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摘要 摘要 题目:基于模型的温室环境控制算法研究 学生:朱虹 导师:田玉平教授 李世华副教授 本文首先对国内外温室环境控制技术的发展及现状作了一个综述,并探讨了我国在 这一领域存在的问题,接着介绍国内外温室环境模型和环境控制的研究现状,然后介绍 我们所采用的温室小气候温湿度模型。通过对历史温室环境数据的合理分析,将温室的 温度控制模型近似为一阶惯性加时滞环节。基于该温度近似模型,我们采用文献【3 5 中 提出的时间为权误差积分指标最优的参数自整定公式来整定p i d 控制器参数,并将整定 后的p i d 控制器应用于温室控制。与其它p l d 自整定方法相比,闭环系统响应性能更优, 超调更小,调节时间更短。然后针对温湿度模型之间耦台特性提出了解耦补偿器,进而 将解耦屙温度和湿度子系统作为独立子系统,设计自调整比例因子模糊控制器对温度和 湿度分别加以控制。最后对我们的1 二作做总结,并指出迸一步研究的方向。 关键字:温室p i d 自整定模糊控制解耦控制 u a b s t r a c t a b s t r a c t f i f s t l yg i v e ni nt h e 行r s tc h a p t e ro ft h i sp a p e ra r e ag e n e r a ld e s c r i p t j o na b o u td e v e i o p m e n to n g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t a lc o n t m ll e c h n o 】o g ya th o m ea n da b r o a da n ds o m ep r o b 】e m se x i s t i n gi n t h l sn e l dj nc h | n as e c o n d l yt h er e s e a r c ho ng r e e n h o u s ec l j m a t em o d e l sa n dc o n t r o lm e t h o d sa t h o m ea n da b r o a da r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e ra n dt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym o d e i so f g r e e n h o u s ew ea d o p ti nt h i sp a p e ra r eg i v e na n da n a l y z e d t h e nb a s e do nr a t j o n a la n a l y s j so ft h e h i s t o r ye n v i r o n r n e n t a l d a t a i nt h eg r e e n h o u s e ,i e m p e r a t u r em o d e ic a nb e 印p r o x m a t e da s a n r s t o r d e rm o d e lw i t hd e a d 廿m e l a t e r b a s e do nt h i s 印p r o x j m a t em o d e l ,w ee m p i o yt h ep a r a m e t e r s e l 仁t u n i n gf o r m u l a ei nl i t e r a t u r e 【3 5 】t oo b t a i no p t i m u mp i dc o n t m l l e rs e n g sf o rm j n i m i z a t i o n o ft i m ew e i 曲t e di n t e 舒a lp e r f o m a n c ec “t e r i a t h ep i dc 。n l r o l i e rt h u so b t a j n e dj su s e dt oc o n t r o i t h eg r e e n h o u s et e m p e r a t u r ec o m p a r e dw i t ho l h e 。