IV基于PLC的農(nóng)業(yè)設(shè)施智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要科學(xué)技術(shù)和整體發(fā)展水平較低限制了我國(guó)部分地區(qū)的溫室生產(chǎn)效益，設(shè)施設(shè)備和種植技術(shù)沒有形成完整的生產(chǎn)管理模式，主要靠人力、經(jīng)驗(yàn)和單因子調(diào)控。而如何發(fā)揮設(shè)施農(nóng)業(yè)體系中各硬件設(shè)備的最大效能，如何將整個(gè)體系內(nèi)的各單位有機(jī)地統(tǒng)一起來，是設(shè)施農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)，即設(shè)施農(nóng)業(yè)的控制系統(tǒng)技術(shù)。本設(shè)計(jì)以設(shè)施農(nóng)業(yè)中環(huán)境安全型種植溫室控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過檢測(cè)多種種植環(huán)境因素，根據(jù)溫室中具體栽培的作物生長(zhǎng)需要，在PLC程序中設(shè)定具體的指標(biāo)參數(shù)，結(jié)合傳感器現(xiàn)場(chǎng)采集的感測(cè)信號(hào)，通過PLC裝置，控制系統(tǒng)可自動(dòng)控制通風(fēng)、加濕、照明、灌溉、氣體施肥等種植操作。特別是對(duì)于溫度、濕度的控制進(jìn)行了模糊PID控制的Simulink仿真，實(shí)現(xiàn)更貼近實(shí)際的仿真效果。本系統(tǒng)通過控制各種設(shè)備與機(jī)構(gòu)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境指標(biāo)，使溫室達(dá)到更適宜的種植條件，為作物提供全天候的、更加可控的生長(zhǎng)環(huán)境。關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；溫室控制系統(tǒng)；PLC；模糊控制 目錄第1章緒論 第1章緒論1.1研究背景與意義設(shè)施農(nóng)業(yè)是人們通過分析作物生長(zhǎng)特點(diǎn)，改善作物的種植條件，最大程度地減小外界環(huán)境對(duì)種植作業(yè)干擾作用的農(nóng)業(yè)工程。設(shè)施農(nóng)業(yè)最為普遍的形式是人工種植溫室或養(yǎng)殖室。對(duì)于人工種植溫室，人們利用溫室本體與各執(zhí)行設(shè)備，達(dá)到冬季透光、保溫，夏季除濕、降溫，對(duì)于外界光照過低的情況，還可以人為補(bǔ)充光照；另外，對(duì)于不同的作物品種，還要采取相應(yīng)的科學(xué)農(nóng)作、栽培技術(shù)。我國(guó)近些年來大力扶持設(shè)施農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。如今，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積覆蓋率較五年前大幅提升，達(dá)到400萬(wàn)公頃以上，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的收入也逐年升高?？梢姡O(shè)施農(nóng)業(yè)必將推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)和國(guó)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀世界多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、以色列等，在智能溫室的研究與實(shí)踐方面起步較早，對(duì)溫室內(nèi)各種環(huán)境指標(biāo)有相對(duì)理想的調(diào)控方案，值得我們借鑒學(xué)習(xí)。美國(guó)的溫室技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，主要的溫室檢測(cè)指標(biāo)包括溫、濕度、通風(fēng)、土壤水分、灌溉狀況、CO2濃度，以及其他針對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有明顯作用的指標(biāo)；室外監(jiān)控指標(biāo)包括大氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)力、陽(yáng)光輻射強(qiáng)度等[1]。溫室技術(shù)對(duì)美國(guó)的農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展起到了極大推動(dòng)作用。再看鄰國(guó)日本，其耕地很少，約為世界耕地的0.27％。山區(qū)、荒蕪?fù)恋卣紦?jù)大部分國(guó)土。但是，如此少量貧瘠的土地卻幾乎實(shí)現(xiàn)了自給自足，進(jìn)口糧食只占很小部分。由此可見，這與其先進(jìn)技術(shù)密不可分。日本的溫室控制技術(shù)較為完善，實(shí)現(xiàn)精確控制多種關(guān)鍵環(huán)境因素，如溫、濕度、氣體濃度與光照等。通過利用先進(jìn)的溫室生產(chǎn)技術(shù)，日本高質(zhì)量食品、蔬菜、水果的產(chǎn)量和質(zhì)量均遠(yuǎn)高于我們國(guó)家。中東國(guó)家以色列，沙漠區(qū)域占國(guó)土總面積的63%，水資源十分緊缺。以色列的研究人員開發(fā)了一套全國(guó)普及的溫室系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制室溫、灌溉、施肥等，特別是對(duì)于溫度的控制效果突出，節(jié)省了很多資源與人力。

1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀科學(xué)技術(shù)和整體發(fā)展水平較低是我國(guó)溫室智能控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)和不足。從整體上，由于生產(chǎn)管理不標(biāo)準(zhǔn)，難以形成大規(guī)模商品生產(chǎn)。大部分溫室智能控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度還不夠，人為參與調(diào)控的情況還很普遍。此外，傳感器的使用方面也是國(guó)內(nèi)溫室的一大痛點(diǎn)。國(guó)外生產(chǎn)的溫室或農(nóng)業(yè)專用傳感器各項(xiàng)性能表現(xiàn)都較為理想，但成本過高，難以在我國(guó)廣大農(nóng)村推廣；而國(guó)產(chǎn)的溫室用傳感器雖然價(jià)格上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但性能卻大不如進(jìn)口的同類型裝置[2]。其中性能較好的SQ-WS國(guó)產(chǎn)溫室控制系統(tǒng)，主要控制風(fēng)機(jī)、噴灌機(jī)等設(shè)備，保證通風(fēng)與土壤水分滿足要求。但其在空氣溫度、相對(duì)濕度方面的控制效果，特別是響應(yīng)速度與溫度濕度解耦方面不夠理想，還需要進(jìn)一步優(yōu)化與升級(jí)調(diào)整。1.3總結(jié)國(guó)外智能溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步較早，有豐富的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)主要落后在高質(zhì)量發(fā)展上，因此在農(nóng)作用具、肥料品質(zhì)等條件相近前提下，我們必須提高溫室農(nóng)作的效率與效益。我國(guó)可以抓住當(dāng)前國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)領(lǐng)先世界的寶貴機(jī)會(huì)，在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的同時(shí)，通過與實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合，使我國(guó)溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)真正邁入智能化、網(wǎng)絡(luò)化階段。1.4設(shè)計(jì)的目的本設(shè)計(jì)以設(shè)施農(nóng)業(yè)種植溫室為研究對(duì)象。