第六节 设施温棚环境自动控制
前面介绍采暖、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，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，起着人所不能及的作用。
一、设施环境自动控制概述
（一）自动控制的基本概念
所谓控制就是对某事、物具有决策指令权。简单说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。
用自动控制的生产过程系统，称生产过程的自动化系统，简称自动控制系统。自动控制系统就其控制的对象或者控制的具体过程而言，种类繁多，在这里按如下几点分类。
1.按所控制变量的性质
（1）断续控制系统：即由各种具有开关性质的元件（简称开关元件）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。断续控制系统传统上可分为电器（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一接触器控制系统。
（2）连续控制系统：连续控制系统不同于上述断续控制系统，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，但其控制精度和快速性以及可靠性均优于断续控制系统，因而会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去影响该系统本身的工作过程。可区分为开环和闭环控制系统。
（l）开环控制系统：无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。如玻璃温棚屋顶保温幕开启和关闭的系统，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。如温棚自动供暖系统，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
（l）自动调节系统：在这种系统中，当输人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预期值。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人的变化而变化。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。这种控制系统可以是开环的，也可以是闭环的。园艺设施环境控制采用何种系统，不可一概而论，应通过技术经济比较确定。通常对操作次数较少，不存在精度要求的可采用开环控制；对精度要求较高，干扰作用强，操作频繁的环境参数，如温棚采暖温度、气调库温度、气窗开启等，从技术和运行经济上考虑要求较严格控制的参数，应采用闭环控制。
（二）自动调节系统的组成
自动调节系统是由起调节作用的自动化仪表装置（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。比如温棚内的感温元（器）件、调节器、各种控制件（如阀门）、散热器、温棚围护结构组合在一起就是一个自动调节系统。
在多样自动调节装置中，都是由传感器、调节器和执行器三大部分构成。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”将信号进行相应的变换。变送器通常由电路或气路构成。
调节器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，实现预定的控制和调节。
执行器是一些动力部件（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。
调节系统是由多种元器件和设备组成，种类繁多，为了能清楚地表明各部分的功能，相互联系和信号的流向，通常用方框图表示系统的组成。功能相同的一个或一组元器件、设备或某一个过程称为一个环节，用一方框表示。各环节间用带箭头的联络线表示两个相关的环节间的相互作用和信号的传递方向。
