基于節(jié)能控制算法的智能溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、. 基于節(jié)能控制算法的智能溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)是根據(jù)溫室大棚的溫濕度、土壤水分、土壤溫度等傳感器采集到的信息，接到上位計(jì)算機(jī)上進(jìn)展顯示，報(bào)警，查詢。監(jiān)控中心將收到的采樣數(shù)據(jù)以表格形式顯示和存儲(chǔ)，然后將其與設(shè)定的報(bào)警值相比擬，假設(shè)實(shí)測(cè)值超出設(shè)定圍，則通過(guò)屏幕顯示報(bào)警或語(yǔ)音報(bào)警，并打印記錄。本文基于此設(shè)計(jì)了以節(jié)能控制算法為核心的溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件。在保證溫室穩(wěn)定有效運(yùn)行的前提下，引入節(jié)能的思想，使溫室生產(chǎn)到達(dá)高產(chǎn)、低耗的目標(biāo)，從而為解決溫室高能耗的問(wèn)題提供了一條有效途徑。關(guān)鍵詞：溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng) 多因子協(xié)調(diào)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)

2、開(kāi)展的載體，其重要性日益被越來(lái)越多的國(guó)家所重視，而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開(kāi)展的最重要的因素便是開(kāi)展溫室及其控制技術(shù)，通過(guò)有效的途徑來(lái)控制溫室的作物生長(zhǎng)環(huán)境使作物安康的生長(zhǎng)。在能源日益緊缺的今天，如何把節(jié)能的思想應(yīng)用到現(xiàn)代溫室的環(huán)境控制中也已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)溫室產(chǎn)業(yè)的開(kāi)展現(xiàn)狀是控制方法簡(jiǎn)單、技術(shù)落后且能耗較高。為此本文在結(jié)合國(guó)外溫室控制研究的根底上，通過(guò)引入以溫室模型為根底的節(jié)能控制算法，設(shè)計(jì)了節(jié)能型的智能溫室控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室有效的節(jié)能控制。1溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)的整體框架托普物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)為，通常整個(gè)溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)分為3層：最頂層是溫室控制的上位機(jī)軟件，其中集成了溫室控制的控制規(guī)則庫(kù)以及

3、溫室的模型方程，還設(shè)計(jì)了一些面向用戶的功能模塊，以實(shí)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(jī)，用以接收上位機(jī)的控制指令并把控制指令轉(zhuǎn)化為溫室各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作指令，同時(shí)接收來(lái)自溫室現(xiàn)場(chǎng)端傳感器采集的溫室氣候及執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息，并把這些信息轉(zhuǎn)化成一定的格式傳給溫室控制上位機(jī)軟件；最底層是溫室控制現(xiàn)場(chǎng)，分布著各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的控制和溫室各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。系統(tǒng)框圖如圖1所示。本文的重點(diǎn)在于溫室上位機(jī)控制軟件中節(jié)能算法的實(shí)現(xiàn)。2上位機(jī)功能模塊設(shè)計(jì)Visual Basic 60具有豐富的開(kāi)發(fā)工具，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、圖形化的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境。它有一個(gè)功能極其強(qiáng)大的集成環(huán)境，

4、使得開(kāi)發(fā)人員可通過(guò)菜單、界面、圖形瀏覽工具、對(duì)話框以及嵌入的各種生成器來(lái)輕松地完成各種復(fù)雜的操作?；谶@種優(yōu)勢(shì)，溫室控制上位機(jī)軟件選擇了Visual Basic 6。0開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)展開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)溫室控制上位機(jī)功能的分析，設(shè)計(jì)了各個(gè)功能模塊，分別針對(duì)不同的控制要求以及用戶需求。上位機(jī)的功能模塊框圖1如圖2所示。溫室控制上位機(jī)軟件有手動(dòng)控制功能。在手動(dòng)控制模式下，用戶可以根據(jù)實(shí)際要求在上位機(jī)軟件中操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)啟或關(guān)閉命令，向下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令來(lái)控制溫室現(xiàn)場(chǎng)，從而可以通過(guò)手動(dòng)操作監(jiān)控室上位機(jī)的方式控制溫室現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。溫室上位機(jī)軟件還可以運(yùn)行在自動(dòng)控制模式下。在此模式下，上位機(jī)可以不在人為

