温室智能控制系统的软件设计

1 引言设施农业是近十多年来随着农业环境工程技术的突破，迅速发展起来的一种集约化程度很高的农业生产技术。

由于设施农业是在人为可控环境保护设施下的农业生产，他摆脱了传统农业生产条件下自然气候、季节的制约，以超时令、反季节生产的设施园艺作物为主，不仅使单位面积产量及畜禽个体生产量大幅度增长，而且保证了农牧业产品，尤其是蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供应。

设施农业目前已由简易塑料大棚、温室发展到具有人工环境控制设施的自动化、机械化程度极高的现代化大型温室和植物工厂。

设施农业在具有高附加值、高效益、高科技含量的设施园艺领域发展迅速，其栽培对象主要为蔬菜、花卉和果树。

近年来，设施畜牧业养殖也在逐渐兴起。

随着设施园艺栽培技术的不断提高和发展，新品种、新技术及农业技术人才的投入，提高了设施园艺的科技含量。

现已培育出一批适于保护设施栽培的耐低温、弱光、抗逆性强的设施专用品种。

工厂化育苗、嫁接育苗、喷灌、滴灌、无土栽培技术、小型机械、生物技术和微电脑自控及管理的使用，提高了劳动生产率，使栽培作物的产量和质量得以提高。

随着社会的进步和科学的发展，设施农业的发展将向着地域化、节能化、专业化发展，向着高科技、自动化、机械化、规模化、产业化的工厂型农业发展，为社会提供更加丰富的无污染、安全、优质的绿色健康食品。

温室是以采光覆盖材料作为全部或部分围护结构材料，可在冬季或其它不适宜露地植物生长的季节供栽培植物的建筑。

1．1 概述设施农业是指具有一定的设施，能在局部范围内改善或创造环境气象因素，为动植物生长发育提供适宜的环境条件，进而进行有效生产的农业。

因其能提供动植物所需的最佳环境条件，也就能创造出最佳的经济效益，因此，设施农业受到越来越多人的关注。

设施农业主要包括设施栽培和设施养殖。

设施栽培主要是指蔬菜、花卉及果类的设施栽培，其主要设备有各类温室、塑料棚和人工气候室（箱）及其配套设备；设施养殖主要是指畜禽、水产品及特种动物的设施养殖，主要设施有各类保温、遮荫棚舍和现代集约化饲养畜禽舍及配套设施。

设施农业能够按照农作物和禽畜水产在生长过程中所需要的光、温、湿、气、水、肥、饲料、废物处理等综合环境条件进行适时的调节控制；可以应用农业及畜牧业的最新科研成果，可以采用适当的农业工程措施在局部空间的一定范围内控制气候环境，实施相应的从品种选择到生产管理全过程的整套技术，充分发挥因控制环境所获得的增加产量和提高产品质量的巨大潜力；是农业实现高产、优质、高效的最佳方式。

温室是一种性能较为完善的保护地类型，在我国北方冬季可以生产各种叶菜和果菜，但其造价比其它栽培设施高得多。

有些温室内部装备有各种环境调节装置，如采暖、通风、灌溉、二氧化碳施肥、补充照明等装置，使得温室的性能进一步完善，因而可以周年利用，获得高产。

1．2 本设计的市场前景上述几点不难看出,虽然我国的设施农业有了很大的进步.但是我们和发达国家还是有一定的差距,现在的设施农业缺乏科学性的指导和科学化的设备.经过市场调查发现,市场上不缺乏好的设备.可是相对的说,我们的顾客只能对这些设备望而止步,价格太贵难以承受.因此,需要一种价格便宜而效果相对又不错的湿温控制系统成了他们所希望的,本产品造价一般,而且简单方便.可以增大使用人群的推广.在设施农业的发展中,人类对其需求量越来越大.特别是温室的反季节蔬菜收到很多人的追捧.因此,湿温自动控制系统的前景会很广阔.2 PID控制算法的研究人脑的发达程度应当是人类相对于地球上的其它生命之所以如此优越的生活的一个最本质的原因。

同样，对于一个控制系统，其控制算法的好坏对于整个系统控制性能的好坏也将起着至关重要的作用。

对于此次恒温、恒湿控制箱的温度在10度一140度之间按任意给定曲线跟随，其控制精度均在正负0. 2度之间，抖坡函数和阶跃函数的拐点处无尖峰，也即无超调。

同时，无欠调。

因此采用智能PID控制。

此次设计，湿度控制相对于温度控制精度不是很高，但是，湿度和温度一起拉制难免受温度影响，尤其在高温高湿的控制条件下。

因此，要严格遵守相关的国家标准，从每个环节着手，尽量减小误差。

2.1 PID控制在大多数情况下，为了控制系统的静态和动态性能满足工程上的要求，往往在系统中加进一些校正装置，以改善系统的特性，满足工程的要求。

这种措施称为校正。

为此目的加入的装置称为校正装置。

在控制系统中，进行校正的方式有很多，串联校正采用的比较普遍。

它的作用通常是对系统中的误差信号进行比例、积分、微分等运算，形成适用的控制信号，以获得满意的控制性能.校正装置所进行的运算叫做系统的控制规律，其中，用以实现比例、积分、微分控制规律(即PID算法)的校正装置称为比例积分微分控制器.2.2 PID各控制环节的作用比例环节的作用是改变比例环节的系数即增大系统开环比例系数以提高系统的静态精度，降低系统的惰性，加快响应速度。

