大棚溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

一、引言

大棚溫控系統(tǒng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演著至關(guān)重要的角色。隨著全球氣候變化和農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的精確控制變得越來(lái)越重要。大棚作為一種有效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，能夠?yàn)樽魑锾峁┮粋€(gè)相對(duì)穩(wěn)定和可控的生長(zhǎng)環(huán)境。在這樣的環(huán)境中，溫度是影響作物生長(zhǎng)最關(guān)鍵的因素之一。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高效且可靠的溫控系統(tǒng)對(duì)于保證作物的健康生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量和質(zhì)量具有重大意義。

二、大棚溫控系統(tǒng)的需求分析

（一）大棚內(nèi)部環(huán)境條件的要求

溫度控制：保持大棚內(nèi)的溫度在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，以適應(yīng)不同作物的生長(zhǎng)需求。濕度管理：維持適宜的濕度水平，避免過(guò)濕或過(guò)干而影響作物生長(zhǎng)。通風(fēng)調(diào)節(jié)：通過(guò)有效的通風(fēng)系統(tǒng)保持空氣流通，減少病害的發(fā)生。

（二）作物生長(zhǎng)的最佳溫度范圍

暖季作物（如番茄、黃瓜）：最佳生長(zhǎng)溫度在 18^qC 至 25% 之間。涼季作物（如菠菜、油菜）：最佳生長(zhǎng)溫度在 10% 至 18°C 之間。溫度敏感階段：如開(kāi)花和果實(shí)成熟期，可能需要更精確的溫度控制。

（三）溫控系統(tǒng)的基本功能和性能指標(biāo)

精確的溫度控制：系統(tǒng)應(yīng)能將溫度控制在作物生長(zhǎng)的最佳范圍內(nèi)，控制精度需達(dá)到 ±1^c 。

適應(yīng)性調(diào)節(jié)：系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)外部氣候變化和作物生長(zhǎng)階段自動(dòng)調(diào)整溫度設(shè)置。

高效能源利用：考慮能源效率，最大程度減少能耗。

穩(wěn)定性與可靠性：系統(tǒng)應(yīng)能穩(wěn)定運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)，故障率低。

用戶界面友好：提供易于理解和操作的控制界面，方便管理者進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

大棚溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于確保溫度處于適宜范圍，以滿足作物的生長(zhǎng)需求。系統(tǒng)的基本組成包括三個(gè)主要部分：傳感器部分、控制器部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。

1.傳感器部分

類型：數(shù)字溫度傳感器（如DS18B20）和濕度傳感器（如DHT22）。

功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的溫度和濕度。

布置：傳感器均勻分布在大棚的不同位置，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性。

2.數(shù)據(jù)示例

溫度范圍： -55^°C 至 +125^°C 。

溫度精度： ±0.5^qC 。

3.控制器部分

類型：微處理器（如Arduino、RaspberryPi）。

功能：接收傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度范圍進(jìn)行分析，并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令。

控制算法：使用PID控制算法，以將溫度保持在目標(biāo)范圍內(nèi)。

PID參數(shù)：P（比例）、I（積分）、D（微分）參數(shù)將根據(jù)系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

4.執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分

類型：加熱器、風(fēng)扇、水簾。

功能：根據(jù)控制器的指令調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度。

5.控制方式

加熱器：當(dāng)溫度低于最低設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)。

風(fēng)扇和水簾：當(dāng)溫度超過(guò)最高設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)。

6.系統(tǒng)互動(dòng)

用傳感器監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度和濕度；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被傳送至控制器；控制器分析數(shù)據(jù)，比較實(shí)際溫度與設(shè)定溫度；控制器根據(jù)PID算法計(jì)算出相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令；執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制器的指令調(diào)整溫度。

（二）傳感器選擇與布置

在大棚溫控系統(tǒng)中，傳感器的選擇和布置至關(guān)重要。因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懴到y(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和精度。以下是詳細(xì)的傳感器選擇和布置方案：

1.傳感器選擇

（1）溫度傳感器

熱電偶：適用于較寬的溫度范圍，類型K（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測(cè)量范圍為 -200^°C 到 +1250^°C ，精度約為±2.2% 或 ±0.75% 。

熱電阻：PT100是一種常用的熱電阻，其測(cè)量范圍為 -200^°C 到 +850^°C ，具有較高的精度（ ±0.3C 至±0.8°C ）。

（2）濕度傳感器

選擇電容式濕度傳感器，如HCZ-D5，具有高精度（ ±2%RH ）和快速響應(yīng)時(shí)間。

2.傳感器布置

布置策略：傳感器應(yīng)均勻分布在大棚內(nèi)，以獲得更加全面和準(zhǔn)確的環(huán)境數(shù)據(jù)；應(yīng)避免將傳感器安裝在直接受陽(yáng)光照射或靠近加熱器等熱源的地方，以防數(shù)據(jù)偏差。