5、干預(yù)下自動(dòng)控制溫室現(xiàn)場(chǎng)。該自動(dòng)運(yùn)行模式下所用的控制策略采用溫室環(huán)境多因子協(xié)調(diào)控制算法H1。該算法根本思想為：針對(duì)溫室這樣一個(gè)非線性、分布參數(shù)、時(shí)變、大時(shí)延、多變量耦合的復(fù)雜對(duì)象，并且各控制手段之間也存在著很強(qiáng)的耦合性，通過(guò)結(jié)合設(shè)施園藝的一些經(jīng)歷方法，對(duì)溫室系統(tǒng)進(jìn)展變換和等效處理，將問(wèn)題簡(jiǎn)化；利用溫室對(duì)溫濕度等因子控制精度要求不是很高的特點(diǎn)，把重點(diǎn)放在多因子如何協(xié)調(diào)上。通過(guò)把溫室的環(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(diào)關(guān)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；再以前饋和反應(yīng)控制消除各類因子協(xié)調(diào)帶來(lái)的不確定性，建立多因子協(xié)調(diào)控制算法?；谠摱嘁蜃訁f(xié)調(diào)控制

6、算法設(shè)計(jì)的上位機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制軟件在橋等溫室基地已驗(yàn)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(gè)適宜的區(qū)間，提高了溫室作物的產(chǎn)量和生長(zhǎng)效率。由于溫室的運(yùn)行需要消耗較高的能耗，特別是加熱的本錢較為昂貴，考慮到降低溫室控制的運(yùn)營(yíng)本錢的需要，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(yùn)用基于外部種群的多目標(biāo)偏好遺傳算法1，把能耗作為最終的偏好信息，計(jì)算出能耗最低的控制量作為實(shí)際溫室的控制輸入。該節(jié)能算法通過(guò)與多因子協(xié)調(diào)控制算法相融合可以有效地實(shí)現(xiàn)溫室的穩(wěn)定運(yùn)行與降低能耗的需求。3節(jié)能優(yōu)化控制對(duì)于溫室的作物來(lái)講，作物適宜生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)一般來(lái)說(shuō)都是一個(gè)區(qū)間值，也即溫室的溫度、濕度

7、、CO：等環(huán)境變量值只要維持在作物適宜生長(zhǎng)的圍即能滿足作物的生長(zhǎng)要求，這樣就為實(shí)現(xiàn)溫室節(jié)能控制提供了一種可能。而使溫室的環(huán)境滿足所要求的區(qū)間會(huì)有假設(shè)干個(gè)控制策略，并且對(duì)這一組的控制策略進(jìn)展能耗的計(jì)算和分析，選擇其中最節(jié)能的控制策略來(lái)控制溫室現(xiàn)場(chǎng)，則既能到達(dá)溫室作物生長(zhǎng)的環(huán)境要求，又能滿足節(jié)能的要求。在溫室環(huán)境控制問(wèn)題中，溫室的空氣溫度、濕度是主要的控制對(duì)象，這些量可以通過(guò)加熱、噴霧和通風(fēng)來(lái)改變。這樣使溫室溫度和濕度到達(dá)所要求的區(qū)間就會(huì)有假設(shè)干組加熱、噴霧和通風(fēng)對(duì)應(yīng)的控制輸入。通過(guò)計(jì)算每組控制量的能耗，選擇其中能耗最低的一組控制輸入，就能到達(dá)節(jié)能控制的目的。31模型與算法在傳統(tǒng)的控制問(wèn)題中，只有

8、把實(shí)際的控制輸入施加于控制現(xiàn)場(chǎng)才能獲得相應(yīng)的控制結(jié)果。然而要在控制施加之前得到控制方法和控制結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，必須建立控制對(duì)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GDPasgianos等人提出的一個(gè)溫室溫濕度的動(dòng)態(tài)方程。通過(guò)該溫室溫濕度動(dòng)態(tài)方程，在溫室體積、熱交換系數(shù)等參數(shù)的情況下，可以得到溫室的溫度、濕度值的變化量與加熱、噴霧以及通風(fēng)量之間的關(guān)系。用基于外部種群的多目標(biāo)偏好遺傳算法獲得一組加熱、噴霧、通風(fēng)，使溫濕度到達(dá)目標(biāo)區(qū)間的數(shù)據(jù)對(duì)。該算法的根本思想是根據(jù)用戶事先定義的偏好區(qū)域設(shè)定一個(gè)偏好參考點(diǎn)，這樣在遺傳算法的進(jìn)化過(guò)程中，通過(guò)度量每一代種群個(gè)體與參考點(diǎn)的距離來(lái)得到每一代

9、的虛擬聚類點(diǎn)，然后再利用外部種群使得距離參考點(diǎn)最近的個(gè)體保存下來(lái)。算法流程1如下：(1)參數(shù)初始化，包括種群中個(gè)體數(shù)目NIND、種群規(guī)模Pop、外部種群個(gè)體數(shù)目OutNIND、外部種群規(guī)模Outpop、運(yùn)算代數(shù)Ma*gen。(2)創(chuàng)立初始種群Chrom并置進(jìn)化代數(shù)gen=1。(3)對(duì)Chrom中個(gè)體進(jìn)展輪盤(pán)賭選擇，產(chǎn)生父代種群Parent_Chrom。(4)對(duì)ParentChrom中個(gè)體進(jìn)展穿插和變異遺傳操作得到子代種群offspringChrom。(5)將ParentChrom和offspringChrom合并得到種群MedianChrom。(6)計(jì)算種群MedianChrom中個(gè)體與偏好區(qū)

