小生境環(huán)境因子主參數(shù)監(jiān)測與控制方法研究*

劉冬喆， 劉小剛， 劉亞秋

(1.昆明理工大學,云南 昆明 650042; 2.東北林業(yè)大學,黑龍江 哈爾濱 150040)

研究與探討

小生境環(huán)境因子主參數(shù)監(jiān)測與控制方法研究*

劉冬喆1， 劉小剛1， 劉亞秋2

(1.昆明理工大學,云南 昆明 650042; 2.東北林業(yè)大學,黑龍江 哈爾濱 150040)

作物生長實驗環(huán)境因子的高精度綜合控制自動化越來越成為生物技術研究的重要平臺支撐。在對作物生長環(huán)境的主要參數(shù)，尤其對土壤—空氣的溫濕度耦合系統(tǒng)進行了融合檢測分析的基礎上，提出無模型控制方法解決小生境環(huán)境耦合參數(shù)系統(tǒng)的主因子實時控制問題。該方法根據(jù)作物培育生產(chǎn)環(huán)境的參數(shù)工藝需求，模擬專家規(guī)范和無模型控制原理，對作物小生境實驗環(huán)境溫度、濕度耦合作用環(huán)境進行了實驗研究和具體設計。實驗結果驗證了該方法的有效性。

小生境； 環(huán)境因子； 溫濕度耦合； 土壤平衡含水率； 無模型控制

0 引 言

小生境生產(chǎn)系統(tǒng)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占重要地位，其作為一種特殊機構，隔離小生境室內(nèi)外氣候，并通過一定的調(diào)控手段影響和改變小氣候，避免了因四季交替和地區(qū)差異對小生境作物生長發(fā)育帶來的影響，達到速生、高產(chǎn)、優(yōu)質、高效和反季節(jié)生產(chǎn)的目的。隨著生物技術研究的發(fā)展，作物生長環(huán)境因子的綜合控制自動化越來越成為重要的研究課題，如何進一步提高控制質量、降低成本以及開發(fā)更加穩(wěn)定可靠、使用維護簡單的控制手段成為本領域研究的主要目標[1～3]。

小生境環(huán)境因子主要包括空氣溫度、濕度，以及光照、CO2濃度、土壤環(huán)境等因素，其中，土壤是植物生長發(fā)育的基質，土壤對于植物的影響決定于它的物理特性、化學特性和生物學特性，是土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC) 植物系統(tǒng)中的重要組成部分，土壤濕度(墑情)是作物生長最重要的環(huán)境因子之一，并且其控制具有高耦合、高時變的特征，是精準農(nóng)業(yè)重要的前沿課題[4，5]。

本文提出了小生境環(huán)境主因子無模型實時控制策略，重點研究其融合檢測與耦合控制問題。

1 土壤平衡含水率與耦合特性分析

1.1 土壤平衡含水率的定義

土壤水分遷移規(guī)律是一高時變的動態(tài)過程，在植物根系吸水、土壤與大氣界面吸蒸過程作用下，土壤水分在一定時間內(nèi)達到并保持動態(tài)平衡狀態(tài)，此時的土壤含水率(土壤濕度)定義為土壤平衡含水率，即土壤在一定空氣狀態(tài)(溫度、濕度)和一定植物根系吸水過程下達到穩(wěn)定的土壤濕度，稱為土壤平衡含水率(soil equilibrium moisture content,SEMC)。

1.2 SEMC耦合特性分析

SEMC耦合特性表現(xiàn)為小生境空氣溫濕度—土壤濕度—作物根系吸水三者之間的動態(tài)平衡過程。在濕度恒定時，土壤水分流動系數(shù)隨空氣溫度升高而增大；水分在土壤內(nèi)部是從溫度高處向溫度低處移動的，溫度越高，空氣吸濕能力越強，水分蒸發(fā)得越快。在溫度恒定時，空氣濕度越高，空氣中水蒸汽分壓越大，土壤的水蒸汽越不易向空氣中蒸發(fā)，土壤保墑性好；相反，降低濕度，則空氣內(nèi)的水蒸汽分壓越小，促進土壤表面的水蒸汽向空氣中擴散，墑旱加大。

