节能控制算法智能温室自动化控制系统设计方案

1、个人资料整理 仅限学习使用基于节能控制算法的智能温室自动化控制系统设计摘 要：温室自动化控制系统是根据温室大棚内的温湿度、土壤水分、土壤 温度等传感器采集到的信息，接到上位计算机上进行显示，报警，查询。监控 中心将收到的采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比 较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警或语音报警，并打印记录。 本文基于此设计了以节能控制算法为核心的温室自动化控制系统上位机软件。 在保证温室稳定有效运行的前提下，引入节能的思想，使温室生产达到咼产、 低耗的目标，从而为解决温室高能耗的问题提供了一条有效途径。关键词：温室自动化控制系统 多因子协调控制 温室模型节

2、能优化控制0引言温室作为现代农业发展的载体，其重要性日益被越来越多的国家所重视， 而现代农业发展的最重要的因素便是发展温室及其控制技术，通过有效的途径 来控制温室内的作物生长环境使作物健康的生长。在能源日益紧缺的今天，如 何把节能的思想应用到现代温室的环境控制中也已成为人们关注的焦点。我国 温室产业的发展现状是控制方法简单、技术落后且能耗较高。为此本文在结合 国内外温室控制研究的基础上，通过引入以温室模型为基础的节能控制算法， 设计了节能型的智能温室控制系统上位机软件，可实现对温室有效的节能控 制。1温室自动化控制系统的整体框架托普物联网认为，通常整个温室自动化控制系统分为3层：最顶层是温室控

3、制的上位机软件，其中集成了温室控制的控制规则库以及温室的模型方程， 还设计了一些面向用户的功能模块，以实现与用户之间良好的交互性；中间层 为温室控制的下位机，用以接收上位机的控制指令并把控制指令转化为温室内 各个执行机构的动作指令，同时接收来自温室现场端传感器采集的温室气候及 执行机构状态信息，并把这些信息转化成一定的格式传给温室控制上位机软 件；最底层是温室控制现场，分布着各种执行机构以及传感器，以实现对温室 环境的控制和温室内各种数据的实时采集。系统框图如图1所示。本文的重点在于温室上位机控制软件中节能算法的实现。2上位机功能模块设计Visual Basic 6. 0具有丰富的开发工具，采

4、用面向对象技术、图形化的应用开发环境。它有一个功能极其强大的集成环境，使得开发人员可通过菜 单、界面、图形浏览工具、对话框以及嵌入的各种生成器来轻松地完成各种复 杂的操作。基于这种优势，温室控制上位机软件选择了Visual Basic 6 。0开发环境进行开发设计。通过对温室控制上位机功能的分析，设计了各个功能模块，分别针对不同 的控制要求以及用户需求。上位机的功能模块框图1如图2所示。温室控制系统上位机（吒机用 户 登 录数设E数 据 采 集 发 送i手 动 控 制 模 式自 动 运 行 模 式节 能 优 化 控 制实 时 曲 线 显 示视 频 监 控打印与历 史曲 线査 询远 程 网 络

5、接 口帮 助 菜 单1温室控1 b制规則1库!严f1温室模1型方程f、一_ 丿s控制指令鶯发送】温室P勺外数据采集IA其中f rin/人哦为温室的内外温度七；%/叫为温室的内外湿度,g/(niin m5) _1 ；5为热交换系数 K1；个人资料整理 仅限学习使用托普物联网开创智慧农业。专业解决畜牧水产养殖自动控制系统、大田种植智能 管理系练 花卉科植控制系统、农产品安全溯源、温室大棚智能控制等。* 网址： www- tpwlw. coin pjww. agri 50. conn-1农业物联网解决方秦咨询* 132557187230571-8195720 86056609y为温室体积P为空气密度

6、3.2kg- m3；Cp为空气比热,1 006J/(kg K)； G”哦为温室加热的功率,w；Q仇为温室喷雾系统的水容量,gSi为太阳光辐射的能量,W；入为潜在的热蒸腾,2 257八昇： 叫为通风率,卅8lJE(S, %,)为作物的蒸腾损失率(g s1),其受到 太阳光辐射的影响；a和禺是参数；险和人分别表示温度和湿度混合的空气体积，总 的来说Vt和 人占温室几何体积v的60% -70% o通过该温室温湿度动态方程，在已知温室体积、热交换系数等参数的情况 下，可以得到温室内的温度、湿度值的变化量与加热、喷雾以及通风量之间的 关系。用基于外部种群的多目标偏好遗传算法获得一组加热、喷雾、通风，使

