基于PLC的智能温室控制系统的设计毕业论文.docx
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基于PLC的智能温室控制系统的设计毕业论文
基于PLC的智能温室控制系统的设计
第一章前言
智能温室系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农
业技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、
智能传感技术等高科技手段发展起来的。
自上世纪90年代以来，我国农
业上程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础土，对温室
温度、湿度、COZ浓度和光照等环境因子控制技术的研究，研制开发了
我国自己的智能温室控制系统。
1.1研究的背景
1、山东省潍坊市于1995年在潍坊职业学院（原昌潍农校）种植基
地一一潍禾示范农场，创办了我国第一批现代化温室，个部引进以色列
智能温室技术，用于种植“名、优、特”花卉及高经济价值蔬菜，不仅
成为潍坊市集约化设施农业样板，而且成为高新技术的辐射源和全国农
业生产技术、信息的集散地（如寿光蔬菜、青州花卉），并受到包括吴
仪等在内各级领导的参观。
2、“工厂化农业关键技术研究与示范一现代大型温室标准化栽培技
术体系研究与产业化示范”被列为国家重点科技攻关内容并成功结题。
为了推广温室技术，国家农委强调在每一个地区都要建立温室示范工程。
因此，智能温室环境控制技术有巨大的市场空间。
3、潍坊市重大科技攻关项目“中国兰花品种筛选与组培快繁工厂化
育苗技术研究”（编号:
农科攻字（2004）第5一1号）。
4、潍坊职业学院园林工程系的“组培中心”被列为山东省高等职业
院校示范基地，受到省市财政的大力支持。
5、山东省科技攻关项目“名特优花卉工厂化育苗及产业化开发示
范”。
6、潍坊市于2007年在潍坊职业学院南校区投资300万人民币新建
智能日光连栋温室如图l一1所示，温室主体结构框架经招标由山东省青
岛蓝天有限公司承建，并于2007年7月完成。
温室控制系统的设计、安
装、调试由本单位独立完成，计划2007年11月工程结束。
1.2研究的意义
1、近两年来，农业作为国家优先发展产业正受到各级政府的高度重
视，增加8亿农民收入是我们国家当前的基本国策，农业现代化是我们
追求的目标，基于计算机和自动化技术的智能温室是农业现代化的一个重要方面。
图1一1新建智能日光连栋温室
2、以色列的园艺温室发展早，其国上面积中的2邝为丘陵和沙漠，
干旱少雨，人均占有淡水资源仅相当于我国的1/8。
但农产品出口额达
到全国的5%，从业人员平均月收入1243美元【2]。
作为全国蔬菜花卉
的核心地区与潍坊地区相比还有很大的差距，因此，现代化的、高效的
温室工程生产技术需加大力度进行国产化、自行化研究和推广使用。
3、国家“十五”重点科技攻关内容“工厂化农业关键技术研究与示
范”尽管以结题。
为了推广温室技术，国家农委强调的在每一个地区都
要建立温室示范工程，但每一个地区的气候条件都不一样，其控制模型
和控制算法都不可能一样，因此，智能温室环境控制技术仍有很多问题
需要解决。
4、1995年潍坊市引进的以色列智能温室其计算机控制系统依靠国外
进口，核心技术掌握于国外，而且实践证明，由于地域、水质、气候乃
至资源的差异，引进的温室控制系统，并不完全适合本地区的情况，引
进的设备没有充分发挥作用，成本高，效益低，难以维护，难以推广。
5、智能温室控制系统的自行设计，其运行工作模式符合潍坊职业学
院的教学和科研要求，摈弃了引进技术的弊端，并大大减少了设计经费，
也为我院教师提供了科研攻关的机会。
6、该智能温室的先进控制模式适合本地区情况的，综合考虑植物生
长和产量、节能、环境控制、经济效益等多方面因素，继续为本地区的
种植业的发展的起到了模范作用。
7、智能温室控制系统将实现对农业生产的准确管理。
通过控制器实
时监测温室内空气温度、空气湿度、上壤温度、土壤湿度值，使对作物生长环境监测与普通简单温度、湿度计测量相比，更准确、更可靠。
人
