【摘要】：中國(guó)是世界第一果品生產(chǎn)大國(guó),果樹(shù)種植面積與產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一,但霜凍害已成為制約果品產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸之一。傳統(tǒng)果園防霜技術(shù)包括覆蓋、噴灌和煙熏等,雖然起到一定防霜效果,但人工成本較高,且污染環(huán)境;現(xiàn)有防霜設(shè)備存在可靠性差、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題導(dǎo)致推廣應(yīng)用緩慢。因此,開(kāi)展防霜機(jī)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化和智能控制策略研究對(duì)降低果園霜凍害和果品提質(zhì)增效具有重要的意義。本研究主要內(nèi)容如下:(1)以泰山早霞蘋(píng)果為研究對(duì)象,通過(guò)霜凍模擬實(shí)驗(yàn)分析其霜凍特性,確定了蘋(píng)果花苞期和盛花期的過(guò)冷卻點(diǎn)分別為-3.1°C和-2.9°C,結(jié)冰點(diǎn)分別為-2.4°C和-2.3°C;通過(guò)霜凍期果園溫度時(shí)空分布監(jiān)測(cè),離地面8~12 m的高度空間逆溫現(xiàn)象明顯,最大逆溫差為5.2°C,時(shí)間點(diǎn)為日出前06:00左右,離地面1~3.5 m的果樹(shù)冠層溫度受日間溫度、濕度和風(fēng)速等因素影響變化較快;通過(guò)果園環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),利用多元回歸方法建立了果樹(shù)冠層最低溫度觀測(cè)模型,為后續(xù)研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。(2)通過(guò)分析防霜過(guò)程中的熱量傳遞方式和溫度分布,根據(jù)能量守恒定律,將果園簡(jiǎn)化為控制箱體,建立了果園防霜機(jī)熱平衡模型,在此基礎(chǔ)上提出了一種CFD(Computational Fluid Dynamics,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))仿真和響應(yīng)面融合的防霜機(jī)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方法;通過(guò)分析防霜機(jī)關(guān)鍵參數(shù)(風(fēng)機(jī)安裝高度、風(fēng)機(jī)安裝俯角和送風(fēng)速度)對(duì)其性能的影響,初步確定了各參數(shù)取值范圍,利用CFD仿真得到果樹(shù)冠層溫度場(chǎng)分布,通過(guò)響應(yīng)面回歸方程擬合了果園冠層溫度增幅預(yù)測(cè)模型,以溫度增幅最大為優(yōu)化目標(biāo),得到各參數(shù)優(yōu)化值分別為俯角20°、風(fēng)速15 m/s、高度9.5 m;利用上述優(yōu)化參數(shù),再通過(guò)CFD仿真,得到最大溫度增幅為2.38°C,與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差僅為0.059%,表明該防霜機(jī)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方法可行。(3)基于防霜機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)組合,結(jié)合泰安地區(qū)果園霜凍期氣候變化,設(shè)計(jì)了一種塔式防霜機(jī)。根據(jù)優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù),通過(guò)計(jì)算確定了風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為4 kW,安裝高度為9.5 m,風(fēng)葉直徑為1 m,風(fēng)量為42 300 m~3/h;利用ANSYS軟件分析了送風(fēng)裝置和塔架的應(yīng)力、變形量與模態(tài),其最大應(yīng)力分別約為110 MPa和185 MPa,最大變形量分別為0.0043 m和0.0046 m,塔架6階固有頻率為38.681 Hz,表明防霜機(jī)能夠經(jīng)受暴風(fēng)侵襲,滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求;為增大防霜面積,采用360°回轉(zhuǎn)送風(fēng)系統(tǒng),利用樣點(diǎn)風(fēng)速測(cè)量值,通過(guò)三次樣條函數(shù),得到不同距離不同轉(zhuǎn)速下的果樹(shù)冠層任一點(diǎn)風(fēng)速分布特性。(4)為提高防霜機(jī)的自動(dòng)化程度,提出了一種模糊智能控制策略,設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)�；谇笆鼋⒌墓麡�(shù)冠層最低溫度觀測(cè)模型和m時(shí)刻冠層溫度計(jì)算模型,利用最小二乘支持向量機(jī)算法,構(gòu)建了果樹(shù)冠層在線溫度預(yù)測(cè)模型,以逆溫差和溫差變化率為輸入變量,通過(guò)模糊控制器實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境溫度下防霜機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)改變;根據(jù)該控制策略,設(shè)計(jì)了防霜機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng),以STM32單片機(jī)作為主控制器,利用傳感器采集果園環(huán)境信息,通過(guò)觸摸屏、手機(jī)APP和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)防霜機(jī)本地控制、防霜過(guò)程人機(jī)交互和遠(yuǎn)程監(jiān)控;在枝葉稀疏果園和枝葉繁茂果園內(nèi),進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸性能測(cè)試,結(jié)果表明,60 m處無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率分別為99.44%和99.16%,滿足試驗(yàn)果園50 m內(nèi)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸需求。(5)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)果園實(shí)驗(yàn)站,進(jìn)行了防霜機(jī)性能試驗(yàn)和不同控制模式下防霜效果測(cè)試。結(jié)果表明,以溫度0°C或增溫幅度1°C,風(fēng)速0.6 m/s為保護(hù)邊界條件,有效保護(hù)半徑為7~48 m,保護(hù)面積約7150 m~2;以傳統(tǒng)控制模式為對(duì)照組,設(shè)定臨界啟動(dòng)溫度為-0.5°C,在第一個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi),采用傳統(tǒng)控制模式平均增溫幅度為0.5°C,模糊控制模式平均增溫幅度為0.8°C,比前者提高60%;在保護(hù)的范圍內(nèi),采用傳統(tǒng)控制模式的蘋(píng)果花芽最大受凍率≤26%,模糊控制模式最大受凍率≤12%,相對(duì)降低53.8%,表明防霜效果較好,能夠滿足要求。
【圖文】：

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文經(jīng)過(guò)許多研究證實(shí)，降低水汽結(jié)冰溫度并阻止霜凍從植物表面滲透到植物細(xì)胞，可以更有效地保護(hù)植物免受霜凍損害（Ball et al.，2002；Wisniewski et al.，2003；Hacker al.，2007；Wisniewski et al.，，2008）。當(dāng)果樹(shù)表面的溫度下降到 0 °C 以下時(shí)，其體內(nèi)水分在短時(shí)間內(nèi)形成冰晶，造成作物低溫凍害（李建東等，2014）。果樹(shù)遭受霜凍的表現(xiàn)如圖 1-1 所示。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文發(fā)生逆轉(zhuǎn)，形成氣溫上高下低，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為逆溫。如果發(fā)生逆溫，則暖空氣位于地表冷空氣的上方，高度通常在地面 6 m 以上，暖空氣層的高度以及逆溫差在夜間會(huì)隨著環(huán)境而發(fā)生變化（Langvalla et al.，2002）。氣流擾動(dòng)法通過(guò)不同高度、不同溫度的空氣強(qiáng)制對(duì)流，打破逆溫層，使上下層空氣混合，從而增加作物冠層高度處的溫度，增溫有效性將與逆溫強(qiáng)度成正比，逆溫層中的空氣溫度對(duì)防霜機(jī)的運(yùn)行至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)外的大部分防霜機(jī)械都是利用逆溫原理進(jìn)行氣流擾動(dòng)，將逆溫層的暖氣流強(qiáng)制吹送到近地面，從而提高近地面的空氣溫度，降低低溫霜凍對(duì)果樹(shù)的影響（胡永光等，2007），如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：S425;S66;S49

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