多级农业智能温室控制系统研究

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1、多级农业智能温室控制系统研究摘要:农业智能温室控制系统中存在多个快慢不均的时间常数，且温室的环境气候和作物的生理反应互相影响，因此以往的温室环境控制实现得非常粗糙。为解决控制系统多个尺度的时间常数快慢响应不均、不易德定调节的问题，设计了智能温室环境多级控制系统，其控制的目标从粗糙到精准分为3个层次，在满足桂物最佳生长要求前提下，按照最节能原则，给定24h温室环境的多目标优化值。关键词:农业智能温室控制系统;环境控制;多级控制系统;调控策略1控制的目标与特点温室的生产必须依靠不可控的外部环境，但又可以通过内部控制(加热、强制通风、降温、补光、除湿和CO:施

2、肥等)进行调节;温室环境控制中存在多个快慢不均的时间常数的响应，作物的环境气候影响生理系统，同时生理系统(植物的蒸腾、光合和呼吸)也反过来影响作物环境系统;由于涉及一些生理和物理过程的知识和建模能力仍然相当不充分，使得温室环境控制问题不容易。因此，对温室的环境控制从粗糙到精准可以分为以下3个层次。第1层:为环境目标值而调节温室环境。第2层:除了满足第1层所设定的目标外，温室环境目标值设定还应考虑植物的生长状况，使得温室内植物能按一个最佳的生长轨迹成长，以便获得最大产量和最佳质量。第3层:除了满足第1层、第2层目标外，设定植物生长轨迹时，还要考虑温室生产的

3、经济指标，以期获得最大利润(一般通过节能、减少投人、产品按市场需求时间上市来实现)。也就是说，温室最终输出的产量、质量、温室农作物出厂时间、成本和能源的投人都是设定温室各项环境指标应该考虑的因素。温室作物环境控制需要考虑多个不同的响应时间，例如，当太阳从云层后突然出现时，温室内的环境变量传感器能在几秒内检测到，通风设备、供热管道阀门(热水加温系统)的动作时间也是秒级的;但当温室中CO:浓度、平均温度变化以后，植物的物质积累速度的变化响应需几天或几周后才能检测到，而作物的最终产量以及带来的经济效益需一个生长周期(几个月或一年)才能检测得到。表1简单地表示了

4、温室生产系统的响应时间。一般温室作物环境控制过程中，物理系统响应快，而生态系统响应慢。第3层的控制主要应该考虑市场的因素，一般把控制权交给温室管理者;第2层控制需考虑作物的生理响应，是最根本的，第2层的实现依赖第1层对它的驱动。第1层和第2层是相互影响和关联的，设定控制目标和设计控制策略时既要考虑作物实时的生长响应状况，使作物处于最佳生长环境，又要考虑生产成本和能量消耗尽量少，以达到温室系统的最优控制。2温室环境多级控制系统温室一般由加热、通风、帘幕、喷雾、空气循环、湿帘风机、二氧化碳、补光、灌溉施肥等系统组成，外部安装有气象站。由控制系统通过控制箱发指

5、令到各设备，控制设备启动后可以调节温室的内部环境，加热系统启动会影响温室温湿度环境和CO:浓度，通风系统工作也会有同样的影响，CO:施肥会影响温室中CO:浓度。要求计算机控制系统直接接受操作人员下达给设备的动作指令(手动操作)，或接受操作人员比较简单的指令(如生长计划)后，首先按最优目标原则自动转化为环境系统的目标值，然后再自动分析环境系统当前值与目标值的差距，按最节能原则确定具体的动作设备和动作幅度(自动操作)。按照温室生产系统的时间尺度，温室环境控制可分解成多个子任务图，如图1所示。温室生产过程中快和慢的响应时间常数并存，生理响应与环境气候互相影响，

6、温室生产过程还不能100%脱离种植人员的监控和指导，因此对智能温室环境控制过程进行分级管理更科学一些川。设计的温室环境多级控制系统如图2所示，分为过程优化级、直接测控级和控制对象3级。这样，接受操作人员生产计划、评价作物系统的响应、给出使作物最佳生长的目标值等任务放在过程优化级完成，过程优化级面向直接测控级;而响应快的动作过程(测量温室实时环境，采集设备状态，实时计算控制器调节规律等任务)放在直接测控级完成，直接测控级面向控制对象。分布式的温室分级控制物理分层如图3所示。第1级(直接测控级)，直接面对生产现场的各类设备，需实现的功能包括:①完成对现场各设

7、备的监测、驱动、保护;②在接收了过程优化级的指令后，实现对现场各设备的控制;③完成对现场各路数据的采集，存储后定时向上一级传送。第2级(过程优化级)，生产计划来自对市场的预测、季节安排、资源配置、生产准备条件等，一般依赖种植者的经验和决策。需实现的功能包括:①完成温室环境参数管理，对每一温室环境参数的变化进行24h设定，环境实时监测，历史数据的存储、显示、分析及打印;②完成温室设备管理，对直接控制级中各站点的设备状况及状态进行综合监视和管理，实现集中操作或提供给直接测控级处理;③完成控制算法及控制回路参数设定和修改，优化控制过程;④完成系统安全性管理，为

8、每间温室的使用者提供安全性服务，防止对温室的非法操作。3智能温室环境控制系统的软