2 小生境環(huán)境因子主參數(shù)融合檢測方法

針對小生境環(huán)境因子主參數(shù)(包括空氣溫度、濕度、SEMC)進行多傳感器融合檢測，提出一種多模型自適應加權融合算法。本文選取DHT11數(shù)字溫濕度傳感器對溫濕度參數(shù)進行多點檢測，選取TDR—3傳感器對土壤濕度參數(shù)進行多點檢測。

2.1 自適應加權融合算法

圖1 自適應加權數(shù)據(jù)融合模型

(1)

(2)

總均方誤差為

(3)

故σ2可寫成

(4)

根據(jù)多元函數(shù)求極值理論，可求出

(5)

代入式(4)，可得多只傳感器數(shù)據(jù)融合后達到的最高精度[4]

(6)

2.2 多模型融合檢測

采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量回歸機對檢測得到的小生境空氣溫度、濕度及土壤平衡含水率進行建模，然后利用自適應融合算法進行融合，多模型數(shù)據(jù)融合算法結構模型圖如圖2所示。關于BP神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量回歸機的具體算法見文獻[6～8]。

該模型建模過程由2個階段組成：在第一階段分別用BP神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量回歸機針對多傳感器檢測得到的主參數(shù)進行建模；第二階段，將前一階段所建立的模型輸出運用自適應加權融合算法進行數(shù)據(jù)融合。

圖2 多模型數(shù)據(jù)融合建模算法結構原理圖

3 小生境環(huán)境因子無模型控制方法

3.1 小生境溫濕度耦合模型分析

小生境溫濕度耦合模型，可用如圖3結構描述。圖3為一類MIMO無模型控制器與過程對象所組成的兩輸入兩輸出系統(tǒng)，過程對象包含4個子過程：G11，G21，G12和G22，對應解耦控制器包括2個主控制器C11，C22和2個補償控制器C21和C12。y1和y2作為2個主回路的反饋信號與設定值r1和r2比較產(chǎn)生偏差信號e1和e2分別輸入2個控制器，2個控制器的輸出分別與另一方的補償器的輸出相結合生產(chǎn)控制信號u1和u2，各子過程的輸出交叉疊加生成過程檢測變量y1和y2。由2×2過程的本質可以看出:過程的輸入u1和u2相互影響著輸出y1和y2，一個輸入發(fā)生變化會同時改變2個輸出，即存在著較強的耦合特性，然而其解耦過程難于求解，控制器難于設計，無模型控制系統(tǒng)的控制目標是產(chǎn)生輸出控制信號u1(t)和u2(t),迫使過程變量y1(t)和y2(t)跟蹤它們各自的設定值r1(t)和r2(t)，通過以下方式來實現(xiàn)e1(t)和e2(t)最小。

圖3 兩輸入兩輸出無模型自適應控制系統(tǒng)

3.2 小生境溫濕度無模型控制策略

本文利用脈寬調(diào)變(pulse-widthmodulation,PWM)無模型方法來調(diào)整小生境大氣中溫度、濕度，從而間接實現(xiàn)對SEMC的精準控制，滿足作物培育工藝要求。圖4中無模型的PWM控制方法本質上屬于Ping-Pang復合控制，是通過復合了專家策略和經(jīng)驗值的PWM輸出，用以實現(xiàn)對溫濕度進行自動控制。

圖4 PWM波形控制輸出信號波形

設小生境室外溫度、濕度低于室內(nèi)溫度、濕度，PWM無模型復合控制策略見表1。表中空氣溫度、濕度調(diào)節(jié)按短過程調(diào)節(jié)，土壤SEMC變化屬于長過程調(diào)節(jié)定義，且土壤SEMC調(diào)節(jié)指小生境作物實驗中的微調(diào)，即通過空氣吸蒸水分交換，而非灌溉方式調(diào)節(jié)。

