试验温室温湿度混杂系统建模与控制

摘要

我国农业正处于传统农业向现代农业转型时期，设施农业的发展越来越受到国家的重视。开发符合我国国情而且便于实现计算机控制的环境测控系统，探讨温室环境的控制策略，具有十分重要的意义。
　　 论文中首先设计与实现了一种基于CAN-open协议的温室环境测控系统。该系统由监控主站、数据采集从站以及控制输出从站组成，并应用VB软件在监控主站上开发了基于Windows XP操作系统的应用程序和人机交互界面。实际运行结果表明，该系统可以实时、稳定地实现温室环境各环境因子数据的采集、处理、显示、存储、算法、控制输出等功能，同时能可靠地控制温室各控制装备的启动和停止，实现了对温室内温、光、湿等环境因子的自动测量与控制，提高了温室环境测控的自动化水平。
　　 混杂系统被定义为连续变量系统(Continuous variable system，CVS)和离散事件系统(Discrete event system，DES)相互作用而形成的统一的动态系统。由于国内温室（包括日光温室、现代温室）控制装备主要采用开关控制，控制变量是逻辑变量，而系统输出变量（温室内的温度、湿度、二氧化碳浓度、营养液中各种有效离子浓度）、扰动输入变量（太阳辐射、温室外的温度、湿度、风速等）是连续变量，因此温室小气候环境是一个典型的混杂系统。
　　 本文采用混杂系统理论研究温室温湿度系统。以温室外温度、相对湿度、太阳辐射强度、风速作为系统可测扰动输入变量，温室内温湿度作为系统输出变量，温室天窗、湿帘、风机等装备的控制状态作为驱动变量，建立温室温湿度系统混杂自动机模型。采用ARMAX模型描述温湿度系统混杂自动机模型各个模式的动力学特性，结合拟合度分析方法确定模型结构，使用渐消记忆递推增广最小二乘法(RELS)辨识自动机模型各个模式的模型参数，得到基于输入输出数据和设备开关控制的混杂系统模型，验证了模型的可靠性。
　　 同时采用区间控制方法，并基于对温室内温湿度的预测，提出了减少温室内控制装备动作频率的措施，设计了温室温湿度系统的控制律。
　　 实测数据建模、仿真控制与实际控制结果表明，RELS在线建模方法能较好地模拟温室内部的温湿度动力学特性，区间控制算法能可靠控制温室内装备开关状态，实现了对主要环境因子的控制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 研究背景与意义

1.1.2 我国现代温室的发展概况

1.2 温室建模与控制的发展和现状

1.3 温室小气候混杂系统建模与控制

1.4 本文的主要研究内容

第2章 温室环境测控系统设计与实现

2.1 试验温室简介

2.2 测控系统体系结构

2.2.1 CAN-open设备模型

2.2.2 测控系统结构图

2.3 测控系统软硬件简介

2.3.1 传感器

2.3.2 模块介绍

2.3.3 逻辑控制电路

2.3.4 监控软件设计

2.3.5 人机交互界面

2.4 本章小结

第3章 温室温湿度系统混杂自动机描述

3.1 混杂系统理论概述

3.1.1 混杂系统产生的背景

3.1.2 混杂系统的基本概念和特点

3.1.3 混杂系统的建模理论

3.1.4 混杂系统的整体性能分析

3.1.5 混杂系统的控制与优化

3.2 温室温湿度系统模型描述

3.2.1 温室温湿度系统的输入变量与输出变量

3.2.2 混杂自动机模型

3.2.3 温室温湿度系统混杂自动机描述

3.3 本章小结

第4章 温室温湿度系统混杂自动机模型建模

4.1 数据预处理

4.2 子系统模型类

4.3 纯滞后的确定

4.4 模型参数估计

4.5 智能监督级

4.6 温室温湿度系统混杂自动机建模结果

4.6.1 模型结构的确定

4.6.2 温室温湿度系统混杂自动机模型参数辨识结果

4.7 本章小结

第5章 温室温湿度系统混杂控制研究

5.1 控制策略

5.1.1 温湿度的预测

5.1.2 区间控制方法

5.1.3 减少设备动作频率的措施

5.1.4 控制律设计

5.2 温室温湿度仿真控制效果

5.3 温室温湿度实际控制效果

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文的主要研究工作

6.2 与实验室以前工作对比

6.3 研究展望

参考文献

附录1 模型参数变化曲线

致谢

在读期间参与的课题、发表的学术论文与取得的其他研究成果