開發(fā)設(shè)施農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)，可以解決溫室冬季保溫除濕、夏季降溫防潮的需求，還可以根據(jù)不同作物的生長(zhǎng)需要，靈活地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度、土壤水分、光照、CO2濃度與通風(fēng)條件等諸多因素。在降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約經(jīng)營(yíng)成本的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全年高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。溫室內(nèi)、外各傳感器，檢測(cè)室內(nèi)外空氣溫度與相對(duì)濕度、土壤水分含量、光照強(qiáng)度、O2、CO2濃度等信號(hào)，PLC裝置通過傳感器輸入的實(shí)時(shí)電信號(hào)，控制包括溫室暖風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、溫室加濕器、灌溉管調(diào)節(jié)閥、補(bǔ)光燈、二氧化碳發(fā)生器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的自動(dòng)調(diào)控，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。第2章總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)工作原理溫室智能控制系統(tǒng)的預(yù)期工作效果是根據(jù)已編寫的符合農(nóng)作物生長(zhǎng)規(guī)律的程序，在PLC裝置的控制下，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的自動(dòng)化溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。同時(shí)設(shè)置人為手動(dòng)控制模式，增強(qiáng)系統(tǒng)的可控性。該系統(tǒng)工作原理為：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)，在PLC程序運(yùn)行后，控制器根據(jù)傳感器傳來的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，與設(shè)定的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，按程序輸出，繼電器、接觸器得電，對(duì)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)控，實(shí)現(xiàn)理想的溫室環(huán)境。其工作原理如圖2-1所示。圖2-1PLC溫室控制系統(tǒng)工作原理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是事先分析被控量的種類與特點(diǎn)，如空氣溫度、相對(duì)濕度、光照、CO2濃度等，制定符合作物生長(zhǎng)條件的理想指標(biāo)數(shù)值。同時(shí)指標(biāo)的高、低閥值都應(yīng)當(dāng)能夠二次設(shè)置和更改，滿足不同作物的需要。2.2確定系統(tǒng)主體與主要部分本控制系統(tǒng)面向的種植溫室規(guī)格為：的中型玻璃溫室。其大致外觀結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2種植溫室外觀示意圖智能種植溫室控制系統(tǒng)的主體是所選擇的各類型傳感器、PLC裝置與執(zhí)行器，將這些設(shè)備連接得到的整體。系統(tǒng)主要由信息采集部分、控制器部分、執(zhí)行器部分組成。2.2.1信息采集部分信息采集部分由各類傳感器和監(jiān)控設(shè)備等功能硬件組成。本系統(tǒng)選用5種傳感器，其中溫濕度一體傳感器設(shè)置4個(gè)，分配給室外氣象箱1個(gè)，其余3個(gè)在溫室內(nèi)按種植區(qū)域，在長(zhǎng)度方向上每隔6米設(shè)置一處測(cè)量點(diǎn)；土壤濕度傳感器、光照強(qiáng)度計(jì)均設(shè)置3個(gè)，在種植區(qū)域內(nèi)均勻布置；O2濃度傳感器、CO2濃度傳感器均設(shè)置2個(gè)，布置高度與植株高度相近，均勻布置。相同種類多個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳至PLC，經(jīng)過量化取平均值。綜合以上，可得傳感器種類及個(gè)數(shù)匯總?cè)缦卤?-1所示。表2-1傳感器種類及個(gè)數(shù)傳感器種類擬定輸入輸出規(guī)格個(gè)數(shù)空氣溫濕度一體傳感器輸出4-20mA，供電0-24V4土壤濕度傳感器輸出4-20mA，供電0-24V3光照強(qiáng)度計(jì)輸出4-20mA，供電0-24V3O2濃度傳感器數(shù)字顯示屏幕，供電12-24V2CO2濃度傳感器輸出4-20mA，供電0-24V2由于溫室的被控指標(biāo)中，大部分是模擬信號(hào)，應(yīng)當(dāng)與PLC的模擬量擴(kuò)展模塊連接。2.2.2執(zhí)行器部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)由溫室暖風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、溫室加濕器、灌溉管調(diào)節(jié)閥、補(bǔ)光燈、二氧化碳發(fā)生器，總計(jì)7種機(jī)構(gòu)或設(shè)備。執(zhí)行器種類個(gè)數(shù)匯總?cè)缦卤?-2所示。表2-2執(zhí)行器種類及個(gè)數(shù)執(zhí)行器種類擬定供電規(guī)格個(gè)數(shù)溫室暖風(fēng)機(jī)~380V/50Hz，15kW2冷風(fēng)機(jī)~380V/50Hz，1.1kW1通風(fēng)機(jī)~380V/220V/50Hz，1.1kW4溫室加濕器~220V/50Hz，100W6灌溉管調(diào)節(jié)閥24VDC，2W1補(bǔ)光燈~220V/50Hz，65W6二氧化碳發(fā)生器~220V/50Hz，2000W22.2.3控制器部分最后選擇控制器部分，即PLC型號(hào)以及擴(kuò)展模塊的選用。結(jié)合課程所學(xué)，溫室控制系統(tǒng)需要測(cè)量多種環(huán)境指標(biāo)，且大部分信號(hào)為模擬量，執(zhí)行器由PLC輸出的數(shù)字量控制接觸器來間接控制，或脈沖量輸出直接控制。既有模擬量輸入，又有數(shù)字量輸入輸出，故應(yīng)當(dāng)使用支持模擬量I/O的PLC型號(hào)進(jìn)行溫室環(huán)境控制。考慮到成本問題，可以選擇西門子的S7-200系列，此為一種整體式PLC，其CPU、I/O和電源模塊都在一個(gè)模塊內(nèi)，稱為CPU模塊。該系列有多種CPU型號(hào)可供選擇，其中CPU224XP功能較為強(qiáng)大，適用于中型較復(fù)雜控制場(chǎng)合。自帶24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，包括14輸入/10輸出；自帶模擬量為2輸入/1輸出，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或38路模擬量I/O點(diǎn)。具有程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，2個(gè)通訊/編程口，具有通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。該機(jī)型還新增多種功能，如自整定PID功能，線性斜坡脈沖指令等，是具有強(qiáng)大控制能力的CPU型號(hào)[3]。綜上，本設(shè)計(jì)采用的PLC型號(hào)為：西門子。實(shí)物如圖2-3所示。圖2-3S7-200CPU224XPCN實(shí)物圖選定PLC以及CPU型號(hào)后，就要根據(jù)溫室中傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)或設(shè)備確定總輸入、輸出量個(gè)數(shù)，從而挑選PLC的擴(kuò)展模塊。由表2-1可得，除氧氣濃度由人為通風(fēng)調(diào)控，不需向PLC傳輸數(shù)據(jù)，傳感器部分總輸入量的個(gè)數(shù)為16，且均為模擬量；由表2-2可得，7種執(zhí)行器由PLC輸出開關(guān)量控制接觸器來間接控制或模擬量輸出直接控制；人為手動(dòng)控制模式下需要開關(guān)量約20個(gè)輸入，16個(gè)輸出。因此，預(yù)計(jì)PLC的輸入為：20個(gè)數(shù)字量、16個(gè)模擬量，輸出為：16個(gè)數(shù)字量、1個(gè)模擬量。