基于現(xiàn)場總線技術(shù)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)

1、題 目基于現(xiàn)場總線技術(shù)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)研究學生姓名 專業(yè)班級 學 號院 （系） 指導教師 完成時間 摘要溫室技術(shù)具有合理利用農(nóng)業(yè)資源、保護生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及在國際市場競爭力等優(yōu)勢，已成為當前國際前沿性研究領(lǐng)域。如何利用自動控制系統(tǒng)有效地提高溫室環(huán)境控制水平和現(xiàn)代化管理程度，是溫室技術(shù)研究的重要課題之一。隨著過程控制技術(shù)、通訊技術(shù)、自動檢測技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，將工業(yè)上較為成熟的、先進的控制方法和管理手段引入到農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)設(shè)施中，實施有效的溫室環(huán)境控制，已成為現(xiàn)階段溫室技術(shù)的主要研究方向。本文論述了溫室環(huán)境的控制原理，介紹了溫室的結(jié)構(gòu)和材料，分析了溫度、濕度對溫室內(nèi)作物的影響，并在此基

2、礎(chǔ)上提出了智能化溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的總體方案，由PC機和多臺西門子PLC組成的分布式控制系統(tǒng)，PC機和力控組態(tài)軟件主要完成參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)處理等任務(wù)；而下位機主要完成數(shù)據(jù)采集、處理等實時控制任務(wù)。本文以智能溫室為研究對象，對智能溫室的控制算法進行研究。溫室環(huán)境系統(tǒng)是一類多變量的大慣性非線性系統(tǒng)，且有交連，時滯等現(xiàn)象，很難對這類系統(tǒng)建立精確的數(shù)學模型及用經(jīng)典控制方法實現(xiàn)控制?；谏鲜銮闆r，本文采用模糊控制算法，選用TS模型進行模糊推理，并完成了算法的PLC程序?qū)崿F(xiàn)。隨后討論了基于ProfibusDP的PLC網(wǎng)絡(luò)組態(tài)方法，解決了監(jiān)控層與過程控制層間的網(wǎng)絡(luò)通訊和接口問題，并利用力控組態(tài)軟件，根據(jù)溫室環(huán)境

3、系統(tǒng)監(jiān)控要求設(shè)計編寫了上位監(jiān)控軟件，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、報警記錄、曲線顯示和用戶管理等多項監(jiān)控功能。文章最后將模糊理論的知識表達與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習能力有機地結(jié)合起來，提出了一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方案，并針對溫室灌溉系統(tǒng)的控制，在MATLAB中進行了仿真實驗，由此驗證了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種控制方法應(yīng)用于溫室自動控制系統(tǒng)的可行性。整個系統(tǒng)經(jīng)實際運行表明：具有容錯性強、效率高且易擴展，適用性較強等特點，為實現(xiàn)溫室環(huán)境的更多參數(shù)測控系統(tǒng)的研究和設(shè)計奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：溫室，現(xiàn)場總線，智能控制，可編程控制器目錄第一章 緒論.51.1課題的研究意義及項目背景.51.2國外溫室發(fā)展概況.51.3國內(nèi)溫室發(fā)展概況.6

4、1.4溫室控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢.71.5論文的內(nèi)容安排.9第二章系統(tǒng)總體方案及硬件部分設(shè)計.92.1引言.92.2溫室結(jié)構(gòu)與材料.92.3智能溫室控制系統(tǒng)總體方案.112.4系統(tǒng)硬件選型方案.112.4.1 PLC及擴展模塊選型.112.4.2上位機硬件配置.122.4.3傳感器的選擇.132.4.4環(huán)境調(diào)控系統(tǒng).132.5系統(tǒng)硬件接線圖.172.5.1系統(tǒng)主電路設(shè)計.172.5.2系統(tǒng)其他部分電路設(shè)計.182.5.3 PLC部分電氣線路設(shè)計.192.6本章小結(jié).23第三章模糊控制算法在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.233.1引言.233.2模糊控制系統(tǒng)概述.243.2.1模糊控制的特點.243.2.2

5、模糊控制器的組成.243.3溫室環(huán)境因子研究.253.3.1溫度對作物生長的影響.253.3.2濕度對作物生長的影響.263.3.3溫度、濕度特性和控制方法分析.263.4多變量模糊控制器的設(shè)計.273.4.1輸入輸出變量的確定.273.4.2模糊語言值的選取.273.4.3模糊變量的論域和比例因子的確定.273.5模糊控制的PLC程序?qū)崿F(xiàn).283.5.1輸入量采樣及模糊量化算法程序設(shè)計.293.5.2模糊控制表查詢程序設(shè)計.313.5.3輸入量控制程序設(shè)計.323.5.4超限控制程序設(shè)計.333.6本章小結(jié).35第四章PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用.354.1引言.354.2 PRO

6、FIBUS現(xiàn)場總線概述.354.2.1 Profibus-DP的協(xié)議結(jié)構(gòu).364.2.2 Profibus-DP的基本功能.364.2.3 Profibus-DP總線設(shè)備類型.384.2.4 GSD文件.384.3基于PROFIBUS-DP的PLC控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計.394.3.1系統(tǒng)總線設(shè)備類型的選擇.394.3.2系統(tǒng)硬件組態(tài).394.3.3軟件編程.404.3.4下載與調(diào)試.404.4本章小結(jié).41第五章溫室環(huán)境控制系統(tǒng)實時監(jiān)控軟件的設(shè)計.41第六章總結(jié)與展望.416.1工作總結(jié).426.2展望.42參考文獻.44第一章緒論1.1課題的研究意義及項目背景溫室環(huán)境控制是一項綜合性工程，它是當代農(nóng)

7、業(yè)生物學、環(huán)境工程、自動控制、計算機網(wǎng)絡(luò)、管理科學等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，旨在為作物創(chuàng)造最佳生長條件，避免外界四季變化和惡劣氣候的影響，以達到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進生長發(fā)育，防治病蟲害及提高農(nóng)作物質(zhì)量、產(chǎn)量、產(chǎn)值等目的。研究開發(fā)并推廣使用性能優(yōu)越、運行可靠的溫室智能控制系統(tǒng)將是溫室生產(chǎn)走向產(chǎn)業(yè)化和效農(nóng)業(yè)化的必由之路，而溫室內(nèi)環(huán)境因子（溫度、濕度、光照度、CO2濃度等）的綜合自動控制是實現(xiàn)溫室種植物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的關(guān)鍵。在農(nóng)業(yè)發(fā)達的國家，其現(xiàn)代溫室已基本實現(xiàn)了自動化控制，但這些溫室產(chǎn)品的成本相對較高，如加拿大ARGUS公司，每套溫室控制器的價格在十萬元左右；以色列國家農(nóng)業(yè)中心的一片玻璃試驗溫室，每間的造

8、價高達上百萬美元。另外，由于氣候條件不同，地理環(huán)境差異以及種植農(nóng)作物的不同，在客觀上限制了國外溫室產(chǎn)品在我國的運用。國內(nèi)已有的一些溫室存在技術(shù)水平發(fā)展緩慢，管理體系落后等缺點，不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和溫室自動化控制發(fā)展的要求。因此，研究開發(fā)出適合我國國情、具有獨立知識產(chǎn)權(quán)、高效率、低成本運行的溫室控制系統(tǒng)顯得尤為重要。蘇州大學機電工程學院與宿遷市日昌升園藝有限公司聯(lián)合建立了“蘇州大學日昌升智能溫室工程技術(shù)與設(shè)備研究中心”。該中心的發(fā)展目標是瞄準21世紀高科技設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢，研究并開發(fā)集現(xiàn)代生物科學技術(shù)、智能控制和工業(yè)化工程技術(shù)為一體的工廠化高效農(nóng)業(yè)技術(shù)與設(shè)備，以此推進我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進程。本課題在上

