基于LABVIEW的溫室自動控制系統(tǒng)設計

廖陽明

(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545004)

1 前言

在當前的人民生活環(huán)境中，溫室有著十分重要的作用。最常見的，如溫室的蔬菜大棚以及一些工業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)中的一些恒溫應用環(huán)境。正是由于溫室的出現(xiàn)，使得人們在工業(yè)、醫(yī)藥以及農(nóng)業(yè)等多個領域中，取得了突破性的進展[1-3]。對社會經(jīng)濟帶來了十分明顯的促進作用。然而，任何一個溫室的應用環(huán)境，都需要采取相應的措施來保證溫室中溫度的恒定。而一個溫室中的溫度變化又受多方面的因素影響，其中又有溫室環(huán)境與外界環(huán)境之間的熱量交換的影響，也有溫室內(nèi)部自身的一些因素[4-5]。比如存放在溫室內(nèi)部的物品釋放或吸收的熱量以及溫室環(huán)境內(nèi)部由于氣流的擾動而帶來的溫度的變化等等。事實上，隨著溫室的空間越來越大，溫室所要求達到穩(wěn)定的溫度值的精度越來越高，從而使得溫室中溫度自動控制的技術的要求也越來越高[6-7]。

此前，有一些學者曾開展過針對溫室中溫度自動控制的相關研究。比如：李紀文，駱德淵，劉榮采用將PID控制算法的方法,得到根據(jù)不同植物生長要求設定變化曲線來控制溫室溫度平穩(wěn)準確的變化的結果[8]。汪金營，胡瑤玫，呂亞洲等針對滴灌技術對溫室中的植物的作用，采用自動監(jiān)測與控制的方法，最終保證植物及時得到其所需的水分與養(yǎng)料[9]。

在這些溫室控制的相關研究中，有不少研究成果中提到采用閉環(huán)控制的策略來控制溫室中的溫度。采用閉環(huán)控制策略的溫室控制原理，通過對溫室中溫度進行監(jiān)測，同時將監(jiān)測到的溫度值預先設定的溫度值進行對比，并根據(jù)溫度的差值調(diào)整溫室中的溫度控制裝置，盡可能地使溫度趨于穩(wěn)定[10-12]。但是在這種控制策略中，由于溫室環(huán)境中的溫度本身就難以精確測定，同時在溫室中溫度在動態(tài)變化的時候再進行相應的溫度調(diào)整及調(diào)整效果，具有明顯的滯后性，而且在調(diào)整過程當中，還很容易出現(xiàn)溫室中的溫度產(chǎn)生震蕩的現(xiàn)象[13-14]。為了提高溫室中溫度控制的精度，尤其是避免在溫度調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)溫度滯后以及溫度震蕩的現(xiàn)象，需要引入一些自動控制的理論和技術，解決溫室中溫度控制的問題。

2 智能控制模型及算法

為了提高溫室控制和溫室中溫度自動控制系統(tǒng)的響應精度和智能化的程度，可以引入目前經(jīng)典的PID控制器作為溫室中溫度自動控制的決策源。由于PID控制器是一種非常經(jīng)典的應用于工業(yè)控制領域的自動控制裝置，其具有控制自動化程度高、調(diào)整方便、易于實現(xiàn)等特點，因此在工業(yè)應用領域中，PID控制器有著非常廣泛的應用，而且使用的歷史時間也很悠久。

使用PID控制器作為溫室中溫度的自動控制裝置，其實現(xiàn)的基本原理如圖一所示。從圖1中可以看出，該控制器的基本工作過程首先是通過用戶對溫室中預期要保持的溫度設定一個初始值，之后通過部署在溫室內(nèi)部的傳感器采樣獲得溫室中的溫度數(shù)值，并將采樣得到的溫度值與預先設定的溫度值進行對比，如果采樣中得到的溫度值與預先設定的溫度值存在差異，則根據(jù)所存在的差異作為輸入條件，由PID控制器進行計算并給出一個溫度補償?shù)恼{(diào)整量，由溫度補償調(diào)整量控制溫室中溫度調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)目的。

圖1 基于PID的溫室溫度自動控制原理

其中，PID控制器其內(nèi)部實現(xiàn)的結構是一個由比例控制器、積分控制器和微分控制器三個而組成的一個復合控制器。整個PID控制器的數(shù)學表達式如公式1所示。對該公式的計算式采用多次采樣離散分析方法進行研究，可以講PID控制器的連續(xù)控制過程轉化為若干個連續(xù)采樣的階梯型變換過程。假設采樣周期為T，則通過對PID控制器連續(xù)n次的采樣之后，得到PID控制器的計算模型如式2所示。

C1 為比例控制系數(shù)，C2為積分控制系數(shù)，C3為微分控制系數(shù)

