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　　大棚溫室環境監測與控制系統的現狀

　　1 溫室環境的控制策略

　　各種作物均有其特定的適宜生長環境,而溫室大棚監測控制系統就是為改善外界不利條件以達到增加農作物的產量、改善品質、延長供應期、提高效益的目的。

　　因此,整個溫室的生產控制可以用一個三級模型來表示,即溫室實時控制(第一級)、生長發育控制(第二級)和經濟性預測控制(第三級)。其中最高級(第三級)為第二級提供控制設定點(set-point),第二級為第一級提供控制設定點,第一級通過溫室的調節設備最終控制溫室內的小氣候環境。

　　由于作物生長發育模型的復雜性以及溫室種植的多樣性,使得基于生長模型的第二級很難為第一級提供用于實時控制的設定點,因此目前商業溫室的主要控制方法主要采用分段式控制和人工設定相結合的方法。溫度的分段式控制主要為五段或四段式變溫控制,即設定一天當中5個(或4個)不同時段的溫度設定值,然后由計算機通過一定的控制方法將溫度控制在設定值上。后級的控制方法應用較多的仍然是經典控制方法(即比例控制、積分控制、微分控制或前饋控制等)。這種采用經典線性控制方法的主要優點是環境參數變化平緩,設備運轉平穩,系統具有較強的魯棒性。

　　國內對于溫室后級控制的研究也比較多,例如模糊控制、神經網絡控制、遺傳算法等。實際上由于溫室內部環境的空間復雜性,造成溫室各點的環境參數都不一致。應用工業控制的方法,對后級控制過分強調高精度,實際應用中不僅完全沒有必要,反而容易引起溫室控制的不穩定。這也是目前商業溫室仍然采用經典控制策略的主要原因。

　　實際上從20世紀80年代開始,國外更多的研究是關注如何將作物模型和溫室環境相結合進行溫室環境的優化調控,以實現溫室的高產高效。如Seginer等建立一系列函數之后,進行數值尋優得到不同溫光水平下最優的生菜生產溫度的設定點。

　　Stanghellini等建立一個基于溫室作物蒸騰和溫室內濕度環境的模擬模型,并將其運用于溫室的氣候控制中進行溫度和通風控制目標的設定。Fisher等開發的溫室管理系統CARE,利用決策支持系統為溫室的作物生長提供推薦的白天和夜間的設定值,并能和環境控制系統相連接,實現對溫室溫度的控制。

　　近年內,國內也開展了關于控制模型的研究,如李志偉等根據作物在1天中生育的不同適溫水平,將所需要的溫度變化劃分為若干個階段以實現溫室綜合環境的動態優化平衡調控。伍德林等將溫室作物整個生長季節分為營養生長階段和生殖生長階段。在營養生長階段,以溫度優先為控制策略,在生殖生長階段,綜合控制成本模型、溫室環境的預測調控模型和作物生長模型,以溫室產出與投入比最大為溫室環境控制目標進行決策,為溫室內作物生長提供經濟適宜的環境參數和生長條件。戴劍鋒等以溫室作物生長模擬模型和溫室加溫能耗預測模型為基礎,建立基于模型的溫室加溫控制目標計算機優化系統,系統的輸入主要為溫室類型、溫室結構、覆蓋材料、作物信息以及室外氣象資料,系統輸出主要為作物干物質生產量、溫室加溫能耗量以及干物質生產能耗量,以確定溫室白天和夜間的加溫控制目標。鄧璐娟等采用多級控制策略,優化設定系統目標值來解決溫室環境系統中多個時間響應常數相差過大的問題,設定系統優化目標值時,白天使植物獲得最大的光合速率,夜間在滿足植物生長和積溫要求的前提下使溫室在能耗最小的狀態下運行。這些研究都將作物的生長需求、經濟目標和環境控制目標相結合,為進一步研究基于作物生長的環境控制目標提供了積極的借鑒。

　　2 溫室環境模擬建立

　　溫室環境模擬模型的最大優點是可通過模型的輸入輸出,全面認識與了解溫室的結構特征、外界的氣象條件以及作物生長等參數對溫室內部小氣候環境的影響,由于模擬模型可快速地改變和重組輸入條件,有助于發現新的知識和規律,所以環境模擬模型不僅是溫室結構設計和環境預測的強有力工具,其輸出的參數也是作物生長模型的必要數據。