9、述實際項目背景下，旨在探尋溫室環(huán)境的自動控制方案與實現(xiàn)形式，開發(fā)出適合企業(yè)實際生產(chǎn)需要的溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng)力圖以合理有效的控制方案獲得較為精確的控制效果，創(chuàng)造一個良好的人工氣象環(huán)境，以消對作物生長不利的環(huán)境因素來促進作物生長，最終實現(xiàn)學?？蒲信c企業(yè)生產(chǎn)的有機結(jié)合，并推動我國自主研發(fā)型溫室系統(tǒng)的發(fā)展進程。1.2國外溫室發(fā)展概況國外溫室控制研究起步較早，可追溯到20世紀40年代，早在1949年，美國加利福尼亞州的Farhort植物實驗室創(chuàng)建了世界上第一個完全由人工控制環(huán)境條件的人工氣候室，并在此基礎(chǔ)上開展了包括農(nóng)作物在內(nèi)的多種植物對自然環(huán)境的適應(yīng)性和抗御能力的基礎(chǔ)性研究。1953年，日本在三島國

10、立遺傳研究所建成了用于科研的大型模擬溫室，同年，荷蘭建成了當時世界上規(guī)模最大的人工日光溫室。70年代中期，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，荷蘭、美國、日本和意大利等國相繼采用微型計算機進行溫室環(huán)境的監(jiān)控，并對其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行了多方面的有益嘗試。80年代起，數(shù)字式單元組合儀表的興起，取代了原有的模擬式儀表，進行現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、指示、記錄和控制。目前，在溫室控制技術(shù)方面，美國、荷蘭、以色列和日本等國較為先進，可以根據(jù)溫室作物的要求和特點，對溫室內(nèi)光照、溫度、濕度、CO2等諸多因子進行自動調(diào)控。在綜合控制成本和效益、環(huán)境參數(shù)優(yōu)化、節(jié)能節(jié)水技術(shù)及溫室配套設(shè)備的研制等方面均取得了長足的進步，并帶動了溫室配

11、套產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，在自然條件相當惡劣的以色列，節(jié)水灌溉技術(shù)大力發(fā)展并達到國際先進水平，該國每年投入8000多萬美元（約占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的3%）用于開展綜合配套的協(xié)作攻關(guān)，創(chuàng)辦示范基地，推廣綜合配套技術(shù)，諸多新技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的運用不僅極大的提高了勞動生產(chǎn)力，而且衍生出諸如溫室、滴灌、育苗、栽培管理、植保、加工以及計算機控制等多個領(lǐng)域和行業(yè)，使得農(nóng)業(yè)成為了具有高度社會化分工的知識密集型產(chǎn)業(yè)。以園藝業(yè)著稱的荷蘭，智能玻璃溫室的制造處于世界領(lǐng)先水平。在設(shè)施頂面涂層隔熱技術(shù)，冬天保溫加濕的雙層充氣膜、鍋爐、燃油加熱系統(tǒng)、CO2施肥系統(tǒng)，人工補光的研制等方面均有所創(chuàng)新。而在美國、日本等國家建造了當今世界

12、上最為先進的植物工廠，采取完全封閉生產(chǎn)，人工補充光照，全電腦控制及機器人或機械手進行播種、移動作業(yè)、采收等多種先進技術(shù)。總之，遙測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制局域網(wǎng)等已逐漸應(yīng)用于溫室的管理與控制中，發(fā)達國家的溫室控制技術(shù)正向高度自動化、智能化方向發(fā)展。1.3國內(nèi)溫室發(fā)展概況相比國外而言，我國溫室控制的研究與開發(fā)起步較晚，20世紀70年代，政府開始3大力發(fā)展以塑料大棚、節(jié)能日光溫室為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)，促進了農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，緩和了蔬菜季節(jié)短缺的矛盾。農(nóng)業(yè)計算機在這一時期投入使用，但只限于數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析計算。直至80年代，計算機開始應(yīng)用于溫室的控制與管理領(lǐng)域。在隨后的20年間，我國先后從荷蘭、以色列、日本、美國

13、等國引進了一批先進的現(xiàn)代化大中型溫室，據(jù)統(tǒng)計，僅19951998年間，我國共引進溫室413萬平方米，主要分布于經(jīng)濟較發(fā)達的東部、東南沿海省份的大城市。這現(xiàn)代大型溫室的引進存在諸多問題：溫室造價高，維護不方便；技術(shù)設(shè)備不能與我國的實際氣候相適宜；管理滯后，機制落后，缺乏管理現(xiàn)代化溫室的人才；缺乏現(xiàn)代化溫室栽培的專用品種和技術(shù)，難以實施規(guī)模化、標準化、系列化的生產(chǎn)。以上問題的存在使得一些溫室入不敷出。在吸取經(jīng)驗和教訓的基礎(chǔ)上，溫室的生產(chǎn)與使用企業(yè)開始走一條從引進到消化吸收的新路，自主開發(fā)型溫室逐步發(fā)展起來。清華大學的鄭學堅最先提出了應(yīng)用單片機控制人工氣候箱的方法和思路，隨后中國農(nóng)業(yè)科學院徐師華報道

14、了TP-801控制溫室的軟硬件方案，以及利用單片機控制氣候箱自然光照的模擬試驗；陳思聰?shù)热搜芯苛艘怨?jié)能為目標的溫室微機控制系統(tǒng)；于海業(yè)等人研制的溫室環(huán)境自動檢測系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)。l996年起，江蘇理工大學研制了一套智能溫室群集散控制系統(tǒng)，以IBM-PC機作上位機，MCS-51單片機為下位機，實現(xiàn)對多個溫室溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)的測控；1997年以來，中國農(nóng)業(yè)大學在溫室環(huán)境的自動控制技術(shù)方面也取得了一定的成果?？傊覈鴾厥噎h(huán)境控制系統(tǒng)應(yīng)用與研究正從消化吸收、簡單應(yīng)用階段向?qū)嵱没?、綜合性研究應(yīng)用階段過渡和發(fā)展。1.4溫室控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢溫室控制系統(tǒng)是設(shè)施

15、農(nóng)業(yè)的重要組成部分，具有廣闊的應(yīng)用前景，其發(fā)展趨勢可概括為以下幾點：（1）溫室分布式控制系統(tǒng)目前開發(fā)的溫室計算機控制系統(tǒng)主要采用了主機終端模式，該模式通過一個主機作為控制中心，負責對其它各子系統(tǒng)進行控制管理，靈活性差且投入大，針對時空變異性大、空間布性強、多參數(shù)相互影響的實際溫室系統(tǒng)而言，很難實現(xiàn)高投入高產(chǎn)出的目標。分布式控制系統(tǒng)是溫室控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，其采用服務(wù)器客戶模式，系統(tǒng)中的每一個子處理器處理所采集的數(shù)據(jù)并進行實時控制，而由主處理器存儲、顯示并管理子處理器傳送來的數(shù)據(jù)，主處理器可以向每個子處理器發(fā)送控制設(shè)定值和其它控制參數(shù)，同時每個子處理器又可以獨立工作。系統(tǒng)表現(xiàn)出來的適應(yīng)性好、可靠

