節(jié)能型智能溫室自動控制系統(tǒng)研發(fā)設計

1、節(jié)能型智能溫室自動控制系統(tǒng)設計摘 要：設計了以節(jié)能控制算法為核心的溫室自動控制系統(tǒng)上位機軟件。在保證溫室穩(wěn)定有效 運行的前提下，引入節(jié)能的思想，使溫室生產(chǎn)達到高產(chǎn)、低耗的目標， 從而為解決溫室高能耗的問 題提供了一條有效途徑。關鍵詞：溫室自動控制系統(tǒng) 多因子協(xié)調控制 溫室模型節(jié)能優(yōu)化控制0引言溫室作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的載體，具重要性日益被越來越多的國家所重視， 而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的最 重要的因素便是發(fā)展溫室及其控制技術，通過有效的途徑來控制溫室內(nèi)的作物生長環(huán)境使作物健康 的生長。在能源日益緊缺的今天，如何把節(jié)能的思想應用到現(xiàn)代溫室的環(huán)境控制中也已成為人們關 注的焦點。我國溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀是控制方法簡

2、單、技術落后且能耗較高。為此本文在結合國內(nèi)外溫室控制研究的基礎上，通過引入以溫室模型為基礎的節(jié)能控制算法，設計了節(jié)能型的智能溫室控制系統(tǒng)上位機軟件，可實現(xiàn)對溫室有效的節(jié)能控制。閏屬鈔瘞啾5尻賴。1溫室自動控制系統(tǒng)的整體框架托普物聯(lián)網(wǎng)認為，通常整個溫室自動控制系統(tǒng)分為 3層：最頂層是溫室控制的上位機軟件， 其 中集成了溫室控制的控制規(guī)則庫以及溫室的模型方程，還設計了一些面向用戶的功能模塊，以實現(xiàn) 與用戶之間良好的交互性；中間層為溫室控制的下位機，用以接收上位機的控制指令并把控制指令 轉化為溫室內(nèi)各個執(zhí)行機構的動作指令，同時接收來自溫室現(xiàn)場端傳感器采集的溫室氣候及執(zhí)行機 構狀態(tài)信息，并把這些信息轉

3、化成一定的格式傳給溫室控制上位機軟件；最底層是溫室控制現(xiàn)場， 分布著各種執(zhí)行機構以及傳感器，以實現(xiàn)對溫室環(huán)境的控制和溫室內(nèi)各種數(shù)據(jù)的實時采集。系統(tǒng)框圖如圖1所示。溝熠金獺T愛建譴凈。本文的重點在于溫室上位機控制軟件中節(jié)能算法的實現(xiàn)。2上位機功能模塊設計Visual Basic 6. 0具有豐富的開發(fā)工具，采用面向對象技術、圖形化的應用開發(fā)環(huán)境。它有 一個功能極其強大的集成環(huán)境，使得開發(fā)人員可通過菜單、界面、圖形瀏覽工具、對話框以及嵌入的各種生成器來輕松地完成各種復雜的操作?；谶@種優(yōu)勢，溫室控制上位機軟件選擇了VisualBasic 6 。 0開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)設計。殘鷲樓靜鐲梅翻膽酸I。通過對

4、溫室控制上位機功能的分析，設計了各個功能模塊，分別針對不同的控制要求以及用戶 需求。上位機的功能模塊框圖1如圖2所示。r鋼極狒b鎮(zhèn)檜豬錐。數(shù)手自節(jié)實1打印遠據(jù)動動能時報表程采控運優(yōu)曲視與歷網(wǎng)集制行化線頻1史曲絡發(fā)模?？仫@監(jiān)線查接送式式制示控詢口溫室控制系統(tǒng)上位機（PC機）幫 助 菜 單用 戶 登 錄參 數(shù) 設 置【溫室控II制規(guī)則I庫，I溫室模II型方程1I控制指令發(fā)送I I溫室內(nèi)外數(shù)據(jù)采集I溫室控制下位機溫室控制現(xiàn)場圖1溫癥控制系統(tǒng)整體架構1-用戶登錄 1ms，手動控制鰥二一 _ _ 實時轂據(jù)顯示_ L機儺控加1報表與歷 史曲線查沏 一）r - f自動運行模式_節(jié)能控制特1-f指令發(fā)送遠程網(wǎng)

