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- 國內外溫室自動控制技術發展的三個階段發表日期:2013-10-18 來源:托普物聯網 瀏覽次數:8771次
溫室是一種可以改變植物生長環境、為植物生長創造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候對其影響的場所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結構材料,可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節栽培植物。溫室生產以達到調節產期,促進生長發育,防治病蟲害及提高質量、產量等為目的。而溫室設施的關鍵技術是環境控制,該技術的最終目標是提高控制與作業精度。
國外對溫室環境控制技術研究較早,始于20世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表,采集現場信息并進行指小、記錄和控制。80年代末出現了分布式控制系統。目前正開發和研制計算機數據采集控制系統的多因子綜合控制系統。現在世界各國的溫室控制技術發展很快,一些國家在實現自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發展。像園藝強國荷蘭,以先進的鮮花生產技術著稱于世,其玻璃溫室全部由計算機操作。口本研制的蔬菜塑料大棚在播種、間苗、運苗、灌水、噴藥等作業的自動化和無人化方面都有應用。口本利用計算機控制溫室環境因素的方法,_i幾要是將各種作物不同生長發育階段所需要的環境條件輸入計算機程序,當某一環境因素發生改變時,其余因素自動作出相應修正或調整。一般以光照條件為始變因素,溫度、濕度和CO:濃度為隨變因素,使這四個_i幾要環境因素隨時處于最佳配合狀態。美國和荷蘭還利用差溫管理技術,實現對花卉、果蔬等產品的開花和成熟期進行控制,以滿足生產和市場的需要。英國倫敦大學農學院研制的溫室計算機遙控技術,可以觀測SOkm以外溫室內的光、溫、濕、氣和水等環境狀況,并進行遙控。
我國對于溫室控制技術的研究較晚,始于20世紀80年代。我國工程技術人員在吸收發達國家溫室控制技術的基礎上,才掌握了人工氣候室內微機控制技術,該技術僅限于溫度、濕度和CO:濃度等單項環境因子的控制。之后,我國的溫室控制技術得到了迅速發展。
20世紀80年代,我國先后從歐美和口本等發達國家引進了21.2hm“連棟溫室。由于當時只注重引進溫室設備,而忽略了溫室的管理技術和栽培技術,且引進的溫室能耗過高,致使企業相繼5損或停產。90年代初,我國大型溫室跌入了發展的低谷。“九五”初期,以以色列溫室為代表的北京,以小范農場的建立,拉開了我國第二次學習和引進國外現代溫室技術的序幕。到90年代,后期,在對國外溫室設備配置、溫室栽培品種、栽培技術等各個方面進行研究的基礎上,我國自_i幾開發了一些研究性質的環境控制系統。1995年,北京農業大學研制成功了“WJG-1型實驗溫室環境監控計算機管理系統”,此系統屬于小型分布式數據采集控制系統。
19%年,江蘇理工大學毛罕平等研制成功了使用工控機進行管理的植物工)一系統。該系統能對溫度、光照、CO:濃度、營養液和施肥等進行綜合控制,是目前國產化溫室控制技術比較典型的研究成果。,國農業機械化科學研究院研制成功了新型智能溫室系統。該系統由大棚本體及通風降溫系統、太陽能貯存系統、燃油熱風加熱系統、灌溉系統、計算機環境參數測控系統等組成。1997年以來,,國農業大學在溫室環境的自動控制技術方面也取得了一定的成果。90年代末,河北職業技術師范學院的門忠文研制了蔬菜大棚,其能夠對溫、濕度進行實時測量與控制。但由于我國農業現代化水平較低,農業勞動力大量過剩,溫室的一次性投資大,資金短缺以及對操作人員的素質要求比較高等因素,限制了溫室控制技術在溫室系統的擴展。