10、域中心的距離，得到虛擬參考點(diǎn)J(t)，根據(jù)(f)和動(dòng)態(tài)半徑r(t)得到虛擬偏好區(qū)域o(j(t)，r(t)；判斷種群MedianChrom中個(gè)體與區(qū)域o(j(t)，r(t)的關(guān)系，假設(shè)屬于區(qū)域n(_(t)，r(t)則放入Outpop，否則不放入Outpop。(7)計(jì)算MedianChrom和Outpop中個(gè)體的rank、擁擠距離。(8)根據(jù)rank和擁擠距離對(duì)MedianChrom進(jìn)展選擇，更新種群Chrom；根據(jù)rank和擁擠距離對(duì)外部種群Outpop進(jìn)展選擇，更新外部種群Outpop。(9)gen=gen+1，如果genMa*gen轉(zhuǎn)(3)，否則完畢循環(huán)并輸出Chrom和Outpop。其中虛

11、擬偏好區(qū)域力(_(t)，r(t)為每一代中的具體數(shù)據(jù)的一個(gè)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。通過(guò)將該算法與上述的溫室模型相結(jié)合，也即在算法流程的(6)中增加一步：種群MedianChrom的個(gè)體輸入溫室模型中得到相應(yīng)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)來(lái)判斷原MedianChrom的個(gè)體是否放入外部種群。由此最后輸出所得到的外部種群Outpop即為滿足溫室到達(dá)溫濕度區(qū)間的一組加熱、噴霧、通風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)。由于這3個(gè)控制輸入的功率是不同的加熱的能耗大，噴霧次之，通風(fēng)最小所以在此引入一個(gè)能耗的目標(biāo)函數(shù)。上式中的系數(shù)值(也即權(quán)值)可以根據(jù)具體的溫室執(zhí)

12、行機(jī)構(gòu)的功率值來(lái)改變其大小，從而可以偏向于選擇耗能更低的通風(fēng)或是噴霧來(lái)控制。通過(guò)對(duì)能耗值的計(jì)算和比擬可以得到上述外部種群中能耗最小的數(shù)據(jù)對(duì)，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。32 VB與Matlab混合編程為了能夠讓VB編寫(xiě)的上位機(jī)軟件調(diào)用該節(jié)能算法從而實(shí)現(xiàn)溫室的節(jié)能運(yùn)行，首先用Matlab編寫(xiě)相應(yīng)的基于外部種群的多目標(biāo)偏好遺傳算法程序，其中包含了溫室的模型方程；再通過(guò)Matlab中的命令生成DLL文件供VB程序來(lái)調(diào)用。具體步驟如下：(1)在Matlab命令行中輸入TOOL命令，調(diào)用生成器，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

13、 Name框中輸入類名稱如“wenshi；(3)在“ponent name框中輸入組件名稱(DLL文件名)，生成工程；(4)定義工程設(shè)置并添加必要相應(yīng)的多目標(biāo)偏好遺傳算法程序的M文件；(5)選擇“Build菜單中的“ Object選項(xiàng)來(lái)調(diào)用Matlab編譯器進(jìn)展編譯，生成對(duì)象文件及輸出文件DLL，并將DLL文件自動(dòng)注冊(cè)到系統(tǒng)。該DLL動(dòng)態(tài)文件的入口函數(shù)為f=jiaquan-nsga(cintw)，其返回值為加熱、噴霧以及通風(fēng)的標(biāo)定值。而其輸入cintw為一個(gè)數(shù)組，包含了以下信息：溫室的初始溫度、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過(guò)引

14、用來(lái)調(diào)用該DLL文件。VB中調(diào)用DLL文件的局部代碼如下：PrivatemydllAs wenshiwenshiclassSetmydll=New wenshiwenshiclassCall mydlljiaquannsga(1，f，cintw)。通過(guò)混合編程可得到節(jié)能算法的加熱、噴霧以及通風(fēng)的返回值，該處的返回值為相應(yīng)的加熱焦耳值、噴霧出水量值以及通風(fēng)風(fēng)量。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配置可以把相應(yīng)的值轉(zhuǎn)化為加熱、噴霧、通風(fēng)三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制指令使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)展相應(yīng)的操作。33節(jié)能控制算法的實(shí)現(xiàn)在實(shí)際的溫室控制中，溫室的執(zhí)行機(jī)構(gòu)除了模型中涉及的加熱、噴霧以及通風(fēng)之外，還有外遮陽(yáng)