7、温湿度达到目标区间内的数据对。该算法的基本思想是根据用户事先定义的偏 好区域设定一个偏好参考点，这样在遗传算法的进化过程中，通过度量每一代 种群个体与参考点的距离来得到每一代的虚拟聚类点，然后再利用外部种群使 得距离参考点最近的个体保留下来。算法流程 1如下：(1参数初始化，包括种群中个体数目NIND种群规模Pop外部种群个体数目OutNIND外部种群规模 Outpop、运算代数Maxger。(2创建初始种群Chrom并置进化代数gen=1。(3对Chrom中个体进行轮盘赌选择，产生父代种群Parent_Chrom。(4对Parent Chrom中个体进行交叉和变异遗传操作得到子代种群offs

8、pri ng Chrom(5 将 Pare nt Chrom 和 offspri ng Chrom 合并得到种群 Media n Chrom。(6计算种群Median Chrom中个体与偏好区域中心的距离，得到虚拟参考 点J(t，根据.(f和动态半径r(t得到虚拟偏好区域 o(j(t , r(t ;判 断种群Median Chrom中个体与区域o(j(t , r(t的关系，若属于区域 n(_ (t , r(t则放入Outpop,否则不放入 Outpop。(7计算Median Chrom和Outpop中个体的rank、拥挤距离。(8根据rank和拥挤距离对 Median Chrom进行选择，更新

9、种群 Chrom; 根据rank和拥挤距离对外部种群 Outpop进行选择，更新外部种群 Outpop。(9gen=gen+1,如果 ge*Maxgen转(3，否则结束循环并输出Chrom和Outpop。其中虚拟偏好区域力(_(t , r(t为每一代中的具体数据的一个集合， 该集合近似地反映了用户的偏好区间在每一代中的区域。通过将该算法与上述的温室模型相结合，也即在算法流程的(6中增加一步：种群Median Chrom的个体输入温室模型中得到相应的温度、湿度值，再 根据温度、湿度值是否在虚拟偏好区域力L(t，(t内来判断原 MedianChrom的个体是否放入外部种群。由此最后输出所得到的外部

10、种群Outpop即为满足温室达到温湿度区间内的一组加热、喷雾、通风数据对。由于这3个控制输入的功率是不同的一一加热的能耗大，喷雾次之，通风最小一一所以在此 引入一个能耗的目标函数。/(I)75% +0.2Q +0.05%“4上式中的系数值(也即权值 可以根据具体的温室执行机构的功率值来改变 其大小，从而可以偏向于选择耗能更低的通风或是喷雾来控制。通过对能耗值 的计算和比较可以得到上述外部种群中能耗最小的数据对，从而可以得到既最节能又符合温室环境控制要求的控制策略。3. 2 VB与Matlab混合编程为了能够让VB编写的上位机软件调用该节能算法从而实现温室的节能运 行，首先用Matlab编写相应

11、的基于外部种群的多目标偏好遗传算法程序，其中 包含了温室的模型方程；再通过 Matlab中的命令生成DLL文件供VB程序来调 用。具体步骤如下：(1在Matlab命令行中输入COMTOOt令，调用COM成器，出现生成器 主窗口；(2新建工程并输入组件名称(.DLL文件名，然后再在“ Class Name”框 中输入类名称如“ wenshi”；(3在“ Component name框中输入组件名称(.DLL文件名，生成工程；(4定义工程设置并添加必要相应的多目标偏好遗传算法程序的M文件；(5选择“ Build ”菜单中的“ COM Object”选项来调用Matlab编译器进行 编译，生成对象文

12、件及输出文件.DLL，并将.DLL文件自动注册到系统。该DLL动态文件的入口函数为f=jiaquan-nsga(cintw，其返回值为加热、喷雾以及通风的标定值。而其输入cintw为一个数组，包含了以下信息：温室内的初始温度、初始湿度，温室外的初始温度、初始湿度，温室的体积以 及温室模型所需的其他温室参数。然后就可以在VB中通过引用来调用该DLL文件。VB中调用DLL文件的部分代码如下：PrivatemydllAs wenshi . wenshiclassSetmydll=Newwenshi. wenshiclassCall mydll . jiaquannsga(1 ，f， cintw。通过