p a r a m e t e rs e l f _ t u n i n gm e t h o d so f p i dc o n t r o i l e l t h ec l o s e di o o ps y s t e mw i t ht h ep i dc o n t r o i l e rw i t ho p t i m u mp a r a m e t e r ss h o w sb e n e rp e r f o r m a n c e i n c i u d i n gs m a l l e fo v e r s h o o ta n ds h o r t e rs e 州i n gt i m e t h e nw ed e s i g n ad e c o u p l i n gc o n t r o i i e rt o s o l v et h ec o u p “n gb e l w e e nt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i _ 【y m o f e o v e lc o n s i d e r i n gt h et e m p e f a t u r e a n dt h eh u m d i t ys u b s y s t e m sa si n d o p e n d e n ts u b s y s t e m sa r e rd e c o u p l i n g ,w ed e s i g np a r a m e t e f s e l f _ t u n i n gf u z z yc o n t r o i i e r sc 0c o n t r o lt h e mr e s p e c c j v e l yf i n a l l yw em a k eas u m m a r yo fo u rw 。r k a n dp o i n to u tt h et o p i c so ff u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s :g r e e n h o u s e p i ds e l f t u n i n gf u z z yc o 呲r o l d e c o u p l i n gc o n t f o i i 一一一 奎里望翌塞 温室的面积t m 2 ) 4 温室覆盖层的面积( 珊2 ) 变量说明表 c ,温室内气体定容比热( 1 0 0 5 j ( 姆oc ) ) 吃温室覆盖层与温室山气体的对流换热系数 t 太阳辐射能被温室空气吸收的传热系数 五e 作物蒸发潜能速率( m j ) g 加室外空气绝对湿度 q 室内空气绝对湿度 q o 投在温室覆盖层的辐射( m 2 ) g k 。,加热器的加热功率( ) 屁珥。室内空气相对湿度,指当时空气中水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比 温室内温度( o c ) 乙。温室外温度( o c ) y 温室的体积( m 3 ) 温室内自然通风率( 聊j ) 阡玩室内空气饱和水汽压差,即是一定温度和压强下空气所能容纳最大的水汽量 p 空气密度( 1 2 堙聊2 ) 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名:盔墼日期:i 吐缝亘扣羁 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交 学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内 容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名:盔选导师签名日期:型丝亚旧 第一章绪论 第一章绪论 1 1 设施农业 设施农业是依靠科技进步而形成的高新技术产业,是农业工程学科中最具典型的分支学 科。它是传统农业走向现代农业的重要基础,是农业实现大规模商品化、现代化的集中体现, 是农业实现高产、优质、高赦的有效和重要措施。 设施农业是集生物丁程、农业工程、环境工程为一体,跨部门、多学科综合的系统工程 是利用工程技术手段和工业化生产方式,通过设施环境调控,为作物营造较为适宜的生睦环境 使其获得最高产量、品质和经济效益的一种高效农业【”。 最早出现的设施农业是设施园艺( 从事蔬菜、花卉的生产) ,它经历了从简易塑料大棚到 玻璃温室,由人工单因子控制( 例如温度) 到自动化多因子控制( 温度、湿度、光照、二氧化 碳浓度等) 的阶段。由于可以控制植物生长所需耍的条件,故一年四季在任何气候、地形条件 下,可摆脱了自然条件的限制,依照理想的设计实现周年生产或季节调节,达到作物生产的短 周期、高产出、高效益、高质量、延长生长季节和扩大生长领域的目的。 2 0 世纪7 0 年代以来,随着现代工业技术尤其是电子技术在农业工程领域的应用,集约型 设施农业在荷兰、以色列、美国和日本等一些发达国家得到迅速发展,并形成了强大的支柱产 业。目前,大多数国家生产上以塑料温室为主,荷兰等西欧国家由于气候原因以玻璃温室为主。 在温室的管理上引进了计算机技术,实现了对温室内的温度、湿度、二氧化碳浓度和植物生长 状况的自动控制,基本上实现了温室的机械化、自动化和现代化1 2 j 。 我国现代化设施农业起步较晚,但自8 0 年代以来发展很快。1 9 8 7 年全国设施栽培总面积 仅有1 6 万公顷,现在已经超过1 4 0 万公顷。其中高效节能型日光温室是适应国内当前农业经 济技术水平,具有独立知识产权的简易、节能、高效的蔬菜生产设施且正在不断地推广应用中。 另外一些大中城市已经建造了或正在建造不少现代化的玻璃或塑料温室。但与发达国家相比, 我国的设施农业还有很大的差距。