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　　大棚溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

　　1 溫室環(huán)境的控制策略

　　各種作物均有其特定的適宜生長(zhǎng)環(huán)境,而溫室大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)就是為改善外界不利條件以達(dá)到增加農(nóng)作物的產(chǎn)量、改善品質(zhì)、延長(zhǎng)供應(yīng)期、提高效益的目的。

　　因此,整個(gè)溫室的生產(chǎn)控制可以用一個(gè)三級(jí)模型來(lái)表示,即溫室實(shí)時(shí)控制(第一級(jí))、生長(zhǎng)發(fā)育控制(第二級(jí))和經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)控制(第三級(jí))。其中最高級(jí)(第三級(jí))為第二級(jí)提供控制設(shè)定點(diǎn)(set-point),第二級(jí)為第一級(jí)提供控制設(shè)定點(diǎn),第一級(jí)通過溫室的調(diào)節(jié)設(shè)備最終控制溫室內(nèi)的小氣候環(huán)境。

　　由于作物生長(zhǎng)發(fā)育模型的復(fù)雜性以及溫室種植的多樣性,使得基于生長(zhǎng)模型的第二級(jí)很難為第一級(jí)提供用于實(shí)時(shí)控制的設(shè)定點(diǎn),因此目前商業(yè)溫室的主要控制方法主要采用分段式控制和人工設(shè)定相結(jié)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(shè)定一天當(dāng)中5個(gè)(或4個(gè))不同時(shí)段的溫度設(shè)定值,然后由計(jì)算機(jī)通過一定的控制方法將溫度控制在設(shè)定值上。后級(jí)的控制方法應(yīng)用較多的仍然是經(jīng)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(jīng)典線性控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境參數(shù)變化平緩,設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

　　國(guó)內(nèi)對(duì)于溫室后級(jí)控制的研究也比較多,例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法等。實(shí)際上由于溫室內(nèi)部環(huán)境的空間復(fù)雜性,造成溫室各點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)都不一致。應(yīng)用工業(yè)控制的方法,對(duì)后級(jí)控制過分強(qiáng)調(diào)高精度,實(shí)際應(yīng)用中不僅完全沒有必要,反而容易引起溫室控制的不穩(wěn)定。這也是目前商業(yè)溫室仍然采用經(jīng)典控制策略的主要原因。

　　實(shí)際上從20世紀(jì)80年代開始,國(guó)外更多的研究是關(guān)注如何將作物模型和溫室環(huán)境相結(jié)合進(jìn)行溫室環(huán)境的優(yōu)化調(diào)控,以實(shí)現(xiàn)溫室的高產(chǎn)高效。如Seginer等建立一系列函數(shù)之后,進(jìn)行數(shù)值尋優(yōu)得到不同溫光水平下最優(yōu)的生菜生產(chǎn)溫度的設(shè)定點(diǎn)。

　　Stanghellini等建立一個(gè)基于溫室作物蒸騰和溫室內(nèi)濕度環(huán)境的模擬模型,并將其運(yùn)用于溫室的氣候控制中進(jìn)行溫度和通風(fēng)控制目標(biāo)的設(shè)定。Fisher等開發(fā)的溫室管理系統(tǒng)CARE,利用決策支持系統(tǒng)為溫室的作物生長(zhǎng)提供推薦的白天和夜間的設(shè)定值,并能和環(huán)境控制系統(tǒng)相連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室溫度的控制。