16、性高、擴展性強等特點，可使溫室達到更好的控制效果，從而產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。（2）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展進入21世紀以來，全球性的網(wǎng)絡(luò)化、信息化進程加快，并成為發(fā)展速度最快、最具活力的高科技領(lǐng)域，將網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用于溫室的生產(chǎn)與管理系統(tǒng)之中必將成為一種趨勢?？煽?、開放、高效的信息網(wǎng)絡(luò)為溫室種植者提供各種有用信息，如利用網(wǎng)上發(fā)布的市場需求，來指導溫室生產(chǎn)的規(guī)模、種植的品種、最佳上市時間等，并可通過在線服務(wù)系統(tǒng)進行咨詢。此外，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實現(xiàn)對溫室的遠程控制和管理。隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，對溫室環(huán)境的控制將沿著綜合性、多因子、開放式、多層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。現(xiàn)代智

17、能溫室測控系統(tǒng)與Internet相連接，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的無縫結(jié)合，是現(xiàn)代化溫室集群發(fā)展的要求，也是集約化可控設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。（3）專家系統(tǒng)的應(yīng)用與控制算法的發(fā)展專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用研究的一個重要分支，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于科研、工業(yè)、軍事等眾多領(lǐng)域，它作為一種知識的載體，可以捕捉和保存寶貴的工程知識，其所表現(xiàn)出來的可靠性、客觀性、永久性及其易于傳播和復(fù)制等特性，是人類專家所不及的，因此在處理與解決某些領(lǐng)域問題時具有不可取代的重要作用。目前將專家系統(tǒng)應(yīng)用于溫室環(huán)境控制己得到了研究者的重視。有代表性的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)有埃及農(nóng)墾部的黃瓜栽培管理專家系統(tǒng)，希臘的六種溫室蔬菜病蟲害和缺素診斷專家系統(tǒng)等

18、。與此同時，將作物生長模型與專家系統(tǒng)相結(jié)合的研究也得以發(fā)展，如虛擬農(nóng)業(yè) (VirtualAgriculture)概念的提出。在控制算法方面，研究者已逐步將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及模糊推理等智能控制算法運用到溫室環(huán)境的控制中，來提高系統(tǒng)的自動化、智能化水平。然而，這些溫室的控制水平、精度及節(jié)能高效等方面還有待于進一步提高，合理有效的提供農(nóng)作物生長所需的環(huán)境因子，從而使企業(yè)獲得良好的經(jīng)濟和社會效益，這無疑是推動溫室應(yīng)用自動化的強大動力。因此，專家系統(tǒng)、控制算法的進一步完善以及在溫室控制系統(tǒng)中更為廣泛的應(yīng)用將是溫室技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。（4）溫室規(guī)模的擴大隨著溫室技術(shù)的發(fā)展，溫室規(guī)模呈擴大趨勢。目前在農(nóng)業(yè)

19、技術(shù)先進的國家，單棟面積在1h以上的溫室已相當普遍。在荷蘭，19751995年間，經(jīng)營0.010.5公頃溫室面積的農(nóng)戶由5900戶降至1660戶，而經(jīng)營大于2公頃的農(nóng)戶由101戶增至442戶，與此同時，經(jīng)營總戶數(shù)由9770戶降至4640戶，平均每戶經(jīng)營面積由0.48公頃增至0.9公頃，表現(xiàn)出經(jīng)營農(nóng)戶數(shù)減少，每戶經(jīng)營面積增加的趨勢。21世紀我國也將重點發(fā)展大型連棟溫室，以提高溫室農(nóng)業(yè)的總體水平和規(guī)模效益。無疑，大型化現(xiàn)代溫室在提高土地利用率和機械化作業(yè)水平、降低生產(chǎn)成本及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等方面均凸顯其優(yōu)勢。1.5論文的內(nèi)容安排現(xiàn)代化溫室應(yīng)用先進的科學技術(shù)，采用連續(xù)的生產(chǎn)方式和先進的管理方式，高效、均衡

20、地產(chǎn)出各種農(nóng)作物，它能不受時間、地點和氣候的影響，有效的改善農(nóng)業(yè)生態(tài)、生產(chǎn)條件，促進農(nóng)業(yè)資源的科學開發(fā)和合理應(yīng)用，提高勞動生產(chǎn)率和社會經(jīng)濟效益。本文的總體目標是設(shè)計并實現(xiàn)一個數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的溫室控制系統(tǒng)。其工作重點包含以下幾個方面：（1）利用模糊控制技術(shù)實現(xiàn)對溫室環(huán)境的智能控制。（2）借鑒目前在工業(yè)控制領(lǐng)域中發(fā)展迅速的現(xiàn)場總線模型，組建由多個溫室組成的溫室群分布式控制系統(tǒng)。（3）運用力控軟件創(chuàng)建上位機監(jiān)控界面，對溫室環(huán)境實施組態(tài)監(jiān)控。（4）利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建溫室灌溉系統(tǒng)控制方案模型，從理論和仿真實驗角度驗證其合理性。第二章系統(tǒng)總體方案及硬件部分設(shè)計2.1引言隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，溫

21、室的設(shè)計日趨科學，結(jié)構(gòu)更加合理，內(nèi)部配套設(shè)施更加完善。本文的研究對象是新型的智能化日光溫室，針對溫室栽培生產(chǎn)的特殊性，設(shè)計出基于現(xiàn)場總線思想的分布式溫室智能控制系統(tǒng)，在現(xiàn)階段的技術(shù)條件下很好的滿足溫室環(huán)境控制的需要。本章首先介紹溫室的結(jié)構(gòu)與材料，在此基礎(chǔ)上，提出溫室環(huán)境控制體系的總體設(shè)計方案，并給出設(shè)備選型和硬件電路設(shè)計。2.2溫室結(jié)構(gòu)與材料溫室是具有鮮明使用功能的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性建筑，其主體是建筑工程問題，設(shè)計建造必須按照建筑相關(guān)的標準、規(guī)程進行，而主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作又類同于機械加工產(chǎn)品。溫室是由基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、圍護材料等所形成的相對密閉的實用型建筑，主要起到承載各種荷載、保溫、防雨雪等作用。本小

22、節(jié)介紹的內(nèi)容主要涉及溫室建筑和機械方面的內(nèi)容，并非本文研究重點，但又必不可少，因此作扼要介紹。（1）主體骨架設(shè)計采用熱鍍鋅鋼骨架，一跨三屋脊結(jié)構(gòu)。立柱采用雙面熱鍍鋅矩型鋼管100602.5mm，橫梁采用熱鍍鋅復(fù)合式焊接橫梁（熱鍍鋅）40402mm，水槽采用2.5mm厚冷彎熱鍍鋅鋼板，設(shè)有落水管實施內(nèi)排水。主體骨架采用鍍鋅螺栓和自攻螺絲連接，溫室覆蓋材料采用專用鋁合金型材固定。（2）覆蓋材料目前我國溫室所使用的覆蓋材料大體分為薄膜、PC板材、單層浮法玻璃三類。這三類覆蓋材料各自的優(yōu)缺點見表2.1所述。表2.1各類溫室覆蓋材料的優(yōu)缺點覆蓋材料優(yōu)點缺點薄膜1.薄膜溫室造價低（0.12mm的薄膜大約2