（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）都取决于调节对象和调节器的特性。调节对象的特性是难以人为地加以改变的，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。常用调节器有以下四种。
1.双位调节 双位调节是调节器只有全开和全关两个固定位置的调节动作。
双位调节系统在农业环境工程中应用极为普遍。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。
2.比例调节（P调节）
3.积分调节（I调节）
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。
4.比例积分调节（PI调节） 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。
所谓调节规律就是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。
二、设施农业自动控制的功能和对自动控制系统的基本要求
（一）自动系统的功能
具有高水平的栽培管理技术的自动化温棚中装置各种不同的物理、化学和生物传感器，时刻检测着温棚中各种物理量的变化，并将信号传递给微机进行判断和处理，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。这套系统的控制功能应包括如下几个方面。
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认发生器的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.告警系统控制 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、燃料耗量以及其他各种物理因子的当前值和累计值，并可打印输出。
（二）对温棚自动控制系统的基本要求
温棚自动控制（调节）系统是现代化温棚企业中一个十分重要的组成部分，尤其是在一些大型现代化温棚中，控制系统工作品质直接影响着产品的产量、品质和效益，因此，对控制系统提出了一些较严格的要求。
1.可靠性 在温棚内的高温和、湿和存在腐蚀性气体，所以控制装置是处于一个十分不利的环境下长期工作，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，以及采用适当的防潮、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 自动化温棚造价都很高，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 温棚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。这里要指出的是，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20℃～30℃（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 自动化温棚环境因子的微机控制已逐渐被采用，并取得了比较满意的效果，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，还必须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、温棚环境控制中常用的自动控制装置
温棚环境自动控制（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）温棚传感器装置
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地转换成电信号，是自动调节系统的一个重要的组成部分。传感器的种类很多，与温棚等生物环境调节有关的传感器在使用过程中根据实际情况选择。
1.光照和光辐射传感器 测量辐射的仪器主要是以测定吸收辐射所产生的热量为基础的。其中温差电偶由于不需要电源而被得到广泛使用。