　　近年內(nèi),國(guó)內(nèi)也開展了關(guān)于控制模型的研究,如李志偉等根據(jù)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(gè)階段以實(shí)現(xiàn)溫室綜合環(huán)境的動(dòng)態(tài)優(yōu)化平衡調(diào)控。伍德林等將溫室作物整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)分為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段和生殖生長(zhǎng)階段。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段,以溫度優(yōu)先為控制策略,在生殖生長(zhǎng)階段,綜合控制成本模型、溫室環(huán)境的預(yù)測(cè)調(diào)控模型和作物生長(zhǎng)模型,以溫室產(chǎn)出與投入比最大為溫室環(huán)境控制目標(biāo)進(jìn)行決策,為溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)提供經(jīng)濟(jì)適宜的環(huán)境參數(shù)和生長(zhǎng)條件。戴劍鋒等以溫室作物生長(zhǎng)模擬模型和溫室加溫能耗預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ),建立基于模型的溫室加溫控制目標(biāo)計(jì)算機(jī)優(yōu)化系統(tǒng),系統(tǒng)的輸入主要為溫室類型、溫室結(jié)構(gòu)、覆蓋材料、作物信息以及室外氣象資料,系統(tǒng)輸出主要為作物干物質(zhì)生產(chǎn)量、溫室加溫能耗量以及干物質(zhì)生產(chǎn)能耗量,以確定溫室白天和夜間的加溫控制目標(biāo)。鄧璐娟等采用多級(jí)控制策略,優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)值來(lái)解決溫室環(huán)境系統(tǒng)中多個(gè)時(shí)間響應(yīng)常數(shù)相差過大的問題,設(shè)定系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)值時(shí),白天使植物獲得最大的光合速率,夜間在滿足植物生長(zhǎng)和積溫要求的前提下使溫室在能耗最小的狀態(tài)下運(yùn)行。這些研究都將作物的生長(zhǎng)需求、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和環(huán)境控制目標(biāo)相結(jié)合,為進(jìn)一步研究基于作物生長(zhǎng)的環(huán)境控制目標(biāo)提供了積極的借鑒。

　　2 溫室環(huán)境模擬建立

　　溫室環(huán)境模擬模型的最大優(yōu)點(diǎn)是可通過模型的輸入輸出,全面認(rèn)識(shí)與了解溫室的結(jié)構(gòu)特征、外界的氣象條件以及作物生長(zhǎng)等參數(shù)對(duì)溫室內(nèi)部小氣候環(huán)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(fā)現(xiàn)新的知識(shí)和規(guī)律,所以環(huán)境模擬模型不僅是溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境預(yù)測(cè)的強(qiáng)有力工具,其輸出的參數(shù)也是作物生長(zhǎng)模型的必要數(shù)據(jù)。

　　國(guó)外對(duì)溫室小氣候數(shù)值模型的研究始于20世紀(jì)60年代。Walker在1965年就對(duì)通風(fēng)溫室內(nèi)的溫度建立了預(yù)測(cè)模型,當(dāng)時(shí)的模型比較簡(jiǎn)單,模擬參數(shù)也較為單一。后來(lái)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(jì)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(zhǎng)模型的溫室環(huán)境優(yōu)化控制模型KASPRO。

　　KASPRO可以根據(jù)室外氣象條件、溫室結(jié)構(gòu)、番茄的播種日期和溫室環(huán)境控制目標(biāo)預(yù)測(cè)模擬溫室環(huán)境的控制結(jié)果(溫室內(nèi)溫度、濕度、作物蒸騰速率和能耗等)。