參照西門子官方文件《S7-200PLC系統(tǒng)手冊(cè)》，選用1個(gè)8數(shù)字量輸入模塊EM221；2個(gè)8模擬量輸入模塊EM231；1個(gè)數(shù)字量輸出模塊EM222，為8繼電器輸出。此時(shí)，CPU已具備22個(gè)DI、18個(gè)AI、18個(gè)DO、1個(gè)AO，基本滿足實(shí)際需求?，F(xiàn)分析CPU電源模塊能為擴(kuò)展模塊提供的功率。CPU電源模塊提供兩種直流電壓，5VDC與24VDC，若CPU模塊的5VDC電源定額無(wú)法滿足擴(kuò)展模塊5VDC電源的總需求，只能拆下來部分模塊；若24VDC電源不足，可以補(bǔ)充額外電源來供給擴(kuò)展模塊。對(duì)增加擴(kuò)展模塊后PLC組態(tài)的電源定額計(jì)算如下過程表2-3所示。表2-3PLC組態(tài)的電源定額計(jì)算減：得：由計(jì)算結(jié)果可得，CPU電源模塊為擴(kuò)展模塊提供了足夠的5VDC電源與24VDC電源，無(wú)需額外提供外部電源。對(duì)于CPU的電源，選用DC24V電源；2.2.4控制系統(tǒng)的整體組成空氣溫濕度一體傳感器CO2濃度傳感器O2濃度傳感器土壤濕度傳感器空氣溫濕度一體傳感器CO2濃度傳感器O2濃度傳感器土壤濕度傳感器光照強(qiáng)度計(jì)溫室加濕器二氧化碳發(fā)生器灌溉管調(diào)節(jié)閥通風(fēng)機(jī)冷風(fēng)機(jī)溫室暖風(fēng)機(jī)補(bǔ)光燈各接觸器PLC（西門子S7-200CPU224XPAC/DC/繼電器）圖2-4控制系統(tǒng)整體主要組成

第3章分析確定控制方案通過對(duì)各種主要溫室作物生長(zhǎng)環(huán)境條件的分析，發(fā)現(xiàn)作物生長(zhǎng)對(duì)于各種環(huán)境要素的需求，均為一個(gè)相對(duì)較寬的范圍。3.1分析作物生長(zhǎng)條件3.1.1溫度條件農(nóng)業(yè)上常用最低、最適和最高溫度來規(guī)范標(biāo)記植物種子發(fā)芽溫度。13~28℃的范圍可實(shí)現(xiàn)普遍作物良好發(fā)芽，但各品種之間也會(huì)有明顯差異的情況。通過查詢相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)，得到部分作物種子發(fā)芽溫度數(shù)據(jù)[4]，如表3-1所示。表3-1常見農(nóng)作物種子發(fā)芽的最適、最高和最低溫度作物溫度（℃）最適最高最低洋蔥202215韭菜203020辣椒303020大豆203020茄子303020蔥15205芹菜202515番茄253020菠菜15306在植物種子發(fā)芽后，長(zhǎng)成為幼苗，此時(shí)直至作物成熟，各作物最佳生長(zhǎng)溫度仍不盡相同，但都為一定的溫度范圍。種植溫室夜間溫度條件不得過低，否則難以保證作物產(chǎn)量與質(zhì)量[5]。溫室內(nèi)溫度主要受日光輻射強(qiáng)度與室外溫度影響，其特點(diǎn)是晝溫高、夜溫低。溫室溫度的變化主要有以下特點(diǎn)：（1）隨季節(jié)一天內(nèi)的變化對(duì)于北方，外界氣溫較低的春、冬兩季，室內(nèi)一天的溫差要明顯高于外界環(huán)境，且溫度的最高與最低值對(duì)應(yīng)的時(shí)間均晚于外界；而在外界氣溫較高的夏季，溫室內(nèi)氣溫更易受到外界條件的影響，特別在晴朗天氣下，日出后至下午4時(shí)，溫室內(nèi)氣溫甚至將高于外界，因此有必要實(shí)施人為降溫處理。（2）逆溫現(xiàn)象大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，溫室內(nèi)氣溫明顯高于外界，但是對(duì)于玻璃溫室或覆膜層數(shù)較少的溫室，其日落后的降溫速率卻高于外界環(huán)境，導(dǎo)致溫室內(nèi)氣溫下降較快，低于外界氣溫1到3℃。（3）空間分布特點(diǎn)一般情況下，溫室內(nèi)氣溫分布不均勻，溫室的上部至頂部明顯高于下部至底部，而溫室中心溫度又往往高于邊緣區(qū)域溫度。（4）地溫的變化通過查閱相關(guān)數(shù)據(jù)[6]，晴天條件下，溫室地溫變化幅度較低，同時(shí)，最高、最低值出現(xiàn)的時(shí)間也都晚于外界，這與外界地溫、氣溫之間的關(guān)系是一致的。溫室內(nèi)氣溫與地溫的變化情況如圖3-1所示。圖3-1溫室一天內(nèi)溫度變化情況3.1.2水分與濕度條件種子的發(fā)芽過程也離不開水分的支持。發(fā)芽期間土壤必須始終保持濕潤(rùn)，根據(jù)種植經(jīng)驗(yàn)，部分作物種子萌發(fā)的需水量條件如表3-2所示。表3-2幾種代表性作物種子發(fā)芽的最低需水量作物最低需水量（%）玉米30油菜48大麥48大豆107發(fā)芽后的作物也需要吸收大量的水分，以保證正常光合作用的進(jìn)行。根據(jù)蔬菜的需水程度與其吸收水分的能力，作物可分為4種類型，即濕潤(rùn)型、半濕潤(rùn)型、半干燥型和干燥型，具體情況如表3-3所示。表3-3各需水類型蔬菜對(duì)空氣相對(duì)濕度的需求類型對(duì)應(yīng)蔬菜種類理想相對(duì)濕度（%）溫室內(nèi)部的相對(duì)濕度條件與外界差異更大。當(dāng)?shù)販夭蛔儠r(shí)，通風(fēng)換氣使絕對(duì)濕度降低[7]。與絕對(duì)濕度（AH）變換情況不同，空氣相對(duì)濕度（RH）的變化與溫室氣溫變化趨勢(shì)相反，見以下分析（1）。（1）空氣相對(duì)濕度（RH）隨季節(jié)、天氣在一天內(nèi)的變化在外溫較低的季節(jié)，由于保證溫室內(nèi)具有足夠溫度，通風(fēng)次數(shù)較少，使水分聚在室內(nèi)，相對(duì)控制濕度晴天條件下，空氣相對(duì)濕度自然會(huì)較其他季節(jié)更高。濕度的峰值處于夜晚或凌晨時(shí)分，最低值出現(xiàn)在正午。春冬季節(jié)室內(nèi)濕度的變化如圖3-2所示。圖3-2相對(duì)濕度在一天中的變化外界濕度較大的陰雨天或雪天，由于室內(nèi)氣溫較平時(shí)低，且變化幅度很小，即使通風(fēng)換氣仍無(wú)法排出空氣中多余的水分，導(dǎo)致溫室內(nèi)全天相對(duì)濕度過高，影響作物生長(zhǎng)。（2）空氣相對(duì)濕度（RH）在溫室內(nèi)空間分布特點(diǎn)大型溫室內(nèi)，空氣相對(duì)濕度分布往往不均勻，局部位置濕度較大，通常，溫室兩頭濕度較大，中部濕度較小；另外，溫室靠近地面處，相對(duì)濕度最高，在距地面1.5m處附近相對(duì)濕度出現(xiàn)最低值，但該高度以上直至溫室頂部，相對(duì)濕度又逐漸上升。（3）土壤濕度變化情況土壤濕度主要與灌溉量、土壤水分散發(fā)速率、作物葉片蒸騰作用以及相對(duì)濕度有關(guān)。與露地相比，溫室土壤水分散發(fā)速率、作物蒸騰量均遠(yuǎn)小于室外，故更為濕潤(rùn)。3.1.3光照條件作物種子萌發(fā)階段一般不需要補(bǔ)充光照。對(duì)于某些特殊的種子需額外提供光照或需隔絕光線才能發(fā)芽。對(duì)于萌芽后的作物，需要根據(jù)其生長(zhǎng)特點(diǎn)，對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控。對(duì)于喜光的作物，在陰天的條件下，必須人為補(bǔ)充光照。種植作物對(duì)光照強(qiáng)度的需求差異較大，例如黃瓜、西紅柿等喜光作物，其理想光照強(qiáng)度在2000~25000Lux之間；而蘑菇、大白菜等喜陰作物，當(dāng)光照強(qiáng)度在5000~10000Lux之間時(shí)，才有利于它們生長(zhǎng)。喜光植物和喜陰植物的光飽和點(diǎn)，分別在20000~25000Lux和5000~10000Lux在這兩個(gè)值范圍內(nèi)。（1）隨季節(jié)、天氣在一天內(nèi)的變化種植溫室的光照強(qiáng)度隨季節(jié)和天氣變化。冬季和早春期間，大部分時(shí)間溫室內(nèi)光照強(qiáng)度不足，應(yīng)當(dāng)為作物提供人工補(bǔ)光條件，或者盡可能延長(zhǎng)白天光照時(shí)間；夏季時(shí)，由于光照強(qiáng)度過高，必須采取遮陽(yáng)措施，縮短強(qiáng)光照射時(shí)間[8]。晴朗條件下，室、內(nèi)外光照強(qiáng)度的變化情況相對(duì)一致，如圖3-3所示。圖3-3室、內(nèi)外光照強(qiáng)度變化而在陰雨天、雪天條件下，由于陽(yáng)光強(qiáng)度較低，全白天光照強(qiáng)度雖趨于平穩(wěn)，但強(qiáng)度明顯不足，故此時(shí)有必要采取人為補(bǔ)光的措施。（2）溫室內(nèi)不同空間處的差異除了自然條件，光照強(qiáng)度往往還會(huì)由于建筑的方位、結(jié)構(gòu)問題等原因，導(dǎo)致光照強(qiáng)度分布不均勻。水平方向上，普遍的情況是北側(cè)的光照強(qiáng)度小于南側(cè)，但東西方向上的差別卻不明顯。