热效应式辐射仪，就是利用黑体接收辐射后，热量增加，温度上升，而温度升高的程度与辐射能成正比，因此测定辐射实际上是测定黑体表面热量增加的情况。故用能量测量辐射的仪器，辐射的表示单位是W（瓦）/m2（平方米）。
常用的辐射仪有总辐射，散辐射和净辐射测量仪等数种。
2.温棚温度传感器 在农业生物人工环境因子调控中用以检测和传递温度信息的传感器都可称作温度传感器。
3.温棚空气湿度和土壤湿度传感器
（1）空气湿度传感器。
（2）土壤湿度传感器。
4.温棚CO2气体浓度检测传感器 CO2气体浓度传感器是基于气体的红外吸收原理。气体分子的振动频率是在红外波长区，分子的吸收也出现在红外区，并且不同的异原子气体分子的吸收频率也不相同，即有不同的特征吸收波长。CO2气体对2.7微米、4.35微米和14.5微米的波长有强烈的吸收域，而其中2.7微米、4.35微米两个强吸收域同时都受到水汽吸收的影响，仅有4.35微米的吸收带不受大气中其他成分的影响，因此选择这个吸收带进行吸收检测是十分理想的。
常见传感器有四种。
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。
a）双金属片式。
b）水银接点式。
c）波纹管式。
d）压力式。
（2）热电阻传感器。
（3）热电偶传感器。
根据测温范围，热电偶可分为高温，中温和低温热电偶。
根据结构形式，热电偶可分为普通型、铠装型、薄膜型、表面型、消耗式等。
3.空气湿度和土壤湿度传感器
（1）空气湿度传感器。温棚中适宜于检测空气湿度的传感器有干、湿球热敏电阻湿度传感器和湿敏元件传感器两种。
（2）土壤湿度传感器。
a）石膏块电阻湿度传感器。
b）负压式土壤湿度传感器。
4.CO2气体浓度检测传感器
（二）指令执行器
指令执行器是一些动力部件，它处于被调对象之前，接受调节器来的特定信号，改变调节机构的状态或位移，使送入温棚的物质和能量流发生变化，从而实现对温棚环境因子的调节和控制。
指令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棚（经管道或其他途径）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。
在温棚自动监控系统中，执行器主要用来控制冷（热）水流量，蒸汽流量，制冷工质流量、送风量，电加热器的功率，天窗开度，工作时间等。
常见执行器有两种。
1.电动执行机构
2.调节阀
（1）电磁直通单座调节阀。
（2）直通双座调节阀。
（3）三通（向）调节阀。
（4）气动薄膜调节阀。
（5）调节阀的选择原则。
（三）调节器
调节器是自动调节系统的核心部件，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。
1.调节器的类型 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。
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。
2.直接作用式调节器 直接作用式调节器是指不需外加其他动力和能源而自己动作，实现对某一参数调控的调节器。通常其敏感元件、执行机构（器）和调节机构是组成一体的。
3.电气式调节器 电气式调节器是通过敏感元件把各被调参数的变化转变为机械位移，直接使各种电气触点开闭或借助电位器变成相应的电信号输出，使执行机构动作，完成相应的调节。
4.电子式调节器 电子式调节器是通过敏感元件把被调参数，如温度、湿度、光照、CO2浓度等的变化转换为相应的电参数（如电阻，电压等）的变化，然后通过检测，放大等电子电路，最后去推动执行机构，由执行机构操纵调节机构，完成预定的调节目的。
5.以微型计算机（简称微机）为核心的调节器 随着微型计算机的广泛应用，在农业生物环境自动调控系统中已逐步越来越多的采用微型计算机做成智能调节器，构成微机调控系统。在这种系统中，传感检测环节相当于人的“耳目”，执行机构则为行动的“手脚”，计算机则好比人的“头脑”，由“耳目”和“头脑”组成一个智能调节器。