確定了PID控制模型之后，將需要根據(jù)溫室中溫度控制的目的，對PID控制器各參數(shù)進行整定。事實上對PID控制器各參數(shù)的整定一直是PID控制器設計和應用過程中的一個關鍵環(huán)節(jié)。目前對PID參數(shù)進行整定的方法主要有兩種。一種是通過對應用環(huán)境和應用對象進行精確建模，將應用對象的各種影響因子和工作流程都進行建模分析，建立PID控制器被控制對象的模型表達式。之后采用數(shù)學分析的方法，利用逐次逼近的計算過程最終得到 PID控制器最佳的控制參數(shù)，從而完成對PID參數(shù)的整定。另一種方式是通過大量的實驗數(shù)字統(tǒng)計，在統(tǒng)計過程中分析PID控制器最佳的控制參數(shù)，并從中歸納出PID控制器最佳的整定參數(shù)，作為PID控制器的參數(shù)整定結果。這兩種參數(shù)整定的方法各有優(yōu)缺點，其中采用建模的方式進行參數(shù)整定，其優(yōu)點是得到的PID參數(shù)整定結果，在理論上可以保證是較優(yōu)的結果，但是對一個復雜的應用系統(tǒng)，其模型的建立過程是很困難的，甚至是可能會由于模型建立不夠逼近實際的應用場景，而導致所得到的PID整定的參數(shù)與實際需求有較大偏差。而采用實驗統(tǒng)計的方式，其優(yōu)點是得到的PID整定的參數(shù)結果與實際的應用場景非常接近，但是缺點是，如果實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計量不夠多，樣本不夠全面，則不能保證最終得到的PID整定參數(shù)結果是最優(yōu)的。

文章在研究基于 PID的溫室自動控制模型和算法過程中，結合了兩種參數(shù)整定的特點。首先對溫室環(huán)境中的溫度控制需求進行簡單地建模，之后使用不同的PID參數(shù)，對溫室的溫度自動控制過程進行統(tǒng)計測試，最終得到應用于文章中研究的溫室自動控制系統(tǒng)其整定后的各參數(shù)值如式 3所示。

3 溫室溫度自動控制系統(tǒng)組成結構

在文章中研究的基于PID溫室溫度自動控制系統(tǒng)的基礎上，設計了溫室中溫室自動控制系統(tǒng)的詳細組成結構，如圖2所示。從圖2可以看出，溫室溫度自動控制系統(tǒng)首先通過部署在溫室中各個不同位置區(qū)域的溫度傳感器，采集溫室中當前的溫度值。由于溫室的空間相對比較大，為了能夠獲得溫室中各空間區(qū)域的準確溫度值，避免由于溫室內(nèi)部溫度分布不均勻而導致調(diào)節(jié)的誤差，因此在溫室中所部屬的溫度傳感器，應該盡可能地分布在溫室內(nèi)部不同的區(qū)域，而且分布空間應該盡可能地均勻，以實現(xiàn)溫室內(nèi)部各個位置點的溫度監(jiān)測。通過溫度傳感器采樣得到的溫度值，未必都互相一致，這既有可能是由于溫度傳感器自身的誤差所導致，同時也有可能是由于溫室內(nèi)部溫度本身分布不均勻從而導致個采樣點的溫度出現(xiàn)偏差。為此，經(jīng)過多個采樣點采樣得到的溫度值需要對各個溫度值進行數(shù)據(jù)的融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的過程需要由微處理器完成，在微處理器中，通過設置專門的溫度數(shù)據(jù)，融合算法，結合溫室的空間尺寸和形狀，對各個溫度采樣點采樣得到的溫度值，設定不同的權重。最終經(jīng)過數(shù)據(jù)融合之后，得到溫室中相對準確的溫度采樣值，之后將溫度采樣值與預先設定的溫度調(diào)節(jié)目標進行計算，得到當前的溫室中的溫度值與實際的控制目標之間的差異，并將其差值送入PID控制器。PID控制器再由其內(nèi)置的比例控制器、積分控制器和微分控制器共同計算得到對溫室中溫度自動控制的調(diào)節(jié)參數(shù)，最后將溫室中溫度自動調(diào)節(jié)裝置的相關指令分別送給溫室加熱裝置或者溫室制冷裝置，完成對溫室中溫度調(diào)節(jié)的任務。其中，PID控制器內(nèi)部的比例控制器、積分控制器和微分控制器，其控制參數(shù)都需要通過PID參數(shù)整定進行獲取，而且在運行過程中，PID控制器的參數(shù)值還可以隨著應用環(huán)境和應用需求的變化，對PID參數(shù)整定的結果進行調(diào)整，使得PID控制模型與實際的應用環(huán)境更為貼近。在本文設計的PID溫度自動控制系統(tǒng)中，從溫度傳感器采樣溫室內(nèi)的溫度值，到對溫室內(nèi)的加熱或制冷裝置進行調(diào)節(jié)，整體形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得溫室內(nèi)的溫度控制能夠循環(huán)不斷地朝著預先設定的溫度值進行調(diào)整和修正，最終達到預先設定的溫度值，整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)進入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 溫室溫度自動控制系統(tǒng)組成結構

