基于溫濕度的多模式溫室設備控制策略設計_田宏武.pdf

基于溫濕度的多模式溫室設備控制策略設計 田宏武 1 申長軍 1 鄭文剛 2 1 國家農(nóng)業(yè)智能裝備技術研究中心 北京 100097 2 國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心 北京 100097 摘 要 針對簡易溫室以環(huán)境溫度和濕度為核心的調(diào)控對象 為提高控制設備的利用效率和減小調(diào)控過程中環(huán) 境波動 設計了以單片機為控制核心 基于調(diào)控設備類型劃分的多模式控制策略 通過日夜時段劃分 控制條件 選擇 運行屬性配置以及極端條件處理 實現(xiàn)了包括設備分級運行 聯(lián)動控制 應急保護 自動校準等功能 試驗 表明 該設計以相對簡單的方式實現(xiàn)了溫室內(nèi)溫度 濕度的多回路調(diào)控 同時減少了設備頻繁啟動 使溫室環(huán)境 變化相對平緩 關鍵詞 控制策略 溫室 溫度 濕度 多模式 中圖分類號 S625 5 文獻標識碼 A 文章編號 1003 188X 2013 09 0120 05 0 引言 溫室環(huán)境是一個多變量 非線性 時變滯后的系 統(tǒng) 各個變量之間具有一定的耦合關系 很難建立精 確的數(shù)學模型 1 3 同時 多數(shù)溫室調(diào)控設備較少 現(xiàn) 有的調(diào)控設備不可能對所有環(huán)境因子進行完全調(diào)控 環(huán)境溫度和濕度仍是核心指標 4 5 也是生產(chǎn)管理者 最關心的參數(shù) 目前 有大量針對模型控制 6 8 的研 究 而其實現(xiàn)必須依靠計算機和控制設備的結合 對 于大部分生產(chǎn)管理者而言 成本低廉 使用方便 易于 理解的溫室調(diào)控系統(tǒng)仍有較大的應用需求 為此 設 計了一套溫室專用多回路調(diào)控系統(tǒng) 并著重設計了設 備控制策略和基于優(yōu)先級控制的保護策略 既可對設 備獨立控制 又能實現(xiàn)不同類型設備間基于溫濕度多 參數(shù)聯(lián)合控制的輔助運行 設備聯(lián)動以及在惡劣氣象 條件下的強制保護及自動校準功能 系統(tǒng)成本低 操 作方便 便于擴展 適合普通用戶使用 1 系統(tǒng)硬件結構 系統(tǒng)以低成本宏晶系列 8 位單片機 STC12C5A60 S2 作為控制核心 采用雙路輸出 DC DC 開關電源 分別為主系統(tǒng)和 16 路繼電器干結點控制輸出部分單 獨供電 防止控制部分干擾引入 擴 展 按 鍵 以 及 240128 收稿日期 2012 09 13 基金項目 十二五 農(nóng)村領域國家科技支撐計劃項目 2012AA1019 03 作者簡介 田宏武 1981 男 河北遷西人 助理研究員 碩士 E mail tianhw nercita org cn 通訊作者 鄭文剛 1975 男 山東威海人 研究員 E mail zhengwg nercita org cn 點陣液晶作為人機界面 實現(xiàn)控制參數(shù)設置 數(shù)據(jù)及 設備狀態(tài)的實時在線顯示 輸入端擴展標準電壓電流 模擬信號 脈沖信號 狀態(tài)輸入信號等 3 種類型采集 接口分別用于溫濕度及其他傳感器 雨量 風速以及 外部狀態(tài)輸入信號的測量 同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線查詢和 USB 導出功能 系統(tǒng)硬件結構 如圖 1 所示 圖 1 系統(tǒng)硬件結構框圖 2 系統(tǒng)結構設計 2 1 設備類型劃分 溫室中主要的調(diào)控設備包括天窗 側窗 遮陽網(wǎng) 風機 濕簾泵和照明等 根據(jù)其使用中的控制方式將 以上設備分為兩類 雙向型 正反轉型 和開關型 利 用電機轉動控制的天窗 側窗等稱為雙向型設備 其 開 關 控制需分別使用單獨的通道實現(xiàn) 而風機 濕簾等的控制可用單獨的通道實現(xiàn) 稱為開關型 在 實際系統(tǒng)設計中對于兩類設備在硬件和軟件上均需 區(qū)別處理 2 2 設備狀態(tài)劃分 為了適應溫室環(huán)境因子變化滯后性的特點同時保 護雙向設備驅動電機 為雙向設備運行全程劃分了若 干階段 使雙向設備 如天窗 可以逐級運行 保證環(huán) 021 2013 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期 境相對平穩(wěn)變化 避免由于全開全閉導致的環(huán)境因子 劇烈波動 雙向設備全程配置了關停 止 開停 止 開等待 關等待 打開 關閉共 6 個主要狀態(tài) 同 時為適應在特殊模式下使用還加入設備強制狀態(tài) 包 括強制開 強制開停 強制關 強制關停 4 個特殊狀 態(tài) 雙向設備主要狀態(tài)劃分示意圖 