我国目前除一些大城市近郊外,蔬菜设施一般都是因地制宣, 就地取材建立简易保护设施,抵御自然灾害能力和耐久性差,在低温、霜冻、台风、高温期间 栽培作物易受伤害,在一定程度上仍受制于自然环境的影响,安全性、增产、增收的稳定性得 不到保障。设施内作业以手工为主,按照传统的作业方式和经验进行管理。一些自动化、机械 化、智能化环境调控技术等现代高新技术还是空白。 _ 作效率低,作业环境若,产量水平低, 产品质量满足不了市场的需要【4 j 。 1 2 温室环境调控 温室是设施农业中一个最主要、最关键的生产设施之一。在温室中运用各种手段来改善不 适合作物生长的环境条件创造适宜作物生长发育的环境条件的过程,就是温室环境调控。现代 温室生产的一个主要特征,是可根据宝外气象条件和作物生长发育阶段,利用环境控制发各对 温室内的环境条件进行有效的控制,采用连续生产方式和管理方式,高效均衡地生产各种农怍 1 东南大学硕士学位论文 物。它能够有效地改善农业生态、生产条件,促进农业资源的科学开发和合理利用,提高土地 产出率、劳动生产率和社会经济效益。 ) 温室环境调控系统 完整的环境调控系统包括控制器( 含控制软件) 、传感器和执行机构。温室环境控制系统 一般由温度、湿度、光照、二氧化碳和营养液( e c ) 等五个控制子系统所组成,其有关的传感器 种类及其对应的执行机构如表1 1 : 表1 i 温室环境调控设施 传感器种类控制设备 加热系统,通风系统,帘膜系统,湿帘风机系统, 温度 高压喷雾系统,屋顶喷淋系统等 湿度通风系统,湿帘风机系统,高压喷雾系统,加湿器,除湿机 二氧化碳浓度 二氧化碳施肥系统 光照遮荫系统,补光系统 e c 灌溉施肥系统,废液回收以及消毒系统等 二) 温室环境因子控制 作物的生长发育需要适宜的环境,人们利用温室来创造适宜农作物生长发育的环境条件。 环境控制的主要内容是温度、湿度、二氧化碳等环境因子的自动调节和监控等,通过调节各种 调控设施来控制上述环境因子,给作物创造最佳生长环境。对温室环境因子的调控方法一般有 两种:单因子控制和多因子综合控制。 1 ) 单因子控制 单因子控制是对温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等进行单独控制,而不考虑其他因子的 影响和变化。主要是控制温度,其次是湿度。我国现有温室的计算机控制系统中人多采用这种 控制方式p j 。但是温室小气候的各神气候因子耦台性很强,外界气候的变化对温室内的小气候 影响很大,这种单因子控制在保证作物获得最佳环境条件方面就有很大局限性。因为影响作物 生长的多环境要素之间是相互制约、相互作用的,当某要素发生变化时,相关的其它因子也 要相应改变才能实现环境要素的优化控制。 2 ) 多因子控制 多因子综合控制是将各种作物在不同生长阶段所需耍的适宜环境条件要求输入控制系统 2 第一章绪论 当某一环境因子发生改变时,其它因子能自动做出相应修改或调整,使温度、湿度这些主要环 境因子处于最佳配合状态,营造作物的最适宜的生长环境。 影响作物生长的因子主要有五个”,即温度、湿度、光照、二氧化碳浓度和营养液。而在 作物生长的不同时期,起主要作用的环境因子各不相同。一般情况下,在作物的苗期,温度占 主导地位,适宜的温度利于幼苗的发育。生长期则是湿度起主要作用,此时作物生艮迅速,需 要大量的水分,因此要保持足够的湿度,但湿度太大容易引发病虫害的发生,影响作物的生眭。 而在开花结果则要重视光照和二氧化碳。光照充足,作物才能更好的进行光合作用,二氧化碳 浓度增加可使作物增产,果实丰硕。 温室系统是一个复杂的多变量、非线性、大时延、强耦台的系统,外界大气候对温室的影 响太强,因而要对温室环境各组成园子,如温度、湿度、营养液、光照和二氧化碳同时进行优 化控制并不容易。考虑到环境目标的多因子耦合的复杂性问题,我们在对作物的生理生态特性 的了解和专家经验的基础上,宣采用抓住主要环境因子,把其它环境因子设法与此主要因子协 调起来的方法。 一) 温室模型研究现状 1 3 课题背景介绍 随着对温室中各种物理过程的研究逐渐深入,各国学者建立了一系列的温室动态模型。1 9 7 1 年,日本的t a k a k u r at 建立了第一个较为完备的动态模型”j ,但因为它主要是针对传统单层玻璃 温室建立的,适用面不广。k i n d e l a nm 探讨了温室环境的动态模型,建立了基于能量和质量平衡的 方程【8 】od u n c a ng a 等人p 1 研究了温室能量流动的模拟问题,得出了温室能量分析的结果。j 0 1 l i e t 0 ,l i w 建立了预测和优化温室内湿度与蒸发模型等。j o n gd e 等建立了温室的自然通风的模型【】“。 b o tg p a 对温室的动态特性进行过分析,在对v e n l o 型温室的自然通风、太阳辐射、对流换热等物 理过程的试验和理论研究的基础上,建立了温室动态模型”“。他的研究较为深入,是2 0 世纪8 0 年代 初最为复杂的温室环境模型 国内对连栋塑料温室环境模型的研究刚刚起步,但对日光温室环境模型已有较多的研究。如陈 端生、杨晓光等人对日光温室气象环境进行了较深入的研究陋”】;李元哲等人对日光温室的微气候 进行了理论和实验研究1 ”1 :陈青云等建立了目光温室环境的动态数学模型,井对单屋面温室光照环 境进行了实验分析等。 