5、絡接口 L幫助菜單數(shù)據(jù)接收u圖2溫室上位機功能模塊圖示溫室控制上位機軟件有手動控制功能。在手動控制模式下，用戶可以根據(jù)實際要求在上位機軟件中操作執(zhí)行機構的開啟或關閉命令，向下位機發(fā)送相應的指令來控制溫室現(xiàn)場， 從而可以通過手動操作監(jiān)控室內(nèi)上位機的方式控制溫室現(xiàn)場的執(zhí)行機構彈貿(mào)攝爾霽斃撰磚鹵尻。溫室上位機軟件還可以運行在自動控制模式下。 在此模式下，上位機可以不在人為干預下自動 控制溫室現(xiàn)場。該自動運行模式下所用的控制策略采用溫室環(huán)境多因子協(xié)調控制算法H1。該算法基本思想為：針對溫室這樣一個非線性、分布參數(shù)、時變、大時延、多變量耦合的復雜對象，并且 各控制手段之間也存在著很強的耦合性，通過結合設

6、施園藝的一些經(jīng)驗方法，對溫室系統(tǒng)進行變換 和等效處理，將問題簡化；利用溫室對溫濕度等因子控制精度要求不是很高的特點，把重點放在多因子如何協(xié)調上。通過把溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)分為主類因子和次類因子，再建立次類因子與主類因子 的協(xié)調關系函數(shù)，從而將多因子控制變成以溫度單類因子為主的單因子控制；再以前饋和反饋控制消除各類因子協(xié)調帶來的不確定性，建立多因子協(xié)調控制算法。II養(yǎng)技篋志類蔣番基于該多因子協(xié)調控制算法設計的上位機自動運行控制軟件在上海孫橋等溫室基地已驗證有 很好的控制效果，能夠把溫濕度等環(huán)境因子控制到一個適宜的區(qū)間內(nèi)，提高了溫室作物的產(chǎn)量和生長效率。由于溫室的運行需要消耗較高的能耗， 特別是加熱的

7、成本較為昂貴，考慮到降低溫室控制 的運營成本的需要，引入一種節(jié)能的控制方法。該方法主要是基于溫室模型的優(yōu)化控制，運用基于 外部種群的多目標偏好遺傳算法一 1,把能耗作為最終的偏好信息，計算出能耗最低的控制量作為 實際溫室的控制輸入。該節(jié)能算法通過與多因子協(xié)調控制算法相融合可以有效地實現(xiàn)溫室的穩(wěn)定運 行與降低;能耗的需求。廈礴懇蹣駢畤繼騷。3節(jié)能優(yōu)化控制對于溫室的作物來講，作物適宜生長的環(huán)境參數(shù)一般來說都是一個區(qū)間值， 也即溫室內(nèi)的溫度、 濕度、CO等環(huán)境變量值只要維持在作物適宜生長的范圍內(nèi)即能滿足作物的生長要求，這樣就為實現(xiàn)溫室節(jié)能控制提供了一種可能。而使溫室內(nèi)的環(huán)境滿足所要求的區(qū)間會有若干個

8、控制策略，并且對這一組的控制策略進行能耗的計算和分析，選擇其中最節(jié)能的控制策略來控制溫室現(xiàn)場，則既能 達到溫室作物生長的環(huán)境要求，又能滿足節(jié)能的要求。煢楨廣啊選塊網(wǎng)糊目。在溫室環(huán)境控制問題中，溫室內(nèi)的空氣溫度、濕度是主要的控制對象，這些量可以通過加熱、 噴霧和通風來改變。這樣使溫室內(nèi)溫度和濕度達到所要求的區(qū)間就會有若干組加熱、噴霧和通風對應的控制輸入。通過計算每組控制量的能耗，選擇其中能耗最低的一組控制輸入，就能達到節(jié)能控 制的目的。鵝婭盡揖鶴慘雇梆3. 1模型與算法在傳統(tǒng)的控制問題中，只有把實際的控制輸入施加于控制現(xiàn)場才能獲得相應的控制結果。然而要在控制施加之前得到控制方法和控制結果的對應關