如圖 2 所示 圖 2 雙向設備狀態(tài)劃分示意圖 2 3 時間節(jié)點劃分 在溫室環(huán)境控制中 白天和夜間 特別是冬季 對 溫室內(nèi)環(huán)境的溫濕度要求和控制重點有所差異 同 時 地理位置的不同也會使得白天和夜間起始時間不 盡相同 因此 在系統(tǒng)設計中 加入了日夜起始時刻 設置 用戶可以根據(jù)實際情況設定日夜交替點 2 4 特殊狀態(tài)定義 2 4 1 降雨大風模式 保護模式 在系統(tǒng)正常使用中 惡劣的天氣會對溫室的結構 框架造成損壞 因此 加入降雨模式選擇 作為應用 軟件控制邏輯最高優(yōu)先級選項 保證在出現(xiàn)突發(fā)惡劣 天氣時 啟動應急程序保護溫室結構不受到破壞 在溫室控制過程中 經(jīng)常遇到降雨和刮風的天 氣 將對溫室內(nèi)作物造成破壞 且大風導致的負壓還 會對溫室覆蓋材料造成破壞 所以 在惡劣的氣象條 件下 要對作物和溫室覆蓋材料加以保護 為此 在 系統(tǒng)設計中加入了特殊天氣模式選擇 該模式在系 統(tǒng)的邏輯判斷中有最高的優(yōu)先級 其工作原理 在該 模式下 系統(tǒng)將根據(jù)連接的降雨狀態(tài)由風速傳感器首 先判斷當前是否處于惡劣天氣條件下 如果不是 則 系統(tǒng)按照正常模式運行 如果是則忽略設定的控制邏 輯 將指定的當前非處于關閉狀態(tài)的正反轉設備無條 件關閉 并且忽略運行的步間等待 當氣象條件恢復 正常后 系統(tǒng)會插入一定的延時判斷來確認特殊模式 的失效 防止了天氣變化較劇烈時的系統(tǒng) 抖動 該 模式失效后系統(tǒng)進入正常的邏輯控制模式 2 4 2 設備自動校準 雙向設備的運行以時間為基準 在使用過程中外 界因素如用戶手動操作可能會導致設備實際位置與 控制系統(tǒng)識別記憶的位置有所偏差 設備自動校準的 作用就是保證兩者的一致性 自動校準過程可描述 為 默認所有雙向設備當前處于全部打開 開 度 100 狀態(tài) 以最高優(yōu)先級根據(jù)設定的設備全程運行 時間參數(shù) 將設備從開度 100 無步間等待地關閉至 全關 0 狀態(tài) 然后退出校準狀態(tài) 啟動正常運行 以下 3 種情況之一將啟動設備的自動校準過程 包括 1 系統(tǒng)上電或系統(tǒng)斷電后重新啟動 2 白天夜間模式更替時間節(jié)點 3 對雙向設備的全程運行時間參數(shù) 打開步數(shù)進 行修改 此外 系統(tǒng)運行過程中如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)記錄位置和 設備實際位置偏差較大時 可通過一鍵式操作實現(xiàn)手 動強制校準 3 多模式控制邏輯設計 3 1 系統(tǒng)主任務結構 在系統(tǒng)設計中調(diào)控設備被劃分為兩種類型 在系 統(tǒng)應用軟件中 可根據(jù)白天和夜間溫室環(huán)境控制的不 同特點實現(xiàn)溫室環(huán)境白天和夜間兩種控制模式 通 過對不同的模式下不同類型的溫室調(diào)控設備 包括正 反轉型和開關型 運行方式的設計和設備間關聯(lián)運行 邏輯的設計 更加精確和高效地實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的自 動控制 提高設備的使用效率 降低能耗 根據(jù)溫室環(huán)境閉環(huán)控制的特點 將系統(tǒng)主循環(huán)任 務劃分為 3 部分 邏輯判斷 設備運行定時和設備狀 態(tài)更新 系統(tǒng)主循環(huán)任務結構圖 如圖 3 所示 圖 3 系統(tǒng)主循環(huán)任務結構圖 1 邏輯判斷 主程序根據(jù)當前時段和對不同類型 設備當前設定的控制條件進行邏輯判斷 如果滿足啟 動條件 則在主程序中啟動對應設備同時置位設備啟 動標志位 2 設備運行定時 主循環(huán)中 定時檢測是否有設 備啟動標記置位 如果有則啟動設備運行定時參數(shù) 并開始倒計時 當設備運行階段時間溢出時 置位設 備運行定時器溢出標記 等待狀態(tài)更新 3 設備狀態(tài)更新 程序主循環(huán)中定期檢測是否有 設備運行時間溢出標記 如有溢出則更新設備當前運 121 2013 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期 行狀態(tài) 根據(jù)實現(xiàn)定義的運行階段劃分 設備的最 新狀態(tài)將作為主程序邏輯判斷的最新依據(jù)進行新的 邏輯判斷和設備控制 從而實現(xiàn)閉環(huán)結構 3 2 多模式控制邏輯 根據(jù)上述對時間和設備類型的劃分 系統(tǒng)的獨立 控制邏輯可細分為雙向設備日模式 雙向設備夜模 式 開關設備日模式 開關設備夜模式 同時 通過獨 立控制邏輯的結合使用 