【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的溫室中幾乎所有的環(huán)境因子之間都存在著一定的或多或少的聯(lián)系，一個(gè)因素變化了，其它因素也會(huì)跟著做出一定的變化，牽一發(fā)而動(dòng)全身 。多因子綜合控制 也可以叫做 復(fù)合控制 ， 能多多少少解決單因子控制存在的不足，此種 控制方法 依據(jù) 作物對(duì) 不同 環(huán)境 因子之間 的 影響聯(lián)系 ， 如果其中一個(gè)因子改變了 ， 其它因子也會(huì)跟著做出相應(yīng)的變化 ， 由于這種方法能更好的結(jié)合眾多的環(huán)境因子的變化 ， 所以未來的溫室技術(shù)的發(fā)展也會(huì)偏向于這種控制方法 。 由于常見的 控制系統(tǒng) 都運(yùn)用 單級(jí)控制 這種方式，這樣的系統(tǒng) 還是可以滿足一些規(guī)模比較小的、普通的、對(duì)控制精準(zhǔn)對(duì)要求不是那么高的溫室系統(tǒng) ， 但是隨著時(shí)代的不斷發(fā)展與進(jìn)步 ， 溫室向著越來越大型，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，要對(duì)也越來越高的方向發(fā)展，很明顯 這種 比較單純 的控制方式 是無法滿足時(shí)代的需要的。所 以，針對(duì)當(dāng)代的大型復(fù)雜的溫室研究出更好的溫室控制系統(tǒng)是非常有必要的 ， 也是很多實(shí)際價(jià)值的 。 因?yàn)樵跍厥冶姸嗟沫h(huán)境因子中，溫度和濕度是作為重要的也是對(duì)溫室環(huán)境影響最大的兩個(gè)因子，所以 本科題 的目的就是 把溫室里的溫度、濕度作為研究對(duì)象 來探索 溫室環(huán)境的自動(dòng)控制技術(shù)， 僅采用 對(duì) 溫濕度 環(huán)境因子的 測(cè)控和 研究， 爭(zhēng)取用合乎情理的 實(shí)驗(yàn) 方法得到相對(duì)來說比較準(zhǔn)確 的控制效果， 模擬創(chuàng)造出一個(gè)人工的環(huán)境作為適宜作物生長(zhǎng)和發(fā)育的生活氣候 ，來代替那些影響作物健康生長(zhǎng)和良好發(fā)育的環(huán)境因子 ， 實(shí)現(xiàn)在實(shí)際的 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 活動(dòng) 中作物的生長(zhǎng)周期 變短 ， 增加作物的 產(chǎn)量 ， 來得到更好的 經(jīng)濟(jì)效益。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 在溫室中對(duì)作物影響最嚴(yán)重的環(huán)境因子主要就是溫度和濕度這兩個(gè)因子，所以 ，對(duì)溫濕度進(jìn)行 智能 解耦 是當(dāng)今 溫室環(huán)境控制系統(tǒng) 研究的主要方向，隨著我國(guó) 溫室產(chǎn)業(yè)的 不斷進(jìn)步 ， 溫室的大小和種類也隨之增加 ， 我國(guó)的資源環(huán)境也跟著一步步短缺，所以 ， 溫室也趨向于向節(jié)約資源同時(shí)高產(chǎn)高效的方向發(fā)展 ， 如果 溫度 和 濕度 得到了優(yōu)良 的解耦 那么溫室的資源消耗就會(huì)大大的降低 ， 溫室的這種特點(diǎn)尤其是冬季升溫和夏季降溫這兩個(gè)時(shí)候洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 變現(xiàn)的更為明顯 。 之前人們 對(duì)溫室中溫度濕度 的 解耦 控制 問題 已經(jīng)進(jìn)行 了深入探索 ， 總結(jié)出了各種，其中最好的 解決方法 就是通過 模糊控制 的 方法， 搭建一個(gè) 模糊控制系統(tǒng)模型 然后再進(jìn)行 模糊控制器 的設(shè)計(jì) ， 加進(jìn) 解耦參數(shù)， 通過這種方法來實(shí)現(xiàn) 對(duì) 溫室 的溫濕度 進(jìn)行 解耦控制， 可以很大程度的提高控制系統(tǒng)的控制精準(zhǔn)度。 由之前人們 的研究 能夠知道 ，第一，溫室中的溫濕度 兩者之間的解耦是 溫室解耦 的主要目標(biāo) ，溫室 中有眾多 環(huán)境因子 ，進(jìn)行 解耦 時(shí)例如 二氧化碳 、氧氣含量以及 光照 強(qiáng)度 等重要因子 并沒有考慮進(jìn)去 ， 溫室的 解耦 本應(yīng)該把其它的重要的 環(huán)境因子 也包括進(jìn)去， 第二， 有很大部分都 是 采用要求有 精確 的 數(shù)學(xué)模型 才能 解耦 的解耦方法 ， 而 溫室是一個(gè)比較模糊的 模型參數(shù)，第三， 以往采用的進(jìn)行 溫室環(huán)境控制系統(tǒng) 的 解耦 方法適用性較差 ， 不一樣 的溫室， 它的 環(huán)境模型 也是不相同的 ， 所以 溫室解耦的數(shù)學(xué)模型 應(yīng)該選取那些較為普遍的環(huán)境模型。