豎直方向上，光照強(qiáng)度從上向下明顯遞減。溫室向陽(yáng)面頂部覆膜附近，光照強(qiáng)度為日光的80%左右，距地面1米處約為65%，而靠近地面0.3米的空間，光照強(qiáng)度只有55%。3.1.4氧氣濃度條件種子期間應(yīng)使周圍有足夠的氧氣，作物種子對(duì)氧氣的需求，由種子的生長(zhǎng)類型與體積、質(zhì)量決定。其中親水的小型種子如稻類作物，不需較多的氧氣，對(duì)于旱生種子如花生、小麥等對(duì)氧氣量需求較多。一般情況下，在種子的整個(gè)生長(zhǎng)周期中，應(yīng)盡量保持空氣流通。溫室內(nèi)的氧氣來源主要是通風(fēng)措施，有些作物的光合作用也會(huì)產(chǎn)生一定量的氧氣。對(duì)于植物類作物，并不需要對(duì)溫室內(nèi)氧氣濃度進(jìn)行額外的檢測(cè)與調(diào)整，利用通風(fēng)措施，完全可以實(shí)現(xiàn)植物類作物氧氣消耗與光合作用之間的平衡。3.1.5二氧化碳濃度條件二氧化碳作為一種氣體肥料，必須保證其足夠濃度，有利于作物產(chǎn)生更多有機(jī)物；但達(dá)到一定數(shù)值后，光合作用明顯受到抑制。植物光合速率受二氧化碳的影響如圖3-4所示。圖3-4二氧化碳濃度對(duì)光合速率的影響外界空氣中二氧化碳含量在300ppm至500ppm之間，在外界種植的作物吸收外界空氣的二氧化碳，不存在二氧化碳濃度不足，導(dǎo)致光合速率下降的情況。由于溫室為一個(gè)封閉或半封閉環(huán)境，其二氧化碳濃度主要由自身內(nèi)部條件決定。作物呼吸作用在晚上產(chǎn)生二氧化碳，該氣體又在第二天由光合作用變?yōu)橛袡C(jī)物和氧氣。日出時(shí)分，二氧化碳濃度達(dá)到最高值，約為500到700μL/L，之后其濃度明顯下降，13時(shí)降到最低值，約200μL/L，相當(dāng)于大氣中二氧化碳濃度的60%左右[9]。二氧化碳濃度在日照期間隨時(shí)間變化情況如圖3-5所示。圖3-5日照條件下二氧化碳濃度隨時(shí)間變化情況由圖分析可得，只要日出之后，提高溫室的二氧化碳濃度，作物的光合速率也會(huì)上升。常見作物在各周期環(huán)境中最佳的二氧化碳濃度如表3-4所示。其中，1ppm=1μL/L，即百萬(wàn)分之一。表3-4部分作物各階段所需二氧化碳濃度

3.2確定控制方法與方案3.2.1根據(jù)被控量特點(diǎn)確定總體控制方法綜合以上多種作物生長(zhǎng)環(huán)境條件以及溫室內(nèi)各環(huán)境指標(biāo)特點(diǎn)，經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)作物的各類生長(zhǎng)條件有著較寬范圍要求，只需將多種環(huán)境條件鉗制在對(duì)應(yīng)合適范圍內(nèi)，而難以對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行精確控制；同時(shí)，大規(guī)?，F(xiàn)代溫室屬于非線性時(shí)變復(fù)雜系統(tǒng)，環(huán)境指標(biāo)數(shù)量繁多，有些數(shù)值變化波動(dòng)無(wú)常、在溫室內(nèi)分布不均勻，且容易受到多種現(xiàn)實(shí)條件制約，難以實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)值控制[10]。同時(shí)，溫室環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)中，溫度、空氣相對(duì)濕度的延遲性、慣性較明顯，同時(shí)兩者之間存在顯著的關(guān)聯(lián)性、耦合性；而光照強(qiáng)度、氣體濃度、土壤濕度可以直接實(shí)現(xiàn)較為精確的控制，且較短時(shí)間內(nèi)就可以被調(diào)整。由此，若將溫度、空氣相對(duì)濕度的實(shí)時(shí)變動(dòng)情況及所處狀態(tài)，按照一套規(guī)定進(jìn)行分類、劃歸，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)合理簡(jiǎn)化。其原理如圖3-6所示。圖3-6模糊控制器工作原理實(shí)際上，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，很少采用單一的控制方法。而為了實(shí)現(xiàn)上述三種理想性能，常采用比例、積分、微分控制方法，即PID控制。其原理框圖如圖3-7所示。圖3-7PID控制框圖其傳遞函數(shù)為：(3-1)串聯(lián)PID控制器實(shí)施校正，可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能[11]。將PID控制與模糊控制結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了集中兩種控制方法各自的優(yōu)勢(shì)，又改進(jìn)了各自缺陷。利用CPU224XP，對(duì)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、分析，迅速得出較為準(zhǔn)確的輸出量。同時(shí)，由于設(shè)置了PID環(huán)節(jié)，超調(diào)量、響應(yīng)速度、系統(tǒng)振蕩等問題都將會(huì)較單一的模糊控制有很大改善。另外，PID控制部分的調(diào)參過程將由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，取得更好的控制效果。為實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室方便、理想的控制，經(jīng)分析決定，本設(shè)計(jì)對(duì)溫室內(nèi)溫度、空氣相對(duì)濕度采用模糊PID控制方法，對(duì)土壤濕度、光照強(qiáng)度、氣體濃度采用一般閉環(huán)控制方法。3.2.2對(duì)空氣溫度、相對(duì)濕度的模糊PID控制經(jīng)以上分析，對(duì)空氣溫度、相對(duì)濕度的控制采用模糊PID控制。該控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3-8所示。圖3-8溫、濕度模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該模糊PID控制系統(tǒng)的工作原理如下：首先分別用T、H表示這兩種指標(biāo)的實(shí)際值，用T1、H1表示人為提供的理想值。則溫室內(nèi)溫、濕度實(shí)際值與理想值之間的偏差e(T1-T)、e(H1-H)分別表示為：eT1、eH1，偏差隨時(shí)間的變化率分別表示為：ecT1、ecH1，這兩個(gè)變量分別反映溫室內(nèi)溫、濕度實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)，同時(shí)便于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)于溫、濕度偏差的模糊化處理?？紤]到溫室內(nèi)溫度、空氣相對(duì)濕度的具體調(diào)節(jié)方式還受到外界環(huán)境溫、濕度的制約，因此控制系統(tǒng)的輸入變量必須引入外界因素。用T2、H2分別表示外界溫度、空氣相對(duì)濕度，則溫室內(nèi)溫、濕度實(shí)際值與外界環(huán)境參數(shù)之間的偏差e(T2-T)、e(H2-H)分別表示為：eT2、eH2。為綜合分析外界環(huán)境對(duì)于調(diào)節(jié)溫室溫、濕度的影響，在制定具體控制方式時(shí)需考慮到外界溫、濕度與溫室內(nèi)這兩種指標(biāo)之間的數(shù)值關(guān)系。當(dāng)外界溫度或濕度與溫室內(nèi)的數(shù)值相近，即eT2、eH2接近于0時(shí)，外界對(duì)于溫室內(nèi)溫、濕度調(diào)節(jié)的干擾作用相對(duì)較小，人為對(duì)eT1、eH1的調(diào)整幅度也較??；反之，若eT2、eH2的數(shù)值接近甚至超過eT1、eH1時(shí)，外界環(huán)境對(duì)于溫、濕度調(diào)節(jié)的干擾作用將十分明顯，必須在eT1、eH1的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，以抵償外界干擾。對(duì)于eT1、eH1的處理流程中，首先需要對(duì)輸入變量eT1、eH1與eT2、eH2進(jìn)行量化處理，再經(jīng)過各自模糊規(guī)則運(yùn)算，經(jīng)過控制器修正后的結(jié)果為變量ET、EH。