溫室溫濕度耦合控制方法研究

　　摘要:為解決溫室溫度、濕度環(huán)境精準(zhǔn)控制問題，基于PID算法并結(jié)合溫度、濕度熱力學(xué)分析，提出了一種溫室溫濕度耦合控制方法。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合參數(shù)辨識(shí)方法建立溫室溫度、濕度的數(shù)學(xué)模型;從熱力學(xué)角度分析溫度與濕度之間存在的耦合關(guān)系，得出溫濕度耦合函數(shù);將耦合函數(shù)作為溫濕度之間的影響關(guān)系添加到基于PID算法的控制模型中，最終建立了基于PID算法的溫濕度耦合控制模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:加入溫濕度耦合關(guān)系后，耦合控制相較于無耦合控制方法，溫度控制與濕度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)間分別減少73.3%和50%，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差均為0，系統(tǒng)更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。溫濕度獨(dú)立控制方法很難實(shí)現(xiàn)溫室溫度與濕度的協(xié)調(diào)準(zhǔn)確控制，而采用耦合控制方法能夠大幅度提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性及準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了溫室溫濕度的精準(zhǔn)控制，從而提高了溫室作物的生產(chǎn)品質(zhì)。

　　關(guān)鍵詞:溫室;溫濕度;PID;熱力學(xué);耦合控制

　　0引言

　　溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化過程中占據(jù)重要地位。改革開放之后，我國從日本、荷蘭等地區(qū)引進(jìn)了大量現(xiàn)代化溫室，但由于氣候、管理技術(shù)、信息化技術(shù)等原因，該類溫室在我國出現(xiàn)了“水土不服”的現(xiàn)象。目前，我國溫室面積已躍居世界第1位，但溫室生產(chǎn)與管理水平仍與發(fā)達(dá)國家有很大差距[1-3]。

　　溫室通過各類設(shè)備對(duì)內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，使作物生長不受自然環(huán)境的影響，從而實(shí)現(xiàn)作物的周年供應(yīng)。溫室中影響作物生長的主要環(huán)境因子有溫度、濕度、二氧化碳濃度及光照度等，多環(huán)境因子之間相互影響、相互制約導(dǎo)致了溫室環(huán)境是一個(gè)存在多變量的大慣性、非線性系統(tǒng)，且具有耦合、延遲等現(xiàn)象[4-6]。

　　溫室環(huán)境協(xié)調(diào)控制一直是國內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，而溫度、濕度作為影響作物生長的最主要的兩個(gè)因素，許多學(xué)者對(duì)它們的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究。申超群[7]等人提出了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的溫室溫度控制，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RBF對(duì)PID中的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，提高了溫室溫度的控制精度。楊旭[8]設(shè)計(jì)了基于PLC的農(nóng)業(yè)溫室模糊控制系統(tǒng)，基于模糊PID對(duì)溫室溫度、濕度進(jìn)行控制。楊彬[9]應(yīng)用模糊控制理論，主要對(duì)溫室的溫度、濕度環(huán)境因子進(jìn)行自動(dòng)控制。王健[10]等人運(yùn)用變論域模糊控制理論提出了符合北方溫室番茄種植的智能溫度控制策略。ItoK[11]設(shè)計(jì)了一種采用木球加熱系統(tǒng)的溫室溫度控制器，采用模型預(yù)測控制來精確實(shí)現(xiàn)溫室溫度控制。

　　目前，針對(duì)溫室溫度、濕度的單因素高精度控制研究已經(jīng)較為成熟，但對(duì)于溫室溫度濕度協(xié)調(diào)高精度控制問題尚有待提高，這也成為當(dāng)前我國智能溫室發(fā)展的一大阻礙。為此，筆者從熱力學(xué)的角度出發(fā)，根據(jù)干球溫度與濕球溫度來計(jì)算濕空氣相對(duì)濕度的方法分析溫濕度之間的耦合關(guān)系[12];通過實(shí)驗(yàn)對(duì)溫室溫度、濕度進(jìn)行建模，將耦合關(guān)系結(jié)合PID算法建立了溫室溫濕度耦合控制模型，最終實(shí)現(xiàn)了溫室溫濕度的高精度協(xié)調(diào)控制。

　　1溫室溫度、濕度模型建立

　　1.1溫室環(huán)境控制方法

　　溫室內(nèi)部影響作物生長的主要環(huán)境因子有溫度、濕度、二氧化碳濃度及光照度等，這些環(huán)境因子不僅受外界氣候、作物生長影響，而且互相影響、互相制約。其中，二氧化碳濃度和光照度的耦合性不高，可采用獨(dú)立的閾值控制方式。溫室溫濕度變化是一種非線性、大滯后且互相影響的復(fù)雜過程，獨(dú)立溫濕度控制方式準(zhǔn)確度較低，需要對(duì)耦合關(guān)系進(jìn)行分析。本文對(duì)溫室溫度、濕度分別用PID算法進(jìn)行控制，同時(shí)考慮溫濕度之間的耦合影響，從而以修正反饋量的方式進(jìn)行綜合控制。

　　1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)施

　　實(shí)驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的2MH-655B型循環(huán)運(yùn)動(dòng)式溫室大棚(長×寬×高=12m×5.5m×3.6m)進(jìn)行，占地面積66m2，溫度控制設(shè)備為溫室專用空調(diào)，濕度控制設(shè)備為霧化噴淋系統(tǒng)與除濕設(shè)備。