在流体系统中，为了保证各执行机构按照预定的工艺循环平稳和协调地工作，必须对流体的压力，流量和流动方向进行调节和控制，能实现这一功能的元件称为阀。根据阀的结构和作用特点，阀可分为许多种。调节阀是阀的一种，其任务是将各种流体（如制冷工质、蒸汽、风、冷热水等）的流向和流量进行调节和控制。
四、温棚自动调控系统
（一）温棚温度自动调控系统
温棚采暖供热的热源有太阳能热、锅炉热和废热与地热等。太阳能热的利用是目前日光温棚和塑料大棚的室内供热的唯一来源，符合节能、成本低的原则。锅炉供热分煤炉、油炉和气炉三种。利用发电厂（火力）排出的循环热水和地下温泉的热水供热是一种值得提倡的方案，温棚气温的加热方式有热风、热水和热蒸汽三种。大多数现代温棚采用热水和热蒸汽供热方式，其显著优点是热源管理集中，便于实现自动控制。温棚内气温的管理分为变温管理和差温管理两种。由于作物的生理活动包括光合作用、呼吸作用、体内物质运转以及生长发育等过程，虽然在同一时间内同时会进行着几种过程，但实践证明，生理活动的重心，在一天之中，是随着昼夜变化而不断转移的。为此，人们提出了温棚变温管理观点
温棚是一个半独立于自然界大气候的人工环境，其内部的气温受温棚外气温的日和年变化以及能源的消耗等因素的影响。而植物在生命周期中的一切生物和化学作用，都必须在一定的温度条件下进行，因此，用尽可能少的能源消耗创造出更加适合于作物生长发育的温度环境是各种温棚采暖供热自动调控系统的一个重要任务。温棚采暖供热自动调控系统的设计应包括两个方面：一是利用热平衡原理分析和计算温棚内热量平衡，并依次估测出温棚内的温度升降、蒸发散热量、通风强度等物理状况；二是温棚内温度（气温）的管理方案及实施管理（调控）的具体物理措施。
温棚采暖供热自动调控系统的设计应包括两个方面：一是利用热平衡原理分析和计算温棚内热量平衡，并依次估测出温棚内的温度升降、蒸发散热量、通风强度等物理状况；二是温棚内温度（气温）的管理方案及实施管理（调控）的具体物理措施。
变温双位自动调控系统：是将一昼夜分成上午、下午、前半夜、后半夜四个时间带，白天以促进光合作用为目标，晴天设置较高气温；前半夜气温略降，以促进体内物质运转；后半夜气温继续降低，以便抑制呼吸作用，但要保证作物生长发育不受阻。五段变温管理是在四段的基础上，增加早晨加温带，以促进光合作用。所谓“差温”定义为白天温度减夜间温度的代数差。差温的变化对植物高度起显著矮化作用，即差温影响节间长度，但不影响节间数目的多少和叶片数的多少，因此，控制差温成为温棚管理实践中控制株高的有效手段。
（二）温棚通风换气自动调控系统
在温棚建筑上考虑通风换气的方式有两种。一是自然通风，它是利用热压和风压而自动进行的。当室内空气比室外空气热时，室内便产生热压，致使室内的热空气从门缝、窗缝或窗口处被压出室外，室外的冷空气又从温棚侧窗下部缝隙或门缝中进入室内，这样就形成了自然热压通风。二是强制通风，它是利用排气扇的作用，将室外空气吸入室内，待被吸入室内的空气上升后，又被排出室外，如此循环，形成强制的换气过程。由于强制通风设备投资高，往往难以达到设计要求，除在植物工厂和人工气候室中使用外，一般的作物生产温棚中并不采用。
在冬季多采用自然通风方式进行换气和除湿，故通风时间应选在中午气温较高时进行；在春夏季通风的目的多在于降温。前者靠天窗开度的大小来控制和调节通风换气量；后者为了降温，往往还要配置如湿帘、喷雾等设施。
1.自然通风的天窗开启自动控制系统 在电气式调节器介绍中已对自然通风的天窗开启控制作过介绍。应该在实际应用中加深对自然通风强度的自动调控方法的理解。
2.湿帘排风自动控制系统 在炎热的夏季，为了降低温棚的气温，可采用加湿降温法，其作用一是降低由室外流入室内的空气温度，二是降低进入温棚内的太阳辐射能所产生温度。其原理是由于水分的蒸发要消耗热能，从而会使室温降低。加湿降温的具体方法在生产中应用最多的是湿帘排（通）风法。
湿帘排风降温系统由湿帘、给水和通风三大部分组成。湿帘由填夹在两层铁丝网之间的帘片或蜂窝状纸帘构成，上有淋水槽，下有集水槽。帘片材料要求容易浸湿，不易积聚盐分，耐水浸，不变形，取材容易和价廉。因湿帘浸水后有一定的气流通过阻力，所以要求温棚生成负压才能吸入室外的空气，为此温棚具有密闭环境，并配备压力型风机。湿帘和排风机的距离以30～60米为宜，一般在此范围内，每增加6米，湿帘高度增加60厘米。为使气流分布均匀，风机间隔不应超过7.5米。一栋温棚风机数量少于4个时，应安排变速风机，以适应不同换气量的调节。