针对温室中采用的各种调控设施,很多学者提出了温室环境的控制模型。t a n t a uh j 提出 了温室气候的控制模型,研究了加热系统和通风系统的模拟,温室能量的消耗的建模等问题。 l a u t h i e rg 等人提出了一个基于知识库的能支持温室环境实时监控和动态优化的温室气候控制和 管理系统。范云翔等人研究了温室中水分的消耗与温度,湿度和光照之间的关系,并建立了数学 模型【2 0 】。 总之,以模型为基础的温室环境控制方法是温室控制的重要研究发展方向。 东南大学硕:l 学位论文 二) 温室环境控制研究现状 国内外很多专家已经对温室的环境控制进行了大量的研究,其控制方法包括p i d 控制、模糊控 制,神经网络控制等。 因为p i d 控制器设计简单、操作方便,所以国内外学者广泛应用p i d 控制于温室环境控制 中。而模糊控制由于其不需要依赖数学模型、鲁棒性好等优点也被用于温室内环境控制。余泳昌 等口“将改进型的p i d 控制算法用于温室环境控制中得到了良好的效果,但它没能实现室内孺度 的优化控制。杨卫中,余泳昌,汪小显等口“”1 用普通模糊控制实现了对温室内温度的控制,其系 统的抗干扰和环境参数变化的能力较强,但由于普通模糊控制器的量化因子、比例因子、控制规 则等参数固定以及模糊控制器自身的不足,系统的动态性能和稳态性能还仍待改善。 由于温室系统是时变的,多变量耦台的非线性系统,因此温室环境控制的研究者们引入了一 些自学习的方法。王定成等”对温室气候建立了模糊神经网络模型,以温度、湿度及其偏著作 为输入,输出层控制加热、卷帘、天窗、喷淋、通风机等执行机构。王万良等口2 1 针对温室生物 环境控制的复杂性,建立了温室分布参数的模糊逻辑网络预测模型,提出了基于神经优化计算的 优化控制算法,并应用于温室环境的加热升漏分布参数过程的优化控制。余有灵等口”提出广义 模糊神经网络的方法,将模糊逻辑系统和人工神经网络有机结合,实现了网络参数自学习、结构 自组织,利用其可以建立温室小气候控制的预测模型。毛罕平、朱伟兴等# “用遗传算法来优化 模糊变量的隶属度函数,实现模糊控制的优化。李医民等口“提出生态位温室智能控制,从作物 生长过程对环境的要求出发,将受控对象的生存环境看为作物的生态位,提出基于作物生长最佳 环境的数学模型和达到这一要求的目标函数的智能控制,利用遗传算法实现温室最佳生态系统的 模糊控制设计。由于上述控制方法都使用神经网络或遗传算法来实现优化控制或自学习算法,其 计算量都较大,用于温室的在线控制则对控制系统的要求很高。因此它们基本上都停留于理论研 究阶段,实用- 陛不强。 国外c a d o n e t t ol 等利用智能控制已经实现了温室内温度、湿度和二氧化碳浓度的自动控 制p 。另外还有学者使用最优化方法来提高整个温室作物经济效益的,其基本思想是寻找控制 输入,使利润最大化。g a ls 是最先提出温室最优控制的数学方法的学者之一。他们建立了作物 的生长函数以及温室小气候的状态平衡方程,实现了农作物经济收益最大的最优化控制p ”。由 于温室气候和作物的成长有着数量级迥然不同的时间常数,很显然季节性的农作物最优化方案不 能直接用来对温室内小气候进行控制。 三) 本文研究内容和意义 我国农业正处在从传统农业向咀优质、高效、高产为目的的现代化农业转化的新阶段。作 物的生长发育主要取决于遗传和环境。遗传决定作物生长发育的潜力,而环境决定这种潜力可 能实现的程度。在品种确定后。对环境因子的控制技术成为智能化温室高产、优质、高效的关 键。不断培育优良品种和提高作物产量与品质对农作物的生产环境提出了越来越高的要求。为 了满足实际温室生产中涌现的这些要求,科研工作者与工程技术人员逐渐将自动化技术与装置 引入到农业生产中,改造实际的生产装置与技术。这样农业环境控制工程作为农业生物速生、 优质、高产的手段,成为了农业现代化的重要标志,而农业设施的自动检测与控制成为我国急 待发展的项目。 白二十世纪七十年代以来,日本、以色列等农业发达国家就不断将最新的控制裟置与技 术应用到温室生产领域,其温室控制系统可以根据温室作物的特点和要求,剥温室内光照、温 4 第一章绪论 度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控,实现温室农业的自动化生产。目前国内温室内环境 大都仍靠人: 根据经验来管理,从某种程度上也影响了其效益和发展。而我国从国外引进了温 室控制软件,由于成本高且由于气候等因素的差异造成其实际工作情况不住。 本文主要研究的是影响作物生长的两个重要环境因子温度和湿度,其研究目的是针对温室 温度和湿度模型得到良好的控制方法。本文首先对国内外温室环境控制技术的发展及现状作了 一个综述,并探讨了我国在这领域存在的问题,接着介绍国内外温宝环境模型和环境控制的 研究现状,然后介绍我们所采用的温室小气候濡湿度模型,提出了针对温度模型的参数自繁定 p i d 控制器、针对温湿度模型之间耦台的解耦补偿器和对解耦后温度和湿度独立回路进行控制 的比例因子自调整模糊控制器。本文的具体内容有: 1 ) 深入地了解了温室内部以及温室与外界环节之间的物质利能量交换过程以及环境调 控设备对温室小气候的影响。