4 LABVIEW的仿真測試方案

為了對文章中設計的PID控制器其控制性能進行分析驗證，文章設計了溫室自動控制系統(tǒng)，其實際的溫度調(diào)節(jié)能力。在LABVIEW的環(huán)境中設計了仿真測試方案。其中LABVIEW是一種專用的程序開發(fā)環(huán)境，其和傳統(tǒng)的程序開發(fā)環(huán)境不同的是，傳統(tǒng)的C語言之類的程序開發(fā)環(huán)境都是基于指定的開發(fā)環(huán)境，用戶在這類環(huán)境下設計用戶程序，需要通過指令的編寫最后完成用戶預期的功能。而LABVIEW的編程環(huán)境則是基于圖形化的編程環(huán)境。用戶在LABVIEW的開發(fā)環(huán)境中只需要拖動相應的圖標，最終就能夠構建出用戶預期需要設計的程序任務，程序的最終形式也是以圖形化的方式進行表示。

使用LABVIEW的編程環(huán)境進行仿真測試，其最大的優(yōu)點是測試環(huán)境非常易于建立，而且應用LABVIEW的環(huán)境建立的測試方案中能夠很容易地將溫室自動控制應用環(huán)境中各種設備和裝置在測試圖中得到反映。而對于文章中設計的PID控制器是整個溫室自動控制系統(tǒng)中的核心部分，在LABVIEW的編程環(huán)境中，可以對PID控制器專門編寫控制器的程序代碼，而且在測試過程中，可以對單個的應用模塊，如PID控制模塊使用不同的程序代碼進行替換，從而使得對溫室自動控制的測試過程中，能夠實現(xiàn)控制方式的對比測試。

文章通過研究和分析，設計了基于LABVIEW的溫室自動控制系統(tǒng)仿真測試方案，并編寫了測試方案中的PID控制器中的對應的圖形化源代碼。通過實驗測試得到如圖3所示的測試結果。測試過程中分布選定15oC和25oC的溫度作為PID控制器的控制目標溫度，測試了PID控制器的控制能力。從測試結果可以看出，針對25oC的控制溫度，PID的控制器穩(wěn)定性要低于15oC的控制溫度，PID控制器經(jīng)歷了近4個振蕩周期系統(tǒng)才趨于穩(wěn)定。

圖3 PID控制器對不同溫度控制曲線圖

5 總結

溫室中溫度的自動控制系統(tǒng)，對溫室的溫度調(diào)節(jié)和保持有著十分重要的作用。而傳統(tǒng)的溫室自動控制系統(tǒng)，往往是將主要的研究工作都放在了溫度的采樣以及對溫度調(diào)節(jié)裝置發(fā)送控制命令的實現(xiàn)過程。而事實上，溫室的溫度自動控制最關鍵的環(huán)節(jié)是，如何智能自動的調(diào)節(jié)產(chǎn)生溫度控制策略，文章通過深入地研究基于PID的溫度控制，利用LABVIEW編程環(huán)境，開發(fā)并設計了基于LABVIEW的溫室溫度自動控制系統(tǒng)。詳細研究了該系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并通過實驗測試驗證了系統(tǒng)設計的可行性與有效性，具有較強的實驗運用價值。

[1]陽斌,秦琳,石春,等.基于CANopen 協(xié)議的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].測試技術,2012(11):71-74.

[2]張立眾.PID現(xiàn)場實驗整定法在溫度控制系統(tǒng)中的運用研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2009,.21(01):362-364.

[3]李紀文,駱德淵,劉榮.溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng)的設計[J].微計算機信息,2009,.25(01):12-13,45.

[4]董瑞洪,梁磊,任旭鵬.溫度控制系統(tǒng)的無超調(diào)模糊-PID控制器設計[J].科學技術與工程,2009,.9(02):267-271.

[5]李建海,張大為,張凱,劉迪.數(shù)字 PID 控制器在溫度控制系統(tǒng)中的應用[J].電子測量技術,2009, 32(04): 100-103.

[6]黃蘭清,唐立偉.經(jīng)濟型智能溫室控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)機械.2009(08):79-82.

[7]李紀文,駱德淵,劉榮.數(shù)字PID在溫室環(huán)境自動控制中的應用[J].農(nóng)機化研究,2009,31(01):205-207.

[8]汪金營,胡瑤玫,呂亞洲,徐踐.自動控制溫室滴灌系統(tǒng)的應用研究[J].節(jié)水灌溉,2010(07):44-45,48.

[9]張玉亮,梁居寶.基于GPRS和WEB的溫室遠程自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息.2010(11):20-22,11.

[10]李紀文,駱德淵,劉榮.數(shù)字PID在溫室環(huán)境自動控制中的應用[J].農(nóng)機化研究,2009,31(01):205-207.

[11]胡文鋒,肖飛.基于嵌入式技術的溫室小氣候智能化控制系統(tǒng)[J].熱帶農(nóng)業(yè)工程,2011,35(01):21-23.

[12]劉建波.基于Web的網(wǎng)絡設備遠程控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].西華大學學報(自然科學版).2011,30(04):86-89.

[13]顧陳耀,胡志強,吳云,杜成超.溫室大棚卷簾機無線遠程控制系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代電子技術,2011,.34(19):44-45,48.

[14]張德寧,溫鵬,耿麗微.基于STC89C52的溫室溫度和光照測控系統(tǒng)設計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2011,39(01):1145-1147.