现代农业大棚环境调节与管理的仿人控制系统

第25卷 第3期

总第70期 2004年

文章编号:1008-1542(2004)03-0062-04河 北 科 技 大 学 学 报JOURNALOFHEBEIUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.25 No.3Sum70 2004

现代农业大棚环境调节与管理的仿人控制系统

刘建业1,薛增涛1,梁永春1,王忠杰1,付占稳1,张 峰2

(1 河北科技大学电气信息学院,河北石家庄 050054;2 石家庄邮电职业技术学校,河北石家庄 050000)

摘 要:环境因子模型参数的一致性处理和环境因子模型的泛化设计,以及控制模型的泛化设计,

是本文旨在介绍的方法。仿人自动控制和检测数据的数据库管理提高了农业大棚的种植管理水平

和生产质量,人机输入输出界面的完善设计提高了系统的可操作性,保证了系统运行的可靠性和安

全性。

关键词:农业大棚;仿人控制;泛化设计;环境因子

中图分类号:TP273;TP311 131 文献标识码:A

近几年来,我国农业大棚发展迅速,农业大棚的现代化设施越来越齐备。据悉,大型温室环境控制设施投资占温室整个投资的17%~42%[1],因此对温室环境控制设施的自动化控制与管理的要求也越来越高。研究并开发基于计算机控制的温室环境调节与管理系统,已成为大力发展大型现代温室农业生产的关键技术之一。

本文结合石家庄现代农业研究所国农节水工程 温室环境控制与信息管理项目(温室调控设施配给见图1)将介绍一种仿人控制的技术方案。

1 对象与系统描述

温室环境的调节与控制是一个多

参数、多时变、多耦合、多反馈控制回

路的复杂问题。环境目标参数会因种

植蔬菜种类差异、季节性差异、生产期

差异、室外气候条件等因素的变化而

具有多样性。环境参数的调节手段会

因大棚自动化设施配给的差异、季节

性气候条件对调节使能的限制(比如:

冬季室内外温差太大,不允许采用排

风扇降湿)等也具有多样性。基于温

室对象具有的上述特点,建立在IPC

机上的温室环境因子监控系统应具有

图2所示结构。

Y=F(U,W),其中:Y为大棚室Fig 1 图1 温室调控设施配给Greenhouseregulate/controlinstallationretioned

内环境因子,包括温度、湿度、地表温度、土壤水势、CO2浓度、光照度等环境变量;U为调控变量,包括东西侧窗开度、排风扇、浇水管道电磁阀、气泵、水帘、遮荫帘、暖气电磁阀、天窗等;W为室外气象,包括气温、湿度、风向、风级、晴/阴。环境因子模型和控制模型都是开放式的,可依相

收稿日期:2003-05-07;修回日期:2004-03-15;责任编辑:陈书欣

基金项目:河北省科技厅指导性项目(032135111)

作者简介:刘建业(1965-),男,河北深县人,副教授,硕士,主要从事计算机控制与模糊控制理论方面的研究。

第3期 刘建业等 现代农业大棚环境调节与管理的仿人控制系统63应情况进行调度、修改。

控制器的任务就是使环境因子能跟随环境因子模型

参数,使棚内植物在最适宜的环境条件下生长,而跟随效

果受外界气候变化的影响,所以控制函数U=

F(Yg,Y ,W ),其中:Yg为模型参数;Y 为温室内环境

参数;W 为室外气象参数。为简化问题,可将W 作为参

考状态,采用分层结构,见图3。

2 环境因子模型

植物的生长发育需要适宜的温度、湿度、阳光、CO2等

环境条件。环境因子模型的设定是控制的依据,它决定

了环境因子调节的效果。因此,环境因子模型的设计是

一项关键性的工作。

环境因子模型设计需要考虑以下几点:1)随植物1d

中生理活动中心的转移,植物对环境因子的需求是个

变图2 农业大棚环境参数监控系统Fig 2 Thegreenhouseenvironmentalmonitoringsystem值。比如,温度和CO2是植物光合作用的重要条件,白天阳光充足时,提

高温度和CO2浓度,有利于植物制造更多的光合产物,补充呼吸对营养物

质的消耗。晚上光照很弱,为减少呼吸对营养物质的消耗,必须调低温

度。因此,环境因子模型在1d内应分时段设定。2)同一种蔬菜在不同

生长发育时期,对环境因子的需求是不同的。比如,黄瓜在缓苗期,为促

进新根生长以利于缓苗,应尽量提高室内温度。白天:25~28 ;夜间:13图3 分层结构示意图~15 。缓苗后到根瓜采收期,以促根控秧为中心,尽量控制植株徒长,Fig 3 Branchingstructuregeneralview促进根系发育,在温度管理上适当加大温差,实行 四段变温管理 。午前