9、系，必須建立控制對象的模型，在溫室控制中也即須建立溫室的溫濕度模型，在此引入G D. Pasgianos等人提出的一個溫室溫濕度的動態(tài)方程。 髓叢媽趣為贍債蛭練浮。dtW（一奴加1%Q) V加-?。﹌Uad%AtQ4)/Q)+ (5j(t) ,WiB(t) Vh孫n(g) 一 切即(I) 1 ；s() 5.(0 , wiB(t) = a/3Twin(0o其中，兒/七t為溫室的內(nèi)外溫度七;嗎/卬即為溫室的內(nèi)外濕度，g/（min , m） t 為熱交換系數(shù),W,K”;托著物聯(lián)網(wǎng)開創(chuàng)智慧農(nóng)業(yè)。專業(yè)解決畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)、大田種植智能 管理系統(tǒng)、花卉種植控制系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品安全溯源、溫室大棚智能控制

10、等。 網(wǎng)址： www. tpwlw. com www. agri50. coidp農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案咨詢：132557187230571-81957260 86056609y為溫室體積,m二P為空氣密度,L2kg - m-3； 品為空氣比熱,1 006 J/(kgK)t； Q皿“為溫室加熱的功率,w； Q既為溫室噴霧系統(tǒng)的水容量,g-s1； 多為太陽光輻射的能量,W； 人為潛在的熱蒸騰,2 257 Jg-1 匕為通風率,sE(,嗎.)為作物的蒸騰損失率(g$t),其受到 太陽光輻射的影響；a和仇是參數(shù)；，和，分別表示溫度和濕度混合的空氣體積，總 的來說，匕和 乙占溫室?guī)缀误w積y的60% -70

11、% o通過該溫室溫濕度動態(tài)方程，在已知溫室體積、熱交換系數(shù)等參數(shù)的情況下，可以得到溫室內(nèi) 的溫度、濕度值的變化量與加熱、噴霧以及通風量之間的關系。用基于外部種群的多目標偏好遺傳 算法獲得一組加熱、噴霧、通風，使溫濕度達到目標區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)對。該算法的基本思想是根據(jù)用 戶事先定義的偏好區(qū)域設定一個偏好參考點， 這樣在遺傳算法的進化過程中，通過度量每一代種群 個體與參考點的距離來得到每一代的虛擬聚類點，然后再利用外部種群使得距離參考點最近的個體 保留下來。算法流程1如下：51m圣的破齦訝驊汆。(1)參數(shù)初始化，包括種群中個體數(shù)目 NIND種群規(guī)模Pop外部種群個體數(shù)目OutNIND外 部種群規(guī)模 O

12、utpop、運算代數(shù)Maxgen滲彩嗆儼勻謂鱉調硯金帛。(2)創(chuàng)建初始種群Chrom并置進化代數(shù)gen=1。(3)對Chrom中個體進行輪盤賭選擇，產(chǎn)生父代種群 Parent_Chrom。(4)對ParentChrom中個體進行交叉和變異遺傳操作得到子代種群 offspring Chrom錢臥 瀉噬圣騁睨u(廉。將ParentChromffi offspring Chrom合并得到種群 MedianChrom 懶!鳳襪備鄱輪爛薔。(6)計算種群MedianChrom中個體與偏好區(qū)域中心的距離，得到虛擬參考點J(t)，根據(jù).(f) 和動態(tài)半徑r(t)得到虛擬偏好區(qū)域o(j(t) , r(t);判

13、斷種群MedianChrom中個體與區(qū)域o(j(t), r(t)的關系，若屬于區(qū)域 n(_(t) , r(t)則放入Outpop,否則不放入 Outpop。俁閶B直閶鄴錢鼠(7)計算MedianChromO Outpop中個體的rank、擁擠距離。(8)根據(jù)rank和擁擠距離對MedianChrom進行選擇，更新種群 Chrom根據(jù)rank和擁擠距 離對外部種群Outpop進行選擇，更新外部種群Outpop。壇搏鄉(xiāng)it懺簍鍥鈴測(9)gen=gen+1 ,如果genMaxgen$(3),否則結束循環(huán)并輸出 Chrom和Outpop。蠟燮夥刷艮住鉉錨 金市贅。其中虛擬偏好區(qū)域力(_(t) , r

