智能温室环境控制的研究现状与发展方向

第18卷　第4期

　2003年12月郑州轻工业学院学报(自然科学版)JOURNALOFZHENGZHOUINSTITUTEOFLIGHTINDUSTRY(NaturalScience)Vol.18　No.4Dec.2003　　文章编号:1004-1478(2003)04-0020-04 信息电子研究 智能温室环境控制的研究现状与发展方向

邓璐娟,　冯巧玲,　李淑君,　牛月兰,　李宝珍

(郑州轻工业学院信息与控制工程系,河南郑州450002)

摘要:智能温室是农业现代化的一个缩影,.控制策略有基于模型的控制,即仅考虑,从植物生长或产量、节能角度综合考虑实现最、、节能等角度综合考虑种植、栽培管理计划,实现经济最优..加强控制理论同生产实际的密切结合,引入智能化方法及知识工程方法,实现人机智能系统控制将是未来温室控制的发展方向.

关键词:智能温室;环境控制;复杂系统

中图分类号:TP18;S625　　　　文献标识码:A

Asurveyofintelligentenvironmentcontroltechnologyingreenhouse

DENGLu2juan,　FENGQiao2ling,　LIShu2jun,　NIUYue2lan,　LIBao2zhen

(Dept.ofInfor.andControllingEng.,ZhengzhouInst.ofLightInd.,Zhengzhou450002,China)

Abstract:Intelligentgreenhouse,asasampleofagriculturalmodernization,aimstooptimizetheeconomicprofits.Theprevalentstrategiesaboutgreenhousecontrolarebasedonmodelcontroland/orknowledgecon2trol.Itscontroltechnologyfallsintothefollowingthreelevels:theoptimizationofcontrolsystemonlyfromtheangleofplantgrowthorenergyconservation,thatfromtheangleofcombiningplantgrowth,productionandenergyconservationandthattakingallfactorsconcerningplantingmanagementintoconsideration:wholepro2cessofplantgrowth,market,costchangeandenergyconservation.ThecurrentmoreadvancedgreenhousecontroltechnologyinChinastillremainsatthefirstlevel.Itstrendistostrengthentheintegrationofboththeo2rieswithpracticealldintroduceintelligentcontrolmethodandknowledgeengineeringandfinallyrealizetheman-machineintelligentconrtol.

Keywords:intelligentgreenhouse;

environmentcontrol;intricatesystem

0　引言

温室工程及温室气候控制技术可以使农业生产摆脱自然条件(如高温、暴雨、低温、霜冻等)的制约,实现　　收稿日期:2003-04-17

基金项目:河南省自然科学基金项目(0311032200)

),女,湖南省浏阳市人,郑州轻工业学院副教授,上海大学博士研究生,主要从事智能控制、作者简介:邓璐娟(1964—电力

电子及电气传动研究.

　第4期邓璐娟等:智能温室环境控制的研究现状与发展方向 21 　周期性、全天候、反季节的企业化规模生产,从而获得速生高产、优质高效的农产品,还可以在一定程度上克服传统农业难以解决的限制因素,使资源要素配置合理,促进资源的集约高效利用,从而大幅度提高农业的生产力,使单位面积产出成倍甚至数十倍地增长.荷兰园艺温室发展较早,大量种植经济价值高的温室鲜花和蔬菜.经过40a的发展,全国已建成10000hm2园艺温室,占农业可耕地面积的0.5%,年营业额达78亿美元(其中出口39亿美元,占全国年出口额的50%,但其从业人员只占全国人口的1%),平均每hm2温室年创产值78万美元.以色列的温室园艺发展紧随荷兰,经过20a的迅速发展,已引起世人瞩目.以色列国土面积中的2/3为丘陵和沙漠,干旱少雨(人均占有淡水资源仅相当于我国的1/8),但其农产品出口额竟达全国总出口额的5%,劳动力人均月收入1243美元.荷兰和以色列两国的现代温室综合配套工程技术的发展实践证明:农业工程科技在建立高产、优质、高效和富有国际竞争力的可持续发展农业及推动其他产业技术发展等方面起着重要的作用.

智能温室环境是一个复杂系统,有着非线性、强耦合确性,对它的控制是一个难点..