　　1.3基于實(shí)驗(yàn)法的溫室溫度模型建立

　　1.3.1溫度模型

　　被控對(duì)象受內(nèi)部和外界影響較大，其數(shù)學(xué)模型是隨時(shí)間變化的，難以建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。

　　2溫濕度關(guān)系的熱力學(xué)分析

　　要建立溫濕度耦合模型，首先要確立溫濕度之間存在的關(guān)系，對(duì)于密閉環(huán)境的溫室來說，溫度的升高必然會(huì)導(dǎo)致濕度的下降，濕度的升高同樣會(huì)造成溫度的下降，因此建立溫濕度之間的耦合關(guān)系是建立溫濕度耦合模型的關(guān)鍵。為此，通過熱力學(xué)公式分析溫濕度之間存在的關(guān)系，擬合溫室的溫濕度耦合關(guān)系。

　　2.1溫濕度的熱力學(xué)關(guān)系

　　含有水蒸氣的空氣稱為濕空氣，將濕空氣看作混合物，以干空氣為溶劑，水蒸氣為溶質(zhì)，溫濕度之間相互影響主要由濕空氣中水蒸氣的含量決定。濕空氣的濕度通常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和比濕度來表示，由于絕對(duì)濕度并不能判斷空氣是否還能繼續(xù)吸濕，通常采用相對(duì)濕度或比濕度來衡量。一般生活中、天氣預(yù)報(bào)中，大多使用相對(duì)濕度[16](該小節(jié)溫度單位未注釋，默認(rèn)為K)。

　　3.2濕度Simulink模型的建立

　　單獨(dú)PID溫度控制上升時(shí)間約1300s，超調(diào)量為2%，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間為3000s，用時(shí) 長且存在穩(wěn)態(tài)誤差;加入濕度耦合控制關(guān)系后，系統(tǒng)上升時(shí)間約800s，超調(diào)量為0，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0。綜合對(duì)比可知:對(duì)于溫度控制，溫濕度耦合控制方式系統(tǒng)更加穩(wěn)定，響應(yīng)更快速，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間減少73.3%，控制精度更高。單獨(dú)PID濕度控制超調(diào)量為1.3%，上升時(shí)間約1300s，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間約2400s;加入溫度耦合控制關(guān)系后，設(shè)定初始值35%RH，由于溫度影響，濕度的初始值達(dá)到55%RH，系統(tǒng)超調(diào)量為14.67%，上升時(shí)間約300s，峰值時(shí)間200s，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間為1200s。綜合對(duì)比可知:濕溫度耦合控制方式系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間減少50%，且系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，控制精度高。

　　4結(jié)論

　　從熱力學(xué)角度分析了溫室小環(huán)境中溫度與濕度的耦合關(guān)系，并結(jié)合長沙地區(qū)的氣候?qū)嶋H特點(diǎn)得出了溫濕度耦合函數(shù)。以階躍信號(hào)為輸入進(jìn)行溫室溫度、濕度實(shí)驗(yàn)，得到階躍響應(yīng)曲線，對(duì)曲線進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)建立溫室溫度、濕度的數(shù)學(xué)模型。在PID溫度、濕度控制方法的基礎(chǔ)上加入溫室溫濕度耦合關(guān)系后，建立了溫室溫濕度耦合控制模型，經(jīng)Simulink建模仿真可知，該方法具有良好的控制效果。

　　農(nóng)業(yè)方向論文投稿刊物：《中國農(nóng)學(xué)通報(bào)》(ChineseAgriculturalScienceBulletin)雜志創(chuàng)刊于1984年，由中國農(nóng)學(xué)會(huì)主辦，由我國著名農(nóng)業(yè)科學(xué)家、兩院院士石元春教授擔(dān)任主編的綜合性農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)期刊。雜志以農(nóng)業(yè)科研院、校副高以上中青年專家、學(xué)科帶頭人和博士、碩士為主要作者群，以省部級(jí)以上科研基金項(xiàng)目論文為重點(diǎn)，高質(zhì)量、高水平的學(xué)術(shù)半月刊，國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)為CNll一1984/S，國際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN1000-6850，郵發(fā)代號(hào)：2-772.

　　相較于溫室溫度、濕度單因素控制，耦合PID控制方式在加入干擾后能始終處于穩(wěn)定狀態(tài);在快速性方面，耦合PID控制方式達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間更短，系統(tǒng)遇到干擾的響應(yīng)也更加快速;在準(zhǔn)確性方面，耦合PID控制方式的控制精度更高。由于存在測量誤差以及耦合函數(shù)階數(shù)選取等因素，實(shí)驗(yàn)僅得出實(shí)際溫室系統(tǒng)的近似模型，在一定程度上影響了控制系統(tǒng)的控制精度，后續(xù)將在縮小誤差及加入熵值方面對(duì)溫濕度耦合關(guān)系的影響進(jìn)行研究，以提高系統(tǒng)控制效果，同時(shí)將控制方法用于芫荽的溫室種植中，以實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化本研究。

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　　作者：高立婷1a，戴思慧1b，徐新明1a，周娟1a，李明2

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