shè)備和系統(tǒng)價(jià)格昂貴、運(yùn)行成本高，在國內(nèi)普及困難。另外，為了農(nóng)業(yè)專家研究農(nóng)作物的生長和發(fā)育過程，也需要一套能夠用于研究的自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文將介紹以工控機(jī)為核心的溫室模糊控制系統(tǒng)。
1 功能簡介
溫室模糊控制系統(tǒng)具有以下功能：
① 根據(jù)農(nóng)作物的生長要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室空氣溫度、空氣濕度、地表溫度、土壤濕度、光照度、土壤營養(yǎng)液濃度和CO2濃度等參數(shù)的實(shí)時(shí)控制；
② 以數(shù)據(jù)和圖表的形式顯示溫室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，并可查詢歷史記錄；
③ 顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開、閉狀態(tài)；
④ 操作人員可以手動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)；
⑤ 具有開放式平臺(tái)，實(shí)時(shí)查詢、修改溫室控制參數(shù)，以便找出最佳控制策略；
2 硬件構(gòu)成
系統(tǒng)由傳感器及變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、A/D數(shù)據(jù)采集卡、I/O卡、繼電器輸出卡和工控機(jī)等組成，如圖1所示。
圖1 溫室控制系統(tǒng)組成框圖
傳感器及變送器包括空氣溫濕度傳感器、地表溫度傳感濃度傳感器和配套變送器。用于將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)。同時(shí)轉(zhuǎn)換為電流環(huán)信號(hào)，以便遠(yuǎn)距離傳輸。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括風(fēng)機(jī)、氣泵、水簾、遮陰簾、電磁閥和側(cè)窗等設(shè)備，用于調(diào)節(jié)溫室參數(shù)。
A/D采集卡采用YLY7202接口板，內(nèi)含32個(gè)通道、12為A/D轉(zhuǎn)換器。將電流環(huán)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。
I/O卡采用YLY701接口板，內(nèi)含32路光隔輸入和32路光隔輸出。用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。
繼電器卡采用固態(tài)繼電器，輸入端接I/O卡輸出的直流信號(hào)，輸出端接中間繼電器線圈的交流220V信號(hào)，通過中間繼電器接通接觸器，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
工控機(jī)采用研華工控機(jī)主機(jī)，主要完成對(duì)A/D采集卡的控制、根據(jù)輸入?yún)?shù)確定輸出、對(duì)I/O卡的控制、監(jiān)測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作狀態(tài)、實(shí)時(shí)顯示圖表等功能。
3 控制模式
溫室控制包含溫度、濕度、光照度和濃度等多種參數(shù)，又有風(fēng)機(jī)、側(cè)窗、氣泵、水簾和燈光等多種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，溫室各參數(shù)又沒有準(zhǔn)確的傳遞函數(shù)。因此，溫室控制是一種多輸入、多輸出的復(fù)雜控制。這里采用經(jīng)過預(yù)處理的模糊控制實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。下面從三個(gè)方面說明預(yù)處理過程。
(1) 季節(jié)不同，調(diào)節(jié)措施不同。在春季和秋季，溫度、濕度等參數(shù)可以通過側(cè)窗、風(fēng)機(jī)、水簾、遮陰簾進(jìn)行調(diào)節(jié)。在冬季，溫度、濕度參數(shù)可以通過暖氣、水簾進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不能用風(fēng)機(jī)和側(cè)窗。因此，將控制分為冬季和其他季節(jié)兩種模式。冬季調(diào)節(jié)措施有：暖氣電磁閥、氣泵、水泵、水簾和補(bǔ)光燈；其他季節(jié)調(diào)節(jié)措施有：側(cè)窗、風(fēng)機(jī)、遮陰簾、水簾、氣泵、水泵和補(bǔ)光燈。
(2) 不同生長時(shí)期，參數(shù)要求不同，控制模式不同。以番茄為例，整個(gè)生長過程分為：發(fā)芽期、幼苗期、開花期和結(jié)果期。番茄不同時(shí)期的參數(shù)要求見表1。因此，將控制再分為四個(gè)生長時(shí)期和每天的白天、前半夜、后半夜三個(gè)時(shí)段。在不同時(shí)期采用不同的隸屬函數(shù)和調(diào)節(jié)措施。
(3) 不同參數(shù)，調(diào)節(jié)措施之間的關(guān)系。在補(bǔ)充CO2和溫濕度變化不大時(shí)，側(cè)窗、風(fēng)機(jī)等不能打開。在光照不足時(shí)，遮陰簾不能拉上。因此，控制模式采用屏蔽方式。在充CO2時(shí)，屏蔽側(cè)窗和風(fēng)機(jī)；在光照不足時(shí)，屏蔽遮陰簾；在室外溫度較高時(shí)，屏蔽側(cè)窗。
經(jīng)過以上處理，模糊控制共有冬季發(fā)芽期和其他季發(fā)芽等16種控制模式，風(fēng)機(jī)屏蔽、側(cè)窗屏蔽和遮陰簾屏蔽等三種屏蔽方式。
表1 番茄生長過程不同時(shí)期參數(shù)要求對(duì)照表
4 控制算法
溫室控制器采用模糊控制，現(xiàn)以其他季發(fā)芽期為例介紹控制算法：以溫度為例，番茄發(fā)芽期適宜溫度為25～30℃，最低溫度為11℃，最高溫度為35℃，溫度和溫差采用梯形和三角形隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)如圖2和圖3所示。
根據(jù)隸屬函數(shù)，溫度和溫差模糊集分為負(fù)、較負(fù)、零、較正和正5種。根據(jù)專家和試驗(yàn)，得出：
如果 T為負(fù)，且△T為負(fù)，則風(fēng)機(jī)關(guān)，側(cè)窗關(guān)；
如果 T為正，且△T為正，則風(fēng)機(jī)開，側(cè)窗開；
如果 T為零，且△T為正，則風(fēng)機(jī)關(guān)，側(cè)窗開；
……
等25條控制規(guī)則。實(shí)際調(diào)節(jié)過程中，實(shí)時(shí)采集溫度和溫差信號(hào)，計(jì)算出溫度和溫差針對(duì)不同模糊集的隸屬度，再根據(jù)25條控制規(guī)則，分別求出風(fēng)機(jī)關(guān)、風(fēng)機(jī)開、側(cè)窗關(guān)、側(cè)窗開的隸屬度，取隸屬度高者執(zhí)行。
其他參數(shù)調(diào)節(jié)算法為：濕度調(diào)節(jié)同溫度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)加上水簾；光照度調(diào)節(jié)采取遮陰簾屏蔽措施；如果室外溫度或濕度大于室內(nèi)，則屏蔽側(cè)窗；其他參數(shù)調(diào)節(jié)方式類似。
5 結(jié)論
基于模糊控制的溫室智能控制系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€(gè)參數(shù)分別進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。經(jīng)過近一年的試運(yùn)行，控制精度能夠滿足農(nóng)作物生長的要求。同時(shí)，良好的人機(jī)界面也促進(jìn)了農(nóng)業(yè)專家對(duì)農(nóng)作物生長過程的研究。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)