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1、一肝些7 5 7 7 轴天毕大薯工程硕士学位论文 儿K-j：_ 1 I j d【H-4 I j j 矗一-d【啊-l-斟剞j H I l I领域：控制-r-程作者姓名：韩宇辉指导教师：王化祥教授企业导师：何世钧研究员工潍L 圭兰Z T r t 卢卜仃士2 0 0 5 年6 月摘要工厂化农业智能测控系统是适用于现代化温室的计算机自动控制系统，根据室内外环境的温度、湿度、风速、风向等气候条件，以及光强度、c O：浓度、土壤干燥度、营养液的p H 值和E c 值等环境参数，采用多种设备和方式来控制温室内的温度、湿度、光强度、通风等因素，营造出适宜各种作物生长的最佳环境。该系统主要用于智能化温室，也可
2、以用于观赏植物园以及日光温室的升级改造。针对工厂化农业控制系统架构，根据控制参数、控制精度、温棚面积、智能化水平等的不同，设计了普及型、提高型、智能型等低、中、高端三类控制架构，即基于嵌入式技术的控制架构、基于工业计算机的控制架构、上位机+现场可编程控制器控制架构。由于工厂化农业控制系统是个多参数、非线性、大滞后的多输入多输出系统，因此系统控制策略基于农业专家系统，采用常规P I D+自适应模糊控制、神经网络等人工智能测控技术相结合相补充的方式。针对农业用传感器工作环境恶劣，稳定性、一致性、容错能力要求高等特点，选择目前工厂化农业常用的温度、湿度、光强度三个环境参数，设计了基于C A N(C
3、o n t r o ll e tA r e aN e t w o r k)现场总线的系列农业专用传感器。同国外相关系统相比，设计上考虑了我国具体国情，以自主开发的温室控制专用软件平台为核心，构建支持现场总线和以太网技术的智能化控制系统。技术上紧密跟踪国际先进水平，同时核心技术为自主知识产权，性价比突出，目前国内研制开发温室自动控制系统的单位不少，但在控制软件平台和农业专用传感器开发方面还刚刚起步，因此技术优势较为明显。关键词：工厂化农业、控制架构、控制策略、软件平台、传感器T h ef a c t o r ya g r i c u l t u r ei n t e l l i g e n tc
4、 o n t r o ls y s t e mi sac o m p u t e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mg e a r st ot h em o d e r n i z e dg r e e n h o u s e s T h i ss y s t e mc a l lc o n s t r u c tt h eb e s te n v i r o n m e n tf o r t h eg r o w i n go fa l lk i n d so fp l a n t sb ya d o p t i n gv a r i o u
5、 so fe q u i p m e n t sa n dm e t h o d st oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e，h u m i d i t y,l u m i n o u si n t e n s i t y,v e n t i l a t i n gi nt h eg r e e n h o u s e，a c c o r d i n gt oc l i m a t i cc o n d i t i o n so ft h ei n t e r n a la n de x t e r n a le n v i r o n m e n
6、to ft h er o o m s u c ha st e m p e r a t u r e，h u m i d i t y,w i n ds p e e da n dd i r e c t i o n a n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e m s u c ha sl u m i n o u si n t e n s i t y,C 0 2d e n s i t y,a r i d i t yo fs o i l，p Hv a l u ea n dE cv a l u eo ft h en o u r i s h i n gl i q
