温室环境因子的仿人控制系统

1、对象与系统描述 　　建立在IPC机上的温室环境因子监控系统如图1所示： 　　Y=F（U，W），其中Y为大棚室内环境因子，包括温度、湿度、地表温度、土壤水势、CO2浓度、光照度等环境变量；U为调控变量，包括东西侧窗开度、排风扇、水泵电磁阀、气泵、水帘、遮荫帘、暖气电磁阀、天窗等；W为室外气象，包括气温、湿度、风向、风级、晴/阴。温室环境因子监测与控制示意图如图2所示： 　　现场环境因子Y要求跟随环境因子模型。即受控温室内环境因子必须满足作物在不同生长阶段的生长需求。 2、环境因子模型 　　植物的生长发育需要适宜的温度、湿度、阳光、二氧化碳等环境条件。环境因子模型的设定是控制的依据，它决定了环境因子调节的效果。因此环境因子模型的设计是一项关键性的工作。 环境因子模型设计需要考虑以下几点： （1）随植物一天中生理活动中心的转移，对环境因子的需求是个变值。 　　比如，温度和二氧化碳是植物光合作用的重要条件，白天阳光充足时，提高温度和二氧化碳浓度，有利于植物制造更多的光合产物，补充呼吸对营养物质的消耗。晚上光照很弱，为减少呼吸对营养物质的消耗，必须调低温度。因此环境因子模型应一天内分时段设定。 （2）同一种蔬菜在不同生长发育时期，对环境因子的需求是不同的。 　　如黄瓜，在缓苗期，为促进新根生长以有利于缓苗，应尽量提高室内温度，白天：25℃—28℃，夜间：13℃—15℃。缓苗后到根瓜采收期，以促根控秧为中心，尽量控制植株徒长，促进根系发育，在温度管理上适当加大温差，实行四段变温管理，午前为26℃—28℃，午后为20℃—22℃，前半夜为15℃—17℃，后半夜为10℃—12℃。在结瓜期，温度管理仍采用“四段变温管理”，但其温度指标可适当提高，午前：28℃—30℃，午后：22℃—24℃，前半夜：17℃—19℃，后半夜：12℃—14℃。 （3）不同种类蔬菜对环境因子的需求不同。 　　比如甜瓜白天适宜温度为25℃—30℃，夜间为15℃—20℃；西瓜白天为25℃—32℃，夜间为18℃—20℃；黄瓜白天为25℃—30℃，夜间为15℃—20℃；番茄白天为20℃—30℃，夜间为10℃—15℃。 （4）环境因子模型设计要考虑不同种植地区的气候环境特点，特别是昼夜温差特点，日照时间长短特点。 （5）各环境因子模型数值结构一致性处理和泛化设计。 　　通过对植物生长发育需求分析，可把环境因子归结为三类：三生长期四时间带类，如温度因子；三生长期类，如土壤水势；四时间带类，如光照度和二氧化碳。三生长期四时间带类是指植物在移植缓苗期、生长发育期和盛果期以及在一天中的四个时间段，对温度的要求不同；三生长期类是指植物在移植缓苗期、生长发育期和盛果期对土壤水分需求不同，而在一天的不同时间段对土壤水分的需求并无太大差异；四时间带类是指植物在一天的四个时间带对光照度和二氧化碳浓度的需求有差异，而在不同生长期并无太大的差异。 　　数据结构的一致性处理，就是将三类环境因子都归一为温度因子的数据结构，即使光照度因子、二氧化碳因子在三个生长期具有相同的模型，土壤水分在四个时间带有相同的模型。 　　泛化设计就是使环境因子模型能适用于不同类植物，又适用于不同种植地区。泛化的办法是：按三个生长期、四个时间带数值结构建立植物环境因子数据库。数据库具有增加、修改、删除、查调等功能。按植物类名可查找出要使用的环境因子模型。农业技术人员可根据经验对环境因子参数作调整，可对数据库中没有的蔬菜类环境因子参数进行补充。 　　基于上述几个问题的考虑，在VB下设计出的与环境因子模型库连接界面如图3所示： 5、结束语 　　环境因子模型数据结构的一致性处理、环境因子模型的泛化设计及控制器的泛化设计使本系统的设计工作大为简化，同时，环境因子仿人控制系统充分吸收了农业技术人员的管理经验，并提供了操作方便的人机界面，保证了系统运行中的安全性和可靠性。本系统自2002年3月29日提交使用并逐步完善规则后，至今运行效果良好。 参考文献： [1]申广玉等，基于工控机的中央空调控制系统，自动化博览，2000，（3）。 [2]苏剑波、李少远，自动控制理论、技术与应用，上海交通大学出版社，2000。 [3]孙增圻等，智能控制理论与技术,北京：清华大学出版社，1997。