深液流栽培试验温室温度系统的建模与控制

论文摘要

温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上,通过改变温室内部的温度、湿度、光照强度、CO2浓度和作物根际的水分、营养组分等环境因子来获得作物生长的最佳条件,从而达到增加作物产量、改善品质、调节生产周期、提高经济效益的目的。温室小气候环境具有强非线性、大时滞、强耦合、强干扰、时变等特点,是一个非常复杂的动力学系统,而温室控制涉及多个学科的知识,包括作物生态生理学、园艺学、温室物理学、控制工程、仪器仪表和计算机科学。温室小气候建模为温室控制提供了理论依据和决策支持。机理建模可以预测温室内环境,但是测量参数多、成本昂贵。基于输入输出数据的非线性模型系统辨识建模精度高,但是计算复杂,难以实时应用。基于输入输出数据的线性模型系统辨识大都没有结合机理模型考虑模型结构的合理性,以及栽培方式、气候特征、外部扰动对于模型的影响,建模精度不高。因此,研究综合考虑以上因素的温室小气候建模具有重要的理论及应用价值。国内温室环境控制设备大多数为开关控制设备,控制设备没有位置反馈,无法使用国外的基于连续控制装备的温室建模和控制理论;采用常规的开关控制会导致设备的频繁开关,造成设备损耗和能源浪费。为了解决上述问题,本文将混杂系统建模与控制理论应用到温室环境的设备控制中。本文的主要工作成果如下:（1）将温室能量平衡方程与作物的蒸腾作用等生理学原理相结合,建立了深液流栽培条件下的试验温室温度系统的机理模型。仿真结果验证了机理模型的有效性。在此基础上对机理模型进行深入分析,获取试验建模的先验知识。（2）研究了有智能监督级的试验温室温度系统的在线建模方法。针对我国气候环境、温室控制装备的特点,选用有外源输入的线性自回归滑动平均模型,根据机理建模所获得的先验知识,提出用统计假设检验法和拟合度分析相结合的方法确定模型结构,采用智能监督级保障辨识正常进行,并对残差进行白性检验。不同季节实测数据的仿真与预测表明:建模精度较高、计算速度快、抗干扰能力强,适合用于实时控制。（3）研究了深液流栽培条件下网纹甜瓜和番茄的环境建模、管理与控制。给出了作物生长的温室小气候环境（温度、湿度、光照强度）和作物的根际环境（营养液的温度、EC值、pH值及主要离子浓度）的调控方法和实际的效果。证明了自主开发的基于CAN总线的温室环境与营养液测控系统的可靠性。（4）研究了基于混合逻辑动态建模的温室温度系统的预测控制。引入辅助变量,将温室天窗开关动作、温度控制的约束条件以混合整数线性不等式表示,与温度系统的离散状态空间模型统一起来,分别建立了基于机理的混合逻辑动态模型和基于辨识的混合动态逻辑模型。在此基础上,研究了温室天窗温度系统混合动态逻辑模型的预测控制算法。结合温室实际管理经验,提出了天窗温度系统的性能指标。给出实验证明了模型的适用性与控制方法的合理性。总结全文,提出温室小气候建模与控制领域需要进一步深入研究的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 现代温室发展现状
• 1.2.1 温室的起源与现代温室的发展
• 1.2.2 温室的主要栽培方式
• 1.2.3 温室小气候建模研究的发展与现状
• 1.2.4 温室小气候控制研究的发展与现状
• 1.3 混杂系统研究的发展现状
• 1.3.1 混杂系统研究的起源与发展
• 1.3.2 混杂系统的模型描述方法
• 1.3.3 混杂系统的应用
• 1.4 本文的内容安排
• 第2章 试验温室温度系统的机理建模与分析
• 2.1 引言
• 2.2 试验环境介绍
• 2.2.1 基于CAN现场总线的温室测控系统
• 2.2.2 营养液自动检测与循环系统
• 2.3 温室小气候机理建模
• 2.3.1 入射太阳辐射能
• 2.3.2 农用补光钠灯辐射
• 2.3.3 温室自然通风
• 2.3.4 温室内外空气热传导
• 2.3.5 蒸发作用
• 2.3.6 热风炉
• 2.3.7 温室温度系统能量平衡方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于ARMAX模型的试验温室温度系统建模
• 3.1 引言
• 3.2 模型描述
• 3.3 模型结构的确定
• 3.4 智能监督级
• 3.5 模型有效性的验证
• 3.6 试验结果
• 3.6.1 温度系统机理建模数据预处理
• 3.6.2 自然通风温度系统输入输出数据相关性分析
• 3.6.3 模型结构的确定
• 3.6.4 模型参数的在线辨识
• 3.6.5 模型预测及有效性检验
• 3.6.6 与加权最小二乘支持向量机回归建模方法的比较
• 3.7 本章小结
• 第4章 深液流作物栽培与环境调控
• 4.1 引言
• 4.2 网纹甜瓜深液流栽培管理与环境调控
• 4.2.1 作物
• 4.2.2 作物生长温室小气候的管理
• 4.2.3 作物根际环境的管理与控制
• 4.2.4 试验结果
• 4.3 无限生长型番茄的深液流栽培管理与环境调控
• 4.3.1 作物
• 4.3.2 作物生长温室小气候的管理
• 4.3.3 作物生长根际环境的管理与控制
• 4.3.4 营养液模型
• 4.4 作物的生长状况和试验结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于混杂系统的温室温度系统建模
• 5.1 引言
• 5.2 混合逻辑动态建模的理论基础
• 5.2.1 混合逻辑动态系统的模型
• 5.2.2 命题逻辑转化为整数线性不等式的方法
• 5.2.3 混合逻辑动态系统的性能分析
• 5.3 温室温度系统的混合逻辑动态建模
• 5.3.1 温室温度系统的模型描述
• 5.3.2 模型的仿真研究
• 5.4 本章小结
• 第6章 基于混合逻辑动态模型的温度预测控制
• 6.1 引言
• 6.2 预测模型
• 6.3 优化指标
• 6.4 预测控制器的稳定性分析
• 6.5 试验研究
• 6.5.1 混合逻辑动态模型预测控制器设计
• 6.5.2 仿真与试验研究
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 主要工作与创新点
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果