为26~28 ;午后为20~22 ;前半夜为15~17 ;后半夜为10~12 。在结瓜期,温度管理仍采用 四段变温管理 ,但其温度指标可适当提高。午前:28~30 ;午后:22~24 ;前半夜:17~19 ;后半夜:12~14 。3)不同种类蔬菜对环境因子的需求不同。比如适宜温度:甜瓜白天为25~30 ,夜间为15~20 ;西瓜白天为25~32 ,夜间为18~20 ;黄瓜白天为25~30 ,夜间为15~20 ;番茄白天为20~30 ,夜间为10~15 。4)环境因子模型设计要考虑不同种植地区的气候环境特点,特别是昼夜温差特点,日照时间长短特点。

通过对植物生长发育需求分析,可把环境因子归结为3类:三生长期四时间带类,如温度因子;三生长期类,如土壤水势;四时间带类,如光照度和CO2。三生长期四时间带类是指植物在移植缓苗期、生长发育期和盛果期以及在1d中的4个时间段,对温度的要求不同;三生长期类是指植物在移植缓苗期、生长发育期和盛果期对土壤水分需求不同,而在1d的不同时间段对土壤水分的需求并无太大差异;四时间带类是指植物在1d的4个时间带对光照度和CO2浓度的需求有差异,而在不同生长期并无太大的差异。

基于上述分析,各环境因子模型采用数值结构一致性处理和泛化设计的方法。数据结构的一致性处理,就是将3类环境因子都归一为温度因子的数据结构,即使光照度因子、CO2因子在3个生长期具有相同的模型,土壤水分在4个时间带有相同的模型。泛化设计就是使环境因子模型能适用于不同类植物,又适用于不同种植地区。泛化的办法是按3个生长期、4个时间带数值结构建立植物环境因子数据库。数据库具有增加、修改、删除、查调等功能,按植物类名可查找出要使用的环境因子模型。农业技术人员可根据经验对环境因子参数作调整,可对数据库中没有的蔬菜类环境因子参数进行补充。

对于环境因子的调节手段,在不同季节、不同气候条件下有所不同。比如对温度的调节,在春季只使用侧窗开闭调节和气泵向隔离层充放气调节;在夏季,可使用的调节手段有侧窗、排风扇、水帘、遮荫帘等;在冬季,可使用暖气电磁阀、气泵、天窗等调节手段。可见,针对不同季节和不同气候条件,就需要归纳出多套控制规则。这给控制器的设计带来了很大麻烦。为了简化设计工作,可选择调节手段最齐备的情况来归纳控,

64河北科技大学学报 2004年 是泛化设计思路。

基于上述几个问题的考

虑,环境因子模型库连接及

控制器输出连接界面见图4。

3 环境因子控制策略

3.1 温度仿人控制

温度采用4段变温管

理。根据某一时段参数模型

给定值与检测值之间的对比

关系,将E=tg-tc(注:tg为

温度给定值,tc为温度测量

值)划分成NB,NM,NS,O,

PS,PM,PB档,将EC=Ei-

Ei-1(注:Ei为当前温度偏

差,Ei-1为前次温度偏差)划图4 环境因子模型库连接及控制器输出连接界面Fig 4 Linkinterfaceofenvironmentparametersstorehouseandcontorlleroutput

分成N,PO2档。降温控制等级从低到高是:天窗和侧窗开启,自然通风 遮阳网张开 轴流风机强制通风 启动湿帘风机降温系统。升温控制等级从低到高是:天窗、侧窗关闭 热力管道加温 营养液电加热[2]。

归纳出温度模糊控制规则表,见表1。

表1 温度控制规则表

Tab.1 Temperaturecontrollingrules

Ec=Ei-Ei-1E=tg-tcNBNMNSOPSPMPB

关东、西侧窗

开东、西侧窗令无控制令 无控制令 无控制令令,开水暖电磁

阀令

关东、西侧窗

PO

(降温)开东、西侧窗令,雾化降温令*无控制令 无控制令无控制令关东、西侧窗令关东、西侧窗

令,启动气泵令令,开水暖电磁阀令,启动气泵令N(升温)开东、西侧窗令,雾开东、西侧窗化降温令*令,开排风扇令

在冬季,现代化大型温室多采用集中热力管道供热与热风塑膜管道分布供热。一般以加热空气为主,寒冷地带增加地埋塑料管热水加热土壤。热力管道进水温度85~95 ,出水温度70 ,室内设置圆翼形散热器,供热负荷1292 9J/(h m)。育苗区同时采用土壤加温,地埋聚乙烯塑料管间距70cm,埋深30cm。加热温度按区、按段通过控制电磁阀进行调节。