從國內外溫室控制技術的發展狀況來看,溫室環境控制技術大致經歷三個發展階段:
①手動控制。
這是在溫室技術發展初期所采取的控制手段,其時并沒有真正意義上的控制系統及執行機構。生產一線的種植者既是溫室環境的傳感器,又是對溫室作物進行管理的執行機構,他們是溫室環境控制的核心。通過對溫室內外的氣候狀況和對作物生長狀況的觀測,憑借長期積累的經驗和直覺推測及判斷,手動調節溫室內環境。種植者采用手動控制方式,對于作物生長狀況的反應是最直接、最迅速且是最有效的,它符合傳統農業的生產規律。但這種控制方式的勞動生產率較低,不適合工)一化農業生產的需要,而且對種植者的素質要求較高。80年代,期,以遼寧海城和瓦房店為代表的高效節能口光溫室基本屬于這種控制方式。荷蘭溫室發展的初期,環境因子也是根據種植者的經驗來控制。如使用手動加熱系統和手動通風系統,在玻璃窗上涂上石灰以減少過多的光照等。另外,在溫室,掛上溫度計用來檢查對溫室環境的控制效果。
②自動控制。
第二次世界大戰以后,溫室生產已遠遠超過“溫室效應”的概念。手動控制的生產方式正逐漸被機械設備所替代。首先被引入使用的是自動調溫儀,其后,與環境控制和作物生長有關的研究成果相繼問世,這些新的成果促進了新型環境控制設備的誕生。
于是利用計算機技術及現代控制理論對溫室內的各種環境因子,包括溫度、光照、濕度、CO2濃度和施肥等,進行自動控制和調節成為溫室控制的_i幾要方式。根據溫室作物的生長習性和市場的需要,部分甚至完全擺脫自然環境的約束,使人為創造適宜作物生長最佳環境的自動控制技術手段成為_i幾流。此時的溫室有比較完整的控制系統,有各種傳感器采集溫室環境數據,監控系統實時監測環境變化及控制執行機構的動作,良好的人機界面使種植者的操作過程形象而且簡便。這種控制系統需要種植者輸入溫室作物生長所需環境的目標參數,計算機根據傳感器的實際測量值與事先設定的目標值進行比較,以決定溫室環境因子的控制過程,控制相應機構進行加熱、降溫和通風等動作。計算機自動控制的溫室控制技術實現了生產自動化,適合規模化生產,勞動生產率得到提高。通過改變溫室環境設定目標值,可以自動地進行溫室內環境氣候調節,但是這種控制方式對作物生長狀況的改變難以及時作出反應,難以介入作物生長的內在規律。目前我國絕大部分自_i幾開發的大型現代化溫室及引進的國外設備都屬于這種控制方式。
③智能化控制。
這是在溫室自動控制技術和生產實踐的基礎上,通過總結、收集農業領域知識、技術和各種試驗數據構建專家系統,以建立植物生長的數學模型為理論依據,研究開發出的一種適合不同作物生長的溫室專家控制系統技術。這種智能化的控制技術將農業專家系統與溫室自動控制技術有機結合,以溫室綜合環境因子作為采集與分析對象,通過專家系統的咨詢與決策,給出不同時期作物生長所需要的最佳環境參數,并且依據此最佳參數對實時測得的數據進行模糊處理,自動選擇合理、優化的調整方案,控制執行機構的相應動作,實現溫室的智能化管理與生產。農業專家系統為我們提供了一種全新的處理復雜農業問題的思想方法和技術手段。它能夠根據溫室環境條件和作物生長狀況,應用適當的知識表達和規則化,推理決策出最適合作物生長的溫室環境。將農業專家系統應用于溫室的實時監控與自動調控是溫室發展的新亮點。這種控制方式既能體現作物生長的內在規律,發抨農業專家在農業生產,的指導作用,又可充分利用計算機技術的優勢,使系統的調控非常方便和有效,實現溫室的完全智能化控制。因此,溫室專家控制系統技術是一種比較理想、比較有發展前途的控制方式。
溫室控制技術沿著手動一自動一智能化控制的發展進程,向著越來越先進、功能越來越完備的方向發展。由此可見,溫室環境控制朝著基于作物生長模型,溫室綜合環境因子分析模型和農業專家系統的溫室信息自動采集及智能控制趨勢發展。
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