農業(yè)溫室控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u14632第1章控制系統(tǒng)硬件設計 158401.1傳感器的選型與接線 14741.2控制器硬件組成 6262201.3執(zhí)行器的確定 7293391.4執(zhí)行器的布置方案 1024459第2章控制系統(tǒng)軟件設計 11262892.1控制流程設計 1182052.1.1自動調節(jié)流程 1175542.1.2空氣溫、濕度模糊PID控制流程 1299102.2PLC梯形圖的編制 14194092.2.1輸入輸出點位的分配 1425692.2.2各控制模式梯形圖 16142662.2空氣溫、濕度模糊PID控制的Simulink仿真 19252912.2.1模糊PID控制系統(tǒng)的仿真 20157722.2.2常規(guī)PID控制系統(tǒng)的仿真 21286152.2.3比較兩種調控方案 23第1章控制系統(tǒng)硬件設計1.1傳感器的選型與接線1.溫度與濕度檢測選用瑞蘭斯品牌的溫濕度傳感器。其具體參數(shù)如下表4-1所示：表4-1溫濕度傳感器參數(shù)該傳感器屬于四線制傳感器，與模塊EM231的接法[20]如圖4-1與圖4-2所示。溫度信號輸出端：圖4-1溫度信號與EM231接線濕度信號輸出端：圖4-2濕度信號與EM231接線2.土壤濕度檢測選用中科能慧品牌的NHSF50土壤水分傳感器。其具體參數(shù)如下表4-2所示：表4-2土壤水分傳感器參數(shù)該傳感器屬于二線制傳感器，與模塊EM231的接法如圖4-3所示。圖4-3土壤水分信號與EM231接線3.光照強度檢測選用中科能慧品牌的NH207照度傳感器。其具體參數(shù)如下表4-3所示：表4-3照度傳感器參數(shù)該照度傳感器量程可以隨光照強度發(fā)生變化，隨光照強度的提高而增大量程，實現(xiàn)不同光照等級的相近精度測量。該傳感器屬于四線制傳感器，與模塊EM231的接法如圖4-4所示。圖4-4光照度信號與EM231接線1.O2濃度檢測選用精訊暢通品牌的數(shù)顯式氧氣濃度傳感器。其具體參數(shù)如下表4-4所示：表4-4氧氣濃度傳感器參數(shù)*VOL為氣體含量單位，表示混合氣體中，該氣體的百分比含量由于對氧氣濃度只是檢測，不由控制系統(tǒng)進行調節(jié)，通過人為開啟通風窗實現(xiàn)充足的氧氣濃度，因此氧氣濃度傳感器不連接PLC輸入端。5.CO2濃度檢測選用中科能慧品牌的NHEY62二氧化碳傳感器。其具體參數(shù)如下表4-5所示：表4-5二氧化碳傳感器參數(shù)*ppm為比例量度，1ppm=1μL/L，即百萬分之一該傳感器屬于四線制傳感器，與模塊EM231的接法如圖4-5所示。圖4-5二氧化碳濃度信號與EM231接線1.2控制器硬件組成控制器的硬件組成關系如圖4-6所示。圖4-6控制器的硬件組成其中，HMI人機交互部分選用西門子SMART700觸摸屏，可以在該設備上查看當前PLC接收的各項溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的情況，同時可對PLC中各項設定值進行修改。開關量信號主要是人為手動控制模式下，用戶按下各控制按鈕，向PLC傳輸?shù)膭幼餍盘?。增加人為控制模式是為了提升溫室控制系統(tǒng)的可操控性，讓用戶在調節(jié)溫室環(huán)境過程中占據(jù)優(yōu)先地位，改善使用體驗。