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 利用 MATLAB/Simulink 仿真 的功能 ，設(shè)計(jì)基于 MATLAB 的 溫室大棚溫濕度智能解耦 系統(tǒng)并進(jìn)行仿真，以 溫濕度的偏差量和偏差率 為輸入量，反模糊后的精確的溫濕度控制量為 輸出量，采用 模糊 解耦方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制： (1) 了解和掌握解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法； (2) 建立被控對(duì)象的 模糊解 耦 系統(tǒng)的仿真模型； (3) 進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)、穩(wěn)定性分析、控制策略選擇、參數(shù)整定； (4) 最終進(jìn)行系統(tǒng)仿真， 并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析 。 設(shè)計(jì)目標(biāo) 學(xué)習(xí)多變量系統(tǒng)的特點(diǎn) 、 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和平衡時(shí)各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)描述法， 理解多變量系統(tǒng) 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。 用 MATLAB 實(shí)現(xiàn)多變量系統(tǒng)的智能解耦控制是利用模糊控制理論實(shí)現(xiàn)的。 溫度與濕度 是影響 溫室大棚環(huán)境 的兩個(gè)重要 環(huán)境因子 。 模糊 解耦 控制系統(tǒng) 的原理是把被控量的理想值與 t時(shí)刻的測(cè)量值作出比較 ，進(jìn)而得到偏差 e，再計(jì)算出偏差的 變化率 ec， 然后， e和 ec分別量化為模糊量 E和 EC，然后進(jìn) 行模糊決策，模糊決策是根據(jù) E、 EC和 模糊控制規(guī)則 R依據(jù)推理合成規(guī)則 ，得到模糊控制量 u，最后把前面計(jì)算的模糊控制量 u反模糊化成精確量 U，作用在被控制的對(duì)象身上 ，這樣不斷的循環(huán)下去從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的模糊控制，來 達(dá)到系統(tǒng)解耦 的 目的 [1]。解耦設(shè)計(jì)的目的是構(gòu)成獨(dú)立洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 的單回路控制系統(tǒng)，利用單回路控制理論實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制性能。 為了簡(jiǎn)化分析 的難度但 同時(shí) 又 不影響對(duì) 整個(gè) 問題分析 的正確性 ，系統(tǒng)以 溫度和濕度的偏差值和偏差率為輸入 ， 反模糊化后的溫度和濕度的精確控制量為 系統(tǒng)輸 出量， 選用模糊 解耦法對(duì) 本 系統(tǒng)進(jìn)行 設(shè)計(jì)和 仿真。 解耦系統(tǒng)的組成及解耦原理 本設(shè)計(jì)是基于 模糊 解耦法的 溫室溫濕度智能解耦 控制系統(tǒng)， 比較重要的部分 有 溫度和濕度傳感 器、 模糊邏輯控制器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等 。 本模糊系統(tǒng)方案如圖 21 所示： 1 α T1 α T模糊控制器模糊控制器模糊控制器模糊控制器α Tα Tα Hα H1 α H1 α H溫 度 傳 感 器溫 度 傳 感 器濕 度 傳 感 器濕 度 傳 感 器執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 1執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 1執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 2執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 2執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 1執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 