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自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制(一)
第1章 概況大棚、中棚及日光溫室為我國(guó)主要的設(shè)施結(jié)構(gòu)類型。其主要功能是采用電路來(lái)自動(dòng)控制室內(nèi)的溫度，以利于植物的生長(zhǎng)。溫室的性能指標(biāo)：
1．溫室的透光性能
溫室是采光建筑，因而透光率是評(píng)價(jià)溫室透光性能的一項(xiàng)最基本指標(biāo)。透光率是指透進(jìn)溫室內(nèi)的光照量與室外光照量的百分比。溫室透光率受溫室透光覆蓋材料透光性能和溫室骨架陰影率的影響，而且隨著不同季節(jié)太陽(yáng)輻射角度的不同，溫室的透光率也在隨時(shí)變化。溫室透光率的高低就成為作物生長(zhǎng)和選擇種植作物品種的直接影響因素。一般，連棟塑料溫室在50%~60%，玻璃溫室的透光率在60%~70%，日光溫室可達(dá)到70%以上。
2．溫室的保溫性能
加溫耗能是溫室冬季運(yùn)行的主要障礙。提高溫室的保溫性能，降低能耗，是提高溫室生產(chǎn)效益的最直接手段。溫室的保溫比是衡量溫室保溫性能的一項(xiàng)基本指標(biāo)。溫室保溫比是指熱阻較小的溫室透光材料覆蓋面積與熱阻較大的溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)覆蓋面積同地面積之和的比。保溫比越大，說(shuō)明溫室的保溫性能越好。
3．溫室的耐久性
溫室建設(shè)必須要考慮其耐久性。溫室耐久性受溫室材料耐老化性能、溫室主體結(jié)構(gòu)的承載能力等因素的影響。透光材料的耐久性除了自身的強(qiáng)度外，還表現(xiàn)在材料透光率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷衰減，而透光率的衰減程度是影響透光材料使用壽命的決定性因素。一般鋼結(jié)構(gòu)溫室使用壽命在15年以上。要求設(shè)計(jì)風(fēng)、雪荷載用25年一遇最大荷載；竹木結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易溫室使用壽命5~10年，設(shè)計(jì)風(fēng)、雪荷載用15年一遇最大荷載。
由于溫室運(yùn)行長(zhǎng)期處于高溫、高濕環(huán)境下，構(gòu)件的表面防腐就成為影響溫室使用壽命的重要因素之一。鋼結(jié)構(gòu)溫室，受力主體結(jié)構(gòu)一般采用薄壁型鋼，自身抗腐蝕能力較差，在溫室中采用必須用熱浸鍍鋅表面防腐處理，鍍層厚度達(dá)到150~200微米以上，可保證15年的使用壽命。對(duì)于木結(jié)構(gòu)或鋼筋焊接桁架結(jié)構(gòu)溫室，必須保證每年作一次表面防腐處理。
第2章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制
2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的特性一般是給定的，如機(jī)械、氣動(dòng)、電動(dòng)、液壓等設(shè)備。在設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，采用加入一個(gè)專門用來(lái)校正(補(bǔ)償)系統(tǒng)特性的環(huán)節(jié)(校正環(huán)節(jié))，來(lái)改變系統(tǒng)特性，使其符合給定的特性要求。實(shí)現(xiàn)該環(huán)節(jié)的裝置，稱為校正裝置或調(diào)節(jié)器。設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要招校正裝置的設(shè)計(jì)。由于開環(huán)系統(tǒng)一般達(dá)不到控制的要求，因而自動(dòng)控制系統(tǒng)均采用閉環(huán)(反饋)控制方法。在采用串聯(lián)校正時(shí)。其中方塊圖1
圖1-1 自動(dòng)控制系統(tǒng)
自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟
①給出系統(tǒng)所要求的特性(期望特性)。
②由控制目的、靜態(tài)特性等要求來(lái)選擇系統(tǒng)各元件(如電護(hù)、電動(dòng)機(jī)等)。
③對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)特性分析，并與系統(tǒng)的期望特性進(jìn)行比較，由比較的結(jié)果來(lái)求取校正裝置的特性。
④檢驗(yàn)由此設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)所具有的特性，若不滿足，則重新修改校正裝置的特性，直至復(fù)合要求為此。
具體的設(shè)計(jì)方法有時(shí)域法、頻率法和根軌跡法。
時(shí)域法即按前面介紹的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，選擇適當(dāng)?shù)男Ｕb置，以滿足系統(tǒng)的定性、穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量、過(guò)渡時(shí)間等的要求。
頻率法即分析系統(tǒng)的頻率特性，選擇適當(dāng)?shù)男Ｕb置以改變其對(duì)數(shù)頻率特性的形狀，以滿足對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差、相位裕量和截止頻率的要求。