通过对历史温室环境数据的分析,了解温室内温度和 湿度的变化特点,并在此基础上,将渝室的温度控制模型近似为一阶惯性加时滞环 节。 2 ) 深入地了解p i d 控制,基于我们白行研制的温室环境自动控制仿真软件平台和近似 为一阶惯性加时滞环节的温度控制模型,对几种常用的p i d 参数白整定算法和我们 所采用的优化的参数自整定算法进行了比较以选取了最佳的控制参数实现了对温 度的良好控制。 3 )针对温室系统的非线性、时变、大时滞、多变量耦合的特性,本文先设计解耦补偿 器,有效实现温室温度和湿度之间的动态解耦,然后针对温度和湿度独立回路设计 自调整比例园子的模糊控制器。 东南大学硕士学位论文 第二章温室环境小气候建模 温室环境是一个非线性、时变、大时延、多变量耦合的复杂对象,必须建立其实用的数学 模型才能对其进行可行而准确的温室环境调控。本章首先对温室小气候模型的机理进行了分 析采用了显含控制量的温宝小气候温湿度动态模型。 2 1 温室各组成部分机理分析 为建立温室小气候的动态模型,首先应分析其内部机理,即根据物质和能量守恒定律详细 分析温室小气候的物理过程。温室是个半开放的人工环境:室内的温度一方面受室外温度、 太阳辐射、风速、降雨等气候状态的影响;另方面又受到宝内作物生长状况、环境调控设施 等的影响。外界与温室内部之间的物质与能量交换包括:与温室外的热交换( 包括热传导,与 温室内外空气对流热交换) 、太阳光热辐射、通风热交换等:而温室内由室内作物生长情况以 及环境调控设施引起的物质和能量交换包括:加热系统和室内空气之间的热交换、植物蒸腾作 用、内喷雾的热交换等。 1 ) 与温室外的热交换 温室内的空气与温室表面进行能量交换,同时,大棚与外界空气进行能最交换。这些交换 主要是通过对流形成的,此外,还有热传导的作用。在温室内部,空气流速较低,局部空气 的温差形成了自然对流:在温室外部,由于空气流速( 风力) 形成了强迫对流,且外界气候变 化无常,存在较大的不确定性因素。 2 ) 太阳光辐射 太阳光辐射不仅直接影响了作物光合作用,呼吸作用以及蒸腾作用,还对温室温度有着很 大的影响。透过温室透明覆盖物进入温室的太阳光中,仅有微量的太阳光用于植物光合作用, 其余的全部直射到作物的叶面和土壤表面,转化为热量,对温室的温度,湿度以及能量和质量 平衡产生直接的影响。此外,其它的相关因素也会影响温室的气候调节,如季节的变化,天气 的不规则变化,温室覆盖物的光透明度。 3 】通风热交换 通风热交换是温室气候调节系统中调节温室温度和湿度的一个非常重要的手段。温室的大 棚覆盖物把温室内的环境和外界环境隔离开来,两者之间的能量交换除了通过覆盖物进行热传 导和对流热交换以及光照热辐射和长波热辐射之外,还能通过天窗( 或侧窗) 进行直接通风交 换,直接影响了温室内的温度、湿度以及室内空气的气流。 4 ) 加热系统和室内空气之间的热交换 通常温室都是通过加热管道进行加热的。由于热水流经温宝加热管道的过程中,不断与温 室的空气交换能量,从而使温室室内温度升高。在实际控制中,加热管道每一时刻的出口流量 和温度是可以改变的。这样,就可以通过合理的调整热水的温度和流量来对温室内的温度进行 有效的控制。 6 第二章温室环境小气候建模 5 ) 植物蒸腾作用 温室小气候对作物生长和发育起着关键性的作用。作物不断地与周围的空气交换能量、水 蒸气和二氧化碳而这种交换主要是通过水分的蒸腾作用和二氧化碳的光合作用来实现的,光 合作用期间二氧化碳的吸收会伴随着水通过气孔逸出,而蒸腾作用中的这种水分的损失可以降 低叫片的温度。然而叶片主要是通过其温度的变化来平衡能量的输入和输出的。温度不但影响 叶片传给周围空气的热量而且影响叶片发射的辐射热量。一般的规律是小形叶的温度与大形叶 的温度相比,较倾向于接近空气的温度。因此,对不同作物的气候控制也是不一样的。 6 ) 内喷雾的热交换 当夏天温度过高时,采用开天窗,侧窗已不能达到有效降温的目的。这时,就需要打开内 喷雾或者湿帘等装置来进行快速而有效的降温 2 2 温室环境小气候动态模型 2 2 1 温室内温度湿度模型 ) 室内温度的动态模型 不同地区由于气候、土壤、地区经济条件等不同,所建立的温室系统从结构到控制方法千 差万别。这里只就类温室的物理过程进行分析。此类温室具有如f 特点:单层透明覆盖物( 薄 膜或玻璃) 、热水管道加热、天窗通风以及气候自动控制系统。 根据南方某温室的实际情况,为了方便计算和突出研究对象的本质,在建立数学模型时需 要对研究对象作一些必要的简化:1 ) 温室内种植的作物( 如黄瓜) 冠层温度分布均匀;2 ) 在本研 究中计算土壤传热时,忽略温室内土壤的横向传热,只考虑深度方向的一维传热。3 ) 温室内 气体混合均匀,土壤表层温度视作与温室内空气温度相同,从而忽略土壤表层与温室内空气间 的热量交换。考虑到农作物蒸腾作用对于温室内温度温度的影响,采用文”“中提出的一种实用 且显含控制量的温室小气候温湿度动态模型: ,p c p 望墓堕= 以4 ( 乙。( ,) 一( 咖+ p c p ( l 。( f ) ( 嘞( ,) + 女g 耐( r ) ( 2 1 ) 一丑占( r ) 爿+ q f ( ,一白) 式中, 矗,温室内温度( o c ) , 乙l f f 温室外温度( o c ) 东南大学硕士学位论文 矿温室的体积( ) p 空气密度( 1 2 砑2 ) c 。