《园艺设施学》课件8第八章

1、第八章：设施环境控制设备 （6学时） 采暖、通风、降温、灌溉等工程设计，都是以较为不利的环境条件作为设计依据的，这对确定各项环境工程的规模和设备的负荷是必要的。 然而，设施内外的自然环境条件却总是在不断地变化，为创造适宜于各种生物的生态环境，就必须随着外界环境因素的改变相应地变更、调节设施内的生态环境。 因而，自动控制便成为农业生物环境工程中不可缺少的重要组成部分。 应用自动控制，不仅能大大减轻劳动者的劳动强度，保证高质和安全生产、提高劳动生产率，而更重要的是在现代化的农业生物环境控制由定性(粗放)到定量(精细)的发展过程中，起着人所不及的作用。一、设施环境自动控制概述(一)自动控制的基本概念

2、 所谓控制，就是为了实现某种目的、愿望和要求，对所研究的对象进行的必要的操作。 控制分为人工控制和自动控制。 利用人工操作的通称为人工控制。 利用控制装置，自动地、有目的地操作(纵)和控制某一(些)设备或某一(些)过程，从而实现某一(些)功能或状态就称为自动控制。 例如，自动化玻璃温室屋顶保温幕帘可用人工在日出后拉开，日落时盖上。若采用光敏器件检测光照，通过相应的调节器和电动装置，天黑时将幕帘拉上，天亮后拉去，便实现了对幕帘的自动控制。 自动控制系统就其控制的对象或控制的具体过程而言，种类繁多，通常按如下标准分类：1.按所控制的变量的性质分： (1)断续控制系统：即由各种具有开关性质的元件(简

3、称开关元件)组成的断续作用的控制系统。该系统的输入和输出变量均为开关量。 常用的具有“接通”和“断开”两种状态的开关元件有各种电磁继电器、接触器、半导体二极管和三极管以及数字集成电路(芯片)等。 传统上可分为电器(用各种开关元件组成)控制、顺序控制和数字控制系统。随着微处理机的出现和推广应用，顺序控制和数字控制的功能已被微处理机代替，但其执行机构仍离不开由各种继电器和接触器构成的继电接触器控制系统。(2)连续控制系统：不同于断续控制系统，其特点是该系统随时随地检测被控对象的工作状态，当发现被控对象(也称输出量和被控量)与要求值具有一定的偏差时，系统便会自动进行调整。 连续控制系统虽然结构较复杂

4、，但其控制精度、快速性及可靠性均优于断续控制系统，因而大大提高劳动生产率和产品的品质。 2.按控制系统有无反馈分： 所谓反馈是指将系统的输出信号或该系统中某个环境的输出信号，返送回该系统的输入端，再与输入信号一同作用于该系统本身的过程。可区分为开环和闭环控制系统。(1)开环控制系统：没有反馈的控制系统称为开环控制系统。对于这种系统，给定一个输入量，便有一个相应的输出量。如玻璃温室屋顶保温幕启开和关闭的系统，光敏元件判断是日出或日落，一旦发出执行命令，便会一次性地完成幕帘的启或闭的控制任务，并不对控制结果进行检测，这类不将控制结果反送回的控制系统便为开环控制系统。 开环控制系统在结构上较简单，但

5、难以较高的精度完成控制任务。 (2)闭环控制系统：具有反馈的控制系统称为闭环控制系统。在这种系统中，借助反馈将输出量与期望值相比较，产生使输出量与期望值相一致的修正动作。 如温室自动供暖系统，要通过温度敏感元件检测出室内的实际温度值，并与期望的温度值相比较，得出温度偏差信号，借助于相应的调节装置和执行机构调节加温装置，使室内温度改变，而后再进行新一轮的检测和调节，从而保证室内温度在规定的期望的范围内，这种系统就是闭环控制系统，一般习惯上出称作自动调节系统。 由此可知，各种连续控制系统都是(属于)闭环控制系统。闭环控制系统的输出信号对控制作用存在直接影响，有较强的抑制或减弱干扰的能力，但是若反馈

6、不当，将会使系统工作不稳定，因此存在着必须判定系统是否稳定的问题。3.按控制系统输出变化规律分：(1)自动调节系统：在这种系统中，当输入为常值，或为随时间缓慢变化值时，能保证在干扰下也能使输出自动保持恒定的予期值。自然，这种系统是属于连续闭环控制系统范畴。(2)伺服系统：又称随动系统或跟踪系统，也属于闭环控制系统。在这种系统中，输入在广泛范围内随时间而变化，能保证输出以一定精度跟随着输入的变化而变化。通常其输出多为机械位移，速度和加速度等机械量。(3)程序控制系统：在这种系统中，输入是按事先确定的程序变化的，其变化规律是已知的时间函数，系统能保证输出准确地自动按事先确定的规律变化。这种控制系统