14、(t)為每一代中的具體數(shù)據(jù)的一個集合，該集合近似地反映了用戶的偏好區(qū)間在每一代中的區(qū)域。而輔曇叫閆擷凄。通過將該算法與上述的溫室模型相結合，也即在算法流程的(6)中增加一步：種群 Median-Chrom的個體輸入溫室模型中得到相應的溫度、濕度值，再根據(jù)溫度、濕度值是否在虛擬偏好區(qū)域 力_(t) , (t)內(nèi)來判斷原MedianChrom的個體是否放入外部種群。由此最后輸出所得到的外 部種群Outpop即為滿足溫室達到溫濕度區(qū)間內(nèi)的一組加熱、噴霧、通風數(shù)據(jù)對。由于這 3個控制 輸入的功率是不同的一一加熱的能耗大，噴霧次之，通風最小一一所以在此引入一個能耗的目標函數(shù)。鋪稅鵬蹤韋轅耀。/(I) =

15、；5Qh“M% +0.2Q%,“g +0.05，.。 *上式中的系數(shù)值(也即權值)可以根據(jù)具體的溫室執(zhí)行機構的功率值來改變其大小，從而可以偏向于選擇耗能更低的通風或是噴霧來控制。通過對能耗值的計算和比較可以得到上述外部種群中能 耗最小的數(shù)據(jù)對，從而可以得到既最節(jié)能又符合溫室環(huán)境控制要求的控制策略。嬲處彥決綏I1飴3E錦。3. 2 VB與Matlab混合編程為了能夠讓VB編寫的上位機軟件調用該節(jié)能算法從而實現(xiàn)溫室的節(jié)能運行，首先用 Matlab 編寫相應的基于外部種群的多目標偏好遺傳算法程序，其中包含了溫室的模型方程；再通過Matlab 中的命令生成DLL文件供VB程序來調用。具體步驟如下： 貓

16、至11繪口誅髏既尻。(1)在Matlab命令行中輸入COMTOOL令，調用COM成器，出現(xiàn)生成器主窗口；(2)新建工程并輸入組件名稱(.DLL文件名)，然后再在“ Class Name”框中輸入類名稱如 “wenshi”；鍬籟饕逕瑣肇禊鷗婭薔。(3)在“Component name框中輸入組件名稱(.DLL文件名)，生成工程；(4)定義工程設置并添加必要相應的多目標偏好遺傳算法程序的M文件；(5)選擇“Build ”菜單中的“ COM Object”選項來調用Matlab編譯器進行編譯，生成對象文件及輸出文件.DLL并將.DLL文件自動注冊到系統(tǒng)。 橫氽if簧碩飩芹齦話鴦。該DLL動態(tài)文件的入

17、口函數(shù)為f=jiaquan-nsga(cintw),其返回值為加熱、噴霧以及通風的標 定值。而其輸入cintw為一個數(shù)組，包含了以下信息：溫室內(nèi)的初始溫度、初始濕度，溫室外的初 始溫度、初始濕度，溫室的體積以及溫室模型所需的其他溫室參數(shù)。然后就可以在VB中通過引用來調用該DLL文件。VB中調用DLL文件的部分代碼如下：輒峰隔槿斛話跚I虢滎。PrivatemydllAs wenshi . wenshiclassSet mydll=New wenshi . wenshiclassCall mydll . jiaquannsga(1 , f, cintw)。通過混合編程可得到節(jié)能算法的加熱、噴霧以及