7、u i d，e t c T h i ss y s t e mi sm a i n l yu s e di nt h ei n t e l l i g e n tg r e e n h o u s e sa n dt h eu p g r a d eo fb o t a n i c a lg a r d e n sa n ds u ng r e e n h o u s e s A i m i n ga tt h es t r u c t u r eo ft h i ss y s t e m，w eh a v ed e s i g n e dt h ep o p u l a r,r a i s i
8、 n ga n di n t e l l i g e n tc o n t r o lf r a m e w o r kt ob et h el o w,m i d d l e，h i g hc o n t r o la p p l i c a t i o n s，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e so fc o n t r o lp a r a m e t e r,c o n t r o lp r e c i s i o n，a r e ao ft h et r e l l i sa n dl e v e l so fi n t e l
9、 l e c t i s m，w h i c ha r en a m e de m b e d d i n gt e c h n i c a lb a s e dc o n t r o ls t r u c t u r e，i n d u s t r i a lc o m p u t e rb a s e dc o n t r o ls t r u c t u r ea n dm a i nc o m p u t e rp l u sp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rb a s e dc o n t r o ls t r u
10、c t u r e B e c a u s ef a c t o r ya g r i c u l t u r a lc o n t r o ls y s t e mi sam u l t i p l ei n p u ta n do u t p u ts y s t e mc o n s i s t so fp i e c e so fp a r a m e t e r,n o n-l i n e a r i t ya n dh e a v yd e l a y,t h u st h i ss y s t e m a t i cc o n t r o ls t r a t e g yi sb
11、 a s e do nt h ea g r i c u l t u r a le x p e r ts y s t e m，m a dc o m b i n e ss e v e r a li n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n i q u e s，s u c ha sP I D+s e l f-a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l，n e u r a ln e t w o r k，e t c B e c a u s eo fp o o rw o r k i n gc o n d i t i o n so f
12、a g r i c u l t u r es e n s o r,a n dt h es t a n d a r d so fi t sr e q u i r e m e n t si ns t a b i l i t y,c o n s i s t e n c ya n df a u l t-t o l e r a n ta b i l i t y,w eh a v ed e s i g n e dt h eC A N(C o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k)f i e l d b u sb a s e ds e r i e sa g r i c u
