關(guān) 靜,胡圣堯
(1.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇鎮(zhèn)江212013;2.常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院,江蘇常州213002)
近年來,國內(nèi)外的設(shè)施農(nóng)業(yè)在快速發(fā)展。多數(shù)國家的設(shè)施農(nóng)業(yè)以溫室為主,荷蘭、日本、以色列等國家的設(shè)施農(nóng)業(yè)非常先進(jìn)。其設(shè)施設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化程度,設(shè)施綜合環(huán)境調(diào)控及農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平,均居世界領(lǐng)先水平。我國于20世紀(jì)80年代提出設(shè)施農(nóng)業(yè)的概念,溫室在我國發(fā)展迅速,栽培面積超過380萬hm2[1]。雖然我國栽培面積巨大,但是我國的溫室在環(huán)境調(diào)控水平方面與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大的差距。關(guān)于溫室的溫濕度調(diào)節(jié),很多學(xué)者從溫濕度模型和控制算法兩方面展開了卓有成效的研究。
國外針對溫室溫濕度的研究主要為1971年Takakura T.建立了一個比較完善的單層玻璃的溫室模型,但Benli認(rèn)為其通用性比較差[2]。CBAKOS等研究了溫室環(huán)境變化與溫室通風(fēng)之間的關(guān)系,并建立了關(guān)系模型[3]。Ozgener等研究了溫室濕度與溫室內(nèi)作物蒸發(fā)量的關(guān)系,并建立了預(yù)測和優(yōu)化模型[4]。Tap RF使用溫室內(nèi)溫度、溫室內(nèi)土壤溫度、溫室內(nèi)二氧化碳濃度、溫室內(nèi)濕度和加熱管的溫度建立了5個一階微分方程全面描述了溫室環(huán)境的變化規(guī)律[5]。
在國內(nèi),范云翔等建立了溫室內(nèi)溫度、濕度和光照與溫室內(nèi)水汽量消耗之間的模型關(guān)系[6]。張立彬等根據(jù)溫室內(nèi)的能量熱平衡關(guān)系,研究了溫室小氣候環(huán)境的動態(tài)模型[7]。楊其長等研究了溫室系統(tǒng)中的環(huán)境因子,針對溫濕度調(diào)節(jié)和節(jié)能性,研究了溫室內(nèi)的熱平衡關(guān)系式,建立溫室內(nèi)熱平衡模型[8]。馬萬征等研究了Venlo型聯(lián)棟玻璃溫室溫濕度動態(tài)模型,并進(jìn)行了黃瓜的栽培試驗(yàn),被驗(yàn)證模型參數(shù)與實(shí)測參數(shù)吻合度非常高[9]。
該研究試驗(yàn)在江蘇大學(xué)Venlo型玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行,在Tap RF的溫室模型[5]和馬萬征等Venlo型溫室的溫濕模型[9]的基礎(chǔ)上,從溫室環(huán)境控制角度對上述2種模型進(jìn)行了整合與修改,修改后的溫濕度模型如下:
(1)溫度模型。
式中,Tin為溫室內(nèi)的溫度;Tout為溫室外的溫度;V為溫室的體積;ρ為空氣密度(1.2 kg/m3);Cρ為溫室內(nèi)氣體定容比熱(1.005 J/kg·℃);K為太陽能輻射能被溫室空氣吸收的傳熱系數(shù);hc為溫室覆蓋層與溫室內(nèi)氣體的對流換熱系數(shù);Ac為溫室覆蓋層的面積(m2);λE為作物蒸發(fā)潛能速率(m/s);Vin為溫室內(nèi)自然通風(fēng)率(m3/s);Qrad為投在溫室覆蓋層的太陽輻射(W/m2);Qheat為加熱器的加熱功率(W)。
(2)濕度模型。
式中,qin為室內(nèi)空氣絕對濕度;qout為室外空氣絕對濕度;V為溫室的體積;λE為作物蒸發(fā)潛能速率(m/s);Vin為溫室內(nèi)自然通風(fēng)率(m3/s);Ac為溫室覆蓋層的面積(m2)。
依據(jù)上述設(shè)計的Venlo型溫室的溫濕度模型進(jìn)行溫度、濕度調(diào)節(jié)時可以明確調(diào)節(jié)設(shè)備及各個調(diào)節(jié)設(shè)備的調(diào)節(jié)效果。通過采集溫室內(nèi)部溫度、濕度作為反饋信號,控制溫室內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備、遮陽設(shè)備、水簾設(shè)備、水暖設(shè)備、噴灑設(shè)備等溫濕度調(diào)控設(shè)備,實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的智能控制。
溫室環(huán)境系統(tǒng)具有大時滯和多變量耦合的特征,針對這個特征采用模糊PID控制算法。PID控制算法原理表示為:
式中,e(t)為給定量與輸出量的偏差;c(t)為控制器輸出;Kp為比例系數(shù);TI為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù)。
設(shè)計PID控制算法首先需要確定Kp、TI、TD的值,即對PID控制器的參數(shù)整定。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。
根據(jù)微型溫室溫濕度控制模型,測量微型溫室實(shí)際環(huán)境,PID控制器參數(shù)整定的方法使用臨界比例法。整定步驟如下:①首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;②僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;③在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。
溫度PID控制的比例系數(shù)Kp取值范圍為0.2~0.6,積分時間常數(shù)TI取值范圍為180~600 s,微分時間常數(shù)TD取值范圍為300~900 s。濕度PID控制的比例系數(shù)Kp取值范圍為0.1 ~0.25,積分時間常數(shù) TI取值為240 ~900 s,微分時間常數(shù)TD取值范圍為300~1 200 s。