们能够通过这些监测手段实时准确地了解情况，完成相关设备调节，避
免了监测误差和监测滞后带来的损失。
8、智能温室将自动化技术引入了农业生产，为农业科研活动提供了
有利的科学手段。
通过参数设置及自动数据记录，为农艺工作者完成相
关农艺科学研究，了解不同生产条件对作物的生长、品质影响及生产方
法的改进，都提供了简便、准确的手段。
因此，研究该课题具有深远的理论意义和重大的现实意义。
1.3国内外温室环境控制技术的研究现状
1.3.1国外研究现状
西方发达国家如美国、荷兰、以色列、英国、加拿大、日本等在现
代温室测控技术[起步比较早，都大力发展集约化的温室产业，温室内
的温度、湿度、光照度、c（理浓度、水、‘兀、营养液等实现计算机调控。
1、美国在1949年，借助于工程技术的发展，建成了第一个植物人
工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研
究。
20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产【3]。
2、荷兰园艺温室发展较早，在1974年首次研制出计算机控制系统
CECS，成功开发了一系列计算机软件、硬件，实现了温室供水、施肥和
环境自动化控制。
他们的全自动化温室成套设备在世界市场上享有很高
的技术声誉【4】。
3、以色列开发了一种植物生理生态监测仪:
它可以监测株高、植物
果实大小、叶片大小与厚薄、茎直径、茎流量、叶温、叶片附近湿度、
C02浓度等，24小时连续工作，每隔一定周期就采集一次数据，得到的
数据定期发送到对环境气候进行控制的PC机上。
4、目前，英国的温室大量采用计算机管理，主要控制温度、湿度、
通风、COZ施肥、营养液供给及pH值、EC值等。
伦敦大学农学院研制的
计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的温度、湿度等环境状况，
并进行遥控。
为保证COZ气体在温室内分布均匀，温室中通常安装通风
机，搅动空气使温室中的C02浓度一致。
5、在加拿大，已经开始使用一种计算机辅助温室管理软件（（HGM）帮
助生产者判断和解决病虫害问题，同时提高温室的整体管理水平。
llGM可
以将生产过程中采集的数据与标准数据库中的资料进行对比和分析，从
而对作物的生长状态进行判断，进而将系统调整到最佳状态。
这不但降
低了生产成本，而且还可以减少农药的使用，达到利用非化学方法控制
病虫害的效果闭【5]。
6、日本利用网络技术实现对设施栽培数量多、地点
现异地监控与管理。
通过网络不仅可以向种植者提供市
息、专家策略，还可以从远程启动设备，对环境调控【
总之，国外智能温室产业发展早，经济效益高。
随
新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求
为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的
网络化，智能化阶段。
1.3.2国内研究现状
1、从20世纪70年代起，我国的农业工程技术人员
借鉴国际上设施农业发展的先进经验，致力于温室工程
作，逐渐地引进了大量的温室。
引进的温室与我国传统
间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，
发展提供了借鉴作用。
但这些温室也存在着许多不足之
2、1995年建立的潍坊职业学院潍禾示范农场，是中
建立的第一批商业示范农场。
该项目一期工程总投资215
引进以色列技术和设备，建成了以色列现代化玫瑰温室、
卉和蔬菜种苗加工厂，引进了一条果蔬、花卉脱水漂染
部为自动化控制，技术指标均高于以色列国内农场平均
农场投产以来，已为社会提供种苗5000多万株;加工果
并全部出口，部分产品已上网销售，对当地农业生产起
带动、吸纳作用，不仅成为潍坊市集约化设施农业样板，
技术的辐射源和农业生产技术、信息的集散地。
2、90年代中后期起，我国高校开始研制自己的控制
1996年，北京农业大学研制成功了“WJG一型实验温室环
理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统;江