所謂頻率特性，是在正弦量輸入下，系統(tǒng)的輸出穩(wěn)態(tài)分量與輸入穩(wěn)態(tài)分量的復(fù)數(shù)比，用表示。只要將傳遞函數(shù)中的s用替代，就可得到系統(tǒng)的頻率特性。
由于是以復(fù)致形式表示，故其幅值可表示為
稱為幅值頻率特性。
其相角可表示為
按系統(tǒng)的頻率特性，可分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、過(guò)渡特性和穩(wěn)態(tài)誤差。
根軌跡法即分析閉環(huán)傳遞函數(shù)的根的軌跡，然后選擇適應(yīng)的校正裝置，以滿足對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等的要求。
由于難以求解高階特征方程，故在分析特征方程的根與方程中參數(shù)的關(guān)系時(shí)，采用根的軌跡的方法。即按特征方程式的根(它們?yōu)閺?fù)數(shù))所必須滿足的增益條件和相位條件并利用根軌跡的特性來(lái)作出根的軌跡。
2．2 設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制
2.2.1自動(dòng)控制的基本概念?
所謂控制，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是為了實(shí)現(xiàn)某種目的、愿望和要求，對(duì)所研究的對(duì)象進(jìn)行的必要的操作�？刂品譃槿斯た刂坪妥詣�(dòng)控制。利用人工操作的通稱為人工控制。利用控制裝置，自動(dòng)地、有目的地操作縱和控制某一些設(shè)備或某一些過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)某一些功能或狀態(tài)就稱為自動(dòng)控制。用自動(dòng)控制的生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)，稱生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)就其控制的對(duì)象或者控制的具體過(guò)程而言，種類繁多，通常按如下幾點(diǎn)分類：
1.按所控制的變量的性質(zhì)分：?
(1)斷續(xù)控制系統(tǒng)
(2)連續(xù)控制系統(tǒng)
2.按控制系統(tǒng)有無(wú)反饋分：?
所謂反饋是指將系統(tǒng)的輸出信號(hào)或該系統(tǒng)中某個(gè)環(huán)境的輸出信號(hào)，返送回該系統(tǒng)的輸入端，再與輸入信號(hào)一同作用于該系統(tǒng)本身的過(guò)程�？蓞^(qū)分為開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
(1)開環(huán)控制系統(tǒng)：沒(méi)有反饋的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。
(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)：具有反饋的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3.按控制系統(tǒng)輸出變化規(guī)律分：?
(1)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：在這種系統(tǒng)中，當(dāng)輸入為常值，或?yàn)殡S時(shí)間緩慢變化值時(shí)，能保證在干擾下也能使輸出自動(dòng)保持恒定的預(yù)期值。自然，這種系統(tǒng)是屬于連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)范疇。
(2)伺服系統(tǒng)：又稱隨動(dòng)系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)，也屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，輸入在廣泛范圍內(nèi)隨時(shí)間而變化，能保證輸出以一定精度跟隨著輸入的變化而變化。
(3)程序控制系統(tǒng)：在這種系統(tǒng)中，輸入是按事先確定的程序變化的，其變化規(guī)律是已知的時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)能保證輸出準(zhǔn)確地自動(dòng)按事先確定的規(guī)律變化。這種控制系統(tǒng)可以是開環(huán)的，也可以是閉環(huán)的�！ � ?
2.2.2自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成?
自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由起調(diào)節(jié)作用的全套自動(dòng)化儀表(器)裝置(調(diào)節(jié)裝置)和被調(diào)節(jié)與控制的設(shè)備(或各種參數(shù)，即調(diào)節(jié)對(duì)象)構(gòu)成。如溫室內(nèi)的感溫元(器)件、調(diào)節(jié)器、各種控制件(如閥門)、散熱器、溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合在一起就是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。?