13、l t u r es p e c i a l-p u r p o s es e n s o r,a c c o r d i n gt ot h r e ee n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sc o m m o n l yu s e di nf a c t o r ya g r i c t t l t u r e：t e m p e r a t u r e，h u m i d i t ya n dl u m i n o u si n t e n s i t y T h i ss y s t e mp a y sm u c ha t t e n
14、t i o nt ot h en a t i o n a lc o n d i t i o n s，c o m p a r e dw i t hs i m i l a rf o r e i g ns y s t e m s I tc e n t e r e dt h es e l f-d e s i g n e dg r e e n h o u s ec o n t r o ls p e c i a l i z e ds o f t w a r ep l a t f o r m，a n ds t r u c t u r e st h ei n t e l l e c t u a lc o n
15、t r o ls y s t e mi ns u p p o r t i n gt h ef i e l d b u sa n de t h e m e tt e c h n o l o g y I tf o l l o w sc l o s e l yt ot h ei-h O S ta d v a n c e dl e v e lo ft h ew o r l d I t sk e yt e c h n o l o g yo w n st h ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y,a n di ss u p
16、 e r i o rt ot h ep r i c e A tp r e s e n t，t h e r ea r em a n yu n i t sa r er e s e a r c h i n gt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo ft h eg r e e n h o u s ea th o m e，h o w e v e r,i ts t i l lj u s ts t a r t e di nd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls o f t w a r ep l a t f o r
17、ma n da g r i c u l t u r es p e c i a l p u r p o s es e n s o r,S Oi ti so b v i o u st os e et h ea d v a n t a g e s K e yW a r d s：f a c t o r ya g r i c u l t u r e,c o n t r o ls t r u c t u r e,c o n t r o ls t r a t e g y,s o f t w a r ep l a t f o r m，s e n s o r独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进
18、行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盎盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：聋参宇群签字目期：乒。嗲年月2 E t学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权垂壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本
19、授权说明)学位论文作者签名：瘁南宇屏签字R 期。力n 歹年舌月土1 日导师签名：签字日期研第一章结论第一章绪论几千年来，人类的农业生产都是在大自然的“恩赐”和支配下进行的，完全处于依附于大自然、“靠天吃饭”的状态。尽管农业生产技术水平不断向前发展，栽培条件不断完善，但农业生产依然不能摆脱对大自然的依附。1 1我国农业发展面临的制约因素改革开放以来，我国农业发展取得J，举世瞩目的成就，用占世界不足1 0的耕地养活了2 2 人口，2 0 0 4 年全国粮食产量达到4 6 亿吨，为我国社会安定和经济发展奠定了坚实的基础。但我国仍然面临着制约农业发展的诸多因素：资源严重短缺，农业外延发展的潜力越来越小