1.3執(zhí)行器的確定1.溫室空氣加熱采用路威牌電加熱暖風機。其主要參數(shù)如下表4-6所示：表4-6暖風機主要參數(shù)2.降低空氣溫度，采用萬豐牌環(huán)保水冷風機。其主要參數(shù)如下表4-7所示：表4-7冷風機主要參數(shù)該型號冷風機使溫室強制對流換熱，實現(xiàn)降低氣溫目的。3.實現(xiàn)溫室內強制通風，采用盈晟牌低壓風機。其主要參數(shù)如下表4-8所示：表4-8低壓風機主要參數(shù)1.加大空氣濕度，采用英占試驗儀器牌SCH-A加濕器。其主要參數(shù)如下表4-9所示：表4-9加濕器主要參數(shù)該型號加濕器具有多種優(yōu)點：（1）成本較其他品牌低很多，批發(fā)價每個200元左右；（2）對水質沒有特殊要求，且不易堵塞；（3）效率高、霧化細微均勻；（4）安裝簡單、經久耐用、故障率極低；5.調節(jié)灌溉管的流量，采用遠通牌二通式電動調節(jié)閥。PLC輸出不同程度的電流或脈沖信號時，閥門上的控制器會根椐接收來的信號，控制閥門開度。其主要參數(shù)如下表4-10所示：表4-10電動調節(jié)閥主要參數(shù)6.對溫室環(huán)境的補光，采用萬方光華牌LED雙排植物補光燈。其主要參數(shù)如下表4-11所示：表4-11補光燈主要參數(shù)7.補充溫室內二氧化碳，采用環(huán)擎牌二氧化碳機。其主要參數(shù)如下表4-12所示：表4-12二氧化碳機主要參數(shù)1.4執(zhí)行器的布置方案溫室內主要執(zhí)行器的布置方案如圖4-7所示。圖4-7執(zhí)行器布置安排圖中1至8分別代表：1.暖風機 2.冷風機 3.通風機 1.加濕器5.補光燈 6.二氧化碳發(fā)生器 7.控制柜 8.室外氣溫箱第2章控制系統(tǒng)軟件設計2.1控制流程設計2.1.1自動調節(jié)流程系統(tǒng)自動調節(jié)流程如圖5-1所示。圖5-1總體控制流程啟動系統(tǒng)后，PLC首先讀取各傳感器傳來的數(shù)值，并與設定值進行比較，若實際數(shù)值與設定值存在偏差，則輸出響應的動作信號，啟動相關設備；對于二氧化碳濃度，不僅要實現(xiàn)數(shù)值檢測，還要判斷當前的濃度值是否過大。由于過高濃度的二氧化碳會對人體造成危害，因此必須設置警報，并及時通風。2.1.2空氣溫、濕度模糊PID控制流程5-2圖5-2溫、濕度模糊PID控制流程對溫度、濕度進行調控前，PLC先采集溫室內外的溫度T1與T2，溫室內外的濕度H1與H2，通過比較溫室內溫度、濕度值與它們的設定值，可以得出eT1、eH1，與室外的溫度、濕度值比較，可以得出eT2、eH2。以溫度調節(jié)為例，將eT1與eT2量化，由模糊控制器1的模糊規(guī)則可以求出修正后的溫度偏差值ET；對eT1關于時間求導，得到ecT1；ET與ecT1傳輸給模糊控制器3，根據(jù)其模糊規(guī)則，可以求出對于PID控制器1的參數(shù)修正量ΔKpT、ΔKiT、ΔKdT。經過參數(shù)修正后，u(T)與u(H)一起，傳輸給模糊控制器5模糊化處理，得到最終用于控制溫室暖風機、冷風機、通風機、溫室加濕器四種執(zhí)行器的信號U，實現(xiàn)溫度與濕度的調控。

2.2PLC梯形圖的編制2.2.1輸入輸出點位的分配根據(jù)第二章中對于控制系統(tǒng)的輸入量、輸出量種類與個數(shù)的分析，可得PLC的I/O分配表，如表5-1所示。表5-1PLC的I/O分配數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出模擬量輸入/輸出I0.0總啟動按鈕，開始自動調節(jié)溫室Q0.0系統(tǒng)電源接觸器KM1AIW0空氣溫度信號1I0.1總停止按鈕Q0.1手動控制接觸器KM2AIW2空氣溫度信號2I0.2啟用手動調節(jié)按鈕Q0.2暖風機接觸器KM3AIW4空氣溫度信號3I0.3切回自動調節(jié)按鈕Q0.3暖風機接觸器KM4AIW6空氣溫度信號4I0.4手動啟用暖風機（減壓啟動）Q0.4冷風機接觸器KM5AIW8相對濕度信號1I0.5手動停用暖風機Q0.5通風機接觸器KM6AIW10相對濕度信號2I0.6手動啟用冷風機Q0.6加濕器接觸器KM7AIW12相對濕度信號3I0.7手動停用冷風機Q0.7一級光照接觸器KM8AIW14相對濕度信號4I1.0手動啟用通風機Q1.0二級光照接觸器KM9AIW16土壤濕度信號1I1.1手動停用通風機Q1.1三級光照接觸器KM10AIW18土壤濕度信號2I1.2手動啟用加濕器Q1.2二氧化碳機接觸器KM11AIW20土壤濕度信號3I1.3手動停用加濕器Q1.3二氧化碳濃度警報接觸器KM12AIW22光照強度信號1I1.4手動啟用一級照明AIW24光照強度信號2I1.5手動啟用二級照明AIW26光照強度信號3I2.0手動啟用三級照明AIW28二氧化碳信號1I2.1手動停用照明AIW30二氧化碳信號2I2.2手動啟用二氧化碳機AQW0灌溉管調節(jié)閥I2.3手動停用二氧化碳機2.2.2各控制模式梯形圖根據(jù)圖5-1、表5-1以及第3章控制方案的分析，可利用軟件編寫梯形圖。人為手動調節(jié)與系統(tǒng)自動調節(jié)，兩種調節(jié)模式的梯形圖，分別簡要展示如下所示。完整梯形圖程序請參見附錄B。1.系統(tǒng)啟停梯形圖如圖5-3所示圖5-3系統(tǒng)啟停梯形圖2.人為手動調節(jié)部分梯形圖如圖5-4所示圖5-4人為手動調節(jié)部分梯形圖3.系統(tǒng)自動調節(jié)部分梯形圖如圖5-5所示圖5-5系統(tǒng)自動調節(jié)部分梯形圖