可實現(xiàn)設備間聯(lián)動和常用的 調(diào)控過程 3 2 1 雙向設備日模式 以下選擇雙向設備天窗為例說明在白天和夜間模 式下不同控制邏輯的實現(xiàn)方法 雙向設備日模式參 數(shù)設置 降雨模式 是 否 控制條件 溫度 時間 時間 溫度 開始時間 HH MM 10 30 結束時間 HH MM 14 30 啟動溫度 35 0 溫度回差 5 0 打開步數(shù) 1 4 4 步間等待 s 300 與開關設備同步關閉 1 4 4 在正常情況下 在每天的 10 30 14 30 時段內(nèi) 當測量溫度高于設定溫度上限 35 時 則系統(tǒng)打開天 窗 打開的過程分為 4 個階段 每個階段打開全程的 25 在每個階段結束后 延時等待一定時間 如果 在此期間溫度調(diào)節(jié)至回差范圍內(nèi) 則保持當前位置 否則繼續(xù)打開 相反 如果測量溫度低于回差范圍下 則執(zhí)行設備關閉操作 打開和關閉均采取 邊打開 關閉 邊判斷 的方式 參數(shù) 與開關設備同步關閉 將在強制通風部分論述 雙向設備日模式控制流程 圖 如圖 4 所示 圖 4 雙向設備日模式控制流程圖 3 2 2 雙向設備夜模式 相對白天模式 雙向設備天窗夜間獨立運行的作 用是通過通風換氣降低溫室內(nèi)濕度 雙向設備夜模 式參數(shù)設置 開始時間 HH MM 20 30 結束時間 HH MM 22 30 開時長 HH MM 00 10 關時長 HH MM 00 10 最大開度 60 最低溫度 20 0 除啟動方式由時間決定外 為保護作物 設定了 最大開度和最低溫度兩個限制條件 且具有高優(yōu)先 級 天窗將在設定時段自動打開 且保證最大開度不 大于 60 根據(jù)設定的開關時長循環(huán)動作 如果檢測 到室外溫度過低或溫差過大 將強制停止通風過程 全部關閉天窗 防止溫室內(nèi)熱量流失 雙向設備運行的相關參數(shù)符合以下關系 T max S P max 100 1 T o T c T r T h 2 其中 P max 為設備指定開度百分比 S 為雙向設備 全程運行時間 T max 為設備打開為指定開度所需時間 T o 為設備全開時間 T c 為設備全關時間 T r 為設備運 221 2013 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期 行時間 T h 為設備運行停止后保持時間 3 2 3 特殊模式 1 強制通風 強制通風是在溫室一端設置側窗 在另一端設置風機 利用風機由室內(nèi)向室外排風 使 室內(nèi)形成負壓 強迫空氣通過側窗進入溫室 穿越溫 室由風機排出室外 在開關型設備白天參數(shù)設置中 強制打開雙向設 備 選項 具有最高優(yōu)先級 同時與上文提到的雙向設 備參數(shù) 與開關設備同步關 組合設置 實現(xiàn)在開關設 備 如風機 打開的同時無條件關閉指定的雙向設備 如側窗 實現(xiàn)強制通風 系統(tǒng)將對雙向設備的當前 狀態(tài)和相關運行參數(shù)進行自動調(diào)整 而當風機停止運 行時 側窗將退出強制狀態(tài) 強制邏輯失效 此時側窗 進入正?？刂七壿嫚顟B(tài) 如利用風機和窗戶實現(xiàn)強制通風 設置方式如 下 在雙向設備設置界面除了雙向設備 1 的設置界面 中 與開關設備同步關閉 選項不需要設置外 保持為 0 其余 2 3 4 雙向設備設置界面中需將 與開關設 備同步關閉 選項對應的編號設置為 4 強制通風使 用的風機 同時 在開關設備 4 的設置界面中 需要 相應的將 強制打開雙向設備 選項設置為配合其實 現(xiàn)強制通風設備編號 1 2 輔助通風加溫除濕 冬季 該模式只在夜間 模式有效 當室外溫度較低而雙向設備 窗戶 處于通 風除濕情況下 當開關設備連接加熱設備時 通過設 置夜間模式開關設備參數(shù)選項 協(xié)同設備 1 4 則 該輸出將與指雙向設備 協(xié)同 動作 被動 其優(yōu)先級 高于自身控制邏輯 其可理解為在進行開窗通風的 同時強制打開室內(nèi)加溫設備 通風結束天窗關閉后 強制加溫停止 按照自身控制邏輯運行 該過程用于輔助除濕和加溫 防止冬季可能出現(xiàn) 室內(nèi)外溫差太大導致的通風過程室內(nèi)溫度下降過快 的問題 3 多級降溫 溫室的降溫過程涉及多個設備 除 了通過天窗或側窗進行自然通風外 風機和濕簾泵也 是降溫的重要手段 特別是在夏季中午溫度較高且 升溫很快 單純的依靠風機不能達到迅速降溫的目 的 同時也會導致溫室內(nèi)部空氣干燥 影響作物生長 在此情況下經(jīng)常要在打開風機的同時打開濕簾泵 來 達到迅速降溫的目的 系統(tǒng)中通過對風機和水泵啟動條件的簡單設置就 能達到自動兩級降溫 假設控制輸出 1 連接的設備為 風機 控制設備 2 連接的設備為濕簾泵 風機輸出控制參數(shù) 控制條件 溫度 打開溫度 32 溫度回差 5 