温室内气体定容比热( 1 - 0 0 5 l ,( 姆。c ) ) t 太阳辐射能被温室空气吸收的传热系数 九温室覆盖层与温室内气体的对流换热系数 4 温室覆盖层的面积( 肌2 ) 丑f 作物蒸发潜能速率( m s ) 温室内自然通风率( 聊3 j ) q 涮投在温室覆盖层的太阳辐射( 彤m 2 ) 绕。f 加热器的加热功率( ) 等式( 1 ) 右边第一项为通过温室覆盖层交换的热量;第二项为通风时温室内外的热量交 换:第三项为从太阳辐射吸收的热量,其中 是太阳辐射的传输系数透过率;第四项为作物蒸 腾作用吸收的热量:第五项绋。是由加热源所提供的并由室内气体所吸收的功率。k 是实际 温室控制的滞后时间。它包括阀动作的滞后时间,水从阀门经管道流到热交换器的时间以及从 热交换器到室内空气的热传导时间。 室内湿度的动态模型 温室内湿度的变化,即室内空气的水汽含量的变化,是由室内的水分平衡决定的。温室内 水分变化与室内作物蒸腾速率、喷雾系统的蒸发速率、室外湿度和通风换气速率有关。为突出 研究的主要对象,这里假设温室内湿度分布均匀。由于温室采用滴灌技术,地面蒸发很少,可 将其对室内湿度的影响忽略。由文献【”】,温室内绝对湿度的变化可以下述方程表示 堕磐:笔祭筹+ 华。( f ) ( f ) ) 出 r 2 4 5 1 0 0 。 q 。室外空气绝对湿度 ( 2 2 ) 第二章温室环境小气候建模 g 。室内空气绝对湿度 其它参数定义同上。 等式( 2 ) 的右边第一项为作物的蒸发对温室内空气绝对湿度的贡献项:第二项为室外绝 对湿度及室内通风对温室内空气绝对湿度的影响项;绝对湿度是单位体积空气内水汽的含量。 由上章可知,温室作物蒸腾直接影响到温室内空气温度和湿度,是进行温室温度和湿度优 化调控所必需的信息。文献通过夏季和冬季温室小气候和蒸腾速率与气孔阻力的实验观测, 分析了夏季和冬季南方温室黄瓜蒸腾速率的变化特征及其与温室小气候要素之间的定量关系, 其数学描述为: 夏季时,z e = o 1 4q ,“+ 7 5 1 即毋。 冬季时,丑e = o 2 3 q 谢 删6 1 0 7 p 【】7 4 盎 限= p 。( i 一足) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中,删:。是室内空气相对湿度,指当时空气中水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分 比;为中间变量; 鸩。是室内空气饱和水汽压差,即是一定温度和压强下空气所能 容纳最大的水汽量。 2 2 2 温室内温度变化特点 温宝是一个半独立于自然界的人工环境。室内温度不仅受室外温度、光照等气候条件影响, 而且还受到室内农作物生长状况、环境调控设施、栽培方式等的影响。在华东地区,一般来说, 晴天里温室内的晟低温度出现在凌晨2 4 时,最高温度出现在1 2 1 4 时左右。夏天一天中最高 和最低室内温度之差高达1 6 度。图2 1 ,2 - 2 分别是夏季晴天温室自然通风时,上海某温室连 续七天室内温度变化曲线和某一天室内温度昼夜变化曲线。 9 东南大学硕士学位论文 图2 ,1 夏天室内温度变化曲线图2 2 夏季一天内室内温度变化曲线 2 2 3 温室内湿度变化特点 温室内的空气湿度主要受气候变化,作物蒸腾作用,加热和通风换气的影响。风速对相对 湿度的影响较大,在春季风力5 级以上的晴天,外界的空气相对湿度达到2 5 3 5 ,韫室内 相对湿度为4 0 一5 0 。总的来说:1 ) 在华东地区的梅雨季节里,连续的朗雨天使温室内空气 一直维持在饱和或近饱和状态。冬季为了保温,温室密闭性较好,地面蒸发和作物蒸腾的水分 不能外散,也会形成高湿环境。图2 3 ,2 4 分别是梅雨季节和冬季密封条件下温室内连续五 天相对湿度变化曲线。 图2 3 梅雨季节温室内相对湿度曲线图2 4 冬季温室内相对湿度曲线 2 ) 一日内,温室中相对湿度早晚高,夜间最大而中午湿度较低。温室内通常夜间的湿度 高于白天,其相对湿度的变化大。图2 5 是天内温室内湿度变化曲线。 1 0 尊虞 第二章温室环境小气候建模 相8 i 豁一“j, 童 | 。 薹i ,4 坼;! ? 。、| “。r j ,c ;一言i r 一喘古一 图2 5 夏季某一天室内相对湿度变化曲线 2 2 4 温室内温度和湿度的调控 温室室内的温度和湿度是最重要的两个环境因子。它们一方面受室外温度、太阳辐射、风 速、降雨等气候状态的影响;另一方面叉受到室内作物生长状况、环境调控设施等的影响,且 温度和湿度之间还相互影响。 作物在整个生命周期中所发生的一切生物化学反应,都必须在一定的温度下进行。温室内 温度对作物的光合作用、呼吸作用等均有显著的影响。农作物低温持续时间越长,延迟生育的 程度越显著。而高温会抑制作物的蒸腾作用,进而影响叶片的光合速率,也会抑制生长。维持 在某一合适的温度区间,作物生长良好。而作物的生育合适温度随着作物的种类,生育阶段以 及生理活动的昼夜变化而变化。表2 - i 列出了常见温室蔬菜作物生育的最合适温度区间。 研究表明,温室内部温度受到阳光照度的影响很大。阴天时由于光照较弱,温度变化不大。 晴天时由于阳光充足导致室内温度昼夜间变化较大,其幅值出现较大范围的波动。