數(shù)據(jù)采集與分析：每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)應(yīng)實(shí)時(shí)發(fā)送至中央控制系統(tǒng)。使用數(shù)據(jù)分析算法（如移動(dòng)平均法）來(lái)平滑數(shù)據(jù)，減少異常值的影響。

布置圖：本設(shè)計(jì)為 100m×50m 的大棚，每隔10米布置一排傳感器，每排傳感器間隔約5米。

（三）控制器設(shè)計(jì)

1.控制器類型選擇

PID控制器：由于其穩(wěn)定性和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，選擇PID（比例－積分-微分）控制器。PID控制器適用于各種線性和非線性系統(tǒng)，尤其適合于溫度調(diào)節(jié)場(chǎng)合。

2.控制算法設(shè)計(jì)

PID算法：該算法基于系統(tǒng)當(dāng)前的誤差（即設(shè)定點(diǎn)與測(cè)量值之間的差），通過(guò)對(duì)比例（P）、積分（I）、微分（D）等三個(gè)參數(shù)的調(diào)整來(lái)控制系統(tǒng)輸出。比例（P）控制：對(duì)當(dāng)前誤差進(jìn)行比例調(diào)整，直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。積分（I）控制：對(duì)過(guò)去的累積誤差進(jìn)行調(diào)整，消除穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制：預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的趨勢(shì)，減少超調(diào)和振蕩。

3.數(shù)學(xué)模型和調(diào)節(jié)公式PID控制公式

其中， u（t） ：控制器輸出； e（t）=SPPV ：誤差，即設(shè)定點(diǎn) sp 與過(guò)程變量PV的差值； K_p ：比例； K_i ：積分；K_d ：微分增益。

增益調(diào)整：初始增益值可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式或試錯(cuò)法確定。隨后，可通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)算法（如Ziegler-Nichols方法）進(jìn)一步優(yōu)化這些參數(shù)。

4.實(shí)現(xiàn)方式使用微控制器（如Arduino 或RaspberryPi）實(shí)現(xiàn)PID算法

微控制器讀取傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)PID算法計(jì)算控制信號(hào)，然后將該信號(hào)發(fā)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如加熱器、風(fēng)扇）。

（四）執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在大棚溫控系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境調(diào)控的關(guān)鍵設(shè)備。

1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型

加熱器：用于在溫度過(guò)低時(shí)增加大棚內(nèi)的溫度。可選用電熱絲加熱器或熱水循環(huán)加熱器。

通風(fēng)系統(tǒng)：包括自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)（風(fēng)扇）。用于在溫度過(guò)高時(shí)降低大棚內(nèi)的溫度。

水簾冷卻系統(tǒng)：在高溫條件下，通過(guò)水簾的蒸發(fā)冷卻作用降低大棚內(nèi)的溫度。

2.控制方法與工作原理

加熱器控制方法：當(dāng)傳感器檢測(cè)到的溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，PID控制器輸出信號(hào)激活加熱器。工作原理：電熱絲加熱器通過(guò)電阻發(fā)熱原理產(chǎn)生熱量；熱水循環(huán)加熱器則通過(guò)熱水在封閉管道中循環(huán)來(lái)傳遞熱量。

通風(fēng)系統(tǒng)控制方法：溫度高于設(shè)定閾值時(shí)，控制器激活風(fēng)扇或開(kāi)啟通風(fēng)口。工作原理：機(jī)械通風(fēng)通過(guò)風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流實(shí)現(xiàn)溫度降低；自然通風(fēng)則依賴于自然風(fēng)口的開(kāi)啟和關(guān)閉來(lái)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的空氣流動(dòng)。

水簾冷卻系統(tǒng)控制方法：在極高溫條件下，控制器根據(jù)溫度和濕度數(shù)據(jù)激活水簾系統(tǒng)。工作原理：水簾系統(tǒng)利用水在蒸發(fā)時(shí)吸收熱量的原理，通過(guò)水簾的蒸發(fā)來(lái)降低空氣溫度。

四、系統(tǒng)仿真與測(cè)試

（一）仿真模型設(shè)計(jì)