根據(jù)微型溫室溫濕度模型可知,影響微型溫室溫濕度的因素非常多,由于環(huán)境參數(shù)的多變性,在不同的階段,模型表達(dá)式的系數(shù)是時變的,不能精確表達(dá)微型溫室溫濕度控制系統(tǒng)。在這種情況下,溫度、濕度的PID控制參數(shù)不確定,通過模糊控制控制與PID控制相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)對微型溫室溫濕度的控制。
溫度控制范圍為[-2℃,2℃],濕度控制范圍為[-10%,10%],論域?yàn)閧-2,-1,0,1,2},相應(yīng)語言值為{負(fù)大,負(fù)小,零,正小,正大}。設(shè)溫度的比例系數(shù)為KWP,積分時間為TWI,微分時間為TWD;設(shè)濕度的比例系數(shù)KSP,積分時間為TSI,微分時間為TSD。各種參數(shù)設(shè)定值見表1。
表1 參數(shù)表達(dá)式
對于溫室的溫度,以溫度偏差ew和溫度偏差變化率ecw作為輸入,以△Kwp、△Twi、△Twd作為輸出。對于溫室的濕度,以濕度偏差es和濕度偏差變化率ecs作為輸入,以Ksp、Tsi、Tsd作為輸出,得到表 2 和表3。
硬件系統(tǒng)由2部分組成,主控制器和無線溫濕度采集器。主控制器由微處理器最小電路、CC1101無線通信電路、CAN/RS485通信電路、繼電器驅(qū)動電路、電源電路、人機(jī)交互電路、電源幾個部分組成。主控制器的微處理器采用STM32F103C6,最高運(yùn)行頻率高達(dá)72 MHz,內(nèi)置128 Kb的Flash存儲空間,20 KB的RAM,3路16位定時器,支持多個I2C、USART、SPI、CAN、USB2.0 通信接口。無線通信電路采用CC1101芯片,工作頻率為915 MHz,傳送數(shù)據(jù)幀長度為32個字節(jié),溫室內(nèi)實(shí)測的有效傳輸距離為100 m。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計了16路繼電器驅(qū)動電路可同時控制16路無源觸點(diǎn)信號,操控通風(fēng)、遮陽、水簾等設(shè)備。
表2 溫度模糊控制輸出
表3 濕度模糊控制輸出
無線溫濕度采集器包含電源、微處理器最小電路、溫濕度傳感器電路、CC1101無線通信電路。SHT15溫濕度傳感器,濕度為精度2%,濕度重復(fù)性為0.1%,溫度精度為0.3℃電路,溫度重復(fù)性為0.1 ℃,工作電壓為2.4 ~5.5 V,2 線制數(shù)字接口。CC1101無線通信電路與主控制器相同。
主控制器與無線溫濕度采集器之間采用自組網(wǎng)的通訊方式進(jìn)行通信。
該研究實(shí)驗(yàn)在江蘇大學(xué)Venlo型溫室內(nèi)完成。溫室內(nèi)配置一個主控制器和20個無線溫濕度采集器。測試時間為2015年04月24日,鎮(zhèn)江最高氣溫26℃,最低氣溫14℃,栽培作物為生菜。生菜喜冷涼氣候,忌高溫干旱,耐霜怕凍。生菜的最佳生長溫度為15~20℃,濕度為80%。該溫室內(nèi)濕度一直保持在80%以上。
溫室內(nèi)的溫濕度采集周期為30 min,設(shè)定的溫度曲線為前10 h為15℃,中間7 h為18℃,后7 h為16℃。溫室內(nèi)外的溫濕度曲線如圖1所示。
由于早晨溫度為14℃,偏低1℃,在設(shè)定的誤差范圍2℃之內(nèi),不加熱升溫,到中午之后溫度偏高,且外部溫度也略偏高,采用窗口通風(fēng)和水簾組合降溫的方式。從圖1可以看出,溫度變化按照預(yù)期設(shè)置的曲線,誤差在設(shè)定的范圍內(nèi),同時也驗(yàn)證了模型是正確的。
[1]劉健.我國設(shè)施園藝工程存在的主要問題與對策[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2006(1):38 -40.
[2]BENLI H.Energetic performance analysis of a ground-source heat pump system with latent heat storage for a greenhouse heating[J].Energy Conversion and Management,2010,52(1):581 -589.
[3]CBAKOS G,F(xiàn)IDANIDIS D,TSAGAS N F.Greenhouse heating using geothermal energy[J].Geothcrmics,1999,28(6):759 -765.
[4]OZGENER O,HEPBASLI A.Experimental performance analysis of a solar assisted ground-source heat pump greenhouse heating system[J].Energy and Buildings,2005,37(1):101 -110.
[5]TAP R F,VAN STRATEN G,VAN WILLIGENBURG L G.A dynamic model for the optimal control of greenhouse tomato crop production[D].Wagenigen:Wagenigen Agriculture University,2000.
[6]范云翔,孫廷琮,楊子萬.智能型溫室環(huán)境控制器的研究開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1997,13(5):34 -39.
[7]張立彬,胥芳,陳教料,等.玻璃溫室小氣候溫濕度動態(tài)模型的建立與仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2005,36(11):108 -111.
[8]楊其長,孟力力,BOT G A,等.日光溫室熱環(huán)境模擬模型的構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(1):164 -170.
[9]馬萬征,李忠芳,章芳定.Venlo型聯(lián)棟玻璃溫室溫濕度動態(tài)模型研究[J].北方園藝,2012(17):49-51.