温室系统温湿度、水肥耦合的解耦控制器设计

付焕森++李元贵++夏华凤

摘要：温室控制研究已开展多年，一方面是关于温度和湿度的耦合问题运用多种算法进行解耦，另一方面是针对温室内营养成分进行水肥耦合研究。针对温室系统控制问题，目前还没有对上述2种耦合进行综合研究，因此提出温湿度耦合和水肥耦合的温室系统生态耦合观点，通过传感器采集温度、湿度以及土壤氨氮等养分信号，并基于能耗模型以PLC（可编程逻辑控制器）为核心设计集中式PID（比例、积分和微分）解耦控制器，实现温室系统在喷淋农作物时考虑到土壤水肥营养成分的流失，以此提高温室系统的产量和品质，同时降低温室系统的生态损耗和污染。

关键词：温湿度耦合；水肥耦合；解耦；节能优化

中图分类号： TP273文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0430-02

收稿日期：2015-04-01

基金项目：2014年度江苏省高校自然科学研究面上项目（编号：14KJB510033）；泰州学院科研课题（编号：TZXY2015YBKT010）。

作者简介：付焕森（1982—），男，江苏兴化人，硕士研究生，讲师，研究方向为智能自动化理论与工程。E-mail：fuhuansen@163.com。能源、环境和农业是社会发展的根基，受到各国研究人员的高度重视，三者之间相互依存。温室系统作为农业发展的典型代表，其研究方法已存在多年，目的是克服传统农业对外界环境的依赖。在控制方法方面，通过多种算法实现农作物温度、湿度和二氧化碳浓度等参数的有效调节，对温室系统关键参数的控制不再局限于单一的温湿度闭环结构，重点是温度和湿度之间的耦合关系，因为耦合问题严重影响了温室系统的节能优化控制；在生态研究方面，农作物生长环境中也存在水肥耦合的问题（农作物在生态环境中，作物根系吸收水分和养分是2个独立的过程，但是所供给的水分和养分以及养分中的氮、磷、钾等元素之间是相互制约的过程，这种现象称为水肥耦合）。水分和养分不合理使用，会制约温室系统中农作物的生长，降低品质和整体效益，同时给环境造成不利影响。徐岩等针对水肥耦合问题进行了研究，内容包括水肥效应、如何合理施肥、以肥调水、从微量元素角度如何解决水肥耦合的问题[1-2]。本研究就温室系统的研究现状，提出温湿度耦合和水肥耦合的温室系统生态耦合观点，通过信号采集，以PLC（可编程逻辑控制器）为核心设计集中式PID（比例、积分和微分）解耦控制器，实现农作物在良好的温室环境下达到节能、低污染等优化控制。

1温室系统模型

温室系统研究尽管已开展多年，但是至今还未有精确的数学模型，目前Albright提出的模型在控制领域得到广泛的使用[3-4]，模型可以用下式表示：

dTindt=1ρCpV[qheater+Iin-λqfog]-φventV[Tin-Tout]-KeρCpV[Tin-Tout]

dHindt=1Vqfog+1VE（Iin，Hin）-φventV[Hin-Hout]

E（Iin，Hin）=αIinλ-βTHin。

式中：Tin、Tout、Hin、Hout分别为室内温度、室外温度、室内湿度、室外湿度；qheater为加热速率；qfog为喷雾速率；φvent为通风率；V为单位面积等效体积；Ke为空气传递系数；E为蒸发速率；Iin为室内吸收的太阳辐射；ρ为空气比热容；Cp为室内空气比热容；α和βT为控制系数；λ为水蒸发系数。温室系统呈现多变量、非线性和强耦合等特点，上述模型仅考虑农作物生长外环境的影响，没有对土壤内环境的水肥问题进行建模。模型建立是一个系统的过程，利用模糊控制等智能算法综合考虑温室外环境和内环境的影响较有优势，本研究是基于模糊控制设计PLC控制器。

2解耦算法

近年来，针对多变量系统的解耦方法经历了传统解耦、自适应解耦、智能解耦等阶段，其策略从不同的角度进行解耦，研究人员做了大量的理论算法研究和仿真分析。传统的解耦方法依赖系统精确的数学模型；自适应解耦主要是将参数辨识、系统控制和解耦方法结合起来解决系统的耦合问题[5]。尽管上述模型考虑了加热、通风以及加湿等因素，但离精确的温室系统模型还远远不够，所以利用传统解耦方法难以解决温室系统的耦合问题，特别是生态耦合问题。智能解耦相比常规的单一控制，无需系统精确的数学模型，有良好的动态解耦能力，其系统稳定性较高，鲁棒性较强，具有很好的自适应能力，实践也证明该方法对蔬菜温室系统在效率和效益方面都有提高。