湿帘排风降温系统由湿帘、给水和通风三大部分组成。
（三）利用智能化灌溉系统
了解土壤水分信息检测是该系统实现土壤水分自动控制的重要环节。土壤水分传感器有许多品种，主要有石膏块土壤水分传感器、湿敏电容、湿敏电阻等。在本系统中采用石膏块土壤水分传感器，它在一个固定频率的交流小信号的激励下，将土壤水势变换成相应的电流值变化，再经相应元件（如电阻）变换成相应的电压变化值，再通过电压—频率（V/F）变频技术，经长的信号传输线与单片机控制器相连。
单片机系统由CUP、EPROM、RAM组成，采用键盘显示接口芯片，由时钟芯片获得实时时钟脉冲，用镍镉电池进行失电保护。
输出接口采用并行接口，经光电隔离电路、驱动电路、输出继电器，最后控制电磁阀，以实现灌溉控制。
当控制系统能自动计时，自动检测相关参数；能按预置的灌溉模式自动启动和停止供水系统；用电磁阀同时对多个灌溉小区进行灌水控制，以利节水。可按土壤水分的上、下限自动开通或关断供水电机；遇到雨天自动关机，具有高的可靠性和掉电保护功能。
（四）温棚综合调控系统
温棚综合调控系统从控制方案上可分为两大类。
一类是根据作物最适的生长发育环境条件调控室内各个环境因子（如温度、湿度、光照、CO2气肥浓度等）。
二类是事先把农作物生长发育各阶段所需的最适环境因子（T、H、L、CO2等）作为“文件”贮存起来，在运行时把各种检测传感器所提供的环境因子的实际信息与设定值相比较，得出相应的偏差值，去命令相应的执行机构动作，调节实际环境的诸因子，以满足作物生长发育的需求。
温棚作物栽培，要求适时适量地灌水，因此，灌溉系统是现代温棚的重要组成部分。温棚内的灌溉方法有喷雾法、小型喷灌法、多孔管喷灌法、滴灌法以及地下灌水法等，可按低限土壤湿度调节，按适宜土壤湿度调节和按生育特点与上市目标调节等不同原则调节土壤水分。温棚灌溉系统自动控制范围主要是灌溉用水的加温和精确、定时、定量、高效地自动补充土壤水分。
1.灌溉用水加温自动调控系统 灌溉用水的加温是在热交换器中进行（类似于温棚气温的加温过程）的。灌溉用水泵将冷水从贮水池中抽出送人热交换器内腔，热介质（如热水、热蒸汽）泵将热介质经电动三向阀送人热交换器的散热排管，两者经热交换后将灌溉水加温送人热水贮水池中，热介质冷却后返流回集水器。在热交换器灌溉用水腔中装有水温传感器，随时将水温信号送人调节器，与给定温度值在调节器的比较环节中比较，给出偏差信号，经放大等处理后送给执行机构，调节冷水和热介质三向阀的开度，使灌溉用水的温度达到所需的值。
2.电气式灌溉自动调控系统 温棚灌溉控制方案有两种：一是不论土壤湿度如何，严格地定时定量进行灌溉；二是按保持一定的土壤湿度灌溉。前一种方案由于会使灌溉系统频繁启停工作，且不一定能保证土壤合适的湿度，故应用较少。按保持一定的土壤湿度的自动灌溉系统由土壤湿度传感器、调节器、执行机构（电动阀）以及供水网络等组成。土壤湿度传感器随时检测出土壤湿度信号并经适当处理送人调节器，与给定的上、下限土壤湿度信号相比较，发出偏差信号给执行器。当土壤湿度低于给定值时，便开启进水阀门，开始灌溉；当土壤湿度达上限值时，调节器发出停供信号，进水阀关闭，中止灌溉。这是一种属于双位调节的系统。必要时可将灌溉水泵、热介质水泵以及电动（磁）阀等联动，实现多功能的自动灌溉。
3.智能化灌溉系统 随着微机技术的发展，以单片机芯片为核心的自动化灌溉系统，已越来越多地应用于农、林、园艺作物的灌溉中，取得了良好的经济和社会效应。
智能化灌溉系统土壤水分信息检测是该系统实现土壤水分自动控制的重要环节。土壤水分传感器有许多品种，如前述有石膏块土壤水分传感器、湿敏电容、湿敏电阻等。在本系统中采用石膏块土壤水分传感器，它在一个固定频率的交流小信号的激励下，将土壤水势变换成相应的电流值变化，再经相应元件（如电阻）变换成相应的电压变化值，再通过电压一频率（U/F）助变换电路转换成相应的脉冲频率的变化，经长的信号传输线与单片机控制器相连。
单片机系统由CUP、EPROM、RAM组成，采用键盘显示接口芯片，由时钟芯片获得实时时钟脉冲，用镍锅电池进行失电保护。