23、.53.0元/）2.透光率高（PVC膜為88.9%）1.使用壽命短，13年需換膜一次2.保溫性差（傳熱系數(shù)為6.4W/ K）PC板材1.透光率可達79%2.使用壽命可達10年3.良好的保溫效果（傳熱系數(shù)3.3W/K）1.價格較貴（約7098元/）2.PC板中空層易進水汽，影響采光性能3.靜電原因，易吸附灰塵，清除困難單層浮法玻璃1.透光率高達89%2.使用壽命長達25年，抗老化性能好3.價格適中（5mm的浮法玻璃約25元/）1.保溫性差（傳熱系數(shù)為5.9W/K）本溫室采用雙層中空玻璃這一新型溫室覆蓋材料，單層玻璃厚度分別為4mm、5mm，中間空氣層厚度分別為9mm、6mm。中空玻璃具有良好的保

24、溫效果（傳熱系數(shù)3.2W/K），透光率可達80%，采用專用的鋁條密封，內(nèi)置干燥劑，可防止中空層形成水汽，并具有較好的隔聲效果，外觀大方，價格與雙層PC中空板相當，適宜于種植蘭花這一類高檔花卉。（3）性能指標風載0.4kN/；吊掛荷載0.15kN/；雪載0.3kN/；最大排雨量140mm/h。2.3智能溫室控制系統(tǒng)總體方案作物的生長發(fā)育除決定于其自身的遺傳特性外，環(huán)境因子也是一個重要方面。作物賴以生存的環(huán)境因子是由溫度、濕度、光照、二氧化碳等因素構(gòu)成。各個環(huán)境因子之間不是孤立，而是相互聯(lián)系、相互制約的，環(huán)境中一個因子變化會引起其他因子不同程度的變化。因此，自然環(huán)境因子對作物的作用是各個環(huán)境因子綜

25、合作用的結(jié)果。溫室是用來改善植物的生長環(huán)境，避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ψ魑锷L的不利影響，為植物生長創(chuàng)造適宜的條件。圖2.2為智能溫室控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。圖2.2智能溫室控制系統(tǒng)總體方案圖該系統(tǒng)采用可編程控制器PLC作為控制核心。通過傳感器檢測溫室中的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)變送轉(zhuǎn)換為標準電流信號（420mA）后送入S7-200的模擬量輸入模塊EM231，PLC通過模糊控制算法進行分析處理，輸出開關(guān)量，通過驅(qū)動電路控制風機、微霧、遮陽等多種執(zhí)行機構(gòu)。多個溫室共同構(gòu)成溫室群，借鑒DCS的分層控制結(jié)構(gòu)形式，采用現(xiàn)場總線模型組建多個溫室的分布式控制系統(tǒng)，并與上位機通訊實施監(jiān)控，通過MCGS組態(tài)完成數(shù)據(jù)管理

26、、智能決策、歷史/實時曲線、報警等功能。2.4系統(tǒng)硬件選型方案系統(tǒng)硬件選型是溫室環(huán)境控制的首要步驟與關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可供選擇的設(shè)備型號較多，選擇余地較大，故選型時應(yīng)從溫室控制的實際情況以及所要求的控制功能、控制方式、資金情況等方面加以慎重考慮。2.4.1 PLC及擴展模塊選型可編程控制器（PLC）以其操作方便、可靠性高、通用靈活、使用壽命長等一系列優(yōu)點，在航天、冶金、化工、機械等行業(yè)得以推廣應(yīng)用。它以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和通訊技術(shù)的工業(yè)控制裝置，不僅具有微型計算機的計算和邏輯判斷能力，同時具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和通信等更強大的功能，指令系統(tǒng)豐富，程序結(jié)構(gòu)靈活，既可以控制開關(guān)量及順序

27、控制，也可以用來實現(xiàn)模擬量等復(fù)雜的控制。它集中了工業(yè)專用機和通用計算機的優(yōu)點，運行可靠，適應(yīng)性強。PLC通信依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)，并具有智能通信的功能使PLC與上位計算機、PLC與PLC、PLC與其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC除了具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置支持各通信協(xié)議的接口。在綜合考慮功能，保證可靠、維護使用方便以及最佳的性能價格比之后，我們選擇了西門子公司的S7系列PLC作為系統(tǒng)的PLC控制器。CPU226是西門子公司S7-200系列（Micro-PLC）中功能最強的一種控制器，具有緊湊的設(shè)計、

28、良好的擴展性、低廉的價格及強大的指令，可以近乎完美的滿足單個溫室環(huán)境控制的要求。EM231為S7-200 PLC的模擬量擴展模塊，有4路模擬量輸入，工作電壓為DC24V，分辨率為12位，其輸入信號可以是電壓（單極性010V、05V或雙極性5V、2.5V）也可以是電流（020mA）,用撥碼開關(guān)（SW1SW3）選擇模擬量輸入范圍。該模塊接收檢測環(huán)節(jié)送出的電流或電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的數(shù)字量，存放于存儲區(qū)域相應(yīng)的寄存器，供CPU用軟件實現(xiàn)相應(yīng)算法。CPU315-2DP是西門子公司推出的一款適合于中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的PLC，采用緊湊的無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，具有擴展性好、通信能力強等特點。CPU3

29、15-2DP帶兩個通信接口：一個符合EN5170標準的Profibus-DP接口用于同S7-200的Profibus通訊，另一個MPI接口用于同上位PC機的MPI通訊。112.4.2上位機硬件配置本系統(tǒng)上位機選用研華工控機IPC-610，256M內(nèi)存，80G硬盤，機箱結(jié)構(gòu)具有防塵、防震、通風等功能，并可抗強電磁干擾和高頻輻射干擾。運行Microsoft Windows2000操作系統(tǒng)Professional版本，外接打印機，可打印曲線、報表，工控機由一臺不間斷電源UPS供電，保證數(shù)據(jù)的完整記錄，主板帶有串行口，配有網(wǎng)卡CP5611，并安裝西門子STEP 7編程軟件和MCGS組態(tài)軟件。2.4.3

30、傳感器的選擇本文的溫/濕度傳感變送器采用芬蘭維薩拉公司型號為HMD40的產(chǎn)品，該款傳感器具有測量精度高，易于安裝、響應(yīng)速度快，對環(huán)境要求較低等特點，其外觀如圖2.3所示。圖2.3 HMD40型溫/濕度傳感變送器實物圖該傳感器的主要性能指標如下：溫度檢測范圍：-1060；測量精度：0.3%濕度檢測范圍：0100%RH；測量精度：1.5%RH工作電壓：1028V DC輸出信號：420mA2.4.4環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)（1）外遮陽系統(tǒng)我國大部分地區(qū)夏季炎熱，光照充足，應(yīng)在溫室頂部安裝外遮陽系統(tǒng)，利用遮陽網(wǎng)直接把部分太陽能阻擋在室外，可根據(jù)室內(nèi)植物的要求選擇合適的遮陽率，一般選用50%70%的遮陽率，利用外遮