2.2空氣溫、濕度模糊PID控制的Simulink仿真2.2.1模糊PID控制系統(tǒng)的仿真5-6圖5-6溫度、濕度模糊PID控制系統(tǒng)Simulink框圖令溫度設定值為25℃，外界溫度為30℃；濕度設定值為80%RH，外界濕度為60%RH；更改MATLAB當前路徑為安裝路徑外的其他路徑，經過調試后，雙擊框圖最右側示波器，可觀察稍后的輸出波形[21]。設定仿真時間為10s，點擊按鍵“Run”，運行仿真。界面如圖5-7所示，輸出波形如圖5-8所示。圖5-7模糊PID控制系統(tǒng)Simulink仿真界面圖5-8模糊PID控制系統(tǒng)調控效果2.2.2常規(guī)PID控制系統(tǒng)的仿真常規(guī)PID控制系統(tǒng)仿真結構如圖5-9所示。圖5-9溫度、濕度常規(guī)PID控制系統(tǒng)Simulink框圖同上，設置溫、濕度設定值，外界溫、濕度值，并設定外界溫度、濕度對溫室環(huán)境調節(jié)的干擾系數(shù)為0.1，即外界溫度、濕度值的10%作為各指標與標準值偏差量的增量。更改MATLAB當前路徑為安裝路徑外的其他路徑，經過調試后，雙擊框圖最右側示波器，可觀察稍后的輸出波形。設定仿真時間為10s，點擊按鍵“Run”，系統(tǒng)開始仿真運行。界面如圖5-10所示，輸出波形如圖5-11所示。圖5-10常規(guī)PID控制系統(tǒng)Simulink仿真界面圖5-11常規(guī)PID控制系統(tǒng)調控效果

2.2.3比較兩種調控方案將兩種控制方案的所有輸出連接到同一臺示波器，經過調試參數(shù)后，點擊“Run”按鍵，系統(tǒng)開始運行仿真，得到兩種方案各自的溫度、濕度調控曲線如下圖5-12所示。圖5-12模糊PID控制與常規(guī)PID控制方案輸出曲線的比較通過上圖對兩種控制方案的比較，可以發(fā)現(xiàn)：1.對于動態(tài)性能：在均采用階躍函數(shù)作用下，常規(guī)PID控制系統(tǒng)對于溫度、濕度的偏差響應更快，兩種指標在前0.1s的上升速度明顯大于模糊PID控制系統(tǒng)，但之后上升速度減緩，開始低于模糊控制系統(tǒng)，導致上升時間tr較大；而后，當輸出曲線到達設定值后，常規(guī)PID控制系統(tǒng)的輸出曲線上升幅度略大，尤其對于濕度指標的超調量σ%接近4%，導致峰值時間tp較大[22]；在輸出曲線再次下降到標準值后，直到曲線穩(wěn)定于設定值高度，這段時間即調節(jié)時間ts，模糊PID調控效果更為穩(wěn)定。2.對于穩(wěn)態(tài)性能，可近似通過設定更長的仿真時間，并放大輸出曲線設定值附近區(qū)域，兩種控制方案的穩(wěn)態(tài)性能如下圖5-13與5-14所示。

圖5-13兩種方案溫度控制穩(wěn)態(tài)性能的比較圖5-14兩種方案濕度控制穩(wěn)態(tài)性能的比較

由以上兩圖可見，在