【摘要】：溫室生產(chǎn)自動(dòng)化是現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向,系統(tǒng)的建模與控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)。本文主要針對溫室生產(chǎn)過程中的雙時(shí)間尺度特性,同時(shí)考慮系統(tǒng)的不確定、時(shí)變、非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn),開展了溫室生產(chǎn)自適應(yīng)模型構(gòu)建與分層遞階控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究,為提高溫室自動(dòng)化生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。本文重點(diǎn)開展了以下五方面的研究工作:[1]開展了溫室作物-環(huán)境自適應(yīng)機(jī)理模型的研究。針對溫室系統(tǒng)模型參數(shù)的時(shí)變和不確定特性,使用無損卡爾曼濾波器原理構(gòu)建了系統(tǒng)的自適應(yīng)模型,該方法可對模型的參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行在線聯(lián)合預(yù)估。仿真結(jié)果表明該自適應(yīng)模型可有效預(yù)測具有時(shí)變參數(shù)的溫室系統(tǒng)狀態(tài)。[2]研究了溫室生產(chǎn)分層遞階控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。針對溫室生產(chǎn)過程的雙時(shí)間尺度特性,利用奇異攝動(dòng)理論將系統(tǒng)模型進(jìn)行降階分解,將相互耦合的作物和環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行解耦,獲得時(shí)間尺度較大的作物層子模型和時(shí)間尺度較小的環(huán)境層子模型;基于降階解耦的子模型,提出了分層遞階控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),包括上層作物層控制器和下層環(huán)境層控制器,該結(jié)構(gòu)可將環(huán)境設(shè)定值的獲取和跟蹤任務(wù)分配給不同的子控制器。[3]提出了作物層閉環(huán)優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)方法。利用無損卡爾曼濾波器對作物狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估構(gòu)成反饋,在室內(nèi)環(huán)境和執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)的約束下,基于滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化原理設(shè)計(jì)了作物層閉環(huán)優(yōu)化控制器,使經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu);利用修正的共軛梯度法對形成的受約束優(yōu)化問題進(jìn)行求解,獲得優(yōu)化的環(huán)境設(shè)定值。仿真結(jié)果表明,該優(yōu)化控制器可在滿足約束范圍的條件下,獲取有效的環(huán)境設(shè)定值。[4]提出了基于精確反饋線性化的環(huán)境層魯棒預(yù)測控制器設(shè)計(jì)方法。利用非線性狀態(tài)反饋原理對系統(tǒng)模型進(jìn)行精確線性化,解除環(huán)境狀態(tài)之間的耦合關(guān)系;基于線性化解耦模型,設(shè)計(jì)了最小-最大化魯棒預(yù)測控制器,以最優(yōu)化最大干擾情形下的控制性能;利用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對形成的帶約束非線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解,獲得控制輸入值。仿真結(jié)果表明,在未知干擾存在的情形下,相比常規(guī)的反饋線性化預(yù)測控制器,該控制器能夠獲得更合理的控制輸入和更理想的設(shè)定值跟蹤效果。[5]研發(fā)了溫室環(huán)境遠(yuǎn)程測控系統(tǒng),為控制算法的驗(yàn)證和實(shí)施提供測試平臺(tái)。該系統(tǒng)包括VB用戶應(yīng)用層、Web服務(wù)器層和底層傳感器和輸入輸出控制電路板。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測和控制功能,且運(yùn)行具有一定的穩(wěn)定性。
【圖文】：

透光率高、大跨度、多雨槽等特點(diǎn)。由于采用了小屋面結(jié)構(gòu)，Ｖｅｎｌｏ型溫室可以在保持檐高的基逡逑礎(chǔ)上，降低溫室屋架高度，從而具有較好的抗風(fēng)性能和較強(qiáng)的承受雪雨荷載的性能。Ｖｅｎｌｏ型結(jié)逡逑構(gòu)溫室如圖２－１所示。逡逑ｉＳＳ逡逑圖；Ｍ邋Ｖｅｎｌｏ型結(jié)構(gòu)溫室逡逑Ｖｅｎｌｏ型溫室除了在結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)勢外，在溫室環(huán)境調(diào)控措施方面，也具有一定的先進(jìn)性。逡逑通常在Ｖｅｎｌｏ型溫室中，配備有加熱系統(tǒng)、自然通風(fēng)系統(tǒng)、保溫幕以及Ｃ０２補(bǔ)充器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。逡逑溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)涉及多種參數(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)。溫室環(huán)境中涉及的主要環(huán)境參數(shù)有：（１）室逡逑內(nèi)：溫度、土壤溫度、太陽輻射、相對濕度、Ｃ０２濃度；（２）室外：溫度，相對濕度、太陽輻射、逡逑風(fēng)速等。室外環(huán)境因子和室內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作影響室內(nèi)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，室內(nèi)環(huán)境因子決定作物逡逑的動(dòng)態(tài)生長狀態(tài)。從另一角度而言，作物生長發(fā)育中的光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等一系列逡逑復(fù)雜的生理活動(dòng)又對溫室環(huán)境產(chǎn)生反饋?zhàn)饔�。逡逑溫室�?nèi)環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)變化可以根據(jù)能量及物質(zhì)的交換和平衡理論進(jìn)行描述，能量和物質(zhì)交逡逑換的主體包括三大部分，即溫室內(nèi)部系統(tǒng)組件、溫室外部系統(tǒng)和溫室生產(chǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)［１｜７】，具體如圖逡逑２－２。溫室內(nèi)部系統(tǒng)主要由溫室小氣候環(huán)境和栽培作物兩部分組成

？邋？邋￥邋１＝邋６邋＾邋＾邋＾邋４邋■逡逑圖２－２溫室系統(tǒng)能量和物質(zhì)交換示意圖逡逑本文研究溫室溫度、濕度、＜：０２濃度的動(dòng)態(tài)模型，，這三個(gè)模型均可以用一階微分方程來描述，逡逑建立的模型基于如下假設(shè)。逡逑１）
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S625;TP273

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本文編號(hào)：2649833