20、；人口不断增长，农、吐承受压力越来越大；经济高速发展和人民生活水平的1 i 断提高，对农业技术的需求越来越强烈；农业投人不足，技术供需矛盾越来越突出；农村工业化水平落后，亟待提高。未来农业的发展小仅仅借助于常规技术，走资源密集型和劳动密集型的路子，必须依靠科技进步，利用现代工业技术装备农业，提高资源广出率和劳动生产率，实现可控条件下高效益、集约化的生产经营，发展高新技术集成的工厂化高效农业。1 2 工厂化高效农业的概念工厂化高效农业的出现使农业生产从依附于大自然的状态向前迈出了一大步，工厂化高效农业又称设旋农业，它不同于传统的农业种植 式。工厂化岛效农业旨在相对可控环境条件下采用工业化生产，实
21、现集约高效和追求合理投入与最佳产出的现代化农业生产力式，是把作物种植在一定的自动化温室内，配合科学的农业技术管理，使栽培的作物实现优质、高效、高产的目的。它有利于增强环境控制能力，提高农业生产的工业化水平，实现集约高效经营它有利于增强环境控制能力，提高农业生产的工业化水平，实现集约高效经营第一章绪论和促进可持续发展。工厂化高效农业的特点是以人工制造的小区环境取代或部分取代自然环境。而且，人工对这些环境可以调整控制，较大限度地满足作物的需要，使作物能够发挥最大的生产潜力，更好的发挥作物栽培向自动化、工厂化发展。1 3 工厂化高效农业面临的发展机遇国家“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标建议，
22、提出了坚持科教兴国战略和实行经济体制从传统的计划经济向社会主义市场经济体制转变，经济增长方式从粗放型向集约型转变的方针，为发展规模、集约、高效农业创造了良好的政策环境。随着国内人民生活水平的提高和生活节奏的加快，对高效无污染农副产品的需求不断增大；同时，国际市场对优质农产品需求也在扩大，因此急需建立一批工厂化高效农业的科技产业并形成空前的产品市场，为规模、集约高效农业提供了难得的发展机遇。以信息技术、生物技术为代表的高新技术在工厂化农业上广泛应用，必将带动农业生产方式和农民生活方式的革命性进步，而工厂化高效农业是最具现代农业特征的产业之一。它具有大幅度提高土地资源、水资源利用率、劳动生产率，持
23、续为社会提供优质、无公害产品生产和推动相关产业发展，培育新的经济增长点等特点，这些特点，正是我国实现农业现代化的基本要求。1 4 现代工厂化高效农业的发展状况现代工厂化高效农业(简称自动化温棚)是国际上农业发达国家历经3 04 0 年逐步发展起来的一种资源节约型高效农业发展模式，它的节水率高达8 5 以上，产量是普通温室的1 0 一2 0 倍，它起源于普通日光温室，但又是普通日光温室的升级换代产品，是当代计算机自控技术与农艺相结合的高科技产物，是在有限的土壤上(或空间里)营造适宜作物生长的条件，如：光照、温度、湿度、营养成份控制等，以实现各种作物的优质、高效、低耗的规模化集约化生产，这种全新的
24、农业生产模式在发达国家已日趋成熟，并形成了一批与之相配套的、标准化的、规格化的产业群，它们相互协作配套。自上世纪9 0 年代起，随着工厂化农业在我国的兴起，我国从工厂化农业第一章绪论发达的荷兰、以色列、美国等国以成套方式相继引进了一批现代化大型温室，包括智能控制系统，一公顷(1 5 亩)价值高达6 0 0 万元左右，而且核心技术(如自控装备及配套软件)对我们进行封锁，因此，以中科院院士为首的国内专家呼吁：整体引进是不划算的，是一种低层次的引进方式，我们必须立足我国实际情况，借鉴他们的先进技术，自主开发，自我创新，形成具有我国特色的、适合我国国情的工厂化高效农业技术与装备，并以此推动国内相关产业
25、群的发展，在工厂化高效农业上走一条自力更生的道路，关键技术必须掌握在我们自己手中。近年来，我国在温室智能控制系统的研制开发领域也有了很大进展，国内一些单位相继研制开发了多种类型温室控制系统，并在生产中得到了实际应用，但整体处于粗放型控制，智能化水平较低，同引进系统效果差距较大。纵观近十年来，国内各地引进的自动化温棚情况，大多数高投入并未带来企盼的高效益，仅起到观赏、示范效应，其中部分还出现了“高投入、高亏损”现象，引起一些非议，这显然背离了政府花大量外汇引进自动化温室的初衷，也难以在国内推广，究其原因：投资太大，外商以成套系统方式赚取了我们高达4 0-5 0 的利润；能源消耗大，运行成本高，使