教授研制的“温室环境测控系统”，主要用于无土栽培实
较高，且处于实验阶段;吉林工业大学研制成功的用于
控制器，能够根据温室内的温度、湿度和光照度来自动调
年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面
成果;还有许多高等院校、科研院所都在进行温室控制系
并且许多单位都己建立起或将要建起温室控制系统的总
3、近2005年来，出现了设计生产日光温室的公司，
有影响的温室设计公司有:
北京奥托精密科技发展有限公
光温室有限公司、上海都市绿色工程有限公司、上海华
有限公司等，这些公司的温室产品型号较多，但一般采
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单片机嵌入式测控系统，由于形成的是单片机系统，所以人
友好，非专业人员使用困难，难以操控，所以自动控制模式
置状态，造成资源的浪费。
以上产品均没有面向我国广大农村现有的1000力一亩传统
工程。
所以，传统的方法，人们主要还是采用温度计、湿度
度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温来控
因此，以土产品的推广一使用价值仍然不大。
总之，同国外先进水平相比，我国对于温室控制系统的
综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单
境调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿
度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物
影响的，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。
因此，
据我国的囚情研制出适合我l6J农业的发展的初能温室控制系
业设施中广泛推广【11]。
1.4温室环境测控技术的发展趋势
温室智能控制系统作为一种资源节约型的高效农业技术，
计算机综合控制下，创造适宜于作物生长的环境，实现优质
耗的工业化规模生产。
要提高测控系统的性能除了硬件系统
算法也不可缺少。
只有采用合理的控制算法，才能使温室环
子达到最优的控制效果，才能使温室控制系统达到智能化的
是我国现阶段在温室控制的理论研究和工程实践中常涉及到
算法[12]。
1、模糊控制算法
模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，它是通
成人们用自然语言所描述的控制活动。
其控制算法是把各种
合起来分析考虑，然后进行模糊控制。
再根据实验结果和经
糊控制规则，经模糊推理得到模糊控制表，使综合参数的相
到最佳状态。
模糊控制有许多良好的特性，它不需要事先知
学模型，具有响应速度快、超调小、过渡时间短等优点。
比
节速度快、鲁棒性好，但模糊控制稳态精度欠佳【13】。
2、专家系统
专家系统作为一种知识的载体，所表现出来的可靠性、
久性及其易于传播和复制的特性，是人类专家所不及的，因
解决某些领域问题时具有不可取代的重要作用。
特别是对人类
高级专家数量很少，相应的知识传播和复制也较难，从这个
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开发领域内的专家系统不仅非常必要，而且应用前景非
3、神经网络控制
神经网络采用黑箱方法能把复杂的系统通过有限的
但神经网络方法也存在着明显的缺陷，即需要大量的历
进行外推和演绎时可靠性明显降低。
所以近年来有人利
拓扑案例模型对温室番茄日产量进行模拟分析，取得了较
4、改进尸[D控制算法
常规P工D控制是自动控制中产生最早、应用最广的
采用常规PID控制器，参数不易在线调整，容易产生超
差，不能满足现代温室环境参数监控的要求。
因此，在温室实际控制过程中，为提高系统动态调
度，通常对常规PID控制进行改进，主要有不完全微分
分分离的尸ID控制、变速积分的尸[D控制等。
合理的选
分系数和微分系数，对P工D调节器采用四点中心差分法
力，比传统PID算法有了一定的改进。
