智能溫室計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

摘要：介紹智能溫室的計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及工作原理，提出了溫室加熱器設(shè)備的新方法。針對溫室系統(tǒng)的純滯后特性，在Smith補(bǔ)償控制基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器（Adaline網(wǎng)絡(luò)）代替常規(guī)控制器，實現(xiàn)了對時滯復(fù)雜對象的在線自適應(yīng)控制。仿真結(jié)果驗證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方案的有效性。
關(guān)鍵詞：智能溫室; 控制系統(tǒng); 加熱器; 控制器; 仿真

0.引言
智能溫室是近年來逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效農(nóng)業(yè)發(fā)展技術(shù),它是在普通日光溫室的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)代計算機(jī)自控技術(shù)、智能傳感技術(shù)等高科技手段發(fā)展起來的在計算機(jī)綜合控制下提供與季節(jié)無關(guān)的適合作物生長的環(huán)境,以實現(xiàn)各種作物的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的工業(yè)化生產(chǎn)。
地處于青藏高原的青海地區(qū)，氣候干燥，晝夜溫差大，年平均氣溫不足10℃。這種環(huán)境因素對農(nóng)作物的生長造成不利影響。特別是冬天氣溫平均在0℃以下，農(nóng)作物根本無法在自然環(huán)境中生長，造成土地資源的嚴(yán)重浪費。在青海地區(qū)，一年有六個月左右的時間，土地處于閑置狀態(tài)。由于自然原因惡劣，在土地上根本無法種植農(nóng)作物，給農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)造成不利影響，農(nóng)民收入得不到提高。如果采用智能溫室進(jìn)行花卉和蔬菜的種植，可以大大提高土地的利用率，提高種植戶的經(jīng)濟(jì)收入。對青海省的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障，為西部大開發(fā)添磚加瓦。在青海地區(qū)開發(fā)智能溫室很有必要性。

1.系統(tǒng)組成的流程圖
本系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感器對溫室內(nèi)的（溫度、濕度、CO2、土壤水份、光照、水流量等）參數(shù)進(jìn)行實時檢測，并采用先進(jìn)的DCS系統(tǒng)，使溫室內(nèi)的環(huán)境接近人工理想值，以滿足溫室作物生長發(fā)育的需求。系統(tǒng)由檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、中央控制室三大部分組成。如圖1所示：


















圖1系統(tǒng)組成流程圖
1.1 檢測系統(tǒng)
1、溫度檢測：
　　室內(nèi)、外溫度均采用先進(jìn)的電子元件，組成高分辨率、高可靠性、互換性強(qiáng)的傳感系統(tǒng)。
　　2、濕度檢測。
　　3、土壤水分檢測。
　　4、灌溉水流量檢測。
　　5、CO2濃度檢測：采用目前先進(jìn)的CO2氣體傳感器，可靠性高。
　　6、光照檢測：室外光強(qiáng)度、室內(nèi)光強(qiáng)度。
1.2 控制系統(tǒng)
　　1、升、降溫控制
　　2、加濕、排濕控制
　　3、補(bǔ)充CO2控制
　　4、補(bǔ)光、遮光控制
　　5、灌溉流量控制
1.3 中央控制系統(tǒng)
　　1、設(shè)備管理（運行狀態(tài)及參數(shù)控制）。
　　2、系統(tǒng)模擬屏（或大屏幕顯示器）。
　　采用超高亮LED指示燈、LED數(shù)碼管，組成系統(tǒng)模擬屏。顯示設(shè)備運行情況及當(dāng)前室內(nèi)參數(shù)。

2. 加熱器控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用性能價格比較高的8051單片機(jī)為核心器件,外加輸入輸出接口電路、存儲器擴(kuò)展電路、鍵盤和顯示器、AD590電流型集成溫度傳感器、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動電路和變頻器。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：



















圖2燃油加熱器控制系統(tǒng)框圖
加熱器的供熱量的控制是通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)它的供油閥門的開度來實現(xiàn)的。變頻器根據(jù)供熱量的大小通過調(diào)節(jié)加熱器的排風(fēng)電機(jī)的電源頻率來控制適當(dāng)?shù)呐棚L(fēng)量。這樣既可使加熱器運行合理,又可以節(jié)省較多的電能。另外,本系統(tǒng)設(shè)計了一個RS485串行通信接口,可與上位機(jī)進(jìn)行通信,作為集散控制系統(tǒng)的一個智能控制設(shè)備?？撮T狗電路為系統(tǒng)提供保護(hù)作用。當(dāng)系統(tǒng)受到不可預(yù)測的故障,導(dǎo)致程序執(zhí)行發(fā)生混亂,即通常所說的“飛程序”時,看門狗電路可使系統(tǒng)復(fù)位,重新開始執(zhí)行正常的程序,使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。8279是一種通用的可編程鍵盤/顯示器接口器件,可對鍵盤進(jìn)行自動掃描,接受鍵盤上的輸入信息,存入內(nèi)部的FIFO緩沖器。在本系統(tǒng)中,8279的中斷信號經(jīng)過反相后作為8031INT1的外中斷源。在有鍵輸入時向CPU請求中斷,執(zhí)行鍵盤中斷服務(wù)程序。