26、回收期延长，达不到预期的高效益；电脑软件是国外依据他们本国条件编制，参数调整困难，致使多数引进温室都达不到预期产量；电脑操作界面全是外文，操作不方便；外方对核心技术，即自动化温室成套设备及控制技术(含软件)进行封锁，使大棚运行维护困难，维护成本高昂，长期摆脱不了对外方的依赖。1 5 本文研究的主要内容目前，随着计算机网络、自动控制、测量技术、人工智能等技术领域的发展，新的技术不断引入到温室智能控制技术中来，产生了专业化、通用化、智能化、模块化、网络化的趋势。针对以上特点，考虑到我国农业的发展特点，在消化、吸收国际上先进自动化温棚技术的基础上，结合现场总线技术和工业以太网技术，建设适合我国国情，
27、集国内外温室设施优点，适应我国各生态区气候特点的结构优化、控制能力强、生产效能好、经济投入省的新型设施，使自主研发的温室控制系统不断完善，技术上达到国际先进水平。本文把研究开发的落脚点重点放在自行设计开发低成本、高功能、高效能第一章绪论的符合中国国情的工厂化高效农业控制技术及配套设备、设施，具体放在工厂化农业控制系统架构、控制策略及控制软件、农业专用智能传感器的研究开发上。针对工厂化农业控制系统架构，根据控制参数、控制精度、温棚面积、智能化水平等的不同，设计了普及型、提高型、智能型等低、中、高端三类控制架构，即基于嵌入式技术的控制架构、基于工业计算机的控制架构、上位机+现场P L C 控制架构
28、。由于工厂化农业控制系统是个多参数、非线性、大滞后的多输入多输出系统，因此系统控制策略基于农业专家系统，采用常规P I D+模糊控制、神经网络等人工智能测控技术相结合相补充的方式来实现系统的信息融合与控制。针对农业用传感器的特点，选择目前工厂化农业中常用的温湿度、光强度三个环境参数量，设计了基于C A N 现场总线的系列农业专用传感器。第二章工厂化农业智能钡4 控系统架构研究第二章工厂化农业智能测控系统架构研究众所周知，影响作物生长的环境因素有温度、湿度、光照、通风、肥料、c 0。浓度等因素。工厂化农业智能测控系统就是要根据室内外环境的温度、湿度、光照以及风速、风向等气候条件，采用多种设备和方
29、式来控制温室内的温度、湿度、光照、通风等因素，营造出适宜各种作物生长的最佳环境。在这种控制过程中，温度、湿度、光照、c 0：浓度等被控量之间存在着强烈的相互耦合关系，某个被控量的改变，会影响到其它被控量的变化。此外，现代化温室还是一个较大的空间(一般l O 1 5 亩，高4 5 米)，因此，内部温度、湿度、c O。浓度等被控量在控制过程中都存在不同程度的较大滞后，所以，智能化温室自动控制系统可以说是一个大空间、多参数、多目标，并具有强耦合、大滞后的非线性控制系统。2 1 控制方案的设计根据工厂化农业智能测控系统的特点，在广泛调研国内外现有温室控制系统特点的基础上，针对不同的温棚空间、被控参数的
30、多少、控制目标的高低、系统的自动化程度等因素，设计了以下三个控制方案以适应控制精度、静动态品质及成本要求不同的应用场合。方案一：对于大型温室的智能测控系统，一般具有被控参数多、非线性大滞后强烈、自动化水平高等特点，综合各方面因素，该类温室控制系统采用上位机+前置P L C 架构控制方案。其结构框图(图2 1)如下：方案二：对于中小型农业大棚控制系统，为降低其单位控制成本，建议采用工控机架构控制方案，控制架构框图如图2 2 所示。方案三：对于小型或微型农业温棚的控制系统，为最大化的降低其控制成本，建议采用嵌入式架构控制方案。控制架构如图2-3 所示。第二章工厂化农业智能测控系统架构研究图2-1
31、上位机+前置P L C 控制架构图2 2 工控机控制架构图2 3 嵌入式控制架构第二章工厂化农业智能测控系统架构研究2 2 控制方案的特点与比较以上三种控制架构方案均能实现系统功能的要求，但各有特点2 2 1 从控制成本上考虑方案一，采用集散式控制方式，前端P L C 可编程控制器负责采集各传感器的数据，并对采集数据进行智能化分析、处理和计算，发出对各种执行机构的控制信号，经P L C 的I O 口完成对执行机构的控制，实现相应的控制功能。同时，有关数据经通讯口线送到计算机，一方面进行显示、监控、存贮、打印，以便操作人员实时监控系统的运行状况；一方面根据农业专家系统生成相应控制指令优化前端P