鉴于上述模型，设计了1种集中式PI和模糊PID控制器（图1）[6]。图1中：r表示温室外环境的温度、湿度和二氧化碳等输入信号；e、ea分别表示输入信号、反馈信号的误差；G（s）表示被控对象的传递函数模型，由上述模型得到传递函数；Gc（s）为对角结构控制器；x1，…，xn表示解耦后的输出信号；xn+1，xn+2，…表示温室土壤养分检测信号；y表示解耦输出。

由参考文献[6]得到PI控制器的结构：

gc，ii（s）=kC，ii+k1，iis=adjGii|G| hii1-hii

。

（2）

式中：kC，ii、k1，iis分别为比例、积分系数；hii为各个环的传递函数。

智能解耦部分采用的模糊PID控制，其控制方法较为成熟，在传统的专家经验库添加水肥耦合方面的控制规则即可[7-8]。

3系统设计

温室系统整体设计如图2所示，由3个部分组成，分别是1～N号蔬菜温室大棚、蔬菜温室解耦控制设备和执行机构控制设备。1～N号蔬菜温室大棚环境内安装温度、湿度、CO2、光照、土壤水分和养分传感器，每个温室大棚内配置触摸显示屏，用于温室环境内参数的显示和查询，以及在紧急情况下手动操作升降温、加湿等按钮开关，与控制系统配合使用。

4软硬件设计

控制器核心采用西门子PLC，传感器信号采用标准的 4～20 mA 电流传输。蔬菜温室解耦控制设备是整个设备控制的核心，利用高版本Matlab软件里的GUI功能设计上位机界面，实现以下功能和目标：（1）解决了常规单片机和PLC难以实现复杂的解耦算法问题，同时利用强大的数据处理功能，可以根据不同大棚内蔬菜品种，调用专家数据库，系统会自动给出蔬菜种植的推荐参数，实现温湿度和水肥耦合的解耦，提高温室生产产量和品质；（2）上位机可以显示1～N号温室环境内参数数据，可以查询、统计和打印，为蔬菜种植提供参考价值；（3）上位机可以设置多种按钮，用于控制加湿等设备，减少了实际按钮数量，降低了成本；（4）配备了常用和紧急操作面板按钮，与上位机按钮配合使用，以防止上位机软件死机等意外情况；（5）出现温室环境异常，如温度过高等情况，以及执行机构的故障，控制系统会通过故障报警提醒；（6）控制设备内安装GPRS无线设备和服务器，种植用户可以利用手机及电脑网络远程访问控制系统和操作相应的按钮开关。

5结论与讨论

本研究针对温室系统研究的现状，从解耦、节能优化2个方面作了介绍。尽管Albright的模型得到了认可，但是温室系统融合了生物、能源和控制等多种学科，有效而全面的温室系统模型是当前研究的重点。针对温室系统内的温湿度耦合问题，随着控制技术的发展，智能解耦是发展的趋势，同时温室系统的解耦要综合考虑温湿度耦合和水肥耦合，这样才能保证农作物生长的外在、内在环境；关于温室系统的节能优化控制，解决耦合问题是实现节能优化的基础，除了理论方面的研究，在保证农作物品质的前提下，应用先进的传感技术和物联网技术是温室系统发展的趋势。

参考文献：

[1]徐岩. 水肥耦合对日光温室生菜生育及土壤环境的影响研究[D]. 长春：吉林大学，2011.

[2]张丽莹. 水肥耦合对温室无土栽培水果黄瓜生长发育的影响及其生理机制的研究[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学，2011.

[3]Krner O，Aaslyng J M，Andreassen A U，et al. Microclimate prediction for dynamic greenhouse climate control[J]. HortScience，2007，42（2）：272-279.

[4]徐立鸿，苏远平，梁毓明. 面向控制的温室系统小气候环境模型要求与现状[J]. 农业工程学报，2013，29（19）：1-15.

[5]马万征，毛罕平，李忠芳，等. 温室环境多变量控制系统解耦现状及发展趋势[J]. 江苏农业科学，2012，40（2）：313-314.

[6]陈强，栾小丽，刘飞. 高维多变量时滞系统多环PI控制的解析设计[J]. 信息与控制，2014，43（2）：205-210.

[7]洪运国. 基于粒子群优化 PIDNN 的温室温湿度解耦控制仿真[J]. 制造业自动化，2013，35（4）：124-126.

[8]黄力栎，胡斌，罗昕. 温湿度解耦模糊控制系统的研究[J]. 农机化研究，2010（2）：56-59.