深液流栽培試驗溫室溫度系統(tǒng)的建模與控制.pdf

1、溫室環(huán)境控制是在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，通過改變溫室內(nèi)部的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度和作物根際的水分、營養(yǎng)組分等環(huán)境因子來獲得作物生長的最佳條件，從而達到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生產(chǎn)周期、提高經(jīng)濟效益的目的。溫室小氣候環(huán)境具有強非線性、大時滯、強耦合、強干擾、時變等特點，是一個非常復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)，而溫室控制涉及多個學(xué)科的知識，包括作物生態(tài)生理學(xué)、園藝學(xué)、溫室物理學(xué)、控制工程、儀器儀表和計算機科學(xué)。 溫室小氣候建模為

2、溫室控制提供了理論依據(jù)和決策支持。機理建?？梢灶A(yù)測溫室內(nèi)環(huán)境，但是測量參數(shù)多、成本昂貴?；谳斎胼敵鰯?shù)據(jù)的非線性模型系統(tǒng)辨識建模精度高，但是計算復(fù)雜，難以實時應(yīng)用?；谳斎胼敵鰯?shù)據(jù)的線性模型系統(tǒng)辨識大都沒有結(jié)合機理模型考慮模型結(jié)構(gòu)的合理性，以及栽培方式、氣候特征、外部擾動對于模型的影響，建模精度不高。因此，研究綜合考慮以上因素的溫室小氣候建模具有重要的理論及應(yīng)用價值。 國內(nèi)溫室環(huán)境控制設(shè)備大多數(shù)為開關(guān)控制設(shè)備，控制設(shè)備沒有位置反

3、饋，無法使用國外的基于連續(xù)控制裝備的溫室建模和控制理論；采用常規(guī)的開關(guān)控制會導(dǎo)致設(shè)備的頻繁開關(guān)，造成設(shè)備損耗和能源浪費。為了解決上述問題，本文將混雜系統(tǒng)建模與控制理論應(yīng)用到溫室環(huán)境的設(shè)備控制中。 本文的主要工作成果如下： (1)將溫室能量平衡方程與作物的蒸騰作用等生理學(xué)原理相結(jié)合，建立了深液流栽培條件下的試驗溫室溫度系統(tǒng)的機理模型。仿真結(jié)果驗證了機理模型的有效性。在此基礎(chǔ)上對機理模型進行深入分析，獲取試驗建模的先驗知識。

4、 (2)研究了有智能監(jiān)督級的試驗溫室溫度系統(tǒng)的在線建模方法。針對我國氣候環(huán)境、溫室控制裝備的特點，選用有外源輸入的線性自回歸滑動平均模型，根據(jù)機理建模所獲得的先驗知識，提出用統(tǒng)計假設(shè)檢驗法和擬合度分析相結(jié)合的方法確定模型結(jié)構(gòu)，采用智能監(jiān)督級保障辨識正常進行，并對殘差進行白性檢驗。不同季節(jié)實測數(shù)據(jù)的仿真與預(yù)測表明：建模精度較高、計算速度快、抗干擾能力強，適合用于實時控制。 (3)研究了深液流栽培條件下網(wǎng)紋甜瓜和番茄的環(huán)境建

5、模、管理與控制。給出了作物生長的溫室小氣候環(huán)境(溫度、濕度、光照強度)和作物的根際環(huán)境(營養(yǎng)液的溫度、EC值、pH值及主要離子濃度)的調(diào)控方法和實際的效果。證明了自主開發(fā)的基于CAN總線的溫室環(huán)境與營養(yǎng)液測控系統(tǒng)的可靠性。 (4)研究了基于混合邏輯動態(tài)建模的溫室溫度系統(tǒng)的預(yù)測控制。引入輔助變量，將溫室天窗開關(guān)動作、溫度控制的約束條件以混合整數(shù)線性不等式表示，與溫度系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間模型統(tǒng)一起來，分別建立了基于機理的混合邏輯動態(tài)模