18、通風的返回值，該處的返回值為相應的加熱焦 耳值、噴霧出水量值以及通風風量。根據(jù)執(zhí)行機構的配置可以把相應的值轉化為加熱、噴霧、通風三個執(zhí)行機構的動作時間，通過上位機發(fā)送相應的控制指令使執(zhí)行機構進行相應的操作。堯側部瞪絢勘蛻督。3. 3節(jié)能控制算法的實現(xiàn)在實際的溫室控制中，溫室的執(zhí)行機構除了模型中涉及的加熱、噴霧以及通風之外，還有外遮陽、CO施肥系統(tǒng)、內(nèi)遮陽、天窗等，如果忽視了這些執(zhí)行機構的動作則不能實現(xiàn)真正的溫室控制； 因為光照太強或 CO濃度過低也不能讓作物健康的生長。因此通過節(jié)能控制算法對加熱、噴霧及 通風進行控制，同時引入多因子協(xié)調控制算法的部分控制策略對其他的執(zhí)行機構進行控制。從這個角度

19、上講，由于模型的局限性，也只能實現(xiàn)局部意義上的節(jié)能。識蟠B昆縊雕!嗜儼豪圖3為溫室節(jié)能優(yōu)化控制的程序流程圖。 其中可以選擇單次優(yōu)化計算并運行；也可以選擇自動循環(huán)運行該節(jié)能優(yōu)化控制算法，通過一個溫濕度的判斷來自動選擇是否加載節(jié)能算法并施加控制到 溫室。該節(jié)能優(yōu)化控制若要付諸具體的溫室現(xiàn)場控制中，需要有一個可以能夠完全反映實際溫室環(huán)境中各種因子相互作用機制的溫室模型，而就目前在溫室模型方面的研究來說，這樣的模型還未完善到完全可適用的程度。基于此原因，以節(jié)能控制算法為主的控制策略對溫室進行完全控制之前， 需要有一個驗證溫室模型的過程，同時考慮到具體的溫室運行現(xiàn)場對控制穩(wěn)定性的要求，提出了一個較為穩(wěn)定

20、的控制方法即結合節(jié)能算法的自動運行方式。潮娘勞嘛皆癇嫦脛汆。托普物聯(lián)網(wǎng)開創(chuàng)智慧農(nóng)業(yè).專業(yè)解決畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)、大田種植智能 管理系統(tǒng)、花卉種植控制系統(tǒng).農(nóng)產(chǎn)品安全溯源、溫室大棚智能控制等。 網(wǎng)址1 www. tpwlw. com www. agri50. cohh-1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案咨詢. 132557187230571-81957260 8605660%圖3節(jié)能控制算法流程圖4基于節(jié)能優(yōu)化的自動運行方式在實際的溫室控制中，由于溫室模型與實際溫室之間存在著差異， 再加上溫室控制執(zhí)行機構的 動作誤差以及溫室控制中存在的時間延遲，由節(jié)能算法求得的控制策略可能會存在較大偏差， 使溫室內(nèi)的溫

21、濕度達不到理想目標區(qū)間內(nèi)， 這樣就需要重復迭代節(jié)能算法以獲得一個新的控制輸入。基于這種考慮，可能會出現(xiàn)節(jié)能的控制方法所消耗的能耗大于在同等情況下的多因子協(xié)調控制方法的 能耗。于是引入了多因子協(xié)調控制算法與節(jié)能算法相結合的方法，在一定程度上達到節(jié)能控制的目標；同時由于多因子協(xié)調控制在實際溫室控制中可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，采用該混合控制方法更能夠在保證溫室穩(wěn)定運行的前提下實現(xiàn)節(jié)能控制。藥潦輔滅縈歡壕t鷲球多因子協(xié)調控制作為溫室控制的主要方式， 通過溫室環(huán)境多因子協(xié)調控制算法可以自動控制溫 室內(nèi)的環(huán)境。然而在該模式下的控制是無模型的控制， 必須通過一個控制過程才能夠得到溫室執(zhí)行 機構的動作時間。在本軟件的設計中取 1 h為一個計算時間單位，可以得到一個時間單位內(nèi)相應的 控制能耗總值；與此同時，通過節(jié)能算法可以在線計算出同等時間段內(nèi)采用節(jié)能優(yōu)化控制算法所需 要的能耗化 從而可以在每個小時比較一次總能耗，然后再進行總能耗的對比。鯊爵制WWr瞰碑。能耗的對比方法分為兩種：一種是用戶自己進行對比并決定是否在多因子協(xié)調控制下調用節(jié)能 算法對溫室進行控制；另一種是上位機軟件自動對比作出