但比例系数太大，会对系统的稳定性造成影响。

积分环节的作用是可以消除静态残差。

在静态下，积分拉制器的输入信号e (t)虽然为零，但它的输出信号u (t)仍可以维持在某一非零值。

靠该u tt)控制信号的控制作用，使该系统的静态输出量y (t)保持与输入量X (t)相等。

这一点是比例控制器做不到的。

因为对于比例控制器，不等于零的拉制信号要求有不等于零的误差信号。

也就是说，在静态必须靠一定的误差来维持输出与输入之间的比例关系然而，系统中加入积分单元，可以改变系统的闭环特征多项式，从而可能使一个稳定的系统变为一个不稳定的系统。

同时，积分作用往往导致系统响r迟缓。

微分环节可以改善系统的动态特性。

当动态过程接近于达到静态时，误差信号变化不大或是变化缓慢，微分作用也就微不足道。

所以，微分作用不能单独使用，它总是与比例作用结合起来使用。

以比例加微分控制器为例来说明微分环节的作用。

该控制器的传递函数：Gc (s) =Kp* (1+Td*s)如果它的输入信号是e (t) ,输出信号是u (t)，则有：u (t) =Kp*e (t)+Kp*Td*e (t)′可见它所产生的控制作用不仅反映误差信号而且还反映误差信号的变化率。

总之，PID调解就是调整比例、积分和微分各环节参数(Kp, Ti,Td)，使系统相互制约的快速性，稳定性，动态特性和静态精度满足主要方面，兼顾其它方面，达到最优的控制效果。

其参数的选择，通常通过凑试法，实验法或由试验得来的经验公式来确定，是一个比较复杂的过程。

2.3 PID控制算式的数字化在模拟调节系统中，PID 控制算法的模拟表达式为:（2.1）式中:y (t)一一调节器的输出信号;e (t)一一调节器的偏差信号Kp 一一调节器的比例系数;Ti 一一调节器的积分时间;Td 一一调节器的微分时间; ()()()000n nn i i e t dt e j t T e j ===∆=∑∑⎰ （2.2） ()(1)()()(1)e n e n de t e n e n dt t T----≈=∆ （2.3） 将式（2.2）和式（2.3）带入式（2.1），则可得到离散的PID 表达式：()()()()()0{[1]}n dp i i T T Y n k e n e j e n e n T T ==++--∑ （2.4）n 一一采样序号，n=0, 1, 2...e (n)一一第n 次采样时的偏差;△t=T 一一采样周期;e (n-1)一一第n-1次采样时的偏差.通常把(2. 4)式称为位置控制算式。

由式(2. 4)可以看出，要想计算Y （n ），不仅需要本次与上次的偏差信号e (n)和e (n-1)，而且还要在积分项把历次的偏差信号e(j)进行相加。

这样，不仅使得计算繁琐，且为了保留e (j)还需要占用很大的内存。

因此，进行如下改动:根据推理，可写出第(n-1)次的PID 的输出表达式:（2.5）用式（2.4—2.5）可得到：()()()()()()()()()1[1][212]2.6p i d Y n Y n K e n e n K e n K e n e n e n --=--++--+-式()()()()()1[]p d i de t Y t k e t e t d t T T dt=++⎰()()()()()101{1[12]}n d p i i T T Y n k e n e j e n e n T T-=-=-++---∑中：;.d i p d p i T T K K K K T T== 由式(2.6)可知，要计算第n 次输出值Y (n)，只需知丫(n-1) . e (n) .e (n-1) , e (n-2)即可，与式(2. 4)相比，计算要简单得多。

在很多控制系统中，由于执行机构是采用步进电机或多圈电位器进行控制的，因此，此时给一个增量信号即可。

式(2. 6)还可以表示为下式:()()()()()()()()[1][212]2.7p i d Y n K e n e n K e n K e n e n e n ∆=--++--+-式(2. 7)表示第n 次输出的增量△Y (n) ,等于第n 次与第n-1次调节器的差值，即在第n-1次的基础之上增加(减少)的量。

式(2. 7)叫做PID 的增量控制式。

2.4 智能PID 控制控制论的三个最为基本而又重要的概念:信.息、反馈和控制。

今天，随着科学技术的进步，信.息已经变得越来越重要了。

显然，控制系统中的信息也不单纯的仅仅是一种信号数值的大小，而且包括知识、经验等在内的多种信息;反馈的概念已经不再理解为单一的负反馈模式，根据控制的需要，可以暂时不加负反馈以开环形式运行，也可以根据特殊需要加正反馈等;控制也已经不是单纯地执行某一单一控制规律，而是根据动态过程需要采取多种策略组合，以进行更有效的控制。

从信息、反馈和控制的内涵发生的变化可以看出，信.6,已经广义化了，反馈模式已推广了，控制方式已多样化了，他们变化的本质特征在于智能化。

从这个意义上讲，可以把具有智能信息处理、智能反馈和智能拉制决策的控制方式，称为智能控制。

从智能拉制论的观点去解决复杂不确定性系统的拉制问题而设计的系统，就称为智能控制系统。

仿人智能控制算法，从控制结构和控制行为两方面模仿了人的一些特点和功能，其中包括人的在线特性辫识、特性记忆以及直觉推理逻辑等。

具体说来，主要根据控制器的输入信号(即系统误差)的大小、方向及其变化趋势作出相应的决策，以选择适当的拉制模式进行控制。

这种智能控制算法的最主要优点是，它既不需要事先知道也不需要在线辫识被控制对象的精确模型，就能实现既快速又高精度的控制，且具有极强的鲁棒性.此次设计的控制算法可以归纳如表2-1所示。

表中e=r-y 为系统误差，r 为给定值,y为被调量。