5、基于遗传算法的优化模糊控制算法
遗传算法（GA）是模拟生物在自然环境中的遗传和进
一种自适应全局优化概率搜索算法。
用GA调控模糊控制
GA优化过程的早熟现象，又可提高优化控制规则的速度
GA优化设计的模糊控制器来控制温度，响应速度快，温
有利于作物的生长，并降低了系统的能耗，达到了预期
1.5本系统研究方案
根据我院现在建造的日光连栋温室，提出了如下系统
1、硬件系统的组成
采用上位机计算机和下位机日本松下FPI型可编程
式智能温室控制系统的硬件部分，即两级监控系统。
上
对智能温室进行监控和参数的设定。
下级是以PLC为核
负责温室参数的信息采集，系统逻辑运算，并对调控设备
在工业控制中应用多年，属于大批量生产的产品，其在
用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳
采用PLC成本虽然比单片机高，但要考虑到稳定性、可
素，采用PLC比单片机具有较高的性价比。
并且采用C一N
分布式结构，当上位机发生故障时，PLC控制器可以自行
显示和输出等控制，不影响温室的自动运行。
2、系统软件的编制
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智能温室监控系统软件包括上位机监控软件和下位机系
位机监控软件的编制采用组态王6.02。
下位机系统软件则采
的FPW工NGR编程软件来开发。
系统软件不仅可以完成上位机
间的通信，而且可以满足用户对温室环境数据的实时查询和
能满足操作简单、界面友好、通用性和适应性强的软件开发
统功能的扩充和进一步开发留下接口。
1.6研究内容与方法
1.6.1研究的内容
1、根据外界环境对花卉生长的影响因素，选择作物环境
检测系统、智能温室控制系统两部分。
自动检测系统包括:
光照、COZ、上壤水分等传感器与变送器。
智能控制系统包括
角度开闭驱动，遮阳网驱动，通风机，喷灌滴灌控制，节能
打万制等。
2、根据检测和控制对象，采用P工D控制算法建立温室温
系统数学模型，使用MATLAB软件对其进行仿真测试。
3、研制与开发基于PLC的温室智能控制系统。
4、开发智能温室组态监控界面。
。
5、通过实际运行对系统进行检验以及变频技术通风运行
1.6.2拟解决的关键问题
1、采用PID控制算法建立温室温度参数控制系统数学模
2、室内温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境条件的
控制技术。
3、开发功能完善、成本低、可靠性高和扩展性好的温室
件和软件系统，为温室生产的普及创造条件。
4、基于变频技术的降温排湿功能的实现
1.6.3研究方法和技术路线
1、拟采取的研究方法
（1）根据潍坊市园艺中心提供的数据，采用统计的方法
内作物生长的最佳环境参数如光照、温度、湿度、二氧化碳
定控制对象。
（2）根据P工D控制算法确定的参数，拟用MATLAB软件
系统的数学模型进行仿真测试，通过对比、模拟的方法，选
测方案和控制方案。
（3）拟用试验的方法，完成对室内温度、湿度、光照、
度等环境条件的自动控制试验，并通过组态软件监控控制过
2、拟采取的技术路线
本设计拟采取下面的技术路线如下，
第一步:
收集相关资料
第二步:
建立数学模型
第三步:
确定最优的控制方案、
第四步:
温室模型控制系统的硬件、软件设计
第五步:
智能温室现场控制系统的硬件、软件设计
第六步:
组态监控
其流程图如图1一2:
第二章智能温室控制算法的研究
2.1温室环境的主要特点
温室气候环境作为计算机控制系统的控制对象，有以下特点:
1、非线性系统。
温室内部的气候处于热平衡混沌状态。
大量随
不确定性因素使得对其精确建模比较困难。
2、分布参数系统。
由于温室面积比较大，造成温室内部各个物
的分布是不均匀的。
比如温度，温室内部各点温度都不一样，四周
都比中间的低，项部和底部也有一定差别，其值的大小依赖于空间
和气流的方向等各种因素，在温室中的气候分布是缓慢变化的。
3、时变系统。
作物在生长周期的不同阶段，其光合作用能力、
散热能力等均有所差别。
因而，温室系统是一个参数随着时间变化
态系统。
4、时延系统。