1　、高效益、无污染等特征,是农业现代化的一个缩影.智能温室生产的最终目标是实现经济效益最优.因此智能温室控制系统应做到:1)温室中承载的是有生命的植物,因此保证温室中培育对象的安全是最基本的要求.2)为了保证温室中培育对象的良性生长,温室的气候调节过程需缓慢进行,应尽可能通过各种设施运作减少温室外部气候变化对温室环境气候的影响.3)严格按照温室中培育对象的生长规律分阶段对温室进行控制,在每个阶段都需保证环境气候、水肥、防病虫害等指标达到要求.4)随时根据市场现有的信息预测市场未来的变化,从而决定对温室的投入,控制产品的上市时间.5)实现农业可持续发展的根本保障是在农业生产过程中保护生态环境,因此温室生产要考虑生态效益的要求,不施农药,保持土壤原有的酸碱度,保护地下水和空气不受污染等.6)尽可能低成本运作,例如尽量利用太阳能,选择最适宜的加温温度,营养液在线检测和循环使用,尽可能低成本通风、低消耗除湿.7)温室控制系统的最理想目标是保证良好的综合效益,即在保证生态效益的前提下,提高经济效益,也就是产量提高、能源消耗降低、资源消耗减少.

2　

智能温室环境控制的现状

温室生产周期长、过程复杂,温室系统是多变量、强耦合、非线性、大惯性、强干扰的复杂大系统.温室的外部环境(自然气候)以及温室内部种植作物随市场和季节的变化都具有不确定性,温室作物蒸腾作用和光合作用的数学模型具有不精确性,温室的动态模型也不精确,而且只有一部分参数可以确定,而其他参数需要动态辨识.因此,温室的控制难以建模、处理和控制.而且,温室内培育的对象是具有生命的植物,其安全是首要的,温室的管理涉及市场、设备、技术、员工等诸多因素,因此,温室的管理还不能完全脱离人的干预.

广义上讲,温室的环境控制应该包括温室气候控制、肥水控制、作物生长情况监控、设施和设备监控、生产资料和资金分配、市场和信息管理、任务和计划安排等内容.目前,温室环境控制采用的思想有:1)基于模型的控制.从简单实用角度所建立的模型有线性模型、非线性模型,对模型所采用的控制方法有PID控制、预测控制、优化控制、自适应控制等[1].2)基于知识的控制.通过建立数据库、知识库,依靠专家系统完成对温室的日常管理和控制[2].3)利用模糊系统、神经网络、软计算等解决温室系统的不精确性和不确定性[3]问题,即前两者的结合.

温室气候控制的水平大致可以划分为三个层次:1)仅考虑植物生长(按植物生长要求保持气候环境的稳定)或仅从节能角度对控制系统实现最优赋值.国内外现在投入使用的温室控制系统大多停留在这个层次上[1,4].如文献[1]把温室系统归结为一个MI—MO系统,输出变量(即被控制量)是室内空气温度Y1,室内空气湿度Y2,土壤温度Y3;输入变量(即控制量)是空中加热器功率U1,窗户打开角度U2,可以脉宽调制形式工作的循环风扇功率U3,地面加热器功率U4,喷雾系统功率U5;系统的扰动为太阳辐射W1,外部空气温度W2,外部空气湿度W3,室内蒸腾率W4;风速和风向定义为系统的随机噪音v(如图1所示).系统的控制思想

可用图2表示.此系统的控制目标是使被控制变量按照预定的

温室气候轨迹曲线变化.从实用角度出发,提出的系统模型为线

性化的MI—MO系统,形式为Yk+1=AYk+BUk+CWk+vk,其

中A=[aij]3×3,B=[bin]3×5,

C=[cim]3×4.需要通过自适应辨

识的未知参数为36个.在线参数辨识能够减少非线性在系统模

型上的累积.噪音引起的参数估计误差通过在输入、输出端引入

噪音来评价.最后的目的是使输出Y沿参考期望轨迹变化,达

到最优,控制逻辑如图3所示.2)从植物生长或产量、节能角度

综合考虑实现最优.3)从植物全部生长过程、市场及成本变化

的因素、节能等角度综合考虑种植、栽培管理计划,实现经济

最优[5].