這項(xiàng)對(duì)于eT1、eT2與eH1、eH2的處理分別由模糊控制器1、模糊控制器2實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過修正后的溫、濕度偏差ET、EH將作為輸入變量，與量化后的溫、濕度偏差變化率ECT1、ECH1分別接入模糊控制器3、模糊控制器4，經(jīng)過對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則處理，解模糊之后所得輸出變量為兩個(gè)PID控制器各自的參數(shù)修正量，即ΔKpT、ΔKiT、ΔKdT、ΔKpH、ΔKiH、ΔKdH[12]。利用模糊控制器對(duì)PID三種參數(shù)的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性得到改善。兩個(gè)PID控制器分別輸出偏差u(T)、u(H)，經(jīng)過量化處理后，再由負(fù)責(zé)解耦溫、濕度關(guān)系的模糊控制器5對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)一步分析，輸出直接控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)U，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于溫室溫度、相對(duì)空氣濕度的模糊控制。對(duì)各變量進(jìn)行離散、模糊化處理可利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)以上所有輸入、輸出變量制定模糊規(guī)則與解模糊算法。在利用Fuzzy工具箱之前，首先需要確定的是這些變量的模糊子集與模糊論域?qū)?種輸入變量的離散、模糊化處理如表3-5所示。以下表格中，字母：“N”代表負(fù)值，“P”代表正值，“G”代表“很大”，“B”代表“大”，“M”代表“中”，“S”代表“小”，“ZE”即為0。表3-5對(duì)輸入變量的離散模糊化處理輸入變量室內(nèi)-理想溫度偏差(℃)室內(nèi)-室外溫度偏差(℃)室內(nèi)-理想溫度偏差率(℃/min)eT1eT2ecT1模糊語(yǔ)言變量ET1ET2ECT1模糊子集{NG,NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB,PG}{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}模糊論域n{-15,-14,…,14,15}{-20,-19,…,19,20}{-7,-6,…,6,7}隸屬函數(shù)對(duì)于模糊子集兩端的集合使用高斯函數(shù)gaussmf，中間集合使用三角形函數(shù)trimf輸入變量室內(nèi)-理想濕度偏差(%RH)室內(nèi)-室外濕度偏差(%RH)室內(nèi)-理想濕度偏差率(%RH/min)eH1eH2ecH1模糊語(yǔ)言變量EH1EH2ECH1模糊子集{NG,NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB,PG}{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}模糊論域n{-25,-24,…,24,25}{-30,-29,…,29,30}{-15,-14,…,14,15}隸屬函數(shù)對(duì)于模糊子集兩端的集合使用高斯函數(shù)gaussmf，中間集合使用三角形函數(shù)trimf為綜合外界環(huán)境對(duì)于溫室內(nèi)溫、濕度調(diào)節(jié)的影響，利用模糊控制器1、2分別對(duì)溫度偏差eT1、濕度偏差eH1進(jìn)行修正，最終分別得到ET與EH兩個(gè)更接近溫室控制實(shí)際需要的偏差量。PID參數(shù)自整定原則[13,14]如下：（1）當(dāng)偏差較大時(shí)，不論偏差率大小，都以減小偏差為主，故Kp應(yīng)較大，Kd較?。槐苊廨^大超調(diào)、積分飽和，Ki值要小，應(yīng)接近0；（2）當(dāng)偏差率較大時(shí)，若偏差較大，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)施加較強(qiáng)的控制作用，使偏差絕對(duì)值迅速減小，此時(shí)應(yīng)該選取較大的Kp，較小的Ki，且Kd應(yīng)適中；若偏差較小，則Kp應(yīng)取較小的值，避免超調(diào)；（3）當(dāng)偏差與偏差率都較小時(shí)，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的，對(duì)三種參數(shù)進(jìn)行微調(diào)即可。根據(jù)以上原則，模糊控制器3、4分別對(duì)ET與ECT1、EH與ECH1四種量處理，輸出變量為兩個(gè)PID控制器各自三個(gè)參數(shù)的修正量ΔKpT、ΔKiT、ΔKdT、ΔKpH、ΔKiH、ΔKdH，對(duì)PID的初始設(shè)定參數(shù)Kp0、Ki0、Kd0實(shí)時(shí)調(diào)整[15]。因此，PID1與PID2的參數(shù)為：PID1：KpT=Kp0+ΔKpT；KiT=Ki0+ΔKiT；KdT=Kd0+ΔKdT；PID2：KpH=Kp0+ΔKpH；KiH=Ki0+ΔKiH；KdH=Kd0+ΔKdH；其中，Kp0=0.5、Ki0=1.0、Kd0=1.2u(t)=Kp[e(t)+1Ki得到參數(shù)的修正量之后，兩個(gè)常規(guī)PID控制器分別輸出優(yōu)化后的溫、濕度輸出量u(T)與u(H)，再被量化處理得U(T)與U(H)，根據(jù)U(T)、U(H)的實(shí)際值通過模糊控制器5的模糊推理得出最終直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)U。數(shù)字信號(hào)U用于分別控制調(diào)節(jié)溫室溫度、空氣相對(duì)濕度的4種執(zhí)行機(jī)構(gòu)：溫室暖風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、溫室加濕器，均為常閉狀態(tài)，以“1”表示“開”，以“0”表示“關(guān)”。因此U的每條輸出指令均為4位的二進(jìn)制數(shù)，包含4種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開、關(guān)動(dòng)作。中間輸出變量總計(jì)10種：ET、EH、ΔKpT、ΔKiT、ΔKdT、ΔKpH、ΔKiH、ΔKdH、u(T)、u(H)。輸出變量的離散模糊化處理如表3-6、表3-7、表3-8所示。對(duì)于模糊子集兩端的集合使用高斯函數(shù)gaussmf，中間集合使用三角形函數(shù)trimf表3-6對(duì)溫濕度偏差值ET、EH的離散模糊化處理表3-7對(duì)PID參數(shù)修正量的離散模糊化處理對(duì)于模糊子集兩端的集合使用高斯函數(shù)gaussmf，中間集合使用三角形函數(shù)trimf對(duì)于模糊子集兩端的集合使用高斯函數(shù)gaussmf，中間集合使用三角形函數(shù)trimf表3-8對(duì)PID輸出量u(T)、u(H)的離散模糊化處理對(duì)于模糊子集兩端的集合使用高斯函數(shù)gaussmf，中間集合使用三角形函數(shù)數(shù)trimf對(duì)各變量進(jìn)行離散模糊化處理后，就要分析根據(jù)之前對(duì)于溫室各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的分析，確定所有的模糊規(guī)則，可利用MATLAB的Fuzzy工具箱對(duì)5個(gè)模糊控制器進(jìn)行建模[16]。模糊規(guī)則表與建模結(jié)果請(qǐng)參見附錄A。3.2.3對(duì)土壤濕度的控制土壤濕度的控制環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立。由于溫室內(nèi)土壤與空氣接觸面均覆蓋薄膜，故外界環(huán)境甚至溫室內(nèi)環(huán)境都難以對(duì)土壤濕度產(chǎn)生較大影響，同時(shí)土壤內(nèi)水分不易散失到溫室的空氣中，對(duì)空氣濕度產(chǎn)生的影響很小。作物種子階段，發(fā)芽期間的土壤必須始終保持濕潤(rùn)；發(fā)芽后的作物，對(duì)于土壤濕度仍有具體要求。大多數(shù)蔬菜組織中的含水量為90%以上，缺水條件下，作物的光合作用會(huì)受很大阻礙，影響產(chǎn)品品質(zhì)。而在溫室種植條件下，土壤濕度值一般保持在設(shè)定值以下，或者接近設(shè)定值，幾乎不會(huì)出現(xiàn)土壤濕度過高而影響作物生長(zhǎng)的情況。因此土壤濕度控制環(huán)節(jié)默認(rèn)只有提升土壤濕度的執(zhí)行器?？刂仆寥罎穸鹊闹饕椒撮]環(huán)控制，由土壤濕度檢測(cè)器實(shí)時(shí)測(cè)量指定位置的土壤容積含水率%(m3/m3)，與設(shè)定值比較，得出偏差量，經(jīng)過處理后由PLC接收，改變灌溉管調(diào)節(jié)閥開度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滴灌。