7、可以是开环的，也可以是闭环的。(二)自动调节系统的组成 它是由起调节作用的全套自动化仪表(器)装置(调节装置)和被调节与控制的设备(或各种参数，即调节对象)构成。 如室内感温元(器)件、调节器、各种控制件(如阀门)、散热器、温室围护结构组合在一起就是一个自动调节系统。 自动调节装置须由传感器，调节器和执行器三部分构成。 传感器好比人的眼、耳，是由具有一定物理特性的敏感元件，如热敏电阻，湿敏电阻及相应的测量变换电路等组成，它能够检测各种非电的环境参数，并转换成某一单一函数的特定信号(电量、气压或机械位移等)，送至调节器。当敏感元件发出的信号与调节器所要求的信号不相符合时，尚需通过“变送器”将信号

8、进行相应的变换。变送器通常由电路或气路构成。 调节器好比人的大脑，是调节装置的核心部件。它将传感器送来的信号值与要求的值相比，检出偏差，再按照已经确定的运算规律算出结果，并将结果用特定的信号(电量、电气接点的通、断、气压等)送给执行器，实现予定的控制和调节。 执行器好比人的手脚，它是一些动力部件(电动、气动、液动等)，它接收调节器发送来的特定信号，去改变调节机构(如电磁阀门、窗扇等)的位移，自动地维持某一参数恒定。(三)自动调节的基本规律及对调节过程的影响 任何调节系统调节过程的优劣(主要以快速性、准确性和稳定性来衡量)，是取决于调节对象和调节器的特性。 一般说来，调节对象的特性是难以人为地加

9、以改变的，因此，要想获得满意的调节过程，就应当根据对象的调节要求，选择(或设计和制作)出具有一定的合适的调节规律的调节器。 所谓调节规律是就指调节器的输出信号与输入信号之间的关系随时间而变化的规律。1.双位调节：调节器只有全开和全关两个固定位置的调节动作。如温室双位调节的采暖加热装置，当室温降到一定程度时，波纹管(热敏元件)收缩并带动继电器触点闭合，将电磁热水阀全开，热水进入，使温室升温；当温室温度上升到某一值时，波纹管也跟着热胀使继电器触点打开，电磁热水阀自动关闭，热水停止供给。这种电磁阀在调节过程中只有全开和全关两个极端位置的调节，称作双位调节。 双位调节系统在农业环境工程中应用极为普遍。

10、一般凡是有上、下限触点的检测装置，如带电气触点的温度计，土壤水分张力计，双金属片式温度计等都可以做成双位调节式。 由于物质、能量和信息的传输总要需要一定的时间，物质流、能量流和信息流在到达某一部位时要经过一些中间介质等，从而使被调参数并不能立即跟着调节器的调节作用产生变化，总要迟后一段时间才开始，这就是所谓的调节对象的延迟。由于对象存在着调节延迟，所以，双位调节的被调参数的波动范围都不可避免地要超出调节器的控制范围。同时，由于延迟的存在，在延迟的这段时间内，调节器将无法影响被调参数，致使被调参数自由变化，从而产生和加大调节偏差，延长达到平衡的时间，降低了系统的稳定性和调节品质。 2.比例调节(

11、P调节) 当水箱水位降低时，浮球下降并通过一机械杠杆系统将进水阀上移，促进水量增大；当用水量减少使水箱液面上升时，浮球上升借杠杆作用将进水阀下移，减少进水量，直至水箱面达某一高度时，将进水阀关死，不再向水箱供水。这里浮球是一个敏感元件，杠杆是一个调节器，进水阀是被调对象，水箱液面高度为调节参数。 进水阀的阀杆位移(调节器输出量)与水箱液面的变化差e(调节器的输入量)成正比。当调节对象的状态发生变化时，调节机构必须移动到某一个与对象新的状态相适应的位置才能使系统达到再度的平衡和稳定，这就是说，每次调节结束时的被调量必然是不相同的，即有稳定偏差(静差)。所以，比例调节也称有差调节。对于对象状态变化

12、较大而又要求静差较小的场合，比例调节是不适宜的，应选择其它类型的调节器。 3.积分调节(I调节) 在自动调节系统中，若某个环节的输入量随时间的积累就得到输出量时，输入量与输出量之间的这种关系就叫积分关系，具有积分特性的环节叫积分环节。凡符合积分规律(动作)的调节器就称作积分(动作)调节器。 积分调节器在实用中通常有两种方式，即恒速积分和比例速度积分。 恒速积分方式调节室温的系统中，被调参数为室内气温，执行机构是电动三向阀，敏感元件为双金属片触点式传感器，恒速单相电动机和敏感元件的动臂与触点组成恒速积分调节器。当被调参数与给定值(要求值)相符或偏差在允许范围内时，双金属片式传感器的触点处于中立位