　　國外對溫室小氣候數值模型的研究始于20世紀60年代。Walker在1965年就對通風溫室內的溫度建立了預測模型,當時的模型比較簡單,模擬參數也較為單一。后來Kindelan和Gal提出要提高模型精度需要把那些不受溫室影響的邊界條件作為模型的輸入。到了20世紀80年代,荷蘭研制出了基于溫室小氣候模擬模型和番茄作物生長模型的溫室環境優化控制模型KASPRO。

　　KASPRO可以根據室外氣象條件、溫室結構、番茄的播種日期和溫室環境控制目標預測模擬溫室環境的控制結果(溫室內溫度、濕度、作物蒸騰速率和能耗等)。

　　近年來,隨著溫室研究的不斷深入,我國也進行了溫室小氣候模型的探討。如李元哲、陳青云、酈偉在研究日光溫室微生態環境變化機理的基礎上,利用動態規劃理論,建立了以溫度為主參量的日光溫室綜合環境調控模式。陳教料等應用CFD技術對玻璃溫室進行夜間熱風加熱條件下的熱環境數值模擬,趙云等研究了夏季溫室內蒸騰速率與濕簾風機系統工作狀況之間相互關系的數值計算和測量。汪小應用溫室的傳熱傳質機理,詳細分析溫室的覆蓋層、室內空氣層、作物層以及地表層的熱量平衡,分析作物與室內空氣、室內空氣與室外大氣間的質量平衡,建立了適合我國南方氣候條件的現代化溫室模擬模型,并在此基礎上進行了溫室能耗的預測。李惟毅等建立了供熱溫室通用模擬模型,并以全光溫室為例通過各層能量微分方程對微氣候理論模型進行了描述和分析,該模型為溫室供熱設計及溫室微氣候的研究提供了有價值的參考。沈明衛等對華東地區三連棟塑料溫室在配置內遮陽網后室內自然通風氣流場進行三維穩態模擬;借助熱輻射理論,在分析太陽輻射在溫室內傳播過程的基礎上,分別建立了連棟塑料溫室在無遮陽、內遮陽和外遮陽情況下的光環境模型,結合實際情況分析討論了邊緣效應對室內光環境的影響;同時研究了連棟溫室遮陽網上噴霧降溫的性能。

　　王健等采用CFD理論,建立了互插式連棟溫室周圍空氣繞流的數學模型,對互插式連棟溫室的風壓分布進行模擬分析;在此基礎上,利用ANSYS軟件模擬了單棟溫室內風速為3 m/s時的速度場,并比較了側窗通風、側窗加天窗組合通風等幾種不同通風方式下溫室內部流場的變化。這些研究都對進一步分析溫室內各參數的關系提供了非常有用的理論支持。

　　3 討論及展望

　　根據近年國內外溫室環境模擬和控制系統的研究現狀可知,目前溫室環境控制技術的發展主要趨向于控制系統的智能化和信號傳輸的無線化。另外,在溫室管理方面則更多的強調將作物的生長模型、經濟模型以及控制模型進行有機集成。

　　隨著傳感技術、計算機技術和自動控制技術的不斷發展,溫室計算機控制系統也由簡單的以數據采集處理和監測為主,逐步向以知識處理和應用為主的專家系統轉變,信號傳輸方式也逐步由有線方式向無線傳輸方式轉變。

　　由于溫室作物生長需求的特殊性,使得溫室中一天的不同時刻和作物的不同生長期對溫室環境的要求都不一樣,因此,溫室的專家系統需要綜合研究不同的作物生長規律和溫室小氣候環境的相互作用,這方面的研究不僅需要工程技術專家和栽培專家進行通力協作,而且需要長期的試驗積累。同時,溫室專家系統還需要考慮作物生產的經濟性。尤其在能源價格和農產品價格不斷變動的今天,經濟性才是溫室發展首要考慮的問題。

　　在溫室的環境控制方面,由于溫室環境參數是溫度、光照和濕度等多因子環境參數綜合作用的結果,對于后級控制而言,應從整體上動態地研究環境參數的相互耦合問題,避免將一個參數調整到合理水平后,另一個參數又變化到不合理水平。另一方面,鑒于溫室環境參數的空間不一致性,過分強調后級控制的精度,易造成執行機構頻繁動作,增加控制成本,而對促進作物的生長不一定具有較大的意義。

　　因此,應充分加強控制理論與溫室農業生產過程的緊密結合,在引入智能化方法和技術以外,還應該考慮到農業生產的特殊性和復雜性,設計出綜合考慮作物生長、生產經濟性在內的智能決策支持及控制系統,這是溫室控制系統今后的發展趨勢。

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