31、陽系統(tǒng)，可使室內(nèi)溫度降低35。1.減速電機2.換向輪3.壓幕線4.托幕線5.驅(qū)動線6.驅(qū)動邊型材7.拉幕梁圖2.4鋼索拉幕遮陽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本文選用北京碧斯凱公司的鋼索拉幕遮陽系統(tǒng)，其安裝結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。其中減速電機處于整個溫室的中心，電機的輸出軸中心線與拉幕梁下表面之間的距離約200mm，驅(qū)動線之間的間距3000mm，換向輪則布置在溫室的兩端。（2）扭矩分配連續(xù)開窗系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計除包含傳統(tǒng)連續(xù)開窗系統(tǒng)所需的減速電機、齒輪齒條、軸承座、驅(qū)動軸外，還增加了蝸輪減速箱、扭矩分配器等部件，系統(tǒng)原理如圖2.5所示，蝸輪減速箱及扭矩分配器，將減速電機輸出的扭矩通過扭矩分配器均勻分配至每排窗戶的蝸輪減速箱

32、上，蝸輪減速箱再帶動齒輪齒條實現(xiàn)天窗的開閉。1.減速電機2.扭矩分配器3.蝸輪減速箱4.齒輪齒條圖2.5連續(xù)開天窗機構(gòu)示意圖減速電機選用荷蘭DE GIER公司的GW30型號減速電機，其轉(zhuǎn)速為30rpm，并非傳統(tǒng)連續(xù)開窗系統(tǒng)所用的2.6rpm，針對上述設(shè)計的一棟跨度為9.6m，每跨3個尖頂，共2跨的溫室而言，若配置雙面連續(xù)開窗，按傳統(tǒng)連續(xù)開窗方式需12臺減速電13機，而采用扭矩分配連續(xù)開窗系統(tǒng)，則只需2臺荷蘭DE GIER公司的減速電機，大大降低了開窗機構(gòu)的建造成本，此外，系統(tǒng)總功率的減少，使用過程更省電。（3）側(cè)窗電機采用碧斯凱公司W(wǎng)JN系列減速電機，該電機采用國際流行的電動機與減速機一體化的

33、結(jié)構(gòu)，限位開關(guān)與配電控制結(jié)合具有工作和急停等功能，使得電機運行更可靠、更安全，此外還具有轉(zhuǎn)動扭矩大、運行噪音低等特點。（4）環(huán)流風機常用的環(huán)流通風是在溫室內(nèi)以一定規(guī)則布置一定數(shù)量的環(huán)流風機，當風機開啟時，室內(nèi)的空氣將在其作用下形成有序的流動，保證室內(nèi)氣候的均勻和穩(wěn)定，并起到通風降溫的作用。在綜合考慮種植作物種類、室內(nèi)循環(huán)通風量等因素后，采用如圖2.6所示的平行式布局形式，將風機排成兩列，均勻懸掛在溫室中間走道兩側(cè)的骨架上，這種布置形式通風效率高，對種植密度大、密閉要求高的溫室非常適用。圖2.6循環(huán)風機布局形式俯視圖環(huán)流風機選用青州市三和溫控設(shè)備廠的產(chǎn)品，其中，電機采用性能卓越的“海爾”三防專用

34、電機，經(jīng)過“海爾”實驗室360小時破環(huán)性試驗；外殼采用先進的整體集流器設(shè)計，國際先進的節(jié)能技術(shù)及熱自動保護系統(tǒng)，輕型鋁板沖壓扇葉，具有大角度，風量大，低噪音等特點。（5）風機濕簾系統(tǒng)系統(tǒng)選用青州市三和溫控設(shè)備廠產(chǎn)品，該系統(tǒng)由紙質(zhì)多孔濕簾、風機、水循環(huán)系統(tǒng)組成，其原理如圖2.7所示，未飽和的空氣流經(jīng)多孔、濕潤的濕簾表面時，大量水分蒸發(fā)，空氣中由溫度體現(xiàn)的顯熱轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)潛熱，從而降低空氣自身的溫度。風機抽風時將經(jīng)過濕簾降溫的冷空氣源源不斷的引入室內(nèi)，從而達到降溫效果。“風機濕簾”組合降溫是夏季溫室降溫的最經(jīng)濟、最有效的強制降溫方式。圖2.7風機濕簾系統(tǒng)原理圖（6）燃油熱風機加熱系統(tǒng)系統(tǒng)選用北京盛芳

35、園科技有限公司KR80-100型燃油熱風機，額定發(fā)熱量為92880kcal/h，經(jīng)測算，能滿足供熱面積在600左右的溫室，其結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。圖2.8 KR80-100型燃油熱風機結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)備由風機、高效換熱器、燃燒器及自動控制系統(tǒng)組成。風機采用FZL型軸流風機，風量大，風壓高，噪聲低，可采用風管送風，熱風傳輸距離長，采暖區(qū)溫度更均勻。換熱器采用圓環(huán)柱筒形煙、空氣夾套式結(jié)構(gòu)，換熱器材料全為不銹鋼，換熱面積大，排煙溫度低，熱效率高。燃燒器采用世界品牌意大利RIELLO公司的產(chǎn)品，燃燒效率高達98100%，環(huán)保節(jié)能設(shè)有火焰探測裝置，燃燒安全可靠。采用電子溫控器設(shè)定，可選擇手動、自動控制，自動控

36、制方式可外接控制器，控制精度高，性能穩(wěn)定，具有風機過載保護、爐膛過熱保護、點火失敗保護、環(huán)境及爐膛監(jiān)控等功能，能實現(xiàn)自動化運行。（7）微霧加濕機選用北京瀚寧空氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓微霧加濕機，該產(chǎn)品將精濾的自來水加壓至7MPa，再通過高壓水管傳送到噴嘴，經(jīng)超微細的噴頭霧化后以310微米的微霧噴射到整個空間，使溫室達到增濕的效果。加濕器主機采用美國進口高壓陶瓷柱塞泵，壓力大、硬度強，配備品質(zhì)卓越的專業(yè)電機一起工作，具有效率高、省電、噪音小等特點，噴頭及水霧分配器無動力易損部件，耐磨損，噴霧均勻。一臺FCB-3微霧加濕器的加濕量為60300kg/h，可滿足加濕面積在600左右溫室的需要。2.5系

37、統(tǒng)硬件接線圖2.5.1系統(tǒng)主電路設(shè)計圖2.9系統(tǒng)主電路系統(tǒng)硬件主電路如圖2.9所示，其中天窗電機、側(cè)窗電機、遮陽幕電機除功率有所不同之外，都配有限位開關(guān)，需通過電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止來完成相應(yīng)結(jié)構(gòu)的開啟與閉合，因此它們的工作主電路相似。環(huán)流風機、熱風機、濕簾風機、濕簾水泵、微霧加濕機、補光燈則屬于開/關(guān)設(shè)備。QK為刀開關(guān)，用于控制整個主電路的啟停；QF0為總分斷器，QF1QF8為分斷路器，F(xiàn)U1為熔斷器，分別對主線路與各個分線路實施短路和過載保護；FR1FR8為熱繼電器，對電機起斷相和過載保護的作用。KM1KM13為交流接觸器的主觸頭，用其實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)、停止以及風機等開/關(guān)設(shè)備的啟?？刂?。2