13、置，电机与电源断开，电机不转动，电动三向阀的阀芯处于某一位置，供热量与散热量达平衡状态。当被调参数超过给定值上限时，敏感元件的上限触点闭合，电机以恒速转动，使供热量减小，被调参数回复到给定值。只要被调参数尚未回复到给定的允许范围内，电机便以恒速带动三向阀阀芯，改变供热量，直至消除偏差为止。当被调参数小于给定值的下限时，电机将逆转，按超过给定值上限相反的规律进行调节。由此可知，只要偏差存在，且偏差存在时间越长，阀门芯位移就越多，但阀门动作速度却与偏差大小无关。 比例速度积分调节是指输入信号不仅与输入信号作用的时间长短有关，同时还与输入信号作用的大小(强弱)成比例。 4.比例积分调节(PI调节)

14、比例调节过程较短，稳定性特好，但有时因余差较大则不能满足某些生产要求；积分调节可消除余差，但过程较长，稳定性差，单独作用也难以满足要求，为此，人们常将比例动作和积分动作两者结合起来组成比例积分调节。 比例积分调节的被调量短期偏差小，调节周期短，可以有效的消除残余偏差，比单独采用比例或积分调节可获得满意的调节结果，因而是一种应用十分广泛的调节方式。 5.微分调节(D调节) 一种输出与偏差的变化速度成正比的调节方式。单纯的微分调节，因不论偏差的大小，只按偏差的变化速率进行调节，所以，当偏差很小，但其变化速度却很大时，会出现过调现象，而导致偏差更加变大；当偏差很大，但变化速度很小(如为零)，则会不进

15、行调节，起着保持偏差的作用，所以，单纯的微分调节是不被采用的。 通常是将比例、积分、微分调节综合起来构成所谓比例积分微分(PID)调节系统。 引入微分调节的目的，在于当偏差出现变化时，快速阻止偏差的变化，加快调节过程，一般多用于调节对象的被调量变化快，延迟较小，自平衡能力较差的对象。人工生物环境的调节对象多是延迟大，被调量变化较慢，自平衡能力强，调节精度要求不很高，因此采用微分调节的情况不是太多。 二、自动控制功能和对系统的基本要求(一)自动系统的功能： 现代的投资高，具有高水平的栽培管理技术的自动化温室中装置各种不同的物理、化学和生物传感器，时刻检测着温室中各种物理量的变化，并将信号传递给微

16、机进行判断和处理，然后，微机向各种执行机构发出命令信号，执行机构动作，向不同生物在不同生长发育时期提供适宜的温度、光照等环境因子，使生物良好的生长。 控制功能应包括：1.保温控制：被检测的因子是室内温度、室外太阳能辐射量、保温幕上部气温、室外气温、室内外湿度。当超过或低于设(给)定值时，保温幕启闭装置便自动投入工作。2.换气检制：被检测的因子是室内温度和室外太阳辐射量，室外气温、风向和风速、降雨和降雪量。当超过或低于设定值时，天窗、侧窗、通风扇等拖动电动机启动工作。3.加温控制：被检测因子是室内温度、室外气温、室内外大气湿度。当超过或低于设定值时，加温设施动作或停止。4.遮光控制：被检测因子是

17、室外太阳辐射能、室内温度。按设定值控制遮光幕电动机动作。5.CO2施用控制：检测因子为室内CO2浓度。按设定值控制CO2发生器的CO2施放量。 6.降温控制：检测因子为室内温度和湿度。按设定值控制喷雾雾化喷嘴的开度或湿帘抽风机的启动或停止。7.警报系统控制：当各被控因子的设定值发生异常变化时，保温、换风、加温、传感器、调节器等工作异常时，停电或过载和欠压时等，警报灯、警铃应发出报警信号。8.记录、显示和打印功能：按需要检测、记录耗电量、工作时间、耗水量、燃料耗量以及其它各种物理因子的当前值和累计值，并可打印输出。(二)对温室自动控制系统的基本要求： 温室自动控制(调节)系统是现代化温室企业中一

18、个十分重要的组成部分，尤其是在一些大型现代化温室中，控制系统工作品质直接影响着产品的产量、品质和效益。1.可靠性 温室内高温、高湿和存在腐蚀性气体，控制装置是处于十分不利的环境下长期工作，因此要求配套的设施和器材有高的可靠性。可靠性通常用平均无故障运行时间和平均修复时间衡量。为了提高设施的可靠性，从整体上可以采取分布式控制系统，在具体装置中可采用光电隔离，屏蔽、滤波，电源和接地系统抗干扰措施等，以及采用适当地防潮、防腐蚀等工程措施，保证控制设施长期安全、正常的工作。 2.适应性 现代的自动化温室造价都很高，因此，不能单生产某一种作物品种。要能根据作物品种不同和在各个不同的生长发育阶段对环境的要