濕簾泵控制參數(shù) 控制條件 溫度 打開溫度 32 溫度回差 5 打開濕度 H 60 濕度回差 H 10 控制輸出 2 的溫度參數(shù)可以設置為大于或等于控 制輸出 1 的打開溫度值 當環(huán)境溫度超過 32 時 風 機打開 此時如果環(huán)境相對濕度小于 60 溫度較高 濕度不是很高的情況下 控制輸出 2 條件滿足 則濕 簾將打開 這樣用兩個設備實現(xiàn)了風機和濕簾的聯(lián)合 降溫加濕處理 如果控制輸出 2 的溫度上限設置高于 控制輸出 1 的限值 如 35 則將降溫劃分為了兩級 控制 當單獨風機降溫能夠滿足需求時濕簾泵不啟 動 如果風機降溫不能及時將環(huán)境溫度調(diào)控到適宜狀 態(tài) 環(huán)境溫度繼續(xù)升高超過 35 則啟動濕簾泵形成 聯(lián)合降溫 提高了降溫的效率 注意 此處引入了濕 度控制條件主要目的是防止啟動水泵后室內(nèi)濕度過 大 導致作物病蟲害的發(fā)生 4 結論 通過上述分析設計 為簡易溫室提供了一種以溫 室內(nèi)溫度和濕度為核心調(diào)控因子 針對調(diào)控設備的多 模式控制方法 通過對設備類型劃分以及控制參數(shù)的 設計 以相對簡單的方式實現(xiàn)了對溫度 濕度的合理 調(diào)控 包括單因子控制 優(yōu)先級控制以及設備聯(lián)動運 行 同時 充分考慮了地域時間差異因素 設備自身 屬性以及氣象信息等因素 加入了間隔運行 低溫優(yōu) 先 惡劣天氣保護等措施 保證了系統(tǒng)運行期間的安 全性 并在一定程度上降低了系統(tǒng)能耗 提高了效率 目前 系統(tǒng)已經(jīng)出口以色列 并且在實際生產(chǎn)中得到 應用 參考文獻 1 馮帆 邱立春 劉維佳 模糊控制在溫室溫濕度控制中的 應用 J 農(nóng)機化研究 2009 31 6 148 150 2 李紅軍 智能溫室控制算法和數(shù)據(jù)管理的研究 D 楊 凌 西北農(nóng)林科技大學 2007 3 王立舒 楊廣林 徐向峰 等 日光溫室溫 濕度模糊控制 系統(tǒng)研究 J 東北農(nóng)業(yè)大學學報 2005 36 5 625 627 4 盧佩 劉效勇 溫室大棚溫濕度模糊解耦控制系統(tǒng)設計 與仿真 J 農(nóng)機化研究 2010 32 1 44 47 321 2013 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期 5 蔡象元 現(xiàn)代蔬菜溫室設施和管理 M 上海 上?？萍?技術出版社 1999 6 王子樣 秦琳琳 吳剛 等 基于切換控制的溫室溫濕度 控制系統(tǒng)建模與預測控制 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2008 7 188 192 7 李琳 張領先 李道亮 等 溫室智能控制系統(tǒng)適用性評 價指標體系選擇模型 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2012 3 148 153 8 章海亮 劉雪梅 劉燕德 溫室環(huán)境下多變量的控制系統(tǒng) 設計 J 農(nóng)機化研究 2010 32 4 147 150 Multi mode Control Strategy Design of Greenhouse Equipment Based on Temperature and Humidity Tian Hongwu 1 Shen Changjun 1 Zheng Wengang 2 1 National esearch Center of Intelligent Equipment for Agriculture Beijing 100097 China 2 National Engineering esearch Center for Information Technology in Agriculture Beijing 100097 China Abstract For easy greenhouse ambient temperature and humidity as the core the regulation object in order to improve the use efficiency and reduce environmental fluctuations in the regulatory process of the control equipment multi mode control strategy which selected MCU as the core and based on the type of control equipment was designed bythrough the day and night periods dividing