基于現(xiàn)場控制系統(tǒng)的煙葉溫室溫度控制模型

楊 樂， 舒建文， 盛立冉

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，江西南昌330045;2.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌330038;3.江西撫州市煙草專賣局煙葉技術(shù)中心，江西撫州344600)

0 引言

發(fā)展現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)，由傳統(tǒng)的小棚(無棚)育苗轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化溫室大棚育苗［1］?，F(xiàn)代溫室能夠通過人工控制環(huán)境因素，滿足煙葉的最佳生長條件，使煙葉生長環(huán)境得到優(yōu)化，有效地改善農(nóng)業(yè)生態(tài)，提高土地的產(chǎn)出率和社會經(jīng)濟(jì)效益。在溫室環(huán)境控制中，溫度的控制是整個控制系統(tǒng)中最重要的、對作物生長環(huán)境影響最大且耗能最多，但溫室系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)，大的純滯后可引起系統(tǒng)不穩(wěn)定或降低系統(tǒng)反饋性能［2-3］。另外，溫室環(huán)境復(fù)雜，外界輻射量、天窗開度等都會影響室內(nèi)溫度，擾動量大，這些都將導(dǎo)致溫控對象模型參數(shù)的參數(shù)時變，采用傳統(tǒng)的控制方法很難達(dá)到最佳的控制效果［4-5］?；诖?，本文提出了一種基于FCS的煙葉溫室溫度控制模型，用溫度數(shù)據(jù)采集方法和分析計(jì)算方法來控制溫室溫度，從而培育出適合煙葉生長的最佳環(huán)境，再配合煙葉生長的不同階段給予充足營養(yǎng)的供應(yīng)，創(chuàng)造一個適合煙葉生長發(fā)育的溫室環(huán)境。

1 模型構(gòu)建原理

煙葉生長有其規(guī)律，并且不同品種的煙葉在不同階段其生長規(guī)律各有其特點(diǎn)。通過在江西省撫州市煙葉專賣局黎川縣分局現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)試點(diǎn)大量的實(shí)驗(yàn)，確定各種煙葉在各個階段生長的最佳環(huán)境，然后再通過人工和技術(shù)相結(jié)合自動控制溫室溫度處于最佳環(huán)境。同一溫室可以通過控制溫度適于多種煙葉生長，并不受當(dāng)時外界環(huán)境的影響，從而保證煙葉的最短生長期、最大產(chǎn)量、最佳品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)資源最佳優(yōu)化。

2 煙葉溫室溫度控制模型

2.1 方案設(shè)計(jì)

煙葉溫室溫度控制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它要求對室內(nèi)外各種參數(shù)進(jìn)行自動監(jiān)測、信息處理、實(shí)時控制、在線優(yōu)化等，用傳統(tǒng)的集中控制難以完成復(fù)雜的運(yùn)算功能，從而無法給煙葉提供最佳的生長環(huán)境。現(xiàn)場總線將傳感測量、補(bǔ)償運(yùn)算、工程量處理、回歸處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成［6-7］，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 溫度數(shù)據(jù)采集方法

本系統(tǒng)主要利用設(shè)備溫度的變化進(jìn)行分析，采用紅外測溫儀對設(shè)備溫度進(jìn)行檢測，并將檢測溫度與正常溫度和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，判斷該部位是否異常。溫室溫度由于受眾多因素和條件的制約，是非常復(fù)雜的物理過程，因此在溫室溫度設(shè)計(jì)過程中，所進(jìn)行的計(jì)算和分析過程是相當(dāng)復(fù)雜的。相同條件下，同類型設(shè)備各探測零部件的溫度檢測值呈正態(tài)分布［8］。系統(tǒng)采用圖1所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過分析、統(tǒng)計(jì)得到各探測監(jiān)測點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度，構(gòu)造如下數(shù)學(xué)模型來定量描述溫室溫度的動態(tài)變化過程:

式中:Ts為在外測溫儀所測部位的標(biāo)準(zhǔn)溫度;Ti為檢測部位溫度;j為溫度檢測次數(shù);為i臺設(shè)備該檢測部位的平均溫度;n為同類型設(shè)備數(shù)量。

如果室內(nèi)溫度異常，往往易產(chǎn)生漏發(fā)警報，其造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于虛發(fā)警報，所以需要給同類型設(shè)備所測部位設(shè)定上限溫度，即:

式中:Tmax為上限溫度;λ為系數(shù)，其取值范圍(1，2］;Si為i臺設(shè)備該檢測部位溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.3 分析計(jì)算方法

系統(tǒng)將 Ti與 Ts、Tw和 Tmax進(jìn)行對比，當(dāng) Ti∈［Ts，Tw］時，系統(tǒng)運(yùn)行正常;當(dāng) Ti∈［Tw，Tmax］時，系統(tǒng)提示該部位需要檢查;當(dāng)Ti∈［Tmax，+∞］或連續(xù)出現(xiàn)Ti∈［Tw，Tmax］時，系統(tǒng)報警該部位需要維修。通過觀察溫室內(nèi)實(shí)時環(huán)境參量，從而實(shí)現(xiàn)了溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)與信息發(fā)布上層網(wǎng)絡(luò)的無縫連接［9］。

系統(tǒng)記錄多臺設(shè)備該部位的一次檢測溫度，將其作為一組數(shù)據(jù)，并計(jì)算出30組數(shù)據(jù)的Ts和Tmax，繪制出曲線控制圖，去掉高于Tmax的數(shù)據(jù)后，再補(bǔ)足部分測試數(shù)據(jù)重新計(jì)算Ts和Tmax，然后繪制出新的曲線控制圖，直到?jīng)]有數(shù)據(jù)點(diǎn)超過Tmax為止。這時Ts和Tmax被確定為該部位的標(biāo)準(zhǔn)溫度和上限溫度，同時計(jì)算出Tw，確定其作為報警溫度，即:

3 實(shí)驗(yàn)分析

目前，溫室溫度控制的結(jié)構(gòu)主要是以單片機(jī)(MCU)為主的控制系統(tǒng)［10］，一般以MCS-51系列為基礎(chǔ)，采用8位CPU［11］，從數(shù)據(jù)采樣到算法控制都由單片機(jī)來完成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為集中式控制方式，這種系統(tǒng)所有性能都集中在單片機(jī)上，單片機(jī)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)都會失控，煙葉的生長會受到頗為嚴(yán)重的影響。此外，煙葉溫室溫度的控制還有集散型溫室控制系統(tǒng)(DCS)［12］，它是相對于集中式控制而言的新型計(jì)算機(jī)控制，但這種控制方案成本太高，當(dāng)然也可以用單片機(jī)作為控制機(jī)來節(jié)省成本，但這個方案沒有組態(tài)功能，不能做到智能化控制，對煙葉生長環(huán)境不利。

本文提出的溫室控制模型與DCS相比，可以省去相當(dāng)數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積［13］。而且，F(xiàn)CS可以減少大量電纜與敷設(shè)電纜用的橋架等［14］，同時也節(jié)省了設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)費(fèi)用。本模型相對于DCS［15］組態(tài)簡單，由于結(jié)構(gòu)、性能標(biāo)準(zhǔn)化，便于安裝、運(yùn)行、維護(hù)。

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn):江西省撫州市煙葉專賣局黎川縣分局現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)試點(diǎn)，采取分析對比方法，用本模型實(shí)現(xiàn)的溫室溫度控制系統(tǒng)和一般的溫室溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，共設(shè)計(jì)6次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜性逐漸提升。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)可以看出，用本模型實(shí)現(xiàn)的溫室溫度控制系統(tǒng)所培植的煙葉理墑飽滿，移栽質(zhì)量高，存活率顯著提升，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 煙苗存活率分析