【摘要】：溫室小氣候建模與控制涉及多個室內(nèi)環(huán)境因子、多種調(diào)控設(shè)備、室內(nèi)作物生長狀態(tài)以及室外天氣狀況等許多因素,因此是一項復(fù)雜任務(wù)。本文以我國南方Venlo型玻璃溫室為例,考慮室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、運行能耗和多種開關(guān)控制設(shè)備等因素,研究了溫室小氣候環(huán)境建模與自動控制問題。主要研究內(nèi)容如下:(1)建立了面向氣候控制的溫室空氣溫濕度動態(tài)偽機理模型。溫室小氣候機理模型由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜和很少考慮控制設(shè)備對室內(nèi)小氣候的影響,因此不適用于控制方法的仿真研究。為此,建立了面向氣候控制的溫室溫濕度動態(tài)偽機理模型。與機理模型相比,許多因素在該模型中被看作邊界條件,例如覆蓋層表面溫度、土壤表面溫度等,而不再建立其動態(tài)模型,因此模型得到大幅簡化。同時,根據(jù)溫室中常見控制設(shè)備的開關(guān)特性,劃分了溫室系統(tǒng)的運行模式,因此在模型中充分考慮了控制設(shè)備對溫室小氣候的影響。結(jié)果表明,溫度模擬的最大誤差為2.7°C,均方根誤差為1.0°C。相對濕度模擬的最大誤差為13.1%,均方根誤差為5.2%。可見,該模型能夠準確地模擬室內(nèi)空氣溫濕度的動態(tài)變化,為研究溫室小氣候各種自動控制方法提供了理論支撐。(2)建立了溫室空氣溫濕度IARX在線預(yù)測模型。溫室環(huán)境因子在線預(yù)測模型是研究各種預(yù)測控制方法的基礎(chǔ)。ARX預(yù)測模型具有結(jié)構(gòu)簡單、計算量小等特點,方便在線辨識。但是,現(xiàn)有溫濕度ARX模型的外源輸入變量差異很大。為了準確地選取主要外源輸入變量,通過對上述溫室溫濕度動態(tài)偽機理模型進行分析,推導(dǎo)出了自然通風、機械通風和濕簾-風扇降溫這三種降溫模式下室內(nèi)溫濕度的增量式自回歸(IARX)模型。與典型ARX模型相比,該IARX系列模型擁有更少的系數(shù)。當辨識數(shù)據(jù)達到10組以上時,IARX模型的最大溫度預(yù)測誤差和濕度預(yù)測誤差分別為1.3°C和8.9%,明顯小于典型ARX模型相應(yīng)的溫濕度預(yù)測誤差(2.8°C和15.2%)。(3)提出了基于溫濕度IARX預(yù)測模型的溫室多目標相容切換控制方法。對于實際溫室控制系統(tǒng)來說,室內(nèi)溫度、相對濕度和運行能耗都是需要重點考慮的因素,但是它們之間的控制存在一定的沖突性。為此,融合模型預(yù)測控制、切換控制和沖突多目標相容控制的思想,提出了基于溫濕度IARX預(yù)測模型的溫室多目標相容切換控制方法。該方法包括模型預(yù)測、切換優(yōu)化和反饋校正三部分。在模型預(yù)測部分,采用室內(nèi)溫濕度IARX模型以預(yù)測未來有限時域內(nèi)的室內(nèi)溫濕度;在切換優(yōu)化部分,在溫濕度的預(yù)測值滿足設(shè)定要求的前提下,以溫室運行能耗為優(yōu)化指標,設(shè)計了運行模式的切換規(guī)則;在反饋校正部分,通過預(yù)測誤差反饋和模型在線辨識對模型預(yù)測性能及其系數(shù)進行實時校正。首先,考慮室內(nèi)溫度和能耗兩個因素,研究了溫室降溫節(jié)能相容切換控制方法。仿真結(jié)果表明,該相容切換控制方法下的溫度最大偏差和均方誤差分別為0.7°C和0.4°C,均小于采用參考切換控制方法時所產(chǎn)生的相應(yīng)誤差(2.0°C和0.8°C);當多種降溫模式相互切換時,與參考切換控制方法相比,相容切換控制方法可以減少13%以上的運行能耗。然后,考慮室內(nèi)溫度、相對濕度和能耗三個因素,研究了溫室多目標相容切換控制方法。仿真結(jié)果表明,室內(nèi)溫度超過設(shè)定范圍的最大偏差和均方誤差分別為1.0°C和0.5°C,室內(nèi)相對濕度超出設(shè)定范圍的最大偏差和均方誤差分別為3.8%和2.2%。當不同運行模式頻繁切換時,適當調(diào)整室內(nèi)溫度或相對濕度的設(shè)定范圍均可以有效解決該問題。(4)考慮室內(nèi)溫度和運行能耗兩個因素,在一座玻璃溫室中實現(xiàn)了對上述控制方法的系統(tǒng)驗證。結(jié)果表明該相容切換控制方法是切實可行的。室內(nèi)溫度超出上限設(shè)定值的最大偏差和均方誤差分別為0.7°C和0.2°C,均明顯小于參考切換控制方法所產(chǎn)生的溫度最大偏差(1.7°C)和均方誤差(0.7°C)。除此之外,該相容控制方法還表現(xiàn)出一定的節(jié)能效果。
【圖文】：