对于外界所施加的作用，温室系统并不立即响应
是经过一段时间的延迟才有反应。
比如，在温室加热系统中，对系
热升温，热量传到温室的各个部分需要经过很长一段时间的延迟，
刁‘会有所提高。
5、多变量藕合系统。
温室系统是一个多输入多输出系统，系统
量之间并不是互相独立，各个子系统的控制回路彼此祸合在一起。
统任一目标的控制，都会影响其它目标的变化。
综上所述，温室环境系统是一个复杂的大系统，建立精确的控
型很难实现。
由于作物对环境各气候因子的要求并不是特别的精确，
是一个模糊区间，比如作物对温度的要求，只要温度在某一时间段
一区间内，该作物就能很好地生长，因此，也没有必要将各种参数
精确控制。
在温室气候控制因子中温度和湿度是最重要的环境因素。
对于
湿度的控制可以采用传统PID控制，这种方法简单、便于实现，但
数的整定比较困难，而且一组整定好的参数只在较小的控制范围内
好的控制效果，所以PID控制对这一类对象的控制效果并不理想。
提出的模糊控制可以不必精确了解对象状况，并且具有动态响应好
升时间快、超调小的优点，在生产过程控制等领域得到了较为广泛
用。
2.2智能温室控制对象的数学模型
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了解对象动态特性可以通过理论分析的数学描述法，也就
运动的内在规律出发，推导出代表对象动态特性的微分方程式，
的数学模型。
2.2.1智能温室控制对象微分方程
智能温室自动控制，最关键的环境因子是温度控制，而温
仅控制夏天温度，冬季采用锅炉加热，温度最高升至20℃。
温室的温度控制是空气系统的一个重要
环节，它是用设置在室内的测温传感器，测
定室内空气温度信号，并将此信号传递给温
度调节器进行运算和放大，发出控制指令信
号，以控制相应的执行控制机构，使送风温
度或送风量随偏差值的大小而发生变化，以
满足温室温度控制的要求。
智能温室的温度对象如图2一1所示。
严
格说来，室温调节对象是有纯滞后的分布参
数对象，但为了研究的简便，在建立数学模
型时，把室温对象按集中参数来处理，而不
考虑对象的滞后。
根据能量守恒定律，单位时间内进入房间对象的能量减去单位时间
由房间对象流出的能量等于房间对象内能量蓄存量的变化率，则温室的
数学表达式为:
2.2.3智能温室特性的确定
1、智能温室实物模型
本文连栋温室室内尺寸一长:
科米、宽6米、高2.5米，温室针架采用
钢结构，中间为聚氨脂发泡保温层。
可控温度范围为OOC一40℃。
采用
湿帘通风降温系统，湿帘水泵l台，北端湿帘风机2台，中间环流风机
2台，南端排湿风扇2台。
温度的稳定值通过调整湿帘水泵、排湿风扇
的输出功率来确定的。
2、智能温室参数的估算法
从湿帘通风降温系统工作后一点的温度变化到温室控制点的空气温
度开始变化所经历的时间叫恒温室的传递滞后。
也就是说T就是空气从
降温系统开始沿流线移动到控制点所需的时间，即
2.3MATLAB仿真
1990年，MathworkS软件公司推出MATLAB/Simulink，该软件在系
统仿真应用中很快得到了发展。
Simulink是一个用来对动态系统进行建
模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线
性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。
现已发展至7.0版本
本文利用MATLAB对湿帘降温系统的P工D控制进行模拟仿真。
2.3.1plD控制器参数的选取
针对本文的智能温室，受控对象可用一阶惯性环节表示;即传递函
数为:
通过P工D控制系统的响应曲线可以看出，PID控制系统的静差为零
在受到外界干扰作用后，系统最终能很好趋于原来的平衡线上。
但PID
控制系统在控制的过程中会产生很大的超调量，且回复时间长、衰减度
较大。
第三章系统总体结构与硬件设计
3.1系统总体结构
3.1.1控制系统设计目标
温室控制系统就是依据室内外装设的温度传感器、湿度传感器、光照
传感器、COZ传感器、‘室外气象站等采集或观测的温室内的室内外的温
度、湿度、光照强度、COZ浓度等环境参数信息，通过控制设备对温室