输出接口采用并行接口，经光电隔离电路、驱动电路、输出继电器，最后控制电磁阀，以实现灌溉控制。
为了实现智能化控制，系统配置了相应的软件。软件的任务按其功能主要分为两部分：其一是监控软件，用以协调各执行模块与操作者间的关系，从而完成各种参数的设置任务；其二是执行软件，完成各种功能，如测量、计算、显示、通讯、输出控制等。
该控制系统能自动计时，自动检测相关参数；能按预置的灌溉模式自动启动和停止供水系统；能用电磁阀同时对多个灌溉小区进行灌水控制，以利节水。可按土壤水分的上、下限自动开通或关断供水电机；遇到雨天自动关机，具有高的可靠性和掉电保护功能。
（四）温棚液态肥施用自动控制系统
在有土栽培和无土栽培中，都要对施人土壤和营养液中的液态肥的浓度进行检测和调控，尽管光照、温度、湿度等会对作物生长发育有影响，但这往往是较缓慢的，而施肥量对作物生长的影响却是直接的和迅速的。一旦施肥失控，会使作物很快出现“营养不良”或被“烧死”等现象。为此，为使作物生长发育，人们从节省人力和节省肥源等多方面想办法促进植物生长。
充分利用系统的软件主要包括初始化设置程序、编辑修改程序、工作程序以及报警程序。初始化设置程序是先对8031单片机的内部资源进行初始化设置，然后再设置A、B两类母液和清水混合后适宜的pH值及盐离子浓度值。编辑修改程序是便于农艺技术员检查当前运行的状态，并可根据需要对所设定的州值和盐离子浓度值进行修改。工作程序是对A、B两类母液与清水的混合顺序予以合理的设置，即将一定量的清水注入混合桶中，然后分别依次注入母液和酸碱液，并同时检测混合液的pH值与盐离子浓度值，当达到设定值时便为合适。当混合桶中的液位高于警戒液位时，发出蜂鸣声，同时关闭所有输送控制阀，停止搅拌和混合，待技术员处理后，重新开始运行。根据调控要求，可绘制出程序流程图，并编制相应的指令系统，用键盘输入系统的27研和6264中，开机便可正常运行。
（五）温棚CO2气肥施肥自动调控系统
作物生长发育主要是依靠光合作用将CO2转换成可以吸收的养料。研究表明，适合作物生长的CO2气体浓度应为1000～1500ppm（ppm即百万分率），而目前温棚内CO2的浓度一般均在80～100ppm左右，远远达不到生长需求。因此，增施CO2气肥已成为作物增产的重要措施之一。CO2的来源主要有如下几方面。
1.酒精酿造过程中的副产品 气态CO2、液态CO2认和经加工而成固态CO2干冰。
2.化学分解 即用强酸与碳酸盐作用放出CO2。
3.空气分离 即将空气低温液化，经蒸发分离出CO2，再加温压缩成液态CO2。
4.碳素或碳氢化合物 如煤、焦炭、煤油、液化石油气等通过充分燃烧生成CO2。
5.利用有机物质 厩肥等分解释放出CO2。
在国内外温棚生产上使用的CO2气体发生器主要是碳氢化合物燃烧式，即将碳氢化合物通过燃烧充分氧化而释放出CO2。碳氢化合物包括煤油与液化石油气等，按燃烧方式分为火焰式和红外式两种。
煤油（气）火焰燃烧式CO2发生器主要包括供油系统（贮油箱、输油管道、滤清器、油泵、电磁阀和喷油嘴等）、点火装置（有电子式高压点火器和机电式高压点火器等）、燃烧室、通风机及自动检控装置等。其工作过程是由开机信号发出高压电火花点燃由喷油嘴喷出的油雾，在燃烧室内燃烧，通风机一方面送人新鲜空气助燃，一方面将产生的CO2气体（烟气）送人温棚内。CO2烟气浓度和送气时间等由控制器自动调控。
红外燃烧式CO2发生器与上述燃烧式不同之处是用红外炉具代替燃烧室。其特点是燃料与空气混合均匀，燃烧彻底，不易产生CO2，又由于红外波向外辐射热能，所以燃烧处的温度远低于火焰燃烧式，有利于防止氮氧化合物的产生，提高了烟气内CO2的纯度。
近年来已研究出直接从锅炉烟囱的排气中，降低其温度，并通过特制的过滤器将有害气体过滤掉，然后把CO2送入温棚中供作物吸收的装置。由于CO2气肥产生的方法和发生器结构不同，因而，CO2浓度的调控手段也不尽一致，下面以煤炉燃烧式CO2仇发生器的微机调控系统为例，介绍CO2浓度的自动调控原理。