用SH0表示土壤濕度的設(shè)定值，SH表示土壤濕度的實(shí)際值，則濕度的偏差量為：eSH=SH0–SH。土壤濕度控制流程如圖3-9所示。圖3-9土壤濕度控制流程3.2.4對(duì)光照強(qiáng)度的控制充足的光照強(qiáng)度是作物正常光合作用的基本條件，對(duì)于溫室光照條件的調(diào)控，其調(diào)控目標(biāo)很大程度上取決于作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)與生長(zhǎng)階段，同時(shí)也會(huì)受到太陽(yáng)光照強(qiáng)度的影響。而控制條件也要按照作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)合理確定。光照強(qiáng)度的測(cè)定由光照強(qiáng)度計(jì)實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)量單位為勒克斯（Lux）。處于種子階段時(shí)，大多數(shù)作物種子對(duì)于光照強(qiáng)度不敏感，不需對(duì)種植環(huán)境的光照條件作任何處理，但有些種子需要充足光照或必須處于完全黑暗狀態(tài)才能發(fā)芽。需光型種子萌發(fā)過程中，需要全程啟用補(bǔ)光燈為其補(bǔ)充光照；避光型種子應(yīng)當(dāng)放置于黑箱中，在保證良好溫度、濕度以及通風(fēng)條件下，避免外界光線照射。種子萌發(fā)后，作物對(duì)于光照條件的要求將發(fā)生變化。按作物對(duì)于光照的需求程度，分為喜光作物和喜陰作物，對(duì)于光照強(qiáng)度的需求差異較大，由種植經(jīng)驗(yàn)，它們的適宜光照強(qiáng)度分別在2000~25000Lux和5000~10000Lux在這兩個(gè)值范圍內(nèi)。當(dāng)外界為陰天或雨雪天氣條件下，太陽(yáng)光強(qiáng)度將明顯弱于晴朗天氣的白天光照。這對(duì)于喜光作物的光飽和點(diǎn)所需光照強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，必須人為提供光照。而喜陰作物在該天氣條件下，往往不需要提供額外的光照條件舉措。人為補(bǔ)充光照即啟用補(bǔ)光燈，由于室內(nèi)實(shí)際光照強(qiáng)度的差異，決定用6臺(tái)補(bǔ)光燈分三級(jí)補(bǔ)充光照，各級(jí)光照啟用的補(bǔ)光燈臺(tái)數(shù)與位置如圖3-10所示。圖3-10補(bǔ)充光照分級(jí)安排圖中：一級(jí)光照：L1、L6亮；二級(jí)光照L2、L3、L6亮；三級(jí)光照：全亮首先根據(jù)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)，人為設(shè)定理想的光照強(qiáng)度PFD0（PhotonFluxDensity），通過光照強(qiáng)度計(jì)對(duì)光線密度的檢測(cè)得到實(shí)際光照強(qiáng)度，經(jīng)過比較，偏差量ePFD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳給PLC，從而控制各繼電器，實(shí)現(xiàn)分級(jí)光照補(bǔ)充。光照強(qiáng)度控制流程如圖3-11所示。圖3-11光照強(qiáng)度控制流程3.2.5對(duì)氣體濃度的控制溫室內(nèi)需要調(diào)控濃度的氣體主要是O2與CO2。通過溫室內(nèi)O2、CO2濃度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，用戶與PLC讀取兩種氣體的實(shí)際濃度，以作物最佳生長(zhǎng)條件為標(biāo)準(zhǔn)，人為或自動(dòng)地調(diào)控氣體濃度。其中對(duì)于O2濃度的調(diào)控主要為保持通風(fēng)窗的開啟，同時(shí)調(diào)控只作用于作物種子萌發(fā)階段。該階段作物的形態(tài)為種子或幼苗，無(wú)法通過自身產(chǎn)生所需的氧氣量，溫室必須保持通風(fēng)狀態(tài)，保證土壤的含氧量足夠種子消耗。傳感器應(yīng)安裝于土壤表面附近，方便作物種子與幼苗狀態(tài)下，氧氣濃度較為準(zhǔn)確的測(cè)定[17]。保證充足氧氣濃度的途徑為，白天時(shí)人工控制通風(fēng)窗的暢通，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)、外空氣的流通，在夜晚時(shí)通風(fēng)裝置由溫、濕度控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)控，主要保證溫度與濕度符合設(shè)定指標(biāo)。CO2濃度檢測(cè)量單位為ppm（空氣體積的百萬(wàn)分之一）。其濃度主要由控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前數(shù)值自動(dòng)調(diào)節(jié)。CO2濃度的提升主要通過啟動(dòng)二氧化碳發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然作物在夜晚的呼吸作用也會(huì)使CO2濃度明顯提升，但日出后該部分二氧化碳將被迅速消耗。若CO2濃度過高，達(dá)到5000ppm以上時(shí)，溫室警報(bào)響起，警告此時(shí)溫室內(nèi)堆積了過多二氧化碳，不可進(jìn)入溫室；同時(shí)若此時(shí)設(shè)定值低于5000ppm，說明此時(shí)并非適宜作物生長(zhǎng)的CO2濃度，則控制系統(tǒng)將會(huì)切斷其他控制著通風(fēng)機(jī)的線路，直接啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)，與外界交換空氣，迅速降低溫室內(nèi)CO2濃度，到達(dá)設(shè)定值附近后警報(bào)解除，并恢復(fù)原先的控制線路，控制系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。作物不同的生長(zhǎng)階段，對(duì)于CO2濃度傳感器的布置要求也不同。種子、幼苗階段時(shí)，傳感器應(yīng)安裝在土壤表面附近，為了獲得接近種子生長(zhǎng)環(huán)境的CO2濃度數(shù)值；幼苗期結(jié)束后，傳感器應(yīng)安裝在與植株高度接近的種植區(qū)域內(nèi)，測(cè)量作物實(shí)際可利用的CO2濃度[18,19]。用CC0表示二氧化碳濃度的設(shè)定值，CC表示二氧化碳濃度的實(shí)際值，則氣體濃度偏差量為：eCC=CC0-CC，經(jīng)過數(shù)字量轉(zhuǎn)換，作為PLC的輸入點(diǎn)，根據(jù)偏差值的大小，控制繼電器，啟動(dòng)二氧化碳發(fā)生器，產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w?？刂屏鞒倘鐖D3-12所示。圖3-12二氧化碳濃度控制流程第4章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1傳感器的選型與接線1.溫度與濕度檢測(cè)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(hào)輸出端：圖4-1溫度信號(hào)與EM231接線濕度信號(hào)輸出端：圖4-2濕度信號(hào)與EM231接線2.土壤濕度檢測(cè)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(hào)與EM231接線3.光照強(qiáng)度檢測(cè)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(qiáng)度發(fā)生變化，隨光照強(qiáng)度的提高而增大量程，實(shí)現(xiàn)不同光照等級(jí)的相近精度測(cè)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(hào)與EM231接線4.O2濃度檢測(cè)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(duì)氧氣濃度只是檢測(cè)，不由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過人為開啟通風(fēng)窗實(shí)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(cè)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(wàn)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(hào)與EM231接線4.2控制器硬件組成控制器的硬件組成關(guān)系如圖4-6所示。圖4-6控制器的硬件組成其中，HMI人機(jī)交互部分選用西門子SMART700觸摸屏，可以在該設(shè)備上查看當(dāng)前PLC接收的各項(xiàng)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的情況，同時(shí)可對(duì)PLC中各項(xiàng)設(shè)定值進(jìn)行修改。開關(guān)量信號(hào)主要是人為手動(dòng)控制模式下，用戶按下各控制按鈕，向PLC傳輸?shù)膭?dòng)作信號(hào)。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(diào)節(jié)溫室環(huán)境過程中占據(jù)優(yōu)先地位，改善使用體驗(yàn)。

