【文章內(nèi)容簡介】 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，一個因素變化了，其它因素也會跟著做出一定的變化，牽一發(fā)而動全身 。多因子綜合控制 也可以叫做 復合控制 ， 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 不同 環(huán)境 因子之間 的 影響聯(lián)系 ， 如果其中一個因子改變了 ， 其它因子也會跟著做出相應的變化 ， 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)展也會偏向于這種控制方法 。 由于常見的 控制系統(tǒng) 都運用 單級控制 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、對控制精準對要求不是那么高的溫室系統(tǒng) ， 但是隨著時代的不斷發(fā)展與進步 ， 溫室向著越來越大型，系統(tǒng)越來越復雜，要對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 是無法滿足時代的需要的。所 以，針對當代的大型復雜的溫室研究出更好的溫室控制系統(tǒng)是非常有必要的 ， 也是很多實際價值的 。 因為在溫室眾多的環(huán)境因子中，溫度和濕度是作為重要的也是對溫室環(huán)境影響最大的兩個因子，所以 本科題 的目的就是 把溫室里的溫度、濕度作為研究對象 來探索 溫室環(huán)境的自動控制技術(shù)， 僅采用 對 溫濕度 環(huán)境因子的 測控和 研究， 爭取用合乎情理的 實驗 方法得到相對來說比較準確 的控制效果， 模擬創(chuàng)造出一個人工的環(huán)境作為適宜作物生長和發(fā)育的生活氣候 ，來代替那些影響作物健康生長和良好發(fā)育的環(huán)境因子 ， 實現(xiàn)在實際的 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 活動 中作物的生長周期 變短 ， 增加作物的 產(chǎn)量 ， 來得到更好的 經(jīng)濟效益。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 在溫室中對作物影響最嚴重的環(huán)境因子主要就是溫度和濕度這兩個因子，所以 ，對溫濕度進行 智能 解耦 是當今 溫室環(huán)境控制系統(tǒng) 研究的主要方向，隨著我國 溫室產(chǎn)業(yè)的 不斷進步 ， 溫室的大小和種類也隨之增加 ， 我國的資源環(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大大的降低 ， 溫室的這種特點尤其是冬季升溫和夏季降溫這兩個時候洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 5 變現(xiàn)的更為明顯 。 之前人們 對溫室中溫度濕度 的 解耦 控制 問題 已經(jīng)進行 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 模糊控制系統(tǒng)模型 然后再進行 模糊控制器 的設計 ， 加進 解耦參數(shù)， 通過這種方法來實現(xiàn) 對 溫室 的溫濕度 進行 解耦控制， 可以很大程度的提高控制系統(tǒng)的控制精準度。 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 ，溫室 中有眾多 環(huán)境因子 ，進行 解耦 時例如 二氧化碳 、氧氣含量以及 光照 強度 等重要因子 并沒有考慮進去 ， 溫室的 解耦 本應該把其它的重要的 環(huán)境因子 也包括進去， 第二， 有很大部分都 是 采用要求有 精確 的 數(shù)學模型 才能 解耦 的解耦方法 ， 而 溫室是一個比較模糊的 模型參數(shù)，第三， 以往采用的進行 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)學模型 應該選取那些較為普遍的環(huán)境模型。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 系統(tǒng)總體設計 控制系統(tǒng)的設計要求 利用 MATLAB/Simulink 仿真 的功能 ，設計基于 MATLAB 的 溫室大棚溫濕度智能解耦 系統(tǒng)并進行仿真，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 解耦方法對系統(tǒng)進行控制： (1) 了解和掌握解耦控制系統(tǒng)的設計方法； (2) 建立被控對象的 模糊解 耦 系統(tǒng)的仿真模型； (3) 進行系統(tǒng)辨識、穩(wěn)定性分析、控制策略選擇、參數(shù)整定； (4) 最終進行系統(tǒng)仿真， 并對仿真結(jié)果進行分析 。 設計目標 學習多變量系統(tǒng)的特點 、 系統(tǒng)運動和平衡時各變量之間關(guān)系的數(shù)學描述法， 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現(xiàn)的。 溫度與濕度 是影響 溫室大棚環(huán)境 的兩個重要 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時刻的測量值作出比較 ，進而得到偏差 e，再計算出偏差的 變化率 ec， 然后， e和 ec分別量化為模糊量 E和 EC，然后進 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，作用在被控制的對象身上 ，這樣不斷的循環(huán)下去從而實現(xiàn)對被控對象的模糊控制，來 達到系統(tǒng)解耦 的 目的 [1]。解耦設計的目的是構(gòu)成獨立洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 7 的單回路控制系統(tǒng)，利用單回路控制理論實現(xiàn)系統(tǒng)控制性能。 為了簡化分析 的難度但 同時 又 不影響對 整個 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 本 系統(tǒng)進行 設計和 仿真。 