現(xiàn)代溫室環(huán)境智能控制發(fā)展研究

摘 要：智能控制技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，文章以智能控制技術(shù)作為研究基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代的溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、智能控制技術(shù)在當(dāng)前現(xiàn)代溫室環(huán)境中的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究，探索新型的溫室內(nèi)環(huán)境和生物信息的獲取方式，為實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的動(dòng)植物生理指標(biāo)的智能控制、智能控制系統(tǒng)硬件的配置和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化提供研究的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代溫室；智能控制；溫室環(huán)境

1 概述

“溫室”是對(duì)“溫室效應(yīng)”的一種利用，當(dāng)動(dòng)植物如果不適合在寒冷季節(jié)里在陸地上進(jìn)行種植和生產(chǎn)，那么依靠對(duì)室內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，可以通過(guò)溫度環(huán)境的人工創(chuàng)造和控制來(lái)滿足農(nóng)作物反季節(jié)生產(chǎn)的需求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于溫室生產(chǎn)的相關(guān)技術(shù)研究也越來(lái)越多，特別是在農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域、管理科學(xué)領(lǐng)域等方面進(jìn)行應(yīng)用，現(xiàn)代溫室的創(chuàng)造改變了過(guò)去動(dòng)植物生產(chǎn)環(huán)境和時(shí)空上的界限，在水產(chǎn)養(yǎng)殖、蔬菜種植、花卉種植等方面都已經(jīng)取得了一定的成績(jī)。

溫室環(huán)境的控制包含有三種方式，人工控制、自動(dòng)控制和智能控制。在我國(guó)不同的領(lǐng)域都有控制方式的應(yīng)用，在溫室環(huán)境的應(yīng)用中大多采用的是自動(dòng)控制。對(duì)于現(xiàn)代的溫室環(huán)境控制可以說(shuō)是對(duì)智能控制的一種前瞻性的研究。我國(guó)的自然科學(xué)基金委研究項(xiàng)目“工廠化農(nóng)業(yè)”、“溫室環(huán)境智能控制關(guān)鍵技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)”等項(xiàng)目都是在經(jīng)濟(jì)探索現(xiàn)代溫室環(huán)境的智能控制技術(shù)。

2 智能控制技術(shù)概況

智能控制技術(shù)作為直接性控制技術(shù)的一種，是基于大量的研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上所發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)控制技術(shù)，是對(duì)于人工智能、運(yùn)籌學(xué)等理論的綜合運(yùn)用，通過(guò)控制系統(tǒng)技術(shù)來(lái)完成控制。

智能控制在進(jìn)行處理工作時(shí)，具有非線性、不確定性等主要特點(diǎn)。優(yōu)異的智能控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一般控制要求的基礎(chǔ)上，還能夠具備自組織、自結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)和能力。智能控制系統(tǒng)如果具有了自學(xué)習(xí)系統(tǒng)，那么可以對(duì)周邊的位置環(huán)境進(jìn)行模擬和學(xué)習(xí)，依靠所儲(chǔ)存的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)提升自己的控制能力。自適應(yīng)系統(tǒng)可以讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象在動(dòng)力方面的變化，更好的適應(yīng)周邊環(huán)境的變化。自組織系統(tǒng)能夠幫助智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜信息的組織和協(xié)調(diào)，讓系統(tǒng)能夠在規(guī)定的范圍內(nèi)靈活的開(kāi)展活動(dòng)。自結(jié)構(gòu)能夠幫助智能控制系統(tǒng)對(duì)自身的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、數(shù)據(jù)等內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，并讓系統(tǒng)可以加入學(xué)習(xí)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容和數(shù)據(jù)的搜集，讓系統(tǒng)具備一定的學(xué)習(xí)和整理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)知識(shí)的解釋。在系統(tǒng)運(yùn)行的初期階段，系統(tǒng)并不具備調(diào)整規(guī)則，但是可以通過(guò)設(shè)置規(guī)則來(lái)讓系統(tǒng)具備學(xué)習(xí)的能力。

要想實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制目標(biāo)，就需要讓控制系統(tǒng)具有較高的智能。當(dāng)前對(duì)于控制系統(tǒng)在智能水平上的應(yīng)用主要方式有模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、混合控制等方式?；旌峡刂剖且揽繉＜蚁到y(tǒng)對(duì)于知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累來(lái)展開(kāi)模糊邏輯推理的模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，多種控制方式相互補(bǔ)充，讓智能控制系統(tǒng)更加的完善。對(duì)于混合控制理論的研究是當(dāng)前主要的研究熱點(diǎn)，并且在研究上已經(jīng)形成了以模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家模糊控制等多個(gè)研究的方向。