13、混合编程可得到节能算法的加热、喷雾以及通风的返回值，该处的返 回值为相应的加热焦耳值、喷雾出水量值以及通风风量。根据执行机构的配置 可以把相应的值转化为加热、喷雾、通风三个执行机构的动作时间，通过上位 机发送相应的控制指令使执行机构进行相应的操作。3. 3节能控制算法的实现在实际的温室控制中，温室的执行机构除了模型中涉及的加热、喷雾以及 通风之外，还有外遮阳、CO施肥系统、内遮阳、天窗等，如果忽视了这些执行机构的动作则不能实现真正的温室控制；因为光照太强或CO浓度过低也不能让作物健康的生长。因此通过节能控制算法对加热、喷雾及通风进行控制， 同时引入多因子协调控制算法的部分控制策略对其他的执行机

14、构进行控制。从 这个角度上讲，由于模型的局限性，也只能实现局部意义上的节能。图3为温室节能优化控制的程序流程图。其中可以选择单次优化计算并运 行；也可以选择自动循环运行该节能优化控制算法，通过一个温湿度的判断来 自动选择是否加载节能算法并施加控制到温室。该节能优化控制若要付诸具体 的温室现场控制中，需要有一个可以能够完全反映实际温室环境中各种因子相 互作用机制的温室模型，而就目前在温室模型方面的研究来说，这样的模型还 未完善到完全可适用的程度。基于此原因，以节能控制算法为主的控制策略对 温室进行完全控制之前，需要有一个验证温室模型的过程，同时考虑到具体的 温室运行现场对控制稳定性的要求，提出了

15、一个较为稳定的控制方法即结合节 能算法的自动运行方式。个人资料整理 仅限学习使用个人资料整理 仅限学习使用S3节龍控算法潦穫鹏臂豔现化能 忧节算 能行廿 节琏 用法优 调算个人资料整理 仅限学习使用4基于节能优化的自动运行方式在实际的温室控制中，由于温室模型与实际温室之间存在着差异，再加上 温室控制执行机构的动作误差以及温室控制中存在的时间延迟，由节能算法求 得的控制策略可能会存在较大偏差，使温室内的温湿度达不到理想目标区间 内，这样就需要重复迭代节能算法以获得一个新的控制输入。基于这种考虑， 可能会出现节能的控制方法所消耗的能耗大于在同等情况下的多因子协调控制 方法的能耗。于是引入了多因子协

16、调控制算法与节能算法相结合的方法，在一 定程度上达到节能控制的目标；同时由于多因子协调控制在实际温室控制中可 以保证系统的稳定运行，采用该混合控制方法更能够在保证温室稳定运行的前 提下实现节能控制。多因子协调控制作为温室控制的主要方式，通过温室环境多因子协调控制 算法可以自动控制温室内的环境。然而在该模式下的控制是无模型的控制，必 须通过一个控制过程才能够得到温室执行机构的动作时间。在本软件的设计中取1 h为一个计算时间单位，可以得到一个时间单位内相应的控制能耗总值； 与此同时，通过节能算法可以在线计算出同等时间段内采用节能优化控制算法 所需要的能耗值：从而可以在每个小时比较一次总能耗，然后再

17、进行总能耗的 对比。能耗的对比方法分为两种：一种是用户自己进行对比并决定是否在多因子 协调控制下调用节能算法对温室进行控制；另一种是上位机软件自动对比作出 判断，对比次数设为3次。如果节能算法计算出的能耗值在 3个时间段内低于 多因子协调控制的能耗值，则自动调用节能控制算法，并把部分控制权交给该 节能算法。在节能运行模式下，由于温室模型的局限性，可能控制效果并不是很理 想，为了保证温室能够在无人值守情况下稳定的运行，在节能算法内设置了一 个报警返回机制。如果在调用节能算法进行控制时，温室的环境变量出现了异 常情况，则把控制权交回给自动运行主程序。程序的流程图如图4所示。通过节能算法与温室多因子协调控制算法的有机结合，可以使温室控制既稳定又在 一定程度上达到了节能的目的，为