32、L C 的控制策略。该方案一次性单位投入较大，控制成本较高，适应于大型高智能化工厂化农业系统。方案二，采用集中控制方式，计算机完成数据的采集、运算、处理及控制执行机构，选用的计算机为工业控制计算机和相应的I O 模块，工业控制机一般为全钢结构，具有高的抗静电及抗辐射性能，性价比较高。该方案一次性单位投入较低，但稳定性、可靠性较低，一旦中心控制计算机宕机，整个控制系统便处于崩溃状态。因此该方案适应于中小型农业温室。方案三，采用嵌入式结构，该方案一次性单位投入最低，稳定性、可靠性较高，整体性价比最高，但由于单片机数据处理能力的限制，使该方案控制算法的智能化水平较低，近期由于D S P 成本的迅速下
33、降，使基于嵌入式架构的控制系统智能化程度得到了有效的改善，该方案是现代化农业智能测控系统最有前途的控制架构，可适应于大、中、小及微型农业温室。2 2 2 从可靠性上考虑方案一，其结构为集散式控制结构，直接与输入、输出打交道的是可编程控制器、计算机仅作为中心监控机，并不直接与输入、输出量相连，并且目前可编程控制器从控制性能、抗干扰性能上均可满足多种恶劣环境的要求。因此，方案一的主机受干扰的可能性较小，可靠性、稳定性较强。方案二，由于是集中式控制结构，中心控制计算机通过各种接口板卡直接与各输入、输出量连接，一旦中心控制计算机出现问题，则整个系统便无法正常工作，可靠性、稳定性较差。第二章工厂化农业智
34、能测控系统架构研究方案三，这种基于嵌入式结构的控制系统，控制操作可在传感器级完成，各功能单元彼此独立，某一设备宕机，不影响其他设备的正常运行，而且容易实现自恢复功能。因此该方案的抗干扰能力、稳定性、可靠性最高。2 2 3 从扩充能力上考虑方案一的集散式控制结构配置比较灵活，这是因为P L C 内C P U 的功能强大，它的模块化设计和插入式结构决定了系统将来功能的扩充十分简单，能尽快满足不同用户对系统功能的要求。从今后发展看，作为上位机的计算机可以与互联网进行信息交换，在温棚的生产管理和市场营销方面发挥作用。从降低系统故障率，提高可靠性方面考虑，P L C 前置机可以与上位机脱机运行，由P L
35、 C 的C P U 对整个系统进行控制，上位机与P L C 之间虽有紧密联系，但又各自独立，有自己的C P U，相互影响较小。因此，这种集散式的控制方式具有较强的扩充能力。方案二是基于I P C 的集中式控制结构，由于工控机母板扩展插槽有限，而且扩展卡过于密集极易降低系统电磁兼容性和抗干扰能力，因此系统可扩充能力相对较弱。方案三可以将嵌入式控制核集成到传感器内，这种基于智能传感器的测控系统可根据需要无限扩展，且现场操作简单方便。因此该控制架构也具有较强的扩充能力。2 3 控制系统的硬件设计2 3 1基于上位机+前置P L C 架构的控制系统硬件设计近年来P L C 技术发展很快，呈现以下趋势。
36、1：面对工业环境设计，电流、电压的适用范围广，抗干扰能力强，可在高温、高湿、高粉尘下可靠工作。P L C 的梯型图编程软件和其强大的指令集可方便实现各种先进的智能化算法设计和编程。实现了模块化、网络化设计，在通讯与操作界面上全方位借鉴了视窗(W i n d o w s)操作系统的优点，使控制与管理一体化。该方案智能化温室自动控制系统是面向中国国情设计的，一方面在功能和第二章工厂化农业智能测控系统架构研究控制水平上要追踪国际先进水平，同时又要根据国情特点、对象的不同，可方便的进行功能的增减和参数的调整，满足用户需求，方便用户使用。再就是充分考虑国情，在满足控制性能的前提下，尽量降低一次性投资成本
37、和日后的运行维护成本。在充分考虑了以上诸方面条件后，我们综合对比了国内外各种P L C，最后选用欧姆龙(o M R O N)系列的C 2 0 0 H S 作为前置机，并按一个棚分2 个种植区考虑(亦可根据用户要求分为3 个、4 个不同作物种植区)。该P L C 指令功能强大，存贮容量也比较大，而且是模块化结构，扩充方便。上位机采用华北工控工业计算机，在P L C 和上位机之间通过以太网通讯。通过上位机可监视室内外的各种环境测量值，并可根据所种植的作物品种的不同，方便地改变系统设定值，达到最佳控制。在该系统硬件中，我们使用了C 2 0 0 H S 系列的四个模块，即C P U模块、数字量输入模块