3.控制器仿真
3.1仿真原理
由于在工業(yè)過程控制中,被控對象往往存在不同程度的純滯后。由于純滯后的存在,使被控制量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動,即使測量信號達(dá)到控制器,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)接受信號后立即動作,也需要經(jīng)過純滯后時間τ后,才能波及到被控制量,使之受到控制。這樣過程必然會產(chǎn)生明顯的超調(diào)量和較長的過渡過程時間,使過度過程變壞,系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。因此純滯后系統(tǒng)的控制一直受到控制界學(xué)者的關(guān)注。Ziegler_Nichols參數(shù)整定法整定的PID控制器能較好地解決滯后步數(shù)為0.15～0.6純滯后對象的控制。但對于滯后步數(shù)較大或控制精度要求較高的場合,該方法就顯得有點力不從心了。之后, Smith提出了預(yù)估器,能較好地解決純滯后對系統(tǒng)的影響,該方法依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型.
對于控制工程實踐中經(jīng)常遇到的具有時滯特性的不確定對象,一般采用Smith預(yù)估補(bǔ)償法.但實際應(yīng)用中對預(yù)估模型有較高的要求,即要求相對精確地對被控對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模.然而,大多數(shù)工業(yè)過程和實際對象具有非常復(fù)雜的不確定性以致無法用相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法給出有效的控制模型.所以,在工程中,時滯環(huán)節(jié)被公認(rèn)為是“本來就存在于物理系統(tǒng)中的最難控制的動態(tài)環(huán)節(jié)之一”.本設(shè)計在Smith補(bǔ)償控制基礎(chǔ)之上,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于時滯對象,以實現(xiàn)智能控制的目的.
控制量為：
u(t)=











3.2 仿真算法介紹
ａ.仿真對象為
,采樣時間Ｔｓ=0.05ｓ,學(xué)習(xí)率、沖量因子分別為η=0 05,α=0 01.取控制對象初始100ｓ的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行離線訓(xùn)練,得辨識器NNB1初始權(quán)值(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為3層,輸入層、中間層、輸出層節(jié)點數(shù)分別為3,9,1)
1.0882 -7.1564 -4.9591 -1.5088 -7.3089 -6.1717 -0.1341 7.7597 -1.6064
w1 = 1.1830 -1.4837 7.6532 -0.7874 9.3370 -0.1583 0.3191 6.6592 8.8110
1.4217 3.8527 -1.1592 1.9024 -7.3409 -1.9338 1.5681 -7.6457 -1.3043
ｗ2 = [-0.3607 -0.1900 0.4982 0.2474 -0.0106 0.5763 -0.4045 -0.0365 0.7993]
b1 = [2.3634 14.6896 -4.1590 -9.8395 -6.5781 -7.0058 -5.6143 6.6835 0.0043]
ｂ2 = 0.1489
用ITAE原則整定控制器NNC權(quán)值:
Ti=5　　Tf=0.7092　　Td=1.2　　Kc=3.5461　　kc=Kc　　ki=0.0355　　kd=85.1064　
　 ｂ.仿真對象為

據(jù)Smith補(bǔ)償原理,ｗ1,ｂ1,w2,b2取值同上.
3.3 仿真結(jié)果分析


圖4 PID控制器在Simulink中的仿真模型


圖5 PID控制器在Simulink中的仿真結(jié)果


圖6神經(jīng)元—Smith補(bǔ)償PID控制器在Simulink中的仿真模型


圖7神經(jīng)元—Smith補(bǔ)償PID控制器在Simulink中的仿真結(jié)果
由圖5和圖7比較可知, 神經(jīng)元—Smith補(bǔ)償PID控制器仿真效果很好,驗證了方法的有效性。
Intelligent Greenhouse Computer Control System
Chen Yilun
(Chemical engineering institute of QingHai University, Xining, 810016)
Abstract:Introducing the configuration and working principle of greenhouse automatic control system.The new method of greenhouse heater is proposed.To meet the dead time feature of the temperature control system.Based on the Smith compensation control theory,the conventional PID controller is replaced with NN－－－－PID controller(the Adaline networks are used)to take the adaptive control for the time—lag object.The result of Simulation shows that the present scheme is very effective.
Key Words: intelligent greenhouse; control system; heater; controller; simulation

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