15、、CO：施肥系統(tǒng)、遮陽(yáng)、天窗等，如果無(wú)視了這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作則不能實(shí)現(xiàn)真正的溫室控制；因?yàn)楣庹仗珡?qiáng)或CO：濃度過(guò)低也不能讓作物安康的生長(zhǎng)。因此通過(guò)節(jié)能控制算法對(duì)加熱、噴霧及通風(fēng)進(jìn)展控制，同時(shí)引入多因子協(xié)調(diào)控制算法的局部控制策略對(duì)其他的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)展控制。從這個(gè)角度上講，由于模型的局限性，也只能實(shí)現(xiàn)局部意義上的節(jié)能。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(jì)算并運(yùn)行；也可以選擇自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行該節(jié)能優(yōu)化控制算法，通過(guò)一個(gè)溫濕度的判斷來(lái)自動(dòng)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)化控制假設(shè)要付諸具體的溫室現(xiàn)場(chǎng)控制中，需要有一個(gè)可以能夠完全反映實(shí)際溫室環(huán)境中各種因子相互作用機(jī)制的溫室

16、模型，而就目前在溫室模型方面的研究來(lái)說(shuō)，這樣的模型還未完善到完全可適用的程度?；诖嗽?，以節(jié)能控制算法為主的控制策略對(duì)溫室進(jìn)展完全控制之前，需要有一個(gè)驗(yàn)證溫室模型的過(guò)程，同時(shí)考慮到具體的溫室運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制穩(wěn)定性的要求，提出了一個(gè)較為穩(wěn)定的控制方法即結(jié)合節(jié)能算法的自動(dòng)運(yùn)行方式。4基于節(jié)能優(yōu)化的自動(dòng)運(yùn)行方式在實(shí)際的溫室控制中，由于溫室模型與實(shí)際溫室之間存在著差異，再加上溫室控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作誤差以及溫室控制中存在的時(shí)間延遲，由節(jié)能算法求得的控制策略可能會(huì)存在較大偏差，使溫室的溫濕度達(dá)不到理想目標(biāo)區(qū)間，這樣就需要重復(fù)迭代節(jié)能算法以獲得一個(gè)新的控制輸入。基于這種考慮，可能會(huì)出現(xiàn)節(jié)能的控制方法所消耗的

17、能耗大于在同等情況下的多因子協(xié)調(diào)控制方法的能耗。于是引入了多因子協(xié)調(diào)控制算法與節(jié)能算法相結(jié)合的方法，在一定程度上到達(dá)節(jié)能控制的目標(biāo)；同時(shí)由于多因子協(xié)調(diào)控制在實(shí)際溫室控制中可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，采用該混合控制方法更能夠在保證溫室穩(wěn)定運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。多因子協(xié)調(diào)控制作為溫室控制的主要方式，通過(guò)溫室環(huán)境多因子協(xié)調(diào)控制算法可以自動(dòng)控制溫室的環(huán)境。然而在該模式下的控制是無(wú)模型的控制，必須通過(guò)一個(gè)控制過(guò)程才能夠得到溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間。在本軟件的設(shè)計(jì)中取1 h為一個(gè)計(jì)算時(shí)間單位，可以得到一個(gè)時(shí)間單位相應(yīng)的控制能耗總值；與此同時(shí)，通過(guò)節(jié)能算法可以在線計(jì)算出同等時(shí)間段采用節(jié)能優(yōu)化控制算法所需要的能

18、耗值：從而可以在每個(gè)小時(shí)比擬一次總能耗，然后再進(jìn)展總能耗的比照。能耗的比照方法分為兩種：一種是用戶自己進(jìn)展比照并決定是否在多因子協(xié)調(diào)控制下調(diào)用節(jié)能算法對(duì)溫室進(jìn)展控制；另一種是上位機(jī)軟件自動(dòng)比照作出判斷，比照次數(shù)設(shè)為3次。如果節(jié)能算法計(jì)算出的能耗值在3個(gè)時(shí)間段低于多因子協(xié)調(diào)控制的能耗值，則自動(dòng)調(diào)用節(jié)能控制算法，并把局部控制權(quán)交給該節(jié)能算法。在節(jié)能運(yùn)行模式下，由于溫室模型的局限性，可能控制效果并不是很理想，為了保證溫室能夠在無(wú)人值守情況下穩(wěn)定的運(yùn)行，在節(jié)能算法設(shè)置了一個(gè)報(bào)警返回機(jī)制。如果在調(diào)用節(jié)能算法進(jìn)展控制時(shí)，溫室的環(huán)境變量出現(xiàn)了異常情況，則把控制權(quán)交回給自動(dòng)運(yùn)行主程序。程序的流程圖如圖4所示。通過(guò)節(jié)能算法與溫室多因子協(xié)調(diào)控制算法的有機(jī)結(jié)合，可以使