解耦系統(tǒng)的組成及解耦原理 本設計是基于 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 構(gòu) 1執(zhí) 行 機 構(gòu) 1執(zhí) 行 機 構(gòu) 2執(zhí) 行 機 構(gòu) 2執(zhí) 行 機 構(gòu) 1執(zhí) 行 機 構(gòu) 1執(zhí) 行 機 構(gòu) 2執(zhí) 行 機 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 給出的作物生長 所需的 最佳 理論 溫度， 0H 為給出洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 8 的理論最佳理論濕度。 Te 、 He 分別 是理想理論 值與實際 監(jiān)測 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。 因為 實際中溫 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 模糊邏輯控制器， 其推理設計方法 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 變化范圍 構(gòu)造 模糊化表。根據(jù) 這個方面 專家的知識經(jīng)驗 組成一個 知識庫，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，設計控制表格 ,計算出對應的模糊控制量。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 9 第 3 章 解耦方法的選擇 系統(tǒng)環(huán)境因子的研究 溫度對作物的影響 溫度是 影響農(nóng) 作物生長發(fā)育 相當 重要的環(huán)境因 素 之一。 農(nóng) 作物在 整體的生長發(fā)育過程 中所 需要 一切生物 及 化學反應， 全都是 在 特定 溫度下 發(fā)生的 。 農(nóng)作物生長發(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，如果溫度高于上限或者低于一定的溫度值，那么農(nóng)作物就會畸形生長或者無法生長和發(fā)育，甚至死亡。所有農(nóng) 作物 都有三個不同的溫度基點，即能生存的 最高溫度 和 最低溫度 以及 最 適合作物生長的 適宜溫度。 由于作物的種類、品種等不同，它們生長發(fā)育的最適宜溫度也不一樣 。溫室內(nèi)的地溫 、氣溫 以及 營養(yǎng)液的 溫度都有 對作物的呼吸作用 、 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、光合 作用 和 大部分產(chǎn)物 運輸 是同 一時刻完 成 的。如果下午和 晚上 的溫度 偏低時 ，葉 子 中光合 作用的 產(chǎn)物就 不能 運輸 出去， 那么 葉 子就會 變厚、 同時會發(fā) 紫，衰老 的速度也會比較快 ， 就會消弱以后 的光合作用， 使 光合強度 明顯 下降。如果光 的強度比 較洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 10 弱， 而溫室內(nèi)溫度較 高，光合 作用的強度就會 較 弱 ， 而呼吸作用就相對多一些 ，則 作物枝干比較瘦小脆弱，葉子也會表薄 。有 結(jié)果 表明，在 作物的生 長發(fā) 育過程 中如果 夜 晚 營養(yǎng)液 的 溫度 比溫室環(huán)境溫度高 ，能 加快 作物 的生長。 作物生長發(fā)育 前期 溫室 溫度應高 一些 ， 有利于葉面積指數(shù)的增加 。到達 生 長發(fā) 育 的 中后期后，葉面積指數(shù) 就能夠達 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 。在這個階段 就應該 適當 的下降溫室 溫度， 來不斷 積累凈光合 作用的 產(chǎn)物。 濕度對作物的影響 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，同時溫室中的濕度偏高也會大大加大作物發(fā)生病蟲害的發(fā)生率。并且，濕度的不適宜會導致作物產(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)的濕度會很容易的比地面的濕度的高一些。適宜作物生長發(fā)育的環(huán)境白天為相對空氣濕度大概在 35%左右，晚上為相對空氣濕度是 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的最適宜溫度。 表 32 常見溫室作物生育適應濕度 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、露點溫度、含濕量、相對濕度 、 絕對濕度和飽和差等，在 此次研究中 的濕度 用的是 相 對濕度表示。相對濕度通常用 %表示，記作 %RH。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 11 溫度和濕度的耦合關(guān)系 長期以來，溫室環(huán)境因子研究的重點 都是 溫度和濕度的 耦合 關(guān)系， 只有 經(jīng)過 眾多 的實踐經(jīng)驗 并 總結(jié) 規(guī)律才能 正確 領悟兩者 之間 存在 的 耦合 關(guān)系。 溫度和濕度這是兩個耦合度很高的環(huán)境因子，只要其中的一個因子改變那么另外一個也會跟著做出相對的改變，因此想要同時控制這兩個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，那么濕度也會跟著下降，因為如果溫室內(nèi)的溫度高上升，溫室內(nèi)土壤里的水分蒸發(fā)出來同時作物的蒸騰作用也會加強，加起來就會造成 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，那么溫室溫度也會發(fā)生逆向的變化。 本 文所 研究 的 對象 是 溫室 環(huán)境中的 溫濕度 這兩個因子 ， 它們 具有非線性、時變性、多變量 耦合 性 、 控制時延性、分布不均勻性等 特點 。首先，溫室就相當于一個系統(tǒng)，其氣候是一種 熱平衡狀態(tài)， 所以按照普通的 方法對其進行建模是不合理的，適用性也會較差 。其 次 ， 通常來說 溫室 環(huán)境的建筑 面積都 相對來說很 大， 每個地方，每個角落的溫濕度也會有所不一樣 ，一般 四周 的溫濕度 都 會 比中間的 要 低 一些 ， 上 部和 下 部 同樣也會 有 些 差別，其值的大小 取決 于氣流的 流動 方向 和 空間位置等 多種 因素，溫室 的構(gòu)造環(huán)境也會 對溫濕度 產(chǎn)生一定的 影響。其三，因為作物 的 吸 收 熱 量和 散 發(fā) 熱 量的 能力 以及 光合作用 的 能力 它們的生長發(fā)育階段有關(guān) ，所以 整個 溫室 的 氣候 也會跟著作物的成長周