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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，實時地進行調(diào)節(jié)。為了提高我國的溫室技術水平，上海和北京等地從荷蘭引進了一些現(xiàn)代化的溫室設備和控制系統(tǒng)。但這些設備和系統(tǒng)價格昂貴、運行成本高，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控制系統(tǒng)。本文將介紹以工控機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，實現(xiàn)對溫室空氣溫度、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)的實時控制；
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)行機構的開、閉狀態(tài)；
④ 操作人員可以手動控制執(zhí)行機構；
⑤ 具有開放式平臺，實時查詢、修改溫室控制參數(shù)，以便找出最佳控制策略；
2 硬件構成
系統(tǒng)由傳感器及變送器、執(zhí)行機構、A/D數(shù)據(jù)采集卡、I/O卡、繼電器輸出卡和工控機等組成，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。用于將非電量信號轉(zhuǎn)換為電量信號。同時轉(zhuǎn)換為電流環(huán)信號，以便遠距離傳輸。
執(zhí)行機構包括風機、氣泵、水簾、遮陰簾、電磁閥和側(cè)窗等設備，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個通道、12為A/D轉(zhuǎn)換器。將電流環(huán)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，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)動執(zhí)行機構和反饋執(zhí)行機構的狀態(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，輸出端接中間繼電器線圈的交流220V信號，通過中間繼電器接通接觸器，驅(qū)動各執(zhí)行機構。
工控機采用研華工控機主機，主要完成對A/D采集卡的控制、根據(jù)輸入?yún)?shù)確定輸出、對I/O卡的控制、監(jiān)測執(zhí)行機構的動作狀態(tài)、實時顯示圖表等功能。
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)，又有風機、側(cè)窗、氣泵、水簾和燈光等多種調(diào)節(jié)機構。同時，溫室各參數(shù)又沒有準確的傳遞函數(shù)。因此，溫室控制是一種多輸入、多輸出的復雜控制。這里采用經(jīng)過預處理的模糊控制實現(xiàn)對各種參數(shù)的實時調(diào)節(jié)。下面從三個方面說明預處理過程。
(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、風機、水簾、遮陰簾進行調(diào)節(jié)。在冬季，溫度、濕度參數(shù)可以通過暖氣、水簾進行調(diào)節(jié)，而不能用風機和側(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、水簾和補光燈；其他季節(jié)調(diào)節(jié)措施有：側(cè)窗、風機、遮陰簾、水簾、氣泵、水泵和補光燈。
(2) 不同生長時期，參數(shù)要求不同，控制模式不同。以番茄為例，整個生長過程分為：發(fā)芽期、幼苗期、開花期和結果期。番茄不同時期的參數(shù)要求見表1。因此，將控制再分為四個生長時期和每天的白天、前半夜、后半夜三個時段。在不同時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)措施之間的關系。在補充CO2和溫濕度變化不大時，側(cè)窗、風機等不能打開。在光照不足時，遮陰簾不能拉上。因此，控制模式采用屏蔽方式。在充CO2時，屏蔽側(cè)窗和風機；在光照不足時，屏蔽遮陰簾；在室外溫度較高時，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，風機屏蔽、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期參數(shù)要求對照表
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、較負、零、較正和正5種。根據(jù)專家和試驗，得出：
如果 T為負，且△T為負，則風機關，側(cè)窗關；
如果 T為正，且△T為正，則風機開，側(cè)窗開；
如果 T為零，且△T為正，則風機關，側(cè)窗開；
……
等25條控制規(guī)則。實際調(diào)節(jié)過程中，實時采集溫度和溫差信號，計算出溫度和溫差針對不同模糊集的隸屬度，再根據(jù)25條控制規(guī)則，分別求出風機關、風機開、側(cè)窗關、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)行機構加上水簾；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 結論
基于模糊控制的溫室智能控制系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€參數(shù)分別進行實時控制。經(jīng)過近一年的試運行，控制精度能夠滿足農(nóng)作物生長的要求。同時，良好的人機界面也促進了農(nóng)業(yè)專家對農(nóng)作物生長過程的研究。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號