1執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 2執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 2溫 室 環(huán) 境溫 室 環(huán) 境d / d td / d td / d td / d tT 0 H 0e Te He T ( h )e c Te H ( t )e c HU t 1U t 2U h 1U h 2TH圖 21 模糊控制系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖 圖中 ， 0T 是 專家 經(jīng)驗(yàn) 給出的作物生長(zhǎng) 所需的 最佳 理論 溫度， 0H 為給出洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 的理論最佳理論濕度。 Te 、 He 分別 是理想理論 值與實(shí)際 監(jiān)測(cè) 值 之間比較后的溫度和濕度的 偏差， Tec 、 Hec 分別是他們的 偏差 的 變化率。 因?yàn)?實(shí)際中溫 度和 濕度 存在一定的耦合作用 ， 所以 通過 加 入解耦參數(shù)來 減弱他們的耦合性，即 ： HHTThT eee ?? ??? )1()( （ 21） TTHHtH eee ?? ??? )1()( （ 22） 經(jīng) 過 模糊控制器 的解耦 后， 求得圖中 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 輸出 控制量 ，本 系統(tǒng)的 最重要的組成部分就是圖中的兩個(gè) 模糊邏輯控制器， 其推理設(shè)計(jì)方法 為： 把系統(tǒng)的 輸入 量和 輸出量轉(zhuǎn)化 成 模糊子集， 然后 定義論域， 再由 各輸入輸出量的 真實(shí) 變化范圍 構(gòu)造 模糊化表。根據(jù) 這個(gè)方面 專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn) 組成一個(gè) 知識(shí)庫，并 構(gòu)建 模糊控制規(guī)則表 。然后由模糊化表和模糊規(guī)則表，設(shè)計(jì)控制表格 ,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的模糊控制量。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3 章 解耦方法的選擇 系統(tǒng)環(huán)境因子的研究 溫度對(duì)作物的影響 溫度是 影響農(nóng) 作物生長(zhǎng)發(fā)育 相當(dāng) 重要的環(huán)境因 素 之一。 農(nóng) 作物在 整體的生長(zhǎng)發(fā)育過程 中所 需要 一切生物 及 化學(xué)反應(yīng)， 全都是 在 特定 溫度下 發(fā)生的 。 農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā) 育良好 的前提就是必須要在適合的溫度范圍內(nèi)才生長(zhǎng)，如果溫度高于上限或者低于一定的溫度值，那么農(nóng)作物就會(huì)畸形生長(zhǎng)或者無法生長(zhǎng)和發(fā)育，甚至死亡。所有農(nóng) 作物 都有三個(gè)不同的溫度基點(diǎn)，即能生存的 最高溫度 和 最低溫度 以及 最 適合作物生長(zhǎng)的 適宜溫度。 由于作物的種類、品種等不同，它們生長(zhǎng)發(fā)育的最適宜溫度也不一樣 。溫室內(nèi)的地溫 、氣溫 以及 營(yíng)養(yǎng)液的 溫度都有 對(duì)作物的呼吸作用 、 光合作用 ，還有 光合 作用產(chǎn)物的 傳送 、根 部 的生長(zhǎng)和水分、養(yǎng)分的吸收均有 明顯 的影響。常見溫室農(nóng) 作物生 長(zhǎng)發(fā) 育的最 合適的 溫度區(qū)間 如圖表 31。 表 31 常見溫室作物的生育適宜溫度 蔬菜名稱 發(fā)芽期 幼苗期 采收期 白天 黑夜 白天 黑夜 黃瓜 2528 2528 1315 2528 1519 番茄 2830 2528 1517 2528 20 茄子 3035 2730 ≥ 17 1730 20 生菜 1520 1520 1215 1718 1215 有表中數(shù)據(jù)可知，農(nóng) 作物的 各種化學(xué)、光合 作用 和 大部分產(chǎn)物 運(yùn)輸 是同 一時(shí)刻完 成 的。如果下午和 晚上 的溫度 偏低時(shí) ，葉 子 中光合 作用的 產(chǎn)物就 不能 運(yùn)輸 出去， 那么 葉 子就會(huì) 變厚、 同時(shí)會(huì)發(fā) 紫，衰老 的速度也會(huì)比較快 ， 就會(huì)消弱以后 的光合作用， 使 光合強(qiáng)度 明顯 下降。