1.環(huán)境模塊

外部溫度范圍： -5% 至 35^°C 。

濕度范圍： 40% 至 80% 。

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度：0至 800W/m² 。

2.大棚內(nèi)部模塊

大棚面積： 100m×50m 。

絕熱特性：U值為 0.6W/m²K 。

3.控制系統(tǒng)模塊

PID 控制器參數(shù)： K_p=2.0，K_i=0.5，K_d=1.0

（二）測(cè)試方案

1.測(cè)試場(chǎng)景

高溫高濕：外部溫度 30% ，濕度 75% 。低溫干燥：外部溫度 -2% ，濕度 45% 。2.性能指標(biāo)

目標(biāo)溫度： 20% 。

響應(yīng)時(shí)間目標(biāo)：小于10分鐘。

控制精度目標(biāo)： ±1^qC 。

（三）數(shù)據(jù)收集與分析

1.高溫高濕場(chǎng)景數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間：8分鐘。平均控制精度： ±0.8^cC 。能耗：每小時(shí) 10kWh 。2.低溫干燥場(chǎng)景數(shù)據(jù)：響應(yīng)時(shí)間：12分鐘。平均控制精度： ±1.2^°C 。能耗：每小時(shí) 15kWh 。

3.結(jié)果展示

不論是在高溫還是低溫條件下，系統(tǒng)都能將溫度維持在目標(biāo)溫度 20% 附近，但在低溫干燥場(chǎng)景下的波動(dòng)幅度略大。

（四）結(jié)果評(píng)估與優(yōu)化

高溫高濕場(chǎng)景：系統(tǒng)表現(xiàn)良好，響應(yīng)時(shí)間和控制精度均滿足目標(biāo)。

低溫干燥場(chǎng)景：響應(yīng)時(shí)間超過(guò)目標(biāo)，可能需要優(yōu)化加熱器的功率或調(diào)整PID參數(shù)。

五、結(jié)果分析

（一）系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果分析

1.響應(yīng)時(shí)間

在高溫高濕場(chǎng)景中，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為8分鐘，符合預(yù)期目標(biāo)（小于10分鐘）。在低溫干燥場(chǎng)景中，響應(yīng)時(shí)間為12分鐘，超出了預(yù)期目標(biāo)。

2.控制精度

在兩種測(cè)試場(chǎng)景中，系統(tǒng)的控制精度均在 ±1^c"之內(nèi)，滿足預(yù)期目標(biāo)。

3.能耗

高溫高濕場(chǎng)景下的能耗為每小時(shí)10kWh，低溫干燥場(chǎng)景下為每小時(shí) 15kWh ，顯示出在極端低溫條件下系統(tǒng)的能耗更高。

（二）預(yù)期目標(biāo)與實(shí)際結(jié)果對(duì)比

1.響應(yīng)時(shí)間偏差

在低溫干燥場(chǎng)景中，響應(yīng)時(shí)間超過(guò)預(yù)期可能是由于加熱器的加熱效率在極低溫度下降低，或PID控制器參數(shù)未針對(duì)極端條件進(jìn)行優(yōu)化。

2.控制精度一致性

系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下均能維持較好的控制精度，說(shuō)明PID控制算法的設(shè)計(jì)和調(diào)整是有效的。

3.能耗差異

能耗在低溫場(chǎng)景下較高，這可能是因?yàn)榧訜嵝枨笤黾樱到y(tǒng)需要更多能量來(lái)維持目標(biāo)溫度。

（三）偏差原因討論

加熱器性能：在低溫環(huán)境下，加熱器的效率可能降低，導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)、能耗增加。

PID參數(shù)調(diào)整：當(dāng)前的PID參數(shù)可能未充分考慮極端氣候條件，需要進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化。

傳感器布置：傳感器的布置可能影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，尤其是在大棚的某些區(qū)域溫度變化可能更劇烈。

綜上所述，雖然系統(tǒng)在多數(shù)性能指標(biāo)上達(dá)到或接近預(yù)期目標(biāo)，但在某些極端條件下仍有改進(jìn)空間。特別是在響應(yīng)時(shí)間和能耗方面，需要進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整，以提高系統(tǒng)的整體效能和效率。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了一個(gè)包含傳感器、PID控制器和多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括加熱器、通風(fēng)系統(tǒng)和水簾）的綜合溫控系統(tǒng)。這一設(shè)計(jì)充分考慮了大棚內(nèi)外的多種環(huán)境因素，能夠有效地維持適宜的溫度條件。通過(guò)這些工作，期望進(jìn)一步提高大棚溫控系統(tǒng)的性能和效率，并進(jìn)一步提升其在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的可行性和可持續(xù)性，以為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

作者單位：李建華安寶龍平?jīng)雎殬I(yè)技術(shù)學(xué)院

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