4.3執(zhí)行器的確定1.溫室空氣加熱采用路威牌電加熱暖風(fēng)機(jī)。其主要參數(shù)如下表4-6所示：表4-6暖風(fēng)機(jī)主要參數(shù)2.降低空氣溫度，采用萬(wàn)豐牌環(huán)保水冷風(fēng)機(jī)。其主要參數(shù)如下表4-7所示：表4-7冷風(fēng)機(jī)主要參數(shù)該型號(hào)冷風(fēng)機(jī)使溫室強(qiáng)制對(duì)流換熱，實(shí)現(xiàn)降低氣溫目的。3.實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)，采用盈晟牌低壓風(fēng)機(jī)。其主要參數(shù)如下表4-8所示：表4-8低壓風(fēng)機(jī)主要參數(shù)4.加大空氣濕度，采用英占試驗(yàn)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(hào)加濕器具有多種優(yōu)點(diǎn)：（1）成本較其他品牌低很多，批發(fā)價(jià)每個(gè)200元左右；（2）對(duì)水質(zhì)沒有特殊要求，且不易堵塞；（3）效率高、霧化細(xì)微均勻；（4）安裝簡(jiǎn)單、經(jīng)久耐用、故障率極低；5.調(diào)節(jié)灌溉管的流量，采用遠(yuǎn)通牌二通式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。PLC輸出不同程度的電流或脈沖信號(hào)時(shí)，閥門上的控制器會(huì)根椐接收來的信號(hào)，控制閥門開度。其主要參數(shù)如下表4-10所示：表4-10電動(dòng)調(diào)節(jié)閥主要參數(shù)6.對(duì)溫室環(huán)境的補(bǔ)光，采用萬(wàn)方光華牌LED雙排植物補(bǔ)光燈。其主要參數(shù)如下表4-11所示：表4-11補(bǔ)光燈主要參數(shù)7.補(bǔ)充溫室內(nèi)二氧化碳，采用環(huán)擎牌二氧化碳機(jī)。其主要參數(shù)如下表4-12所示：表4-12二氧化碳機(jī)主要參數(shù)4.4執(zhí)行器的布置方案溫室內(nèi)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(fēng)機(jī) 2.冷風(fēng)機(jī) 3.通風(fēng)機(jī) 4.加濕器5.補(bǔ)光燈 6.二氧化碳發(fā)生器 7.控制柜 8.室外氣溫箱

第5章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1控制流程設(shè)計(jì)5.1.1自動(dòng)調(diào)節(jié)流程系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)流程如圖5-1所示。圖5-1總體控制流程啟動(dòng)系統(tǒng)后，PLC首先讀取各傳感器傳來的數(shù)值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，若實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值存在偏差，則輸出響應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)，啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備；對(duì)于二氧化碳濃度，不僅要實(shí)現(xiàn)數(shù)值檢測(cè)，還要判斷當(dāng)前的濃度值是否過大。由于過高濃度的二氧化碳會(huì)對(duì)人體造成危害，因此必須設(shè)置警報(bào)，并及時(shí)通風(fēng)。5.1.2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(duì)溫度、濕度進(jìn)行調(diào)控前，PLC先采集溫室內(nèi)外的溫度T1與T2，溫室內(nèi)外的濕度H1與H2，通過比較溫室內(nèi)溫度、濕度值與它們的設(shè)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(diào)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(duì)eT1關(guān)于時(shí)間求導(dǎo)，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(duì)于PID控制器1的參數(shù)修正量ΔKpT、ΔKiT、ΔKdT。經(jīng)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(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、溫室加濕器四種執(zhí)行器的信號(hào)U，實(shí)現(xiàn)溫度與濕度的調(diào)控。

5.2PLC梯形圖的編制5.2.1輸入輸出點(diǎn)位的分配根據(jù)第二章中對(duì)于控制系統(tǒng)的輸入量、輸出量種類與個(gè)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(dòng)按鈕，開始自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室Q0.0系統(tǒng)電源接觸器KM1AIW0空氣溫度信號(hào)1I0.1總停止按鈕Q0.1手動(dòng)控制接觸器KM2AIW2空氣溫度信號(hào)2I0.2啟用手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕Q0.2暖風(fēng)機(jī)接觸器KM3AIW4空氣溫度信號(hào)3I0.3切回自動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕Q0.3暖風(fēng)機(jī)接觸器KM4AIW6空氣溫度信號(hào)4I0.4手動(dòng)啟用暖風(fēng)機(jī)（減壓?jiǎn)?dòng)）Q0.4冷風(fēng)機(jī)接觸器KM5AIW8相對(duì)濕度信號(hào)1I0.5手動(dòng)停用暖風(fēng)機(jī)Q0.5通風(fēng)機(jī)接觸器KM6AIW10相對(duì)濕度信號(hào)2I0.6手動(dòng)啟用冷風(fēng)機(jī)Q0.6加濕器接觸器KM7AIW12相對(duì)濕度信號(hào)3I0.7手動(dòng)停用冷風(fēng)機(jī)Q0.7一級(jí)光照接觸器KM8AIW14相對(duì)濕度信號(hào)4I1.0手動(dòng)啟用通風(fēng)機(jī)Q1.0二級(jí)光照接觸器KM9AIW16土壤濕度信號(hào)1I1.1手動(dòng)停用通風(fēng)機(jī)Q1.1三級(jí)光照接觸器KM10AIW18土壤濕度信號(hào)2I1.2手動(dòng)啟用加濕器Q1.2二氧化碳機(jī)接觸器KM11AIW20土壤濕度信號(hào)3I1.3手動(dòng)停用加濕器Q1.3二氧化碳濃度警報(bào)接觸器KM12AIW22光照強(qiáng)度信號(hào)1I1.4手動(dòng)啟用一級(jí)照明AIW24光照強(qiáng)度信號(hào)2I1.5手動(dòng)啟用二級(jí)照明AIW26光照強(qiáng)度信號(hào)3I2.0手動(dòng)啟用三級(jí)照明AIW28二氧化碳信號(hào)1I2.1手動(dòng)停用照明AIW30二氧化碳信號(hào)2I2.2手動(dòng)啟用二氧化碳機(jī)AQW0灌溉管調(diào)節(jié)閥I2.3手動(dòng)停用二氧化碳機(jī)5.2.2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(dòng)調(diào)節(jié)與系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，兩種調(diào)節(jié)模式的梯形圖，分別簡(jiǎn)要展示如下所示。完整梯形圖程序請(qǐng)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(dòng)調(diào)節(jié)部分梯形圖如圖5-4所示圖5-4人為手動(dòng)調(diào)節(jié)部分梯形圖3.系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)部分梯形圖如圖5-5所示圖5-5系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)部分梯形圖