但是,目前国内在后2,,、积

,从而为实现在节能最

.文献[5]应用系

统工程的思想,研究出把温室系统作为一个大系统来考虑,先建图2　系统的控制思想简图立大系统的综合动态模型,运用大系统理论寻找温室环境控制

的最优方法.文中认为温室大系统包含作物生长、环境控制、经济分析3个子系统,每个子系统又可以分为多个更小的子系统,大致分为4层状态空间,如图4所示.具体选择了结球莴苣的光合速率模型作为植物生长模型,再加上温室环境控制子模型和环境控制成本子模型以及它们之间的关系构成综合动态模型,将3个子系统置于一个大系统下加以研究.文中采用大系统控制论中的分解-协调方法分别求解各子系统的局部最优化问题,再通过系统优化子模型求解大系统的全局最优化问题,得出了同时满足控制效果较好和控制成本较低2个条件的最优环境控制方式

.图1　保持气候环境稳定的温室系统

图3　MI—MO

系统逻辑控制图图4　温室大系统结构框图

3　智能温室环境控制的发展方向

现代温室是设施栽培技术的最新发展,它采用控制环境的方法,使植物常年具有良好的生长环境.不同的植物有不同的环境要求,同一植物的不同阶段对环境的要求也不同.建立不同的温室作物生长模型是必需的和迫切的.但作物模型的研究是一个难题,需要多个生产周期的研究和实验积累,需要较长的时间采集数据,国内对这个方面的研究刚刚起步.

由于温室内的作物生长是温度、光照和湿度等生长环境因子综合作用的结果,故不能将这些因子分开来单独地静态地考虑,而应从整体上动态地研究环境控制问题.

环境控制问题还应该与维持温室运行的控制成

本结合起来,即研究如何以一种比较经济的环境控制方法较

好地满足植物工厂化生产的需要,这是提高现代温室生产经

济效益需要研究解决的问题.

在信息化和网络化的今天,现代化温室系统应该充分利

用这一资源,实现资源和数据共享,随时掌握国内和国际市场

动态,制定出最佳的种植计划.文献[6]描绘出了未来的基于

知识的多个温室递阶分布式信息系统(见图5).其下位机中

包含有多变量控制、远程控制、完成每日数据记录等.其监控

计算机中安装有庄稼管理系统,其功能包括:数据分析(多变

量分析、谱分析、图像分析),系统分析(控制理论、系统动力

学、系统工程),三维图像系统(CAD、图像处理、获),数据库(气候、庄稼、温室、控制等),疾病、市场等),网络(局域网、),理特性、(、用图5　基于知识的递阶分布式控制系统户界面),(叶、产量预测).

温室系统的控制过程及干扰的模型是未知的,且难以辨识,具有许多不确定性,例如,外部气候的突然变化,灾害天气突然出现等.因此用传统的控制方法难以建模,难以实现有效的控制.温室过程控制有许多高度非线性问题,传统控制理论虽然也有一些非线性控制方法可用,但非线性理论远不如线性理论成熟,加上温室过程的复杂性,使得这些非线性理论难以实用.温室生产过程存在许多半结构化与非结构化问题,难以建立定量分析的数学模型,因此传统的用微分方程

、状态方程的数值计算方法只能局限在简化和近似的不精确基础上,难以达到精确控制的目的.

温室生产过程这个复杂大系统下的各个子系统之间关系错综复杂、相互制约,如作物模型和环境控制的制约关系、环境控制和经济运行成本的耦合关系等,更主要的是种植规划制定和温室系统运行脱离不了人为的因素,而人的行为又带有主观性质,所以,温室控制过程有许多不可确定性问题.总之,温室生产过程具有客观复杂性和认识复杂性,是一个复杂过程系统,因此,对温室的控制需运用复杂系统理论提供的新概念、新方法解决其不确定性、不精确性、部分事实、非线性、强耦合等问题.

加强控制理论同生产实际的密切结合,引入智能化方法、智能技术以及知识工程方法,形成不同形式的既简单又实用的控制结构和算法,形成包括计算机监控系统在内的综合集成于一体的人机智能系统,是对温室实行先进控制的发展方向.

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