溫室系統溫濕度、水肥耦合的解耦控制器設計

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營養成分進行水肥耦合研究。針對溫室系統控制問題，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生態耦合觀點，通過傳感器采集溫度、濕度以及土壤氨氮等養分信號，并基于能耗模型以PLC（可編程邏輯控制器）為核心設計集中式PID（比例、積分和微分）解耦控制器，實現溫室系統在噴淋農作物時考慮到土壤水肥營養成分的流失，以此提高溫室系統的產量和品質，同時降低溫室系統的生態損耗和污染。

關鍵詞：溫濕度耦合；水肥耦合；解耦；節能優化

中圖分類號： TP273文獻標志碼： 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研究面上項目（編號：14KJB510033）；泰州學院科研課題（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、環境和農業是社會發展的根基，受到各國研究人員的高度重視，三者之間相互依存。溫室系統作為農業發展的典型代表，其研究方法已存在多年，目的是克服傳統農業對外界環境的依賴。在控制方法方面，通過多種算法實現農作物溫度、濕度和二氧化碳濃度等參數的有效調節，對溫室系統關鍵參數的控制不再局限于單一的溫濕度閉環結構，重點是溫度和濕度之間的耦合關系，因為耦合問題嚴重影響了溫室系統的節能優化控制；在生態研究方面，農作物生長環境中也存在水肥耦合的問題（農作物在生態環境中，作物根系吸收水分和養分是2個獨立的過程，但是所供給的水分和養分以及養分中的氮、磷、鉀等元素之間是相互制約的過程，這種現象稱為水肥耦合）。水分和養分不合理使用，會制約溫室系統中農作物的生長，降低品質和整體效益，同時給環境造成不利影響。徐巖等針對水肥耦合問題進行了研究，內容包括水肥效應、如何合理施肥、以肥調水、從微量元素角度如何解決水肥耦合的問題[1-2]。本研究就溫室系統的研究現狀，提出溫濕度耦合和水肥耦合的溫室系統生態耦合觀點，通過信號采集，以PLC（可編程邏輯控制器）為核心設計集中式PID（比例、積分和微分）解耦控制器，實現農作物在良好的溫室環境下達到節能、低污染等優化控制。

1溫室系統模型

溫室系統研究盡管已開展多年，但是至今還未有精確的數學模型，目前Albright提出的模型在控制領域得到廣泛的使用[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分別為室內溫度、室外溫度、室內濕度、室外濕度；qheater為加熱速率；qfog為噴霧速率；φvent為通風率；V為單位面積等效體積；Ke為空氣傳遞系數；E為蒸發速率；Iin為室內吸收的太陽輻射；ρ為空氣比熱容；Cp為室內空氣比熱容；α和βT為控制系數；λ為水蒸發系數。溫室系統呈現多變量、非線性和強耦合等特點，上述模型僅考慮農作物生長外環境的影響，沒有對土壤內環境的水肥問題進行建模。模型建立是一個系統的過程，利用模糊控制等智能算法綜合考慮溫室外環境和內環境的影響較有優勢，本研究是基于模糊控制設計PLC控制器。

2解耦算法

近年來，針對多變量系統的解耦方法經歷了傳統解耦、自適應解耦、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。傳統的解耦方法依賴系統精確的數學模型；自適應解耦主要是將參數辨識、系統控制和解耦方法結合起來解決系統的耦合問題[5]。盡管上述模型考慮了加熱、通風以及加濕等因素，但離精確的溫室系統模型還遠遠不夠，所以利用傳統解耦方法難以解決溫室系統的耦合問題，特別是生態耦合問題。智能解耦相比常規的單一控制，無需系統精確的數學模型，有良好的動態解耦能力，其系統穩定性較高，魯棒性較強，具有很好的自適應能力，實踐也證明該方法對蔬菜溫室系統在效率和效益方面都有提高。

鑒于上述模型，設計了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模型，由上述模型得到傳遞函數；Gc（s）為對角結構控制器；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控制器的結構：

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；hii為各個環的傳遞函數。

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

3系統設計

溫室系統整體設計如圖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備和執行機構控制設備。1～N號蔬菜溫室大棚環境內安裝溫度、濕度、CO2、光照、土壤水分和養分傳感器，每個溫室大棚內配置觸摸顯示屏，用于溫室環境內參數的顯示和查詢，以及在緊急情況下手動操作升降溫、加濕等按鈕開關，與控制系統配合使用。

4軟硬件設計

控制器核心采用西門子PLC，傳感器信號采用標準的 4～20 mA 電流傳輸。蔬菜溫室解耦控制設備是整個設備控制的核心，利用高版本Matlab軟件里的GUI功能設計上位機界面，實現以下功能和目標：（1）解決了常規單片機和PLC難以實現復雜的解耦算法問題，同時利用強大的數據處理功能，可以根據不同大棚內蔬菜品種，調用專家數據庫，系統會自動給出蔬菜種植的推薦參數，實現溫濕度和水肥耦合的解耦，提高溫室生產產量和品質；（2）上位機可以顯示1～N號溫室環境內參數數據，可以查詢、統計和打印，為蔬菜種植提供參考價值；（3）上位機可以設置多種按鈕，用于控制加濕等設備，減少了實際按鈕數量，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）出現溫室環境異常，如溫度過高等情況，以及執行機構的故障，控制系統會通過故障報警提醒；（6）控制設備內安裝GPRS無線設備和服務器，種植用戶可以利用手機及電腦網絡遠程訪問控制系統和操作相應的按鈕開關。

5結論與討論

本研究針對溫室系統研究的現狀，從解耦、節能優化2個方面作了介紹。盡管Albright的模型得到了認可，但是溫室系統融合了生物、能源和控制等多種學科，有效而全面的溫室系統模型是當前研究的重點。針對溫室系統內的溫濕度耦合問題，隨著控制技術的發展，智能解耦是發展的趨勢，同時溫室系統的解耦要綜合考慮溫濕度耦合和水肥耦合，這樣才能保證農作物生長的外在、內在環境；關于溫室系統的節能優化控制，解決耦合問題是實現節能優化的基礎，除了理論方面的研究，在保證農作物品質的前提下，應用先進的傳感技術和物聯網技術是溫室系統發展的趨勢。

參考文獻：

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

[2]張麗瑩. 水肥耦合對溫室無土栽培水果黃瓜生長發育的影響及其生理機制的研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學，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小氣候環境模型要求與現狀[J]. 農業工程學報，2013，29（19）：1-15.

[5]馬萬征，毛罕平，李忠芳，等. 溫室環境多變量控制系統解耦現狀及發展趨勢[J]. 江蘇農業科學，2012，40（2）：313-314.

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

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

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