自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置僅管多種多樣，但均必須由傳感器，調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器三大部分構(gòu)成。傳感器好比人的眼、耳，是由具有一定物理特性的敏感元件，如熱敏電阻，濕敏電阻及相應(yīng)的測(cè)量變換電路等組成，它能夠檢測(cè)各種非電的環(huán)境參數(shù)，并轉(zhuǎn)換成某一單一函數(shù)的特定信號(hào)(電量、氣壓或機(jī)械位移等)，送至調(diào)節(jié)器。當(dāng)敏感元件發(fā)出的信號(hào)與調(diào)節(jié)器所要求的信號(hào)不相符合時(shí)，尚需通過(guò)"變送器"將信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的變換。變送器通常由電路或氣路構(gòu)成。
調(diào)節(jié)器好比人的大腦，是調(diào)節(jié)裝置的核心部件。它將傳感器送來(lái)的信號(hào)值與要求的值相比，檢出偏差，再按照已經(jīng)確定的運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果，并將結(jié)果用特定的信號(hào)(電量、電氣接點(diǎn)的通、斷、氣壓等)送給執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制和調(diào)節(jié)。? 執(zhí)行器好比人的手腳，它是一些動(dòng)力部件(電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)等)，它接收調(diào)節(jié)器發(fā)送來(lái)的特定信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(如電磁閥門、窗扇等)的位移，自動(dòng)地維持某一參數(shù)恒定。
2.2.3自動(dòng)調(diào)節(jié)的基本規(guī)律及對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響?
所謂調(diào)節(jié)規(guī)律是就指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系隨時(shí)間而變化的規(guī)律。
1.雙位調(diào)節(jié)
雙位調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)器只有全開和全關(guān)兩個(gè)固定位置的調(diào)節(jié)動(dòng)作。
雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)環(huán)境工程中應(yīng)用極為普遍。一般凡是有上、下限觸點(diǎn)的檢測(cè)裝置，如帶電氣觸點(diǎn)的溫度計(jì)，土壤水分張力計(jì)，雙金屬片式溫度計(jì)等都可以做成雙位調(diào)節(jié)式。?
2.比例調(diào)節(jié)(P調(diào)節(jié))?
3.積分調(diào)節(jié)(I調(diào)節(jié))?
積分調(diào)節(jié)器在實(shí)用中通常有兩種方式，即恒速積分和比例速度積分。
4.比例積分調(diào)節(jié)(PI調(diào)節(jié))?
人們常將比例動(dòng)作和積分動(dòng)作兩者結(jié)合起來(lái)組成比例積分調(diào)節(jié)�！ � ?
2.3園藝設(shè)施自動(dòng)控制的功能和對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求
2.3.1自動(dòng)系統(tǒng)的功能應(yīng)包括如下幾個(gè)方面：?
1.保溫控制2.換氣檢制3.加溫控制4.遮光控制5.CO2施用控制6.降溫控制7.警報(bào)系統(tǒng)控制8.記錄、顯示和打印功能
2.3.2對(duì)溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求：?
1.可靠性?
由于溫室內(nèi)的高溫和高濕和存在腐蝕性氣體，所以控制裝置是處于一個(gè)十分不利的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，因此要求配套的設(shè)施和器材有高的可靠性。
2.適應(yīng)性?
現(xiàn)代的自動(dòng)化溫室造價(jià)都很高，因此，不能單生產(chǎn)某一種作物品種。要能根據(jù)作物品種不同和在各個(gè)不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)環(huán)境的要求，靈活方便地調(diào)整各被控環(huán)境因子，以滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育的需求，獲得高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的成果。?
3.調(diào)控精度?
我們知道，在溫室生產(chǎn)中影響生物體生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境因素如光照、溫度、濕度、CO2濃度等，對(duì)不同生物和同一生物在不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段都有較嚴(yán)格的范圍，因此，為了保證生物體優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，控制系統(tǒng)的精確度是至關(guān)重要的。
4.具有完善的軟件系統(tǒng)
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