19、求，灵活方便地调整各被控环境因子，以满足作物生长发育的需求，获得高产和优质的成果。3.调控精度 在温室生产中影响生物体生长发育的环境因素如光照、温度、湿度、CO2浓度等，对不同生物和同一生物在不同的生长发育阶段都有较严格的范围。因此，为了保证生物体优质和高产、稳产，控制系统的精确度是至关重要的。 在生物环境工程中，对某一被调参数的控制精度并不像电子和机械工程中那么高，如西红柿种子发芽的适宜温度为2030(上限为35，下限为10)，开花温度在15以上，均有一个适宜的温差范围，即要求控制系统的控制精度只要在该适宜范围内即可。4.具有完善的软件系统 自二十世纪九十年代以来，自动化温室环境因子的微机控

20、制已逐渐在国内外被采用，并取得了令人满意的效果，虽然在某些方面还未达到尽善尽美的程度，但已成为二十一世纪农业现代化的一个闪光点。采用微机控制，除了有一套相应的硬件设施外，还必需有一套完善的软件系统。 软件系统通常包括系统软件和应用软件。 系统软件包括程序设计系统，操作系统和诊断程序。 应用软件通常包括过程监视程序、过程控制程序和公共应用程序。此外，还应具有较强的人机对话(交互)功能，要配置输入(I)输出(O)接口和相应的外部设备，以便修改和整定参数，及时地处理异常情况和打印输出及显示某些参数的值。 三、温室环控中自动控制装置 自动控制(调节)系统中应包括传感器(敏感元件)、执行器件和调节器三大

21、部分，它们按一定的方式相互联结组合成一体，完成某一项或综合的自动调节功能。(一)传感器 传感器是借助于敏感元件接收一种物理信息，按照一定的函数关系将该信息转换为各种不同电量输出的器械。在各种自动调节系统中，它直接与调节对象发生联系，将被调参数的变化直接或间接的转换成电信号，是自动调节系统的一个重要的组成部分。传感器以前也称为变送器、发送器、换能器，现已统一称作传感器，而把输出为标准信号的传感器称为变送器。 1.光照和光辐射传感器 (1)光敏电阻 (2)光电池 (3)热电堆辐射测量仪(传感器) 2.温度传感器 (1)触点式温度传感器 (2)热电阻传感器 (3)热电偶传感器 3.空气湿度和土壤湿度

22、传感器 4.CO2气体浓度检测传感器 (二)执行器 它是一些动力部件，处于被调对象之前，接受调节器来的特定信号，改变调节机构的状态或位移，使送入温室的物质和能量流发生变化，从而实现对温室环境因子的调节和控制。 执行器通常由执行机构和调节机构两部分组成。 执行机构的作用是接受调节器的“命令”(即调节器的输出信号)，按一定的规律去推动调节机构动作。它通常是各种电磁继电器或接触器，小型电动机等。 调节机构具体用来调节送入温室(经管道或其它途径)的物质流量，如电动阀门，电动天(气)窗等。 执行机构和调节机构有时制成一个整体，如电动调节阀门，上部是执行机构，下部是调节机构。 (三)调节器 调节器是自动调

23、节系统的核心部件，它根据被调对象的工作状况，适时的改变着调节规律，保证对象的工作参数在一定的范围内变化。 调节器按控制能源的形式有直接作用式(不需要外加能源，也称作自力式调节器)、电动式(也称作电气式)、电子式、气动式以及计算机型。由于气动式需要配置气源，使结构复杂和成本高，故在温室环境自动调节系统中很少采用，主要采用其它四种。而在现代化大中型农业设施中已开始采用计算机作为调节器，实现多参数的适时调控。 调节器按输出给执行机构的信号不同分为二位式控制的调节器和连续控制的调节器。前者是通过电气触点的通断转换来实现调节的，它又分为双位调节、三位调节、时间比例(双位或三位比例微分)调节和双位比例积分

24、微分调节。后者是调节器给执行机构送去的是连续的调节信号，实现连续平滑的调控。 四、温室环境自动控制系统 它是利用计算机对温室中的温度、湿度、光照、CO2浓度以及肥、水等环境因子的执行机构进行自动控制的、由一系列硬件和软件组成的装备系统。硬件和软件系统的好坏，直接影响到控制的效果。 （一）系统硬件 1、按结构划分（1）计算机 是控制系统的核心，它依据输入设备送来的实时采集的被控过程的各种信息，按设定的控制算法，及时进行处理和运算，做出决策，发出控制信号，通过输出设备进行控制。根据系统的大小，可以选择系统PC机，也可以选择单片微型机。 （2）输入设备 计算机与温室作物生产现场之间信息的传递是通过输入设备联系起来的。