5.2空氣溫、濕度模糊PID控制的Simulink仿真5.2.1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(shè)定值為25℃，外界溫度為30℃；濕度設(shè)定值為80%RH，外界濕度為60%RH；更改MATLAB當(dāng)前路徑為安裝路徑外的其他路徑，經(jīng)過調(diào)試后，雙擊框圖最右側(cè)示波器，可觀察稍后的輸出波形[21]。設(shè)定仿真時(shí)間為10s，點(diǎn)擊按鍵“Run”，運(yùn)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(diào)控效果5.2.2常規(guī)PID控制系統(tǒng)的仿真常規(guī)PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)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(shè)置溫、濕度設(shè)定值，外界溫、濕度值，并設(shè)定外界溫度、濕度對(duì)溫室環(huán)境調(diào)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(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值偏差量的增量。更改MATLAB當(dāng)前路徑為安裝路徑外的其他路徑，經(jīng)過調(diào)試后，雙擊框圖最右側(cè)示波器，可觀察稍后的輸出波形。設(shè)定仿真時(shí)間為10s，點(diǎn)擊按鍵“Run”，系統(tǒng)開始仿真運(yùn)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(diào)控效果

5.2.3比較兩種調(diào)控方案將兩種控制方案的所有輸出連接到同一臺(tái)示波器，經(jīng)過調(diào)試參數(shù)后，點(diǎn)擊“Run”按鍵，系統(tǒng)開始運(yùn)行仿真，得到兩種方案各自的溫度、濕度調(diào)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(duì)兩種控制方案的比較，可以發(fā)現(xiàn)：1.對(duì)于動(dòng)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(duì)于溫度、濕度的偏差響應(yīng)更快，兩種指標(biāo)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(dǎo)致上升時(shí)間tr較大；而后，當(dāng)輸出曲線到達(dá)設(shè)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(duì)于濕度指標(biāo)的超調(diào)量σ%接近4%，導(dǎo)致峰值時(shí)間tp較大[22]；在輸出曲線再次下降到標(biāo)準(zhǔn)值后，直到曲線穩(wěn)定于設(shè)定值高度，這段時(shí)間即調(diào)節(jié)時(shí)間ts，模糊PID調(diào)控效果更為穩(wěn)定。2.對(duì)于穩(wěn)態(tài)性能，可近似通過設(shè)定更長(zhǎng)的仿真時(shí)間，并放大輸出曲線設(shè)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，在仿真運(yùn)行到100s時(shí)，模糊PID控制系統(tǒng)的近似穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為0，而常規(guī)PID控制系統(tǒng)的近似穩(wěn)態(tài)誤差雖然也較小，且誤差有隨時(shí)間減小的趨勢(shì)，但與模糊PID控制系統(tǒng)相比，誤差的幅度以及存在時(shí)間均不可忽略，需要考慮誤差影響。綜合以上分析，可見模糊PID的控制效果確實(shí)比常規(guī)PID控制效果更顯著，動(dòng)態(tài)性能方面，上升時(shí)間、峰值、調(diào)節(jié)時(shí)間更短，超調(diào)量也更??；穩(wěn)態(tài)性能方面，模糊PID控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為0。因此，選擇模糊PID控制系統(tǒng)，可以更快、更準(zhǔn)確、更平穩(wěn)地調(diào)控溫室的溫度與濕度。

結(jié)論設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向是智能化、集約化、高質(zhì)量化，現(xiàn)階段，對(duì)于智能溫室的發(fā)展要求是，充分引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)溫室技術(shù)的前提下，設(shè)計(jì)開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的溫室系統(tǒng)，朝著高壽命、低能耗、調(diào)控效果好的方向改進(jìn)。本設(shè)計(jì)立足于溫室作物的生長(zhǎng)條件，分析溫室環(huán)境調(diào)控過程中可能出現(xiàn)的難點(diǎn)，以及人為與自動(dòng)調(diào)控的選擇。對(duì)于空氣溫度、相對(duì)濕度，理論構(gòu)想采用模糊PID控制方法，利用模糊規(guī)則，在仿真環(huán)境中效果較為明顯；對(duì)于其他環(huán)境因素的調(diào)控主要是采用傳統(tǒng)的閉環(huán)控制，調(diào)控效果可能出現(xiàn)部分偏差。此外，本設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的地方有很多，特別是傳感器選型方面，由于實(shí)際接觸較少，只是根據(jù)部分參數(shù)來選用，而傳感器在工作中表現(xiàn)出來的性能對(duì)于控制系統(tǒng)的調(diào)控效果十分重要；各硬件的接線方法，大多數(shù)部分根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容來學(xué)習(xí)，可能與實(shí)際接線的情況有些許差異；還有對(duì)于空氣溫度、相對(duì)濕度的模糊PID控制，限于個(gè)人能力，用PLC編程實(shí)現(xiàn)較為困難，作為補(bǔ)充，采用Simulink搭建模糊PID控制模型，并進(jìn)行了仿真。

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附錄AA.1模糊規(guī)則表1.ET1、ET2為輸入，ET為輸出的模糊規(guī)則如表A-1所示，即模糊控制器1的模糊規(guī)則。表A-1模糊控制器1的模糊規(guī)則ETET1NGNBNMNSZEPSPMPBPGET2NGNBNMNSZEPSPMPBPGPGNBNGNMNSZEPSPMPMPBPGNMNGNBNMNSZEPSPMPBPGNSNGNBNMNSZEPSPMPBPGZENGNBNMNSZEPSPMPBPGPSNGNBNMNSZEPSPMPBPGPMNGNBNMNMNSPSPMPBPGPBNGNBNMNMNSZEPSPBPGPGNGNGNBNMNSZEPSPMPB2.EH1、EH2為輸入，EH為輸出的模糊規(guī)則如表A-2所示，即模糊控制器2的模糊規(guī)則。表A-2模糊控制器2的模糊規(guī)則EHEH1NGNBNMNSZEPSPMPBPGEH2NGNBNMNSPSPSPMPBPGPGNBNBNMNSZEPSPMPMPBPGNMNBNBNSNSPSPSPMPBPGNSNGNBNMNSZEPSPMPBPGZENGNBNMNSZEPSPMPBPGPSNGNBNMNSZEPSPMPBPGPMNGNBNMNMNSZEPSPBPBPBNGNGNBNMNSZEPSPMPBPGNGNGNBNMNMNSPSPMPB3.ET、ECT1為輸入，ΔKpT、ΔKiT、ΔKdT為輸出的模糊規(guī)則分別如表A-3、表A-4、表A-5所示，即模糊控制器3的模糊規(guī)則。表A-3ET、ECT1為輸入，ΔKpT為輸出的模糊規(guī)則ΔKpTETNGNBNMNSZEPSPMPBPGECT1NBPBPBPMPMPMPS|PSZEZENMPBPMPMPMPSPSPSZEZENSPMPMPMPSPSPSZENSNSZEPMPMPSPSZEZE|NSNSNSPSPMPMPSZEZ