小生境環境因子主參數監測與控制方法研究*

劉冬喆， 劉小剛， 劉亞秋

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

研究與探討

小生境環境因子主參數監測與控制方法研究*

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.東北林業大學,黑龍江 哈爾濱 150040)

作物生長實驗環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。在對作物生長環境的主要參數，尤其對土壤—空氣的溫濕度耦合系統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境耦合參數系統的主因子實時控制問題。該方法根據作物培育生產環境的參數工藝需求，模擬專家規范和無模型控制原理，對作物小生境實驗環境溫度、濕度耦合作用環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

小生境生產系統在現代化農業生產中占重要地位，其作為一種特殊機構，隔離小生境室內外氣候，并通過一定的調控手段影響和改變小氣候，避免了因四季交替和地區差異對小生境作物生長發育帶來的影響，達到速生、高產、優質、高效和反季節生產的目的。隨著生物技術研究的發展，作物生長環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、降低成本以及開發更加穩定可靠、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]。

小生境環境因子主要包括空氣溫度、濕度，以及光照、CO2濃度、土壤環境等因素，其中，土壤是植物生長發育的基質，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—大氣連續體(SPAC) 植物系統中的重要組成部分，土壤濕度(墑情)是作物生長最重要的環境因子之一，并且其控制具有高耦合、高時變的特征，是精準農業重要的前沿課題[4，5]。

本文提出了小生境環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

土壤水分遷移規律是一高時變的動態過程，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達到并保持動態平衡狀態，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(溫度、濕度)和一定植物根系吸水過程下達到穩定的土壤濕度，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平衡過程。在濕度恒定時，土壤水分流動系數隨空氣溫度升高而增大；水分在土壤內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，土壤保墑性好；相反，降低濕度，則空氣內的水蒸汽分壓越小，促進土壤表面的水蒸汽向空氣中擴散，墑旱加大。

2 小生境環境因子主參數融合檢測方法

針對小生境環境因子主參數(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數字溫濕度傳感器對溫濕度參數進行多點檢測，選取TDR—3傳感器對土壤濕度參數進行多點檢測。

2.1 自適應加權融合算法

圖1 自適應加權數據融合模型

(1)

(2)

總均方誤差為

(3)

故σ2可寫成

(4)

根據多元函數求極值理論，可求出

(5)

代入式(4)，可得多只傳感器數據融合后達到的最高精度[4]

(6)

2.2 多模型融合檢測

采用BP神經網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，多模型數據融合算法結構模型圖如圖2所示。關于BP神經網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神經網絡和支持向量回歸機針對多傳感器檢測得到的主參數進行建模；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據融合。

圖2 多模型數據融合建模算法結構原理圖

3 小生境環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，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，無模型控制系統的控制目標是產生輸出控制信號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

3.2 小生境溫濕度無模型控制策略

本文利用脈寬調變(pulse-widthmodulation,PWM)無模型方法來調整小生境大氣中溫度、濕度，從而間接實現對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驗值的PWM輸出，用以實現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、濕度調節按短過程調節，土壤SEMC變化屬于長過程調節定義，且土壤SEMC調節指小生境作物實驗中的微調，即通過空氣吸蒸水分交換，而非灌溉方式調節。

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，以系統的穩定性為主，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以內的方波電信號激勵，方波占空比在10 %～100 %間可調，實驗中方波信號由函數發生器產生，此函數發生器的輸出功率可調，輸出電壓調節范圍在0～80V連續可調，頻率在0.3～3MHz間連續可調，占空比在10 %～100 %間連續可調。當溫濕度變化時系統以設定值為基準，根據溫濕度間的耦合關系，用頻率在20Hz以內可調占空比可調的方波信號驅動電磁繼電器，調節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、噴霧系統等實現小生境溫濕度控制和調解。

4 小生境環境濕度因子控制器系統設計

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↓,土壤蒸發特性↑,SEMC↓PWM加溫調制,占空比按偏差正比例漸變;PWM微調加濕,占空比按偏差正比例漸變空氣降溫空氣濕度↓,土壤蒸發特性↓,SEMC↑PWM換氣調制,占空比按偏差正比例漸變;PWM微調加濕,占空比按偏差正比例漸變空氣加濕空氣濕度↑,溫度↓,土壤蒸發特性↓,SEMC↑PWM加溫調制,占空比按偏差正比例漸變空氣排濕空氣濕度↓,溫度↓,土壤蒸發特性↑,SEMC↓PWM加溫調制,占空比按偏差正比例漸變SEMC增加土壤蒸發特性↑,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

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度(確定系數)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；控制器工作環境溫度：-10～50 ℃；具有故障診斷、先前狀態與報警顯示，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，實現計算機監管。

4.3 測控系統方案設計

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，同時根據主機內對作物生長的基準要求和當前室內的狀態，調節天窗、風機、噴霧、加熱等執行機構，以保證為作物生長提供工藝實驗環境。溫濕度在線檢測數控調控系統框圖如圖5。

圖5 溫濕度在線檢測數控調控系統框圖

5 測試與分析

小生境溫濕度融合測試與PWM無模型調控結果分析見表2、表3。

表2 小生境主參數融合檢測實驗結果分析

Tab 2 Analysis of results fusion detection experiment of main parameters

主參數范圍精度(或分辨率)工作環境響應時間(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實時控制問題。根據作物培育生產環境的參數工藝需求，模擬專家經驗操作規范，以番茄生長的溫度、濕度和SEMC最優條件為實驗基準值，進行了具體實驗研究。應用PWM方法和無模型控制原理，對作物生產環境溫、濕度及SEMC耦合作用環境進行了系統設計和實驗分析，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 小生境主參數控制結果分析

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

主參數范圍響應特性(或性能)穩態誤差小生境溫度室溫15～33℃超調小于120%,最小分度調節小于1min/m3±0.1℃小生境空氣濕度45%～85%RH超調小于120%RH,最小分度調節小于1min/m30.1%風循環控制強制循環PWM調制,開度0～100%風量控制0～2.0m/s連續調速平均可達1.8m/s風量分布均勻無死角SEMC45%～65%超調小于120%,最小分度調節小于1min/m30.1%SEMC擬合優度大于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，主要從事節水灌溉理論與技術研究。