設(shè)計了一套溫室物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖6.1 所示。該系統(tǒng)以無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN: wireless sensor networks）為核心。在該系統(tǒng)中，WSN 傳感節(jié)點實時采集溫室內(nèi)外的環(huán)境因子數(shù)據(jù)。經(jīng)過 WSN 中繼節(jié)點，相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)匯聚到智能基站終端一體機。智能基站終端一體機根據(jù)獲得的溫室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)和其控制算法，發(fā)出設(shè)備控制命令至溫室內(nèi)的 WSN 控制節(jié)點，并由控制節(jié)點實現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的開關(guān)控制。本地用戶可以通過本地終端查看溫室環(huán)境數(shù)據(jù)和控制相關(guān)設(shè)備。遠程監(jiān)控終端通過互聯(lián)網(wǎng)或移動運營商網(wǎng)絡(luò)連接智能基站終端一體機，以查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和對設(shè)備進行遠程控制。圖 6.1 溫室物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 6.1 The framework of IOTs monitoring system for greenhouse上述無線監(jiān)測與控制系統(tǒng)工作于 433MHz 頻段。該系統(tǒng)包括 WSN 傳感節(jié)點、WSN控制節(jié)點、WSN 中繼節(jié)點和 WSN 智能基站終端一體機。各部分的功能及特點描述如下：(1) 傳感節(jié)點：實時采集溫室空氣溫度、空氣濕度和照度等環(huán)境因子數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲、無線組網(wǎng)和傳輸?shù)裙δ�。在本系統(tǒng)中，，室內(nèi)傳感節(jié)點負責采集室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度和照度三個環(huán)境因子；室外傳感節(jié)點則采集室外空氣溫度、空氣濕度、照度和雨量(雨滴)四個環(huán)境因子。(2) 控制節(jié)點：接收來自智能基站終端一體機發(fā)送的設(shè)備控制命令，實現(xiàn)天窗、排

(4) 智能基站終端一體機：該終端一體機下行與監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的無線監(jiān)測與控制網(wǎng)絡(luò)進行通信，并實現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域各傳感節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)的存儲、識別與轉(zhuǎn)發(fā)等功能，能夠根據(jù)所接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)和控制設(shè)備的工作狀態(tài)，確定溫室所處的運行模式以及向控制節(jié)點發(fā)出設(shè)備控制命令。該終端一體機上行通過 RS232、RS485、USB 等標準接口，與本地監(jiān)控終端相連，以及通過 Internet、移動廣域通信網(wǎng)、WLAN 等通訊方式與遠程監(jiān)控終端相連，以實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測與設(shè)備的遠程控制。為了保證穩(wěn)定可靠的無線通信傳輸質(zhì)量，所有節(jié)點間的無線通信均采用了接收確認機制(ACK: acknowledgement)，以提高通信質(zhì)量。當傳感節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)和控制節(jié)點進行設(shè)備開關(guān)控制時，在其軟件程序中，采用了軟件看門狗以提高節(jié)點的抗干擾能力。為了方便說明控制方法的效果，在智能基站終端一體機中實現(xiàn)了第四章中所提出的降溫節(jié)能相容切換控制方法和其參考切換控制方法。第四章已經(jīng)給出了溫室不同運行模式之間相互切換的詳細流程，因此根據(jù)相關(guān)流程即可實現(xiàn)控制方法的軟件編程。這里不再進行詳述。系統(tǒng)測試過程中的部分測試結(jié)果如圖 6.2 和圖 6.3 所示。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S625;TP273

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 儲著東;秦琳琳;陸林箭;馬國旗;吳剛;;實驗溫室溫度系統(tǒng)混雜控制器設(shè)計與分析[J];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報;2015年04期

2 周偉;李永博;汪小e

本文編號：2592323