如果光 的強(qiáng)度比 較洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 弱， 而溫室內(nèi)溫度較 高，光合 作用的強(qiáng)度就會(huì) 較 弱 ， 而呼吸作用就相對(duì)多一些 ，則 作物枝干比較瘦小脆弱，葉子也會(huì)表薄 。有 結(jié)果 表明，在 作物的生 長(zhǎng)發(fā) 育過程 中如果 夜 晚 營(yíng)養(yǎng)液 的 溫度 比溫室環(huán)境溫度高 ，能 加快 作物 的生長(zhǎng)。 作物生長(zhǎng)發(fā)育 前期 溫室 溫度應(yīng)高 一些 ， 有利于葉面積指數(shù)的增加 。到達(dá) 生 長(zhǎng)發(fā) 育 的 中后期后，葉面積指數(shù) 就能夠達(dá) 到最大 值 ， 以后階段 單位面積的凈同 化率速率 將決定作物的 生產(chǎn) 多少 。在這個(gè)階段 就應(yīng)該 適當(dāng) 的下降溫室 溫度， 來不斷 積累凈光合 作用的 產(chǎn)物。 濕度對(duì)作物的影響 濕度是指空氣中含有濕空氣的量。如果溫室中的濕度偏低那么作物中的水分就不足，就無法發(fā)生正常的光合作用和蒸騰作用，同時(shí)溫室中的濕度偏高也會(huì)大大加大作物發(fā)生病蟲害的發(fā)生率。并且，濕度的不適宜會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量的下降，由于溫室內(nèi)作物的不斷蒸騰作用和土壤的蒸發(fā)，溫室內(nèi)的濕度會(huì)很容易的比地面的濕度的高一些。適宜作物生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境白天為相對(duì)空氣濕度大概在 35%左右，晚上為相對(duì)空氣濕度是 83%左右。所 以，溫室內(nèi)的的濕度改變主要就是降低濕度。表 32 給出了常見的幾種溫室作物生長(zhǎng)的最適宜溫度。 表 32 常見溫室作物生育適應(yīng)濕度 蔬菜名稱 發(fā)芽期 幼苗期 采收期 白天 黑夜 白天 黑夜 黃瓜 6085 3080 7085 3070 7075 番茄 5080 2070 6080 2070 6080 生菜 6080 3070 7075 3080 6085 空氣濕度 經(jīng)常用以下 表示方法 ： 水汽壓、露點(diǎn)溫度、含濕量、相對(duì)濕度 、 絕對(duì)濕度和飽和差等，在 此次研究中 的濕度 用的是 相 對(duì)濕度表示。相對(duì)濕度通常用 %表示，記作 %RH。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 溫度和濕度的耦合關(guān)系 長(zhǎng)期以來，溫室環(huán)境因子研究的重點(diǎn) 都是 溫度和濕度的 耦合 關(guān)系， 只有 經(jīng)過 眾多 的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 并 總結(jié) 規(guī)律才能 正確 領(lǐng)悟兩者 之間 存在 的 耦合 關(guān)系。 溫度和濕度這是兩個(gè)耦合度很高的環(huán)境因子，只要其中的一個(gè)因子改變那么另外一個(gè)也會(huì)跟著做出相對(duì)的改變，因此想要同時(shí)控制這兩個(gè)因子是一件非常不容易的事情。在一定的范圍內(nèi)如果溫室內(nèi)溫度升高，那么濕度也會(huì)跟著下降，因?yàn)槿绻麥厥覂?nèi)的溫度高上升，溫室內(nèi)土壤里的水分蒸發(fā)出來同時(shí)作物的蒸騰作用也會(huì)加強(qiáng)，加起來就會(huì)造成 溫室內(nèi)的濕度有所下降。同樣，如果溫室內(nèi)的濕度即水分含量發(fā)生了一定的變化，那么溫室溫度也會(huì)發(fā)生逆向的變化。 本 文所 研究 的 對(duì)象 是 溫室 環(huán)境中的 溫濕度 這兩個(gè)因子 ， 它們 具有非線性、時(shí)變性、多變量 耦合 性 、 控制時(shí)延性、分布不均勻性等 特點(diǎn) 。首先，溫室就相當(dāng)于一個(gè)系統(tǒng)，其氣候是一種 熱平衡狀態(tài)， 所以按照普通的 方法對(duì)其進(jìn)行建模是不合理的，適用性也會(huì)較差 。其 次 ， 通常來說 溫室 環(huán)境的建筑 面積都 相對(duì)來說很 大， 每個(gè)地方，每個(gè)角落的溫濕度也會(huì)有所不一樣 ，一般 四周 的溫濕度 都 會(huì) 比中間的 要 低 一些 ， 上 部和 下 部 同樣也會(huì) 有 些 差別，其值的大小 取決 于氣流的 流動(dòng) 方向 和 空間位置等 多種 因素，溫室 的構(gòu)造環(huán)境也會(huì) 對(duì)溫濕度 產(chǎn)生一定的 影響。其三，因?yàn)樽魑?的 吸 收 熱 量和 散 發(fā) 熱 量的 能力 以及 光合作用 的 能力 它們的生長(zhǎng)發(fā)育階段有關(guān) ，所以 整個(gè) 溫室 的 氣候 也會(huì)跟著作物的成長(zhǎng)周