38、.5.2系統(tǒng)其他部分電路設(shè)計（1）電氣控制柜設(shè)計電氣控制柜是由多個開關(guān)設(shè)備和相應(yīng)的控制、測量、信號等元件，以及所有內(nèi)部的電氣和機械連接部件構(gòu)成的一個組合體?？刂乒裆吓溆惺謩?自動的切換開關(guān)，手動功能用于系統(tǒng)中部分設(shè)備出現(xiàn)故障或設(shè)備維護檢修時使用，正常情況下，切換至自動狀態(tài)，由PLC實施控制。其中按鈕部分用于手動控制下控制各執(zhí)行機構(gòu)的運行狀態(tài)，而指示燈部分則顯示各執(zhí)行機構(gòu)的實際運行狀態(tài)。（2）正反轉(zhuǎn)設(shè)備控制電路17天窗、前側(cè)窗、后側(cè)窗和外遮陽這些執(zhí)行機構(gòu)均屬于正反轉(zhuǎn)設(shè)備，其控制電路相似，現(xiàn)以天窗為例，做以下介紹。圖2.10天窗控制電路原理圖天窗控制電路原理圖如圖2.10所示，K1為手動/自動的切

39、換開關(guān)。在手動狀態(tài)下，SB1、SB2分別為開窗、關(guān)窗按鈕，SB3為天窗停止按鈕。按下按鈕SB1，交流接觸器KM1的線圈得電，指示燈L1亮，同時KM1的常開觸點閉合，起自鎖作用，此時電機正轉(zhuǎn)，天窗打開，當天窗開啟到最大位置后觸碰天窗限位開關(guān)SQ1，其常閉觸點斷開，KM1的線圈失電，電機停止轉(zhuǎn)動；同理當按下按鈕SB2，天窗關(guān)閉，到關(guān)閉的最大位置后，電機停轉(zhuǎn)；按下按鈕SB3，KM1或KM2的線圈失電，天窗停止動作，用于急停操作。接觸器KM1、KM2的互鎖可防止兩個接觸器同時得電吸合。在自動狀態(tài)下，由PLC控制器實現(xiàn)控制，中間接觸器KM15的線圈（連接在PLC輸出觸點上，見2.5.3節(jié)）得電時，其常開

40、觸點閉合，天窗開啟；中間接觸器KM16的線圈得電時，其常開觸點閉合，天窗閉合。天窗等正反轉(zhuǎn)設(shè)備何時開啟或閉合由硬件、算法和程序共同決定，在下面章節(jié)中將著重介紹。（3）開/關(guān)設(shè)備設(shè)備控制電路熱風機、環(huán)流風機、濕簾風機、濕簾水泵、微霧加濕器均屬于開/關(guān)設(shè)備，其控制電路相似，現(xiàn)以熱風機為例，做以下介紹。圖2.12熱風機控制電路原理圖熱風機控制電路原理圖如圖2.12所示，K1為手動/自動的切換開關(guān)。在手動狀態(tài)下，SB13為啟動按鈕，SB14為停止按鈕。按下按鈕SB13，交流接觸器KM9的線圈得電，指示燈L9亮，同時KM9的常開觸點閉合，起自鎖作用，此時熱電機運轉(zhuǎn)；按下按鈕SB14，KM9的線圈失電，熱

41、電機停止工作。在自動狀態(tài)下，由PLC控制器實現(xiàn)控制，中間接觸器KM23（連接在PLC輸出觸點上，見2.5.3節(jié)）得電時，其常開觸點閉合，熱風機運行。熱風機等開/關(guān)設(shè)備的啟停同樣由硬件、算法和程序共同決定，在下面章節(jié)中將作詳細介紹。2.5.3 PLC部分電氣線路設(shè)計（1）PLC I/O分配可編程控制器主單元采用西門子公司的S7-200系列CPU 226，并擴展一個四路模擬量輸入模塊EM231，用于溫度濕度兩個模擬量的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計需要，進行表2.2的I/O分配。表2.2 I/O分配表信號類型名稱電路中的編號PLC中地址信號類型名稱電路中的編號PLC中地址數(shù)字量輸入信號手動/自動切換按

42、鈕K1I0.0數(shù)字量輸出信號天窗電機正轉(zhuǎn)（開窗）KM15Q0.0總啟動按鈕SB1I0.1天窗電機反轉(zhuǎn)（關(guān)窗）KM16Q0.1總停止按鈕SB2I0.2前側(cè)窗電機正轉(zhuǎn)（開窗）KM17Q0.2天窗限位開關(guān)（開極限）SQ11I1.0前側(cè)窗電機反轉(zhuǎn)（關(guān)窗）KM18 Q0.3天窗限位開關(guān)（關(guān)極限）SQ12I1.1后側(cè)窗電機正轉(zhuǎn)（開窗）KM19Q0.4前側(cè)窗限位開關(guān)（開極限）SQ13I1.2后側(cè)窗電機反轉(zhuǎn)（關(guān)窗）KM20Q0.519前側(cè)窗限位開關(guān)（關(guān)極限）SQ14I1.3外遮陽電機正轉(zhuǎn)（開幕）KM21Q0.6后側(cè)窗限位開關(guān)（開極限）SQ15I1.4外遮陽電機反轉(zhuǎn)（關(guān)幕）KM22 Q0.7后側(cè)窗限位開關(guān)（關(guān)極

43、限）SQ16I1.5熱風機KM23Q1.0外遮陽限位開關(guān)（開極限）SQ17I1.6環(huán)流風機KM24Q1.1外遮陽限位開關(guān)（關(guān)極限）SQ18I1.7濕簾風機KM25Q1.2模擬量輸入信號溫/濕度傳感器(溫度部分)HMD40AIW0濕簾水泵KM26Q1.3溫/濕度傳感器(濕度部分)HMD40AIW2微霧加濕機KM27Q1.4（2）PLC主體模塊接線圖圖2.13 PLC主體模塊接線圖PLC主體模塊接線如圖2.13所示。PLC的輸出觸點負載能力偏低，如果直接帶20動風機等負載，輸出觸點容易損壞，故采用交流接觸器作為驅(qū)動元件，間接控制電機的啟停及正反轉(zhuǎn)。在輸出回路中，采用熔斷器進行短路保護，此外接觸器啟

44、動和停止時產(chǎn)生感應(yīng)電流，需在每個接觸器上并接一個阻容吸收電路，吸收浪涌電流，保護PLC觸點，阻容吸收電路由一個560的電阻和一個0.1F /400V的電容串聯(lián)組成。（3）溫、濕度傳感變送器HMD40與PLC擴展模塊EM231的接口電路圖2.14溫、濕度傳感變送器與EM231的接口電路EM231具有四路模擬量輸入，輸入的信號可以是電壓也可以是電流，兼于電流對噪聲不敏感，設(shè)計時選用電流信號，傳感器經(jīng)變送后，由420mA電流來傳輸信號，可避免噪聲干擾和傳輸線分布電阻產(chǎn)生的電壓降。電流輸入時，需將“R”與“+”短接后作為電流的進入端，“-”作為電流的流出端，并將SW1、SW2、SW3三個開關(guān)分別設(shè)定為