图22 中采用红外线CO2气体浓度传感器作为检测元件，相应于温棚内不同的CO2浓度，由其获得一个电流信号，再转换成电压信号，送人模拟一数字（A/D）转换器，变为数字量，送人微处理器。本系统选用Mcs—51系列的8031作为微处理芯片。由8031预先设定温棚内CO2浓度的上、下限及最适宜值，并将采样检测到的浓度信号值与设定值相比较，依据比较出的偏差结果，输出相应的控制信号。
图22 CO2气肥浓度微机调控系统结构框图
执行机构由8031输出口、相应的门控电路组成。它接受8031输出口的输出控制电平信号，经门控电路，作用于可控硅元件（SCR）的触发端，去控制煤炉CO2：气肥发生器的空气压缩机的电机，使其改变转速，改变温棚中压送CO2气体的量，实现CO2浓度的调控。为了实现人一机对话，也采用了键盘及相应的显示器以及保护电路。有了上述硬件设备后，再编制相应的指令系统，输入ROM和RAM中，开机便可投入运行。
（六）温棚环境综合调控系统
随着计算机技术的迅猛发展和生产、生活水平的提高，温棚设施农业以空前的速度推进。在引进吸收国外温棚先进技术的基础上，全国各地相继研制了一批现代化的温棚。温棚技术涵盖了建筑、材料、机械、自动控制、作物品种、栽培、病虫防治、管理等，成为多学科、多领域的综合集成。温棚环境因子的自动调控也由简单的、单一的手工调控，发展为利用微机的多因素、多状态、多功能的自动调控。为摆脱传统农业的生产模式和大自然的约束，实现高效、高产和优质，使农业走向集约化、规模化和现代化的道路，提供了可靠的技术保证。
温棚综合调控系统从控制方案上可分为两大类：
一类是根据作物最适的生长发育环境条件调控室内各个环境因子（如温度、湿度、光照、CO2气肥浓度等）。农作物的光合作用与吸收CO2的速度密切相关，而温度、湿度、光照、CO2仪浓度又对农作物的光合作用有决定性影响，光合作用的强弱又影响着作物的生长发育，因此，可以把光合作用或农作物吸取CO2气体的速度作为最优化的目标（Q），显然温度（T）、湿度（H）、光照（L）以及CO2浓度便是该目标的变量，即Q=f（T、H、L、CO2），这样便可以在微机的帮助下逐步地变更T、H、L和CO2，以便获得最大的Q值（最优值），这便是自动寻优调控系统。
二类是事先把农作物生长发育各阶段所需的最适环境因子（T、H、L、CO2等）作为“信息参数”贮存起来，在运行时把各种检测传感器所提供的环境因子的实际信息与设定值相比较，得出相应的偏差值，去命令相应的执行机构动作，调节实际环境的诸因子，以满足作物生长发育的需求。在这两类调控方案都是以农作物生长发育最优为目标，以微机作为技术核心的。图所示为以微机为基础的温棚综合调控系统的硬件框图。整个系统除控制对象（温棚）外，主要包括两大部分。
1.温棚内诸环境因子状态检测部分 这一部分包括各种传感器（将各种非电量转换为相应的电信号量）、测量放大器（将传感器及相关的器件得到的电压信号放大到满足A/D转换器的输入模拟量的电压值）、模拟一数字转换器（AID，模拟量—通常为0～5伏，变换成相应的数字量）以及多路开关等环节。
2.系统控制部分 其包括核心器件—微处理器（其中主要含中央处理器CPU、可编程存储器RAM和EPROM、输入/输出接口，以及定时器和时钟脉冲发生器等）、输出接口电路、继电器组和各种调节机构以及键盘、显示、记录和保护等外部设备。
当完成调控系统的硬件设计和安装后，重要的问题就是软件的设计。系统软件由主程序、数据（信号）巡回采集及处理子程序、显示子程序、键盘中断服务程序及定时器中断服务程序等组成。其中主程序是决定系统运行顺序的关键和主体。主程序通常应按以下顺序执行。
图23 微机调控系统硬件
（l）初始化：初定义定时/计数器及各接口功能，开、中断等。
（2）将各设定值的上、下限及最适值等参数由键盘传送到指定的片内RAM单元中。
（3）巡回检测和显示并控制温棚内的各个环境参数。若出现异常，则会有相应的声光及其他形式报警。是主程序中最最重要的部分。
软件的设计完全取决于系统的调控方案。各程序编制好后（可以用不同的语言编写），输入微处理器经过调试合格，即可正式投入运行。
对于温棚群型生产基地，可将多栋温棚变为群控智能化系统，可由一台主机作与多台单片机联机实施温棚调控，效果会更好。
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