當偏差大或較大時，選擇控制量以盡快消除偏差為主，當偏差較小時，選擇的控制量應注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主，實際應用中以設置上下限防止控制抖動。電磁繼電器用頻率為20Hz以內(nèi)的方波電信號激勵，方波占空比在10 %～100 %間可調(diào)，實驗中方波信號由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，此函數(shù)發(fā)生器的輸出功率可調(diào)，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍在0～80V連續(xù)可調(diào)，頻率在0.3～3MHz間連續(xù)可調(diào)，占空比在10 %～100 %間連續(xù)可調(diào)。當溫濕度變化時系統(tǒng)以設定值為基準，根據(jù)溫濕度間的耦合關系，用頻率在20Hz以內(nèi)可調(diào)占空比可調(diào)的方波信號驅動電磁繼電器，調(diào)節(jié)方波信號的頻率和占空比，以改變電磁繼電器的開通和關斷時間，控制風機、加熱器、噴霧系統(tǒng)等實現(xiàn)小生境溫濕度控制和調(diào)解。

4 小生境環(huán)境濕度因子控制器系統(tǒng)設計

4.1 溫濕度在線檢測要求

溫度測量：8～40 ℃(分辯率0.1 ℃)；土壤含水率測量：65 %～85 % 25 ℃(分辯率0.1 %)，具備土壤含水率溫度補償(室溫15～33 ℃)；SEMC測量：45%～65 % 25 ℃(分辯率0.1 %)，探頭放大器工作環(huán)境溫度：0～70 ℃；土壤含水率探頭輸入：6～32路，SEMC探頭輸入：2～8路，溫度探頭輸入：2～8路，探頭故障信號的自動檢測能力。

表1 小生境溫濕度PWM無模型復合控制規(guī)則

Tab 1 PWM model-free composite control rules for temperature and humidity of small ecological environment

控制目標耦合特性控制策略空氣增溫空氣濕度↓,土壤蒸發(fā)特性↑,SEMC↓PWM加溫調(diào)制,占空比按偏差正比例漸變;PWM微調(diào)加濕,占空比按偏差正比例漸變空氣降溫空氣濕度↓,土壤蒸發(fā)特性↓,SEMC↑PWM換氣調(diào)制,占空比按偏差正比例漸變;PWM微調(diào)加濕,占空比按偏差正比例漸變空氣加濕空氣濕度↑,溫度↓,土壤蒸發(fā)特性↓,SEMC↑PWM加溫調(diào)制,占空比按偏差正比例漸變空氣排濕空氣濕度↓,溫度↓,土壤蒸發(fā)特性↑,SEMC↓PWM加溫調(diào)制,占空比按偏差正比例漸變SEMC增加土壤蒸發(fā)特性↑,空氣濕度↑,溫度變化不大,SEMC直到達到新的平衡通過“空氣加濕”實現(xiàn)SEMC降低土壤吸濕特性↑,空氣濕度↓,溫度變化不大,SEMC直到達到新的平衡通過“空氣排濕”實現(xiàn)

4.2 小生境濕度控制要求

濕度工藝控制程序全自動運行，工藝控制基準曲線擬合優(yōu)度(確定系數(shù))R2大于0.9；可比例控制風門、風扇、噴淋及加熱器，風扇動作依椐設定的溫度；至少80個預先設定的標準程序，大于19個用戶可存儲程序；控制器工作環(huán)境溫度：-10～50 ℃；具有故障診斷、先前狀態(tài)與報警顯示，給出報警信號并顯示報警代碼，可設定報警時電機安全的動作或不動作，實現(xiàn)計算機監(jiān)管。