45、“ON”、“ON”、“OFF”。圖2.14給出了溫、濕度傳感變送器與EM231的接口電路。2.6本章小結(jié)本章首先介紹了智能日光溫室的結(jié)構(gòu)和材料，并在此基礎(chǔ)上提出溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，設(shè)計了整個監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并給出主要設(shè)備的選型和硬件電路的設(shè)計，這些工作為后續(xù)章節(jié)中控制系統(tǒng)軟件和上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。第三章模糊控制算法在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用3.1引言溫室環(huán)境系統(tǒng)具有非線性、大滯后、耦合、時變等特征，難以用傳統(tǒng)的方法對其進行建?？刂啤Ｄ：刂频姆椒ㄊ且匀藢Ρ豢叵到y(tǒng)的控制經(jīng)驗為依據(jù)而設(shè)計的控制器，故無需建立被系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，具有良好的適應(yīng)性和魯棒性。本章的主要內(nèi)容是根據(jù)模

46、糊理論，研究該控制系統(tǒng)中的核心部分模糊控制器的設(shè)計方法，在完成模糊控制器的整套設(shè)計后還必須通過相應(yīng)工控設(shè)備完成算法實現(xiàn)，基于SIMATIC S7-200 PLC，應(yīng)用STEP 7軟件實現(xiàn)模糊控制的程序編寫。3.2模糊控制系統(tǒng)概述生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大使得控制過程越來越復(fù)雜，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論由于種種原因己不能滿足日益復(fù)雜的控制要求。在處理過程模型不確定或難以建模等問題時，PID控制和基于現(xiàn)代控制理論的控制策略就顯得無能為力，應(yīng)用于復(fù)雜過程控制時往往受到限制，因此，先進的控制算法得以研究推廣，模糊控制便是其中的一種。1965年，美國加利福尼亞大學L.A.Zadeh教授首先提出了模糊集合的概念

47、，為模糊集合的運用和模糊數(shù)學的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，模糊科學得以發(fā)展。1974年，英國倫敦大學的教授E.H.Mamdani成功地將模糊控制運用于鍋爐與蒸汽發(fā)動機上，這一開拓性的工作標志著模糊控制應(yīng)用階段的誕生，并繼而得到大規(guī)模發(fā)展。模糊控制從誕生到現(xiàn)在僅僅經(jīng)歷了幾十年的時間，就己在工業(yè)、經(jīng)濟、醫(yī)學、軍事等方面取得了巨大的發(fā)展。對象越模糊，這種控制方法就越能反映出比其它控制方法更多的優(yōu)越性，例如在純滯后、難以準確建模、參數(shù)漂移大及非線性不確定分布參數(shù)系統(tǒng)中，采用模糊控制往往能取得令人滿意的效果。3.2.1模糊控制的特點模糊控制是一種應(yīng)用模糊集合理論，統(tǒng)籌考慮控制策略的應(yīng)用方式，具有如下幾個主要特點：（

48、1）模糊控制是以人對被控對象的控制經(jīng)驗為依據(jù)而設(shè)計的控制器，不需要被控對象精確的數(shù)學模型，特別適合被控對象具有多輸入多輸出的強耦合性、參數(shù)時變性、嚴重非線性與不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)或過程的控制。（2）模糊控制中的知識表示、控制規(guī)則和合成推理是基于專家知識或熟練操作人員的成功經(jīng)驗，并可以通過學習不斷更新，是一種易于控制、易于掌握的較理想非線性控制器，也是一種語言控制器。（3）模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)造和控制規(guī)則易于用軟件實現(xiàn)。（4）模糊控制抗干擾能力強，響應(yīng)速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強的魯棒性。模糊控制和PID控制作比較，模糊控制較之后者不僅對被控對象參數(shù)變化適應(yīng)能力強，而且在對象模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變的

49、情況下，也能獲得較好的控制效果。3.2.2模糊控制器的組成數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫規(guī)則庫模糊化模糊推理反模糊化圖3.1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)圖3.1為模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖，如圖可知，其主要由四部分組成：（1）模糊化：模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于控制輸出，因此，這一部分實際上是模糊控制器的輸入接口，其主要作用是將真實的輸入量利用量化因子進行尺度變換，用論域中的元素來表示輸入量，然后將此論域元素轉(zhuǎn)換到模糊集合中，作為模糊推理的輸入。（2）知識庫：由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成。數(shù)據(jù)庫主要存放所有輸入輸出語言變量模糊子集的隸屬度矢量值，在模糊關(guān)系方程求解的過程中，為模糊推理提供數(shù)據(jù)。模糊控制規(guī)則

50、庫是基于專家知識或手動操作人員長期積累的經(jīng)驗而建立的，它是仿照人的直覺推理的一種語言表示形式，用來存放全部模糊控制規(guī)則，在推理時提供控制規(guī)則。（3）模糊推理：在模糊控制器中，根據(jù)輸入的模糊量，由模糊規(guī)則中所定義的蘊含關(guān)系，經(jīng)過合成運算來得到模糊輸出量?？紤]到推理時間的長短，通常采用運算較簡單的推理方法。（4）反模糊化：模糊推理得到的仍然是一個模糊向量，不能直接用來做控制量，通過反模糊化變換，可變成表示在論域范圍內(nèi)的清晰量，然后再按比例因子經(jīng)尺度變換成實際的控制量。3.3溫室環(huán)境因子研究3.3.1溫度對作物生長的影響溫度作為影響作物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因子之一，對作物的光合作用、呼吸作用、根系的

51、生長和水分、養(yǎng)分的吸收等生理現(xiàn)象均有顯著的影響。影響作物生長發(fā)育的環(huán)境因子中以溫度最為敏感，因此對溫室環(huán)境控制的研究也是最先從溫度控制開始的。不同種類的作物對溫度的要求是不同的，同一作物在不同發(fā)育階段對溫度的要求亦有所不同，而且在同一發(fā)育期階段內(nèi)對溫度的要求也會隨著晝夜變化而呈周期性地變化。生物的上述生長特點都為溫室的溫度控制提出了較高的要求。溫室溫度環(huán)境控制就是通過一定的工程措施，人為地調(diào)節(jié)溫室與外界環(huán)境之間的熱交換，使溫度維持在作物生長所需的范圍內(nèi)。夏季外界氣溫較高時，為防止溫室內(nèi)溫度過高，應(yīng)盡量減少溫室得熱量，增加散熱量，本文采用的通風、遮陽、風機濕簾降溫等都是常見的降溫方式；冬季室外氣

52、溫較低，為保持室溫，應(yīng)盡量減少失熱量，增加得熱量，采用保溫節(jié)能措施甚至啟動采暖設(shè)備就可維持正常的溫室溫度，保證作物正常生長。3.3.2濕度對作物生長的影響水是作物的基本組成部分之一，一般溫室作物的含水率高達80%-95%，作物的諸多生命活動均在水的參與下進行，比如光合作用、蒸騰作用等。適當?shù)目諝鉂穸瓤梢詾樽魑锷L營造良好的水分環(huán)境，空氣濕度過低，影響細胞伸長，使細胞分裂受阻，由于水分不足，作物氣孔關(guān)閉，CO2交換降低，光合作用顯著下降，從而影響作物干物質(zhì)的積累；空氣濕度過大時，將會引發(fā)多種病害，并抑制作物蒸騰作用，影響作物24對水分和養(yǎng)料的吸收。溫室內(nèi)的空氣濕度受天氣、通風換氣、采暖等因素的影