38、、数字量输出模块、模拟量输入模块，各种传感器与执行机构根据所需信号不同与不同模块相连，硬件结构框图如图2 4 所示。其中各模块的功能如下：P L C C P U 模块该模块为整个控制系统的中心，我们采用O M R O NC 2 0 0 H 系列C P U，该C P U的运行速度和i o 扩展能力足以满足设计。i o 输入模块该模块采用O M R O NC 2 0 0 t 系列i o 输入模块，插入式结构，利于扩展和维护。此部分主要用手动的开关窗、开关遮阳帘、通风及通过各种传感器检测外界环境的风速、风向和雨雪等信号，输入C P U，为P L C 自动控制算法提供基础数据。I O 输出模块该模块采
39、用O M R O NC 2 0 0 H 系列I O 输出模块，插入式结构，利于扩展和维护。此部分主要用于执行C P U 发出的动作指令如：进行开、关窗、开关遮阳帘、通风、喷淋灌溉、加温、降温等操作，以达到设定的作物生长环境。A D 输入模块该模块采用O M R O NC 2 0 0 H 系列A 0 0 0 3 模拟量输入模块，插入式结构，利于扩展和维护。此部分主要用于检测室内、外温度、湿度、C 0。含量、肥料的P H值、E C 值(电导率)及升高或降低棚内温度的冷、热源的有关阀门，输入C P U，为智能化控制提供相关技术参数。第二章工厂化农业智能测控系统架构研究开关窗、开关帘l按钮(手动)lP
40、 L C-C P U一竺塑H 塑望垫1开关帘传感器I开关窗角度传感器同辅阿白忙成靼1I 0 J 正、p l 叫I 刮币日输入模块雨雪传感器瞬关窗、开关帘肥水液位传感器l7 I 执行机构室内外温度、湿瞌风、喷淋、灌溉度、C O。传感器I O执行机构输出模块光照传感器lf I n 坦酌r c g 泪一l 川u 阡mI 执行机构配肥液P t i 值、谁篙9 竽、E c 值传感器A D输入模块温度传感器l 户光于睫詈图2-4 基于方案一的系统结构框图如果该系统室内外环境的采样参数是传感器输出的模拟信号，而且传感器距P L C 的距离也比较远，在传感器类型的选择上采用了4-2 0 a A 电流输出型的，
41、从而可有效减小传输过程中的干扰，保证采样值的准确性。为了保证系统执行机构的安全，各执行部件限位开关的常闭点都接在电机线路里，常开点作为P L C的输入信号，这样达到双保险的目的。第二章工厂化农业智能测控系统架构研究2 3 2 基于嵌入式架构的控制系统硬件设计根据控制系统功能要求，该方案提出的基于C A N 总线的设旋农业专用嵌入式测控系统。4 ，采用智能光强度及温湿度传感器+智能控制器两级结构。数据采集、处理及执行机构的驱动由智能传感器实现，联网、控制规则的优化则由智能控制器完成。为满足温室群的联网需要，本系统可通过C A N 总线接口与其它同类测控系统以及上位机进行联网通讯，实现了数据共享，
42、具有较高的可靠性、稳定性、容错性及可扩展性。该嵌入式测控系统的结构拓扑图如图2-5 所示。C A N 总线图2-5 基于嵌入式结构的测控系统结构拓扑图智能传感器特点：智能传感器的控制核心采用A T M E L 公司5 1 系列单片机A T 8 9 C 2 0 5 1”1；温敏器件D S l 8 8 2 0 通过一条单连接线的1 w i r e 总线实现通信；-光敏器件采用光电集成芯片0 P T 3 0 1，它在一个介质隔离芯片上集成了一个光二极管和一个互阻抗放大器，提高了测量准确性；传感器采用多采样点取加权均值措施，提高采样参数的准确性、可靠性和容错性；驱动输出口采用光耦+继电器控制结构。智能
43、控制器特点：智能控制器的控制核心采用A T M E L 公司5 1 系列单片机A T 8 9 C 5 2通过R$4 8 5 接口获取各采样点数据：第二章工厂化农业智能测控系统架构研究通过薄膜键盘进行相应环境参数设定，增加测控系统的灵活性和实用性；C A N 总线接口实现与其它同类系统信息互传，进而构成较大的农业测控系统。第三章工厂化农业智能测控系统控制策略与上位软件研究第三章工厂化农业智能测控系统控制策略与上位软件研究控制策略是控制系统的核心，其稳定性、可靠性、鲁棒性的高低某种程度上决定了整个控制系统的性能指标，本文以大型温室智能测控系统的控制策略为研究对象，在此基础上，可在中小型温室推而广之
44、。3 1控制策略研究与设计3 1 1大型温室系统控制策略设计由于大型温室环境中温度、湿度、光强度等被控量之间存在着强烈的耦合关系。比如，若要增加室内的湿度，就会使室内温度降低。同时温度升高，也会使室内的湿度发生变化。又由于大型温室空间较大，内部温度、湿度等被控量在控制过程中都存在不同程度的较大滞后。所以，智能化大型温室自动控制系统是一个大空间、多参数、多目标，并具有强耦合、大滞后的非线性控制系统“1。针对控制对象的这种特点，要将其设计成为一种具有较好的控制精度，较好的动态品质以及良好稳定性、均匀性的系统，必须采用先进的计算机控制技术，以及具有模仿人思维的模糊控制技术等人工智能技术的控制策略，并