　　近年來(lái),隨著溫室研究的不斷深入,我國(guó)也進(jìn)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(tài)環(huán)境變化機(jī)理的基礎(chǔ)上,利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論,建立了以溫度為主參量的日光溫室綜合環(huán)境調(diào)控模式。陳教料等應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)玻璃溫室進(jìn)行夜間熱風(fēng)加熱條件下的熱環(huán)境數(shù)值模擬,趙云等研究了夏季溫室內(nèi)蒸騰速率與濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工作狀況之間相互關(guān)系的數(shù)值計(jì)算和測(cè)量。汪小應(yīng)用溫室的傳熱傳質(zhì)機(jī)理,詳細(xì)分析溫室的覆蓋層、室內(nèi)空氣層、作物層以及地表層的熱量平衡,分析作物與室內(nèi)空氣、室內(nèi)空氣與室外大氣間的質(zhì)量平衡,建立了適合我國(guó)南方氣候條件的現(xiàn)代化溫室模擬模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了溫室能耗的預(yù)測(cè)。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(duì)微氣候理論模型進(jìn)行了描述和分析,該模型為溫室供熱設(shè)計(jì)及溫室微氣候的研究提供了有價(jià)值的參考。沈明衛(wèi)等對(duì)華東地區(qū)三連棟塑料溫室在配置內(nèi)遮陽(yáng)網(wǎng)后室內(nèi)自然通風(fēng)氣流場(chǎng)進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬;借助熱輻射理論,在分析太陽(yáng)輻射在溫室內(nèi)傳播過程的基礎(chǔ)上,分別建立了連棟塑料溫室在無(wú)遮陽(yáng)、內(nèi)遮陽(yáng)和外遮陽(yáng)情況下的光環(huán)境模型,結(jié)合實(shí)際情況分析討論了邊緣效應(yīng)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響;同時(shí)研究了連棟溫室遮陽(yáng)網(wǎng)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(shù)學(xué)模型,對(duì)互插式連棟溫室的風(fēng)壓分布進(jìn)行模擬分析;在此基礎(chǔ)上,利用ANSYS軟件模擬了單棟溫室內(nèi)風(fēng)速為3 m/s時(shí)的速度場(chǎng),并比較了側(cè)窗通風(fēng)、側(cè)窗加天窗組合通風(fēng)等幾種不同通風(fēng)方式下溫室內(nèi)部流場(chǎng)的變化。這些研究都對(duì)進(jìn)一步分析溫室內(nèi)各參數(shù)的關(guān)系提供了非常有用的理論支持。

　　3 討論及展望

　　根據(jù)近年國(guó)內(nèi)外溫室環(huán)境模擬和控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀可知,目前溫室環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展主要趨向于控制系統(tǒng)的智能化和信號(hào)傳輸?shù)臒o(wú)線化。另外,在溫室管理方面則更多的強(qiáng)調(diào)將作物的生長(zhǎng)模型、經(jīng)濟(jì)模型以及控制模型進(jìn)行有機(jī)集成。

　　隨著傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也由簡(jiǎn)單的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測(cè)為主,逐步向以知識(shí)處理和應(yīng)用為主的專家系統(tǒng)轉(zhuǎn)變,信號(hào)傳輸方式也逐步由有線方式向無(wú)線傳輸方式轉(zhuǎn)變。

　　由于溫室作物生長(zhǎng)需求的特殊性,使得溫室中一天的不同時(shí)刻和作物的不同生長(zhǎng)期對(duì)溫室環(huán)境的要求都不一樣,因此,溫室的專家系統(tǒng)需要綜合研究不同的作物生長(zhǎng)規(guī)律和溫室小氣候環(huán)境的相互作用,這方面的研究不僅需要工程技術(shù)專家和栽培專家進(jìn)行通力協(xié)作,而且需要長(zhǎng)期的試驗(yàn)積累。同時(shí),溫室專家系統(tǒng)還需要考慮作物生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。尤其在能源價(jià)格和農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格不斷變動(dòng)的今天,經(jīng)濟(jì)性才是溫室發(fā)展首要考慮的問題。

　　在溫室的環(huán)境控制方面,由于溫室環(huán)境參數(shù)是溫度、光照和濕度等多因子環(huán)境參數(shù)綜合作用的結(jié)果,對(duì)于后級(jí)控制而言,應(yīng)從整體上動(dòng)態(tài)地研究環(huán)境參數(shù)的相互耦合問題,避免將一個(gè)參數(shù)調(diào)整到合理水平后,另一個(gè)參數(shù)又變化到不合理水平。另一方面,鑒于溫室環(huán)境參數(shù)的空間不一致性,過分強(qiáng)調(diào)后級(jí)控制的精度,易造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作,增加控制成本,而對(duì)促進(jìn)作物的生長(zhǎng)不一定具有較大的意義。

　　因此,應(yīng)充分加強(qiáng)控制理論與溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的緊密結(jié)合,在引入智能化方法和技術(shù)以外,還應(yīng)該考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特殊性和復(fù)雜性,設(shè)計(jì)出綜合考慮作物生長(zhǎng)、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性在內(nèi)的智能決策支持及控制系統(tǒng),這是溫室控制系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢(shì)。

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