53、響，本文主要通過通風換氣、加熱等方式降濕，而通過微霧加濕器增濕。3.3.3溫度、濕度特性和控制方法分析溫室內(nèi)溫度、濕度是本課題的研究對象，它們具有非線性、分布不均勻性、時變性、控制時延性、耦合性等特點。首先，溫室內(nèi)部的氣候處于熱平衡混沌狀態(tài)，再加上作物本身生長活動，不能按照傳統(tǒng)控制工程的方法對其建模。其二，一般溫室面積都比較大，溫、濕度分布是不均勻的，內(nèi)部各點狀態(tài)都不一樣，其值的大小依賴于空間位置和氣流的方向等各種因素，溫室結(jié)構(gòu)對溫濕度也有影響。其三，對于外界所施加的作用，系統(tǒng)并不立即響應(yīng)，而是經(jīng)過一段時間的延遲才有反應(yīng)。其四，系統(tǒng)各變量之間并不是互相獨立，對溫、濕度中某一目標的控制，總會影響

54、到另一個因子的變化。另一方面，執(zhí)行機構(gòu)的動作也不僅僅影響某一個因子，比如天窗、側(cè)窗的動作會同時影響溫度和濕度的變化；加濕機的主要目的是增加濕度，但同時也會降低溫度；用熱風機加熱，也會帶來濕度的降低?？傊瑴厥覝囟群蜐穸冗@兩個參數(shù)存在較強的耦合性，溫度和濕度的變化會相互影響，它們與溫室環(huán)境控制的其它因子一起構(gòu)成了一個包含多方面內(nèi)容的復(fù)雜對象，對其實現(xiàn)精確控制具有一定的難度，需要系統(tǒng)多方面的有機配合。3.4多變量模糊控制器的設(shè)計模糊控制技術(shù)的核心在于模糊控制器的設(shè)計。在本系統(tǒng)中，著力分析設(shè)計控制溫度、濕度這兩個物理量的模糊控制器，通過對被控對象的分析，按照擬定的控制方案，采用“兩輸入多輸出”模糊控

55、制器，其總體結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2多變量模糊控制器的總體結(jié)構(gòu)圖3.4.1輸入輸出變量的確定輸入模糊量為：Er溫度誤差；Eh濕度誤差輸出控制變量均為開關(guān)量，只有開/關(guān)(1/0)兩種狀態(tài)，其包括：U1天窗；U2前側(cè)窗；U3后側(cè)窗；U4外遮陽；U5環(huán)流風機；U6微霧加濕器；U7熱風機；3.4.2模糊語言值的選取工程上對于模糊語言變量的取值一般是5個或7個元素的詞集，還有更多級別檔數(shù)的劃分。增加分級檔數(shù)，可提高穩(wěn)態(tài)精度，但同時也將擴大模糊關(guān)系矩陣R的維數(shù)，增加控制表的容量，這對提高控制穩(wěn)定性和快速性是不利的。綜合實驗研究的需要，既考慮到控制規(guī)則的靈活細致，又兼顧簡單易行，決定采用NB，NS，ZE

56、，PS，PB5個元素的詞集。3.4.3模糊控制規(guī)則的制定模糊控制器控制規(guī)則的設(shè)計原則是使系統(tǒng)輸出相應(yīng)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能達到最佳。即當誤差較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而誤偏差較小時，選擇控制量以防止超調(diào)，主要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。溫室系統(tǒng)中的溫度、濕度存在一定耦合性，即通過執(zhí)行機構(gòu)改變其中一個變量的同時也將影響另一個變量的值，對于7種執(zhí)行機構(gòu)（天窗、前側(cè)窗、后側(cè)窗、外遮陽、環(huán)流風機、微霧加濕器、熱風機）而言，每多打開一個設(shè)備，降溫、降濕效果增強一點；打開后降溫、降濕速度比更快；起降溫的作用，對濕度基本無影響；打開后主要為增濕作用，降溫是其次要作用；主要起增溫作用，降濕是其次要作用。綜上分

57、析，控制規(guī)則的制定過程中就應(yīng)滲透解耦的思想，表3.2給出系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則，其中U為u1至u7這7個量的開關(guān)狀態(tài)（1表示“開”，0表示“關(guān)”）。表3.2模糊控制規(guī)則表U ETEHNBNSZEPSPBNB00000110100001000001010010100111110NS00100111100001000001000010101101110ZE00000010000001000000000010001101100PS00100011010001100000010011000111100PB101000111100011100000110110011111003.5模糊控制的PLC程序?qū)崿F(xiàn)本

58、研究基于西門子公司STEP7編程環(huán)境完成溫室模糊控制程序的編寫，程序編寫思路簡明，實現(xiàn)了模糊控制的離線計算與在線查詢的功能，大大提高了PLC的執(zhí)行效率。針對上述模糊控制策略，采用如圖3.4的程序設(shè)計流程圖。將量化因子將量化因子Kr、Kh置入PLC開始采樣時間到？Et、Eh越限？計算Er,Eh并置入PLC存儲器將輸入量存儲區(qū)量化至輸入語言變量的模糊論域并置入存儲器報警并采取強制措施查模糊控制表，求U輸出控制量結(jié)束圖3.4 PLC實現(xiàn)模糊控制總體流程圖下面給出流程圖中主要部分的程序設(shè)計思想和梯形圖程序。3.5.1輸入量采樣及模糊量化算法程序設(shè)計模擬量的輸入數(shù)據(jù)是有符號整數(shù)，占2個字節(jié)（16bit）

59、，所以地址必須從偶數(shù)字節(jié)開始，例如：AIW0、AIW2等。PLC的CPU內(nèi)部用數(shù)值表示外部的模擬量信號，兩者之間有一定的數(shù)學關(guān)系，在S7-200的CPU內(nèi)部，020mA對應(yīng)的數(shù)值范圍是032000，則對于420mA的信號，對應(yīng)的內(nèi)部數(shù)值為640032000。而溫度、濕度的傳感變送單元分別取-1060、0100%RH線性對應(yīng)420mA,因此需經(jīng)過溫度/濕度值電流信號內(nèi)部數(shù)值的兩次轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)以溫度為例，因為420mA線性對應(yīng)-1060，可得如下曲線方程(3-6)(3-6)其中，Y表示溫度，X表示電流。而420mA的信號對應(yīng)的內(nèi)部數(shù)值為640032000，得如下曲線方程(3-7).(3-7)其中，Z表

60、示AIW值，X表示電流。(3-6)/(3-7)得，-1060對應(yīng)的內(nèi)部AIW值可通過式(3-8)計算獲得，例如18對應(yīng)的AIW值即為16640?，F(xiàn)給出輸入量采樣與Er/Eh計算的程序：模擬量輸入映像區(qū)中的AIW0、AIW2分別為溫度和濕度的測量值，將其存放于存儲單元VW0、VW2中，作為后續(xù)運算的準備。以種植蝴蝶蘭為例，溫度設(shè)定值T0 =18，濕度設(shè)定值H0 =70%RH，通過上述計算方法得各自對應(yīng)的內(nèi)部數(shù)值分別為16640、24320，將其分別存放于存儲單元VW4、VW6中，然后進行求誤差的運算。3.5.2模糊控制表查詢程序設(shè)計模糊控制查詢表本質(zhì)上可理解為一個99的二維數(shù)組，將其存放于VW1