湿帘风机降温是夏季温度控制中的关键技术,其降温原理为温室北面墙上湿帘循环水由泵压至湿帘上部,经雾化自上而下流经湿帘,在南面墙上轴流风机作用下室外热空气经湿帘进入室内,热空气与湿帘中的雾化水直接接触,实现热湿交换,使进入室内的空气含湿量增加,温度降低,空气吸取室内余热后从轴流风机处被排出室外。

3.2 通风换气和湿度控制

不适宜的湿度将使蔬菜植株结露,易产生霜霉病、灰霉病、菌核病等病害。通风换气是进行日光温室湿度、温度和气体调节的重要手段,它具有降低温度、排除湿气、排除有毒气体、补充空气中CO2、抑制徒长和进行炼苗等多方面作用。对湿度的控制采用定时放风排湿管理。

现代温室天窗占房顶面积的25%,侧窗占侧墙面积的57%~80%,并设有分段自动开窗机。在一侧墙另装置有多台大型排风机,在窗户全开还不能降至正常室温或室内湿度过高时就开机排风。温度调节和湿,,[3]

第3期 刘建业等 现代农业大棚环境调节与管理的仿人控制系统65控制决策表见表2。

表2 湿度调节控制决策表

Tab 2 Humiditycontrollingpolicy

湿度

春、夏季

秋季

冬季NB开侧窗令,开天窗令开侧窗令,开全部排风扇令,开天窗令开侧窗令,开天窗令NM开侧窗令,开天窗令开侧窗令,开部分排风扇令,开天窗令开天窗令NS 开天窗令 开天窗令,开侧窗令 开天窗令PO 开天窗令 开天窗令 开天窗令

冬季放风要加强人的干预,以增强系统的安全性和可靠性。切记应顺风向放风,防止寒气直入。

3.3 自动喷灌浇水控制

浇水控制采用定时浇水仿人控制,把E =stg-stc(注:stg为土壤水势给定值,stc为土壤水势测量值)划分

为N,NO,NO,P,4档。浇水前对土壤水分进行检测并分析E=stg-stc,若E为N则不浇水,若E为

NO-,NO+,P,则启动浇水电磁阀。喷水控制器可以在1d内随意设定喷水时间和指定喷水区域顺序。

3.4 CO2浓度调节[4]

植物光和作用所需CO2浓度超过自然状态CO2浓度的3~4倍,温室栽培有利于用人工方法提高CO2浓度,增施CO2可使作物增产20%~50%,按设定的浓度和设定时间自动控制CO2发生器工作。-+

4 结束语

本系统采用集散控制结构,实现了对4个温室大棚的异域控制和集中管理。基于地区性气候差异、种植品种对环境条件要求差异及不同温室对环境参数调节设施配给的差异,系统采取的环境因子模型数据结构一致性处理和泛化设计方法,使复杂的问题在设计中得到了简化。本系统自2002年3月29日提交使用并逐步完善规则后,至今运行效果良好。

参考文献:

[1] 范云翔,孙廷琮,杨子万 智能型温室环境控制器的研究开发[J] 农业工程学报,1997,13(增刊):258-261.

[2] 白广存.温室环境监测与调控计算机管理系统[J].农业工程学报,1995,11(增刊):194-197.

[3] 马承伟,李保明,黄之栋,等 基于沸腾炉原理的集中雾化蒸发降温系统 模拟试验初报[J] 北京农业工程大学学报,1995,15(3):42-

48.

[4] 冯广和.我国设施农业的现状与发展趋势[J].农业工程学报,1996,12(增刊):115-119.

AgricultureGreenhouseEnvironmentalParametersControl

SystemModelledafterMen

LIUJian-ye1,XUEZeng-tao1,LIANGYong-chun1,WANGZhong-jie1,FUZhan-wen1,ZHANGFeng2

(1.CollegeofElectricalEngineering&InformationScience,HebeiUniversityofScience&Technology,ShijiazhuangHebei050054,China;2.HebeiPostandTelacommunicationSchool,ShijiazhuangHebei050000,China)

-Abstract:Thispaperintroducesmainlythefollowingcontents:environmentalfactorsmodeldataprocessingasthesamestructure,theenviron

mentalparametersmodeldesigningingeneralrule,andthecontrolmodeldesigningingeneralrule.Theautomaticcontrolmodelledaftermenandthedatabasemanagementforthecheckingdataimprovetheagriculturegreenhousemanagementlevelandtheproductionquality.Theper-fecteddesignforman-engineinterfacemakesthesystemoneofgoodservice.Thus,itensuresthesystemreliabilityandsafety.

Keywords:agriculturegreenhouse;controlsystemmodelledaftermen;designingingeneralrule;environmentalfactors

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/os6e.html