4.3 測控系統(tǒng)方案設計

由信號采集處理模塊采集小生境空氣溫度、濕度，SEMC信息，并通過融合計算傳送至主機，同時根據(jù)主機內(nèi)對作物生長的基準要求和當前室內(nèi)的狀態(tài)，調(diào)節(jié)天窗、風機、噴霧、加熱等執(zhí)行機構，以保證為作物生長提供工藝實驗環(huán)境。溫濕度在線檢測數(shù)控調(diào)控系統(tǒng)框圖如圖5。

圖5 溫濕度在線檢測數(shù)控調(diào)控系統(tǒng)框圖

5 測試與分析

小生境溫濕度融合測試與PWM無模型調(diào)控結果分析見表2、表3。

表2 小生境主參數(shù)融合檢測實驗結果分析

Tab 2 Analysis of results fusion detection experiment of main parameters

主參數(shù)范圍精度(或分辨率)工作環(huán)境響應時間(ms)空氣含水率45%～65%溫度修正15～33℃±2%(≤28%);±5%(>28%)探頭放大器工作環(huán)境溫度0～70℃100空氣溫度8℃～+40℃±0.1℃100空氣濕度45%～85%RH±1%RH100SEMC45%～85%±1%100

6 結束語

小生境實驗環(huán)境溫度和濕度存在較強的耦合性。本文提出了PWM無模型控制方法解決作物生長實驗小生境耦合參數(shù)實時控制問題。根據(jù)作物培育生產(chǎn)環(huán)境的參數(shù)工藝需求，模擬專家經(jīng)驗操作規(guī)范，以番茄生長的溫度、濕度和SEMC最優(yōu)條件為實驗基準值，進行了具體實驗研究。應用PWM方法和無模型控制原理，對作物生產(chǎn)環(huán)境溫、濕度及SEMC耦合作用環(huán)境進行了系統(tǒng)設計和實驗分析，結果表明:采用本文方法的SEMC控制曲線擬合優(yōu)度達到了0.8以上，驗證了本文方法的有效性。

表3 小生境主參數(shù)控制結果分析

Tab 3 Analysis on control results of main parameters in small ecological environment

主參數(shù)范圍響應特性(或性能)穩(wěn)態(tài)誤差小生境溫度室溫15～33℃超調(diào)小于120%,最小分度調(diào)節(jié)小于1min/m3±0.1℃小生境空氣濕度45%～85%RH超調(diào)小于120%RH,最小分度調(diào)節(jié)小于1min/m30.1%風循環(huán)控制強制循環(huán)PWM調(diào)制,開度0～100%風量控制0～2.0m/s連續(xù)調(diào)速平均可達1.8m/s風量分布均勻無死角SEMC45%～65%超調(diào)小于120%,最小分度調(diào)節(jié)小于1min/m30.1%SEMC擬合優(yōu)度大于0.8(1h觀測值)

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劉亞秋，通訊作者,E—mail:yaqiuLiu@126.com。

Research on monitoring and control method for environmental factors main parameters in small ecological environment*

LIU Dong-zhe1, LIU Xiao-gang1, LIU Ya-qiu2

(1.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650042,China;2.Northeast Forester University,Harbin 150040,China)

High precision integrated control automation of crop growth experiment environmental factors has become an important platform support for biotechnology research gradually.On the basis of analysis of fusion detection，main parameters of environment of growth of crops,especially on the coupled system of soil-air temperature and humidity, a model-free control method is presented to solve the real-time control problem of main factor of the coupling parameters system.According to the demand of process parameters of crop cultivation in the production environment,this method simulates the expert specification and model-free control principle,the concrete design experimental research is provided for the experimental temperature and humidity coupling effect of environment.The experimental results illustrates the effectiveness of the approach.

small ecological environment; environmental factors; coupling of temperature and humidity; soil equilibrium moisture content(SEMC); model-free control

2015—02—03

國家自然科學基金資助項目(51109102，51469010)； 云南省應用基礎研究項目(2014FB130)

10.13873/J.1000—9787(2015)11—0008—04

TP 23

A

1000—9787(2015)11—0008—04

劉冬喆(1980-)，男，遼寧法庫人，碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術研究。