3 智能控制技術(shù)在現(xiàn)代溫室環(huán)境控制的應(yīng)用

現(xiàn)代溫室環(huán)境中的智能控制系統(tǒng)屬于非線性的系統(tǒng)，具有輸入、輸出等功能?，F(xiàn)代溫室環(huán)境的智能控制系統(tǒng)的問(wèn)題是在現(xiàn)代溫室中的應(yīng)用，使溫室內(nèi)的動(dòng)植物在特定的生長(zhǎng)時(shí)刻中能夠滿足所需信息的搜集，然后將搜集的信息和系統(tǒng)中所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，利用系統(tǒng)中的控制器進(jìn)行計(jì)算，從而判斷如何進(jìn)行合理的智能控制來(lái)實(shí)現(xiàn)溫室的環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高差，低成本和低能耗的控制目標(biāo)。溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)依靠傳感器來(lái)對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境和溫室內(nèi)動(dòng)植物的具體生長(zhǎng)情況進(jìn)行信息的采集，并且通過(guò)控制算法的設(shè)置，將搜集到的信息與原本設(shè)定的模型進(jìn)行對(duì)比，然后根據(jù)比對(duì)的結(jié)果確定具體的動(dòng)作執(zhí)行方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境和溫度的控制。

3.1 溫室環(huán)境智能控制硬件結(jié)構(gòu)

溫室環(huán)境的控制是對(duì)自然資源進(jìn)行充分的利用，改變溫室內(nèi)的環(huán)境因子來(lái)取得最適宜動(dòng)植物生長(zhǎng)的環(huán)境，控制上需要對(duì)控制的算法和硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

現(xiàn)代溫室環(huán)境的智能控制通過(guò)分布式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，系統(tǒng)并沒(méi)有配備獨(dú)立的處理系統(tǒng)，而是選擇設(shè)置多個(gè)的可編程的控制器，讓其分布在溫室中的不同位置，每個(gè)控制器都能夠直接將信息數(shù)據(jù)傳到主處理器上，而子處理器可以對(duì)對(duì)應(yīng)的傳感器上的信息進(jìn)行處理，并且對(duì)其實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的控制。主處理器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且將傳遞搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和控制。分布式控制系統(tǒng)具有獨(dú)立的控制網(wǎng)絡(luò)、操作員站、工程師站、現(xiàn)場(chǎng)控制站，能夠滿足對(duì)數(shù)據(jù)的搜集。處理和控制。不同的功能配有不同的功能模塊，共同組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，這個(gè)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的集中管理和監(jiān)控。

溫室環(huán)境的智能控制是在符合硬件系統(tǒng)的框架下所設(shè)定的，采用了可編程的控制系統(tǒng)、單片機(jī)等期間來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制站進(jìn)行控制，并且每種方式都具有獨(dú)特的特點(diǎn)?；贛CP溫室環(huán)境的智能控制系統(tǒng)條件下，對(duì)于信息進(jìn)程采集的控制算法性能依靠單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)如果發(fā)生故障，那么就容易造成系統(tǒng)的失控?？刂撇僮魃嫌捎谝蟊容^低，因此在短期內(nèi)具有一定的市場(chǎng)發(fā)展前景。

3.2 溫室環(huán)境智能控制算法

溫室環(huán)境的智能控制系統(tǒng)是依靠硬件系統(tǒng)的支撐來(lái)對(duì)軟件進(jìn)行執(zhí)行的過(guò)程，控制算法會(huì)對(duì)智能控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，因此，這也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)方向。

PID控制算法在溫室的環(huán)境控制領(lǐng)域中屬于比較早進(jìn)行研究的算法，對(duì)于輸入的數(shù)據(jù)的偏差值，按照一定的計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算所得出的結(jié)果輸入到輸出控制中。通常PID控制器是無(wú)法進(jìn)行在線的數(shù)據(jù)調(diào)整，因?yàn)榭刂破鞯目垢蓴_的水平較弱，無(wú)法滿足當(dāng)前溫室環(huán)境控制的變化。溫室環(huán)境控制在大多數(shù)情況下需要通過(guò)PID控制算法水平的提升來(lái)加強(qiáng)其控制的水平。

模糊控制算法是在溫室內(nèi)環(huán)境和動(dòng)植物生長(zhǎng)的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行綜合性的考慮，依靠模糊數(shù)學(xué)和魔術(shù)控制等方式，對(duì)溫室的環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能的控制。模糊控制算法不需要對(duì)被控制的對(duì)象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)計(jì)算，只需要根據(jù)控制結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行模糊性的歸類，然后依靠模糊控制器將經(jīng)驗(yàn)和理論進(jìn)行模糊化推理，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)的耦合以達(dá)到最佳的狀態(tài)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是依靠多種神經(jīng)元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間相互的連接所形成的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有多種的模型，包括自適應(yīng)線性元件模型、反向傳播BP模型等。三層的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)每個(gè)連續(xù)的函數(shù)進(jìn)行逼近，然后通過(guò)任意的排列映射的問(wèn)題進(jìn)行處理。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法不需要設(shè)定非常精確的數(shù)學(xué)模型，其本身所具備的處理就能夠解決溫室環(huán)境的控制。

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作者簡(jiǎn)介：程莉（1986，08-），女，新疆烏魯木齊人，研究生學(xué)歷，新疆職業(yè)大學(xué)，研究方向：控制工程。