controlled conditions selection run property configuration and dealing with extreme con ditions to achieve a grading equipment running linkage control emergency protection automatic calibration function tests showed that the design realized in greenhouse temperature and humidity multi loop control by a simple method and reduced equipment frequently start to make changes in the greenhouse environment is relatively flat at the same time Key words control strategy greenhouse temperature humidity multi mode 上接第 119 頁 11 安東諾夫 履帶行駛裝置原理 M 魏宸官 譯 北京 國防工業(yè)出版社 1957 1 181 12 任奕林 文友先 李旭榮 計算機三維實體造型在工程 設計中的應用 J 農(nóng)機化研究 2005 4 245 247 13 毛文武 王雋燁 基于 Solidworks 的便攜式捆包機 CAD 三維建模與初步分析 J 包裝工程 2007 28 12 150 154 14 時玲 張海東 翟兆斌 等 我國微耕機技術現(xiàn)狀與發(fā)展 方向 J 農(nóng)機化研究 2004 5 1 4 15 高連興 師帥兵 拖拉機汽車學 M 北京 中國農(nóng)業(yè)出 版社 2009 179 206 Abstract ID 1003 188X 2013 09 0116 EA Design of a Small Double tracked Power Chassis Used in Mountainous Areas Du Mengmeng 1 Ji Jiangtao 1 Du Xinwu 1 He Zhitao 1 Liu Jianjun 2 1 Vehicle Motive Power Engineering College Henan University of Science Technology Luoyang 471003 China 2 Henan Tobacco Company Zhengzhou Branch Zhengzhou 450001 China Abstract In order to solve the problems of low mechanization level and great labor intensity of manual transportation film mulching and ridging a small double tracked power chassis and relevant farming equipments are designed Entity models of the power chassis s transmission system are built and virtual assembly simulation test and interference analysis are performed With the modular design methods independent working parts are developed so that the farming machine is to execute the tasks of rotary tilling ridging earthing weeding and spraying when they are attached to the power chassis by the fast hitch device Experiments indicate that this machine has excellent hill climbing capacity strong tractive and appendiculate performance good operating stability and high passing ability in soft farm lands Key words power chassis double tracked virtual assembly modularization rotary tilling mountainous areas 421 2013 年 9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 9 期