由此可见, 阳光照度是影响室内温度的主要因索,因此在温室中应根据不同的季节采用不同的调控醴施和 控制策略来调节室内温度。值得注意的是,室内温度与相对湿度之间有相互耦合的关系。一般 来说,温度增高则相对湿度降低。 东南大学硕二 学位论文 表2 1 常见温室蔬菜作物的生育合适温度表 蔬菜名称 发芽适温 幼苗生长 生长昂适温度结果期上限( o c )下限( o c ) 萝h 2 0 一2 52 51 2 2 6 1 3 一】82 06 t d 2 0 一2 6 , 番茄 2 5 3 01 8 2 0 t 。1 5 1 7 2 0 2 53 56 t d 2 2 2 3 , 茄子3 01 8 2 0 b 1 5 一1 7 2 3 2 8 3 51 5 t d 2 0 一2 5 , 黄瓜 2 5 3 01 8 2 0 t n l 2 一1 6 2 3 2 83 51 0 西瓜 2 5 3 01 8 2 01 8 3 2 1 6 1 83 51 5 菠菜 1 5 2 01 8 2 02 0 2 51 6 1 83 5 1 5 注:表中0 表示白天的生长最适温度,。表示晚上生长最适温度a 温室中,作物是在封闭条件下生长,作物蒸腾作用产生的水蒸气、凝结水大都滞留在室内, 使得空气相对湿度和绝对湿度显著高于外界。傍晚温度下降,湿度过饱和会产生雾。温室地表湿 度越高,室温越低。雾在作物表面凝成水囊,好湿性病原菌随水滴侵入气孔,窬易引发作物病虫 害的发生。因此高湿再加上适宜发病的温度条件对作物更为不利。一般地,若温室内不是极端干 燥或湿润,叶片气孔能自由开闭从而调节蒸腾量,使得作物的生育不受湿度的影响。但在持续于 燥的条件下,叶片气孔关闭,影响光合作用,会抑制生育。 通常,温室的增湿较容易,通过喷雾或灌溉即可解决。除湿问题一直是温室降湿的主要问题。 可用于温室降湿的方法有通风换气,加热除湿。覆盖地膜,灌溉控制,使用除湿机等。 本课题采用以通风换气,热水管道加热除湿为主对温室进行必要的除湿。当自然通风不够时 采用强制通风来降低室内湿度。 2 第三章基于温度模型的温室温度拄制 第三章基于温度模型的温室温度控制 由于温度是温室环境最重要的因子之一 者做了大量的研究并提出了许多控制策略。 ,对温室内温度的控制己引起广泛的注意,许多学 其中昂常用的方法是p i d 控制,模糊控制i ”_ 3 0 】。 因为p i d 控制器设计简单、操作方便,所以国内外学者广泛应用p i d 控制于温室环境控 制中。而模糊控制由于其不需要依赖数学模型、鲁棒性好等优点也被用于温室内环境控制。余 泳昌等“将改进型的p i d 控制算法用于温室环境控制中得到了良好的效果,但它没能实现室内 温度的优化控制。杨卫中,余泳昌,汪小品等【2 8 ”1 用普通模糊控制实现了对温室内温度的控制, 其系统的抗干扰和环境参数变化的能力较强,但由于普通模糊控制器由于不存在积分作用所以 一般难以消除系统的稳态误差且模糊语言变量的选取及其隶属度函数的选取没有系统性,规则 的选择也有一定的随意,没有一定的优化指标。 3 ,1 温室温度模型分析 在上章中,温室的温度控制模型为 矿p c p ! 挚= t 4 ( 。一) + p c p ( z 哪,一) + 1 2 w 一五e 一+ k 。( r 一。) 。1 绕。p ) = g 胁讲9 ) ( 3 2 ) 等式( 3 一1 ) 右边各项依次为通过温室覆盖层交换的热最、通风时温室内外的热量交换、 温室吸收的太阳能、作物蒸腾作用吸收的热量和温度调控设施所提供的热量。 把( 3 2 ) 式代入( 3 1 ) 式,并对( 3 1 ) 式进行变换,整理得到 令 鲁一坐篙掣喁 。! 塾:垒:! ! ! :坚塑! :墨型! 坠! 二兰兰:! :鱼! 竺! ! 竺二垒! vo cb m ( ,) = 4 + 心。( ,) 三( r ) = a ,( f ) l 。,0 ) + 女1 2 。d ( f ) 一卫0 ) 爿 把( 3 4 ) 式和( 3 5 ) 式代入( 3 3 ) 式,得到 1 3 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 。5 ) 东南大学硕士学位论文 鲁一器蝎,+ 业铲 ( 3 6 ) 其中,m ( t ) 受温室覆盖层与温室内气体的对流换热系数、温室覆盖层的面积、温室内气体 定容比热、温室内自然通风率、温室体积的影响。l ( f ) 项是由室外温度瓦,投在温室覆盖层 的太阳辐射q 、作物蒸发潜能速率 e 等环境变量构成,我们可以看成是干扰项。从上可知, 温室温度系统是一个非常复杂的系统,其参数是时变的,且受外界的影响很大。 我们利用上海某一温室连续二十七天从早上七点到下午五点观测的环境数据,对m ( t ) 的变 化情况进行分析,发现m ( t ) 值介于3 6 2 2 4 9 8 2 与3 6 6 1 5 1 6 2 2 0 6 之间,平均值为3 6 3 9 6 2 5 ,相对 平均值变化率为一o4 7 。6 。m ( t ) 的曲线图如图3 1 所示。 至 采样个数 圈3 1m ( t ) 的曲线 这样m ( t ) 可当作常数。用其平均值m 来代替。则( 3 - 6 ) 变为 其中 誓一篙甜业铲 上7 ( r ) = m l “( r ) + 女q 。