45、根据被控对象的具体特点，对以上多种技术进行综合权衡和侧重，以达到系统的良好静态及动态品质，良好的稳定性和均匀性，以利棚内作物生长。系统近似数学模型为：G(s)=F(s)e“(3 一1)其中F(s)为不包含纯延迟环节的未知系统对象特征，9 1 为系统纯延迟环节。根据被控对象(温度、湿度、光强度)的具体特点，采用基于自适应模糊控制器的智能解耦控制结构叫”“。模糊控制的最大特征是它能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。因此，模糊控制特别适用于数学模型未知、复杂的非线性系统的控制M。由于大型智能温室系统是一个多目标、强耦合、大滞后的非线性系统，因此模糊
46、控制器是一个多变量模糊控制器，由于直接设计多变量模糊控制器难度较大，因此将多变量模糊控制器在结构上实现解耦，即分解成若干个多输入单第三章工厂化农业智能测控系统控制策略与上位软件研究输出的模糊控制器，进而实现模糊控制“。解耦结构框图如图3-1 所示。XzX”图3-1M 讧O 解耦结构该多变量模糊控制器的输出为：“1=o R l l A X 2。R 2 l X mo R l“2=X lo R l 2 x 2。R 2 2 x m。R m 2(3 2)“月=x 1。R 1 n x 2o R 2 x mo R n其中模糊关系为：0 k。)侈3)(t=1,2，珊；J=1,2，功系统为1 0 输入8 输出模
47、糊控制器，分别令五表示温度偏差，X，表示温度偏差变化率，屯表示湿度偏差，z。表示湿度偏差变化率，黾表示光强度偏差，砘表示光强度偏差变化率，X，表示土壤干燥度偏差，表示土壤干燥度偏差变化率，X。表示C 0 2 浓度偏差，而。表示C 0 2 浓度偏差变化率；表示开加热器，“：表示开喷淋，“，表示开遮阳帘，表示关遮阳帘，如表示开天窗，蚝表示关天窗，材，表示开风机，蚝表示开光肥仪(用于人工补光)。升温措施采用水暖加温，以及开遮阳帘(光照强时)和关遮阳帘(夜晚时起保温作用)。降温措施是顶部喷淋、开天窗、开风机及关遮阳帘(光照强时)等。湿度控制的主要方法是顶部喷淋及开天窗、开风机及开加热器。当室内湿度小于
48、设定值时，喷淋开启，当室内湿度达到设定值时，关闭喷淋。当室内湿度高于设定值并高于室外湿度时，开天窗或风机以加强空气对流，但开天窗换气引起室内较大程度降温，因此自然换气管理多从降温考虑，兼顾其它。加热第三章工厂化农业智能测控系统控制策略与上位软件研究既可升温又可降湿，在低温季节和早晚室内湿度过高宜采取加热措施。遮阳帘具有调节光照、降温、保温功能，通过设定其开度的大小以及采取人工补光措施来达到调节光照强度目的。因此，温度关联加热器、喷淋、天窗、风机、遮阳帘，湿度关联喷淋、天窗、风机、加热器，光强度关联遮阳帘及光肥仪。模糊控制器的自适应功能通过自调整函数实现，其控制策略为：构造一个修正函数r l，当
49、偏差小时，为抑制系统的超调，对偏差变化率的影响给予较大的权重，使系统尽快进入稳态；当偏差大时，对偏差的影响给予较大的权重，以尽快消除偏差，提高系统动态响应速度。系统模糊控制规则的形式为陋1 司Iu=_ 袒+(1 一r 1)E C乓 J 剖 毛。自调整函数的构造公式为卵=k l e r l(3-5)式中k、P 为整定参数，r 为目标值。通过设定合理的k、P 值，自调整函数可以根据偏差e 和目标值，的变化，灵活调整模糊控制规则。利用自调整函数可克服或减弱模糊控制器可能产生的振荡及稳态误差。这样既改善了系统的动态响应，又提高了系统的稳态性能。3 1 2 仿真分析由自调整函数构造公式知，当P 1 时，
50、卵随偏差P 增大递增较慢，从而加强了控制规则中E C 的作用。一般0 5 P 2。参数的取值范围与p 有关，为使偏差较大时过程响应加快，取k l，但当l E I=E。时，应满足1 一口 0，因此参数的取值范围为：1 p E。l(3-6)设式(3-1)中系统传递函数G(s)为带纯延迟的二阶惯性环节，式(3 7)分别第三章工厂化农业智能测控系统控制策略与上位软件研究为时1 日J 参数取小l 司值时的糸统数字模型，取被控对象偏差集合、偏差夏化翠集合的隶属函数如图3-2 a 示，控制量集合的隶属函数如图3-2 b 示。基于该自适应模糊控制器作用下系统阶跃响应仿真曲线如图3-3 a 所示，基于传统P I