日光温室环境及作物生长监控系统的研究

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1、日光温室环境及作物生长监控系统的研究摘要：我国地少人多，传统粗放型农业劳动量大，资源利用率低，农产品产量低回报率小。发展集约型精简型农业越来越为当今社会所需。棚室农业是集约型农业的重要组成部分，提高棚室农业的自动化，智能化程度必将力助我国农业发展更上一层楼。日光温室环境是一个多变量，强耦合的复杂系统，它为作物提供作物所需的温度、湿度、光照强度以及二氧化碳浓度等生长条件，其中温度与湿度对作物生长影响最大，不易控制。温室中温度的改变会对湿度产生影响，湿度的变化也会对温度产生影响。本文选用PID控制算法对温室温度进行调控。PID控制算法为成熟方法，结构简单，可操作

2、性强。在进行温室温湿度控制时，应考虑温度与湿度之间的相互影响，本文以温室中温度和湿度作为研究对象，以温室环境监控系统为平台，该系统应用PLC做为下位机处理核心，上位机监控软件应用Delphi7编写，结合各种传感器以及控制设备对温室环境进行监视与控制。应用该系统的加热设备，降温设备，加湿设备等设备做试验，记录不同条件下温室中温度与湿度的变化。利用统计分析软件Excel，SPSS研究温度与湿度之间的相互影响，得出温度的变化对湿度影响较大，湿度的变化对温度影响较小。因此在调节温室温度时对温室湿度做适当的补偿。应用机理分析法对温室温度系统建模，结合温室环境的相关物理

3、参数，算出PID控制中的比例系数，积分时间常数，微分时间常数。应用Matlab软件对所设计的PID控制器做仿真调试。最后应用到温室环境监控系统中，用PLC来实现温室温度的PID控制以及对湿度的补偿。本系统经过长期测试，具有稳定性高，操作简单，维护方便，可应用在实际生产中。关键词：温室环境PIDPLC1.1引言随着国民经济的飞速发展，低技术、低附加值的农业产品以无法满足人们日益增长的丰富的物质需求，面对竞争激烈的市场形势，粗放型农业以不适合社会的发展，必须改变农业粗放型的增长方式，走农业工业化、技术化和现代化的发展道路才能提高产品竞争力。农业生产过程与自然环境

4、关系密切，农产品的生产受地域、气候和环境等诸多自然因素的影响和制约，为了摆脱这种影响，应大力发展温室农业。随着科学技术水平的进步，温室生产已经不再是简单的挡风遮雨和提高温度，利用新技术、新材料和新能源可以对温室内各种环境因子进行监测和控制，甚至完全摆脱自然环境的束缚，人为地创造适宜作物生长的最佳环境，生产出高品质、高质量的农产品[1-3]。1.2研究的目的和意义温室环境控制是一门复杂的综合性技术，它是集当代农业生物学、环境科学、电子技术、计算机控制与管理科学等多门学科于一体的综合技术。任何一种作物的生长、开花、结果都需要相应特定的环境条件，具有区域性和季节性

5、，这是长期自然选择的结果。不同种类的作物生长需要不同的环境条件。温室智能环境控制主要是对温室环境因子进行综合的调节和控制，就是对温室中的温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因子调节控制，为不同作物的生长、繁育提供适宜的环境，使作物与环境得到较好的统一[4]。目前，常用的温室环境控制器主要有单片机，工控机，PLC[5]。以单片机为核心的控制系统，通常以MSC51系列单片机为基础，采用8位CPU,系统中的数据采集，算法实现，设备控制都由单片机完成。该类控制方式的优点是能够全局管理，开发周期短，操作简单、价格低廉，缺点是布线复杂，可靠性差，稳定性低、元件易损坏且输入

6、/输出信号通常为模拟量或开关量，自动化程度较低。由于温室控制环境干扰因素多、环境恶劣，单一依靠单片机控制温室环境难以达到预期的控制效果。基于工业控制计算机的温室控制系统是由工控机、各种传感器及执行机构组成的多输入、多输出的闭环控制系统。系统的采集、控制和通信功能由工控机结合不同功能的数据采集卡及输入/输出模块共同完成，能对温室各种参数和变量进行有效控制。常用于温室控制的控制算法有PID控制，模糊控制，神经网络，遗传算法等几种控制方法[6]。PID算法通过计算偏差的比例、积分、微分调整输出量完成控制，通常算法中的比例环节能够提高系统的快速性；积分环节能够消除系

7、统静态误差，提高精度，加强系统对参数变化的适应能力；微分环节能够提高系统对动态过程的预知能力，克服惯性环节的影响。比例环节能够及时成比例的反应控制系统中的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例系数大，可以加速调节，快速减小偏差，但是比例系数过大，会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分环节主要用于消除静态误差，积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分时间常数越大，积分作用就会越弱，反之则越强。积分环节会使系统稳定性下降，动态响应变慢。微分环节减小系统超调量，减少调节时间，微分作用的强弱取决于微分时间常数，微分时间常数越大，微分

8、作用就会越强，微分时间常数越小，作用越弱。微分作用太