d p ) 一丑e ( r ) 爿 则对方程( 3 7 ) 两边进行拉氏变换,并代入( 3 8 ) 式,整理得到 4 f 3 - 7 ( 3 - 8 ) 第三章基于温度模型的温室温度控制 e ( s ) = m 。毛“( s ) + 丘。! d ( s ) 一丑e ( s ) 爿 ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) 从( 3 7 ) 式可以看出,此温室温度系统可近似为有扰动情况下的一阶惯性带滞后环= h 。 在典型的一阶惯性带滞后环节,k 是增益,t 是系统时间常数,r 是系统时滞。我们将温室温度 模型与典型的一阶惯性带滞后环节进行对照,得到: 一导。褥+ 击。萎兰 m m 。 :兰兰二。胁。r f + 墨些婴生 弼+ 1 、。 强+ 1 比较后得到 世:鱼 m 丁:兰生 m 1 至此,温室温度控制动态模型已近似为一阶惯胜帝时滞环节。 3 2 温室温度的参数自整定p i d 控制 ( 3 - 1 1 ) ( 3 1 2 ) 对温室温度的控制,常用的方法有p t d 控制和模糊控制。对于已得到较准确模型的被控对 象p i d 控制器能够实现较理想的控制,但其参数选择一般都由经验试凑得到,通用性差。模糊 控制能够不依赖于温室的数学模型从而具有较强的鲁棒性。它有着诸多的优点,可以利用农学 专家的控制经验,可以表达模糊和定性的知识从而具有较强的鲁棒性。但它的缺点是:综合定 量知识的能力差,控制规则以及隶属函数的选取有着一定的主观性并且没有任何优化指标,不 能实现优化控制。在上一节中,温室的温度模型已经近似为一阶惯性加时滞环节,我们就可以 在此基础上,采用参数自整定的p i d 控制器来实现对温室内温度的优化控制。 3 2 1p i d 控翎器 p i d 控制由于其算法简便、易于理解和操作,所以在工业生产、农业温室控制等许多领域 l5 蠡赣 东南大学硕士学位论文 得到了广泛的应用。经典的p i d 控制器传递函数为 g c ( s ) = ( 1 + 巧s + 去) 其中,亿为比例系数,l 为积分时间常数,乃为微分时间常数。 在p i d 控制中,存在着比例、积分、微分三种控制作用 ( 3 1 3 ) 比例控制的优点是误差一旦产生,控制器就立即有控制作用,使被控量朝着误差减小的方 向变化,其控制作用的强弱取决于比例系数:其缺点是单独的比例作用往往难以消除系统的稳 态误差。 积分控制的优点是能对误差进行记忆,有利于消除静差;缺点是具有滞后特性。积分控制 作用太强会使系统的动态性能变差,甚至使系统不稳定。 微分控制的优点是能对误差进行微分,敏感出误差的变化趋势,增大微分控制可加一腆系统 响应,使超调量较小,增加系统稳定性:缺点是对干扰同样敏感,使系统抑制干扰能力降低。 3 2 2 性能指标 我们在对控制参数进行优化时,总要依据一定的性能指标。常用的性能指标有误差的积分 i e ( i n t e g r a lo f e 丌d r ) 和误差的绝对值的积分i a e ( i n t e g m lo f a b s o j u t ee r r o r ) 。而它们有两个缺 点:一是由于短时间内大的误差对于整个指标值影响很大,所咀采用这两个指标常常会得到一 个比较振荡的阶跃响应;二是它把所有的时域中的误差同等对待,就会使响应的调节时间增长。 而以时间为权的误差积分指标,除了误差平方积分( i n t e f ;r a lo f s q u a r e de n d r ,下简称i s e ) 指 标外,能够惩罚当阶跃设定输入变动时不可避免的较大的误差,这样就可以减小超调i 而对时 域中的误差分别对待,能够有效地减小调:市时间。 由于以时间为权的误差积分指标有其独特的优点,所以我们选用这一指标 厶( 目) = f f ”8 ( 口,r ) 2 卉 其中,口是能最小化,。( 口) 指标的变量, 选用时间与误差乘积的平方积分( i n t e g r a lo f 系统可以获得另人满意的系统响应【3 5 】。 3 2 3p i d 参数自整定方法 ( 3 ,1 4 ) 即为p i d 的控制参数。一般来说,当n = 1 时,即 s q u a e d t i m ea n de h d r 下简称i s t e ) 指标时, 要取得良好的控制效果,仅有p i d 控制算法本身是不够的。还需要操作人员具有较高的专 业素质,要能根据系统的各种条件将p i d 参数调整至最佳值。 加强比例控制,即加大比例系数,将使系统的响应灵敏,对于闭环稳定系统可以减小稳态 1 6 兰三兰兰王望鉴堡型堕塑至望垦堡型 误差但一般不能完全消除稳态误差。当比例系数取值偏大则震荡次数增多,调节时间加长。比 例系数过大易使系统趋于不稳定,而太小时又会使系统动作缓慢,影响系统的动态性能。 积分控制能消除系统的稳态误差,提高控制系统的控制精度。但当积分时间常数太大时, 积分作用太小以至不能减小稳态误差,而太小时系统容易不稳定。当它偏小时则系统震荡次数 较多,而太大时对系统性能的影响减小。只有当它取适当的值时,过渡过程的特性

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