保温被、通风窗、遮阳网、喷滴灌等驱动/执行机构的控制，对温室环境
气候和灌溉施肥进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要，为作物
生长发育提供最适宜的生态环境，以大幅度提高作物的产量和品质。
其
总体结构示意图如下图3一1所示:
3.1.2控制模式
1、控制原则
以时间为基准的变温管理。
根据一天中时l旬的变化实行变温管理，
根据作物的生长需要将一天分成四个时间段，四个时间段中根据不同的
控温要求对温室进行控制。
一天中四个时间段的分段方法用户可以灵活
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的更改，而且四个时间段中的温度设定值用户也可以设定修改。
2、控制模式
根据潍坊地区多年的气候条件记录，本地区春天与秋天时间短，不
易区分。
以此控制模式采用夏天与冬天各采用一种模式，共有两种控制
模式。
（l）夏天模式在该模式下工作的坏境调节设备有:
自然通风系统
（天窗和内侧窗）、强制通风湿帘降温系统（湿帘一风机）和水平保温遮荫
幕。
此时室外温度很高，温室降温以强制通风湿帘降温为主。
遮荫幕可
以起到遮荫和降温的作用。
（2）冬天模式在该模式下工作的环境调节设备有:
暖气加温系统、
水平保温遮荫幕。
在此模式下自然通风系统不工作。
不同季节的控制模式不同，只是自动控制系统启动的调节机构不相
同，但不同季节的控制日的是相同的，即将环境参数调控到设定的参数
附近。
随着季节的变化，以及随作物的生长阶段的变化，各时间段所需
要的温度也是变化的，这时可以通过修改设定温度值来调整温室的温度
控制目标。
3.1.3控制方案
本系统采用自动与手动互相切换控制两种方式来实现对温室的自动
控制，提高设备运行的可靠性。
在运行的时候可以通过按钮对这两种控
制方式进行切换。
1、手动控制模式
手动控制简单可靠，由继电器、接触器、按钮、限位开关等电气元
器件组成。
2、自动控制模式
我们采用计算机自动控制模式，通过传感器对环境因子进行监测，
并对其设定上限和下限值，当检测到某一值超过设定值，便发出信号自
动对驱动设备进行开启和关闭，从而使温室环境因子控制在设定的范围
内。
其运行成本较低，可以大大节约劳动力，降低劳动者的劳动强度。
3.2系统的硬件组成
为了实现智能温室的环境监控，本设计建立了温室环境控制参数的
长时间在线计算机自动控制系统。
实现了温室内温度、湿度、C02浓度、
光照强度等参数的长期监测。
并可根据智能温室温湿度的需求，对天窗、
侧窗、降温湿风扇、风机、湿帘、内外遮阳网等设备自动控制。
采用计
算机作为上位机安装有组态王6.02监控软件，能将数据汇总、显示、记
录、自动形成数据库，并实现了温室调控设备的自动设置与远程监控。
为了确保系统的可靠性，温室设备的控制采用手动/自动切换方一式，即在
某些特殊情况下系统可以切换成手动，使用灵活力一便。
系统的硬件结构
图如下图3一2所示:
3.2.2信息采集系统的设计
1、温度采样电路设计
对于智能温室环境控制而言，温度参
数是监测控制系统输入的最基本的变量
之一。
温度传感变送器是具有在恶劣环境
中长期使用而保持精度不变的少数几类
传感器中的一种，目前常用的温度传感器
有热电偶传感器、热敏电阻传感器及集成电路（固态）型传感器。
在各种
温度传感器中，热敏电阻和集成温度传感器均可满足要求。
本系统温度
控制的范围为10“C一SOOC
（1）温度传感器的选择
温度传感器的种类很多，根据温室使用条件，选择恰当的传感器类
型才能保证测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。
根据温室温度控制的特点，
本系统中温度传感器选用AD59O
集成温度传感器如图3一6。
该温
度传感器具有线性好、精度适中、
灵敏度高、体积小、使用方便等
优点，得到广泛应用。
集成温度传感器的输出形式
分为电压输出和电流输出两种。
我们选用电压输出型的灵敏度一
般为IOmV/K。
温度O“C时输出
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