基于现场控制系统的烟叶温室温度控制模型

杨 乐， 舒建文， 盛立冉

(1.江西农业大学计算机与信息工程学院，江西南昌330045;2.南昌航空大学信息工程学院，江西南昌330038;3.江西抚州市烟草专卖局烟叶技术中心，江西抚州344600)

0 引言

发展现代烟草农业，由传统的小棚(无棚)育苗转向现代化温室大棚育苗［1］。现代温室能够通过人工控制环境因素，满足烟叶的最佳生长条件，使烟叶生长环境得到优化，有效地改善农业生态，提高土地的产出率和社会经济效益。在温室环境控制中，温度的控制是整个控制系统中最重要的、对作物生长环境影响最大且耗能最多，但温室系统是一个大滞后系统，大的纯滞后可引起系统不稳定或降低系统反馈性能［2-3］。另外，温室环境复杂，外界辐射量、天窗开度等都会影响室内温度，扰动量大，这些都将导致温控对象模型参数的参数时变，采用传统的控制方法很难达到最佳的控制效果［4-5］。基于此，本文提出了一种基于FCS的烟叶温室温度控制模型，用温度数据采集方法和分析计算方法来控制温室温度，从而培育出适合烟叶生长的最佳环境，再配合烟叶生长的不同阶段给予充足营养的供应，创造一个适合烟叶生长发育的温室环境。

1 模型构建原理

烟叶生长有其规律，并且不同品种的烟叶在不同阶段其生长规律各有其特点。通过在江西省抚州市烟叶专卖局黎川县分局现代烟草农业试点大量的实验，确定各种烟叶在各个阶段生长的最佳环境，然后再通过人工和技术相结合自动控制温室温度处于最佳环境。同一温室可以通过控制温度适于多种烟叶生长，并不受当时外界环境的影响，从而保证烟叶的最短生长期、最大产量、最佳品质，实现资源最佳优化。

2 烟叶温室温度控制模型

2.1 方案设计

烟叶温室温度控制是一个复杂的系统，它要求对室内外各种参数进行自动监测、信息处理、实时控制、在线优化等，用传统的集中控制难以完成复杂的运算功能，从而无法给烟叶提供最佳的生长环境。现场总线将传感测量、补偿运算、工程量处理、回归处理与控制等功能分散到现场设备中完成［6-7］，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

2.2 温度数据采集方法

本系统主要利用设备温度的变化进行分析，采用红外测温仪对设备温度进行检测，并将检测温度与正常温度和历史数据进行对比，判断该部位是否异常。温室温度由于受众多因素和条件的制约，是非常复杂的物理过程，因此在温室温度设计过程中，所进行的计算和分析过程是相当复杂的。相同条件下，同类型设备各探测零部件的温度检测值呈正态分布［8］。系统采用图1所设计的方案进行计算，经过分析、统计得到各探测监测点的标准温度，构造如下数学模型来定量描述温室温度的动态变化过程:

式中:Ts为在外测温仪所测部位的标准温度;Ti为检测部位温度;j为温度检测次数;为i台设备该检测部位的平均温度;n为同类型设备数量。

如果室内温度异常，往往易产生漏发警报，其造成的损失远远大于虚发警报，所以需要给同类型设备所测部位设定上限温度，即:

式中:Tmax为上限温度;λ为系数，其取值范围(1，2］;Si为i台设备该检测部位温度的标准偏差。

2.3 分析计算方法

系统将 Ti与 Ts、Tw和 Tmax进行对比，当 Ti∈［Ts，Tw］时，系统运行正常;当 Ti∈［Tw，Tmax］时，系统提示该部位需要检查;当Ti∈［Tmax，+∞］或连续出现Ti∈［Tw，Tmax］时，系统报警该部位需要维修。通过观察温室内实时环境参量，从而实现了温室数据采集系统底层网络与信息发布上层网络的无缝连接［9］。

系统记录多台设备该部位的一次检测温度，将其作为一组数据，并计算出30组数据的Ts和Tmax，绘制出曲线控制图，去掉高于Tmax的数据后，再补足部分测试数据重新计算Ts和Tmax，然后绘制出新的曲线控制图，直到没有数据点超过Tmax为止。这时Ts和Tmax被确定为该部位的标准温度和上限温度，同时计算出Tw，确定其作为报警温度，即:

3 实验分析

目前，温室温度控制的结构主要是以单片机(MCU)为主的控制系统［10］，一般以MCS-51系列为基础，采用8位CPU［11］，从数据采样到算法控制都由单片机来完成，其拓扑结构为集中式控制方式，这种系统所有性能都集中在单片机上，单片机系统一旦出现故障，整个系统都会失控，烟叶的生长会受到颇为严重的影响。此外，烟叶温室温度的控制还有集散型温室控制系统(DCS)［12］，它是相对于集中式控制而言的新型计算机控制，但这种控制方案成本太高，当然也可以用单片机作为控制机来节省成本，但这个方案没有组态功能，不能做到智能化控制，对烟叶生长环境不利。

本文提出的温室控制模型与DCS相比，可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积［13］。而且，FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等［14］，同时也节省了设计、安装和维护费用。本模型相对于DCS［15］组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。

实验地点:江西省抚州市烟叶专卖局黎川县分局现代烟草农业试点，采取分析对比方法，用本模型实现的温室温度控制系统和一般的温室温度控制系统进行比较，共设计6次实验，实验条件复杂性逐渐提升。根据实验分析数据可以看出，用本模型实现的温室温度控制系统所培植的烟叶理墒饱满，移栽质量高，存活率显著提升，实验结果如图1所示。

图1 烟苗存活率分析