智能温室气动开窗温度调控系统研究

论文题目: 智能温室气动开窗温度调控系统研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 农业生物环境与能源工程

作者: 刘淑珍

导师: 苗香雯,崔绍荣

关键词: 温室,气动天窗机构,自然通风,动力学分析,运动学分析,预测模型

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 自然通风运行费用低,一次性投资少,但对运行管理的要求比较高。对于能源相对昂贵的中国农业生产来说,深入研究自然通风设备、通风模型和开窗位置控制系统具有一定的实际意义。自然通风降温设备包括天窗和侧窗启闭系统。使用中应因地制宜,根据温室结构类型和形式、当地气候特点、栽培作物的特点来合理选择开窗系统。目前,温室中几乎都采用的电动开窗机构,对气动开窗系统研究尚处于初步研究中。国内外专家对自然通风已经做了非常深入的研究,但还没有将自然通风模型应用到温室自动控制系统中。因此,建立自然通风温度预测模型,应用数值积分和逐步逼近的方法,根据室内外环境条件和温室作物生长需要,确定通风窗开启高度,以及应用基于高速开关阀脉宽调制技术和模糊+PI控制算法,开发气动天窗位置控制系统尚属首创。为克服传统齿轮齿条天窗机构存在的诸如响应慢、容易生锈、使用寿命短等弊端,提高温室环境控制精度,本文设计了连栋塑料温室气动四连杆天窗机构和连栋玻璃温室轨道式气动天窗机构;建立了装有防虫网温室自然通风温度预测分析模型,在此基础上,应用脉宽调制方式和模糊+PI控制算法,对气动开窗位置控制系统进行了仿真研究和控制系统开发研究。具体研究内容如下: (1) 在连栋塑料温室气动四杆天窗机构的静力学分析基础上,首次考虑强度条件、安装裕量、边界约束等条件,以气缸输出推力最小为目标构建模型进行优化设计,根据得到的优化结果选配气缸,并对机构进行稳定性校核。分析表明,机构满足稳定性要求;通过改变载荷参数和结构参数,优化模型可用于其它塑料温室的气动四连杆天窗机构的设计。对选配的气动天窗系统,就设备成本、综合电耗和运行效果,与原有的齿轮齿条天窗机构进行对比分析,结果表明:从设备成本看,齿轮齿条机构的费用稍高于气动开窗机构;从运行费用看,由于齿轮齿条开窗机构是多级传动,机械效率低,开启相同角度时,其运行费用高于气动开窗机构;从运行效果看,与原由齿轮齿条开窗机构比较,设计的气动天窗机构使得开度增加了20°,开到最大角度的时间减小至9.3到11.7秒。 (2) 创造性地应用机构运动学和联立约束法动力学仿真的方法,对连栋玻璃温室轨道式气动天窗机构进行设计选配。首先应用美国温室设计标准,对天窗荷载进行计算;然后通过机构运动学和联立约束法动力学仿真,分析了大窗开度、气缸负载以及推杆受力等与气缸活塞位移变化之间的关系,从而确定气缸行程和活塞直径。分析表明,在运动学和动力学分析过程中,玻璃温室轨道式气动天窗机构可以近似为曲柄滑块机构;对于结构一定的连栋玻璃温室,轨道式气动天窗机构存在最大开启角度;开启天窗所需气缸输出推力主要受连杆对横向推杆水平方向分力的影响,而摩擦力的影响很小;这种通过运动学动力学分析确定气缸行程和活塞直径的方法,可以防止气缸选型中的盲目性,为处理气缸选型等设计问题提出了可供参考的意见。选配气缸运行效果仿真和气动天窗系统经济性评价表明,与传统齿轮齿条机构相比,气动天窗机构安装方便、响应速度快、有利于提高天窗开度,同时降低了机构成本和运行费用,提高了经济效益。 (3) 首次结合通风率模型和热力学第一定律,建立了装有防虫网连栋塑料温室自然通风温

论文目录:

致谢

中文摘要

Abstract

第一章绪论

1．1 温室开窗机构研究现状

1．1．1 卷膜开窗机构

1．1．2 钢丝绳连杆式

1．1．3 齿轮齿条式

1．1．3．1 排齿式

1．1．3．2 推杆式

1．1．3．3 双齿轮齿条式

1．1．3．4 小结

1．1．4 曲柄摇杆开窗机构

1．1．5 推拉窗

1．1．6 保利充气窗

1．1．7 气动开窗机构

1．2 温室开窗方式与开窗机构的选择

1．2．1 温室开窗方式

1．2．2 开窗机构的选择

1．3 温室自然通风研究

1．3．1 自然通风在温室生产中的重要性

1．3．2 自然通风原理

1．3．3 自然通风研究方法

1．3．3．1 示踪气体测量技术

1．3．3．2 数理模型计算通风率

1．3．3．3 基于能量守恒的预测模型

1．3．4 小结

1．4 气动自动化控制技术的应用

1．4．1 气动自动化系统的发展趋势

1．5 气动位置控制系统及阀的应用形式

1．5．1 步进电机式

1．5．2 比例阀或伺服阀

1．5．3 开关阀

1．5．3．1 高速开关阀的特点

1．5．3．2 高速电磁开关阀的研究

1．5．3．3 高速电磁开关阀脉冲调制形式

1．6 课题来源

1．7 研究内容、研究意义及预期结果

1．7．1 研究目的意义

1．7．2 研究内容

1．7．3 预期结果

第二章连栋塑料温室气动天窗系统设计及经济性评价

2．1 气动四杆天窗机构优化设计与选配

2．1．1 天窗机构静力学模型

2．1．1．1 风载荷计算

2．1．1．2 天窗结构质量荷载

2．1．1．3 力学模型

2．1．2 设计变量和目标函数

2．1．2．1 目标函数

2．1．2．2 设计变量

2．1．3 约束条件

2．1．3．1 伸缩气缸极限长度约束

2．1．3．2 边界约束

2．1．3．3 窗杆强度约束

2．1．4 优化结果

2．1．5 气缸选型

2．1．6 结构稳定性校核

2．2 气动天窗系统选配

2．2．1 气缸及其连接件

2．2．2 空气压缩机

2．2．3 气源处理三联件

2．2．4 电磁换向阀

2．2．5 节流阀

2．3 经济性评价

2．3．1 设备初投资

2．3．2 综合电耗和运行效果

2．3．2．1 电耗理论估计

2．3．2．2 运行效果

2．4 结论

第三章连栋玻璃温室轨道式气动天窗机构设计与运动分析

3．1 轨道式气动天窗机构工作原理

3．2 机构运动分析

3．3 机构动力学分析

3．3．1 阻力矩计算

3．3．1．1 质量载荷阻力矩

3．3．1．2 风载荷阻力矩

3．3．2 机构动力学分析

3．3．2．1 力方程

3．3．2．3 质心加速度方程

3．3．3 仿真结果

3．4 气缸选型

3．5 运行效果仿真分析

3．6 经济性评价

3．6．1 设备成本

3．6．2 电能消耗理论估计

3．7 结论

第四章连栋塑料温室自然通风温度预测分析模型及试验研究

4．1 自然通风温度预测模型

4．1．1 温度模型

4．1．2 通风率计算

4．1．2．1 天窗通风

4．1．2．2 天窗和侧窗通风

4．1．3 装有防虫网温室的通风率

4．2 试验温室与测量

4．2．1 试验温室

4．2．2 试验仪器与测量方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 确定模型参数

4．3．2 模型的检验

4．4 对比分析

4．4．1 风速的影响

4．4．2 开窗高度的影响

4．4．3 稳定状态时室内外温差

4．5 结论

第五章基于 PWM高速开关阀的温室气动开窗系统模糊控制研究

5．1 系统组成及控制原理

5．1．1 天窗机构的运动分析

5．2 开关阀控缸数学模型

5．2．1 高速开关阀流量特性

5．2．2 阀控缸数学模型

5．3 PWM调制的实现与模糊控制

5．3．1 PWM调制的实现

5．3．2 模糊控制器的设计

5．3．2．1 控制器结构

5．3．2．2 变量子集及隶属函数

5．3．2．3 控制规则

5．4 仿真研究

5．5 结论

第六章基于高速开关阀脉宽调制气动开窗温度调控系统设计与实施

6．1 温室温度控制系统总体设计

6．1．1 控制系统工作原理

6．1．2 设计要求

6．1．3 控制系统精度要求

6．2 上位机工作原理及软件设计

6．2．1 工作原理

6．2．2 软件设计

6．2．3 上下位机通讯软件设计

6．3 下位机

6．3．1 工作原理

6．3．2 硬件组成及电路设计

6．3．2．1 单片机

6．3．2．2 电源

6．3．2．2 温度传感器

6．3．2．3 位移传感器及其检测电路

6．3．2．4 高速开关阀

6．3．2．5 PWM驱动电路设计

6．3．2．6 PWM控制器输出信号设计

6．3．2．7 485通讯

6．4 下位机软件设计

6．4．1 采样中断程序

6．4．2 显示与按键

6．4．3 控制模块

6．4．3．1 模糊控制器设计

6．4．3．2 PI控制算法

6．4．3．3 总体控制流程

6．4．4 通讯模块

6．4．4．1 字节格式

6．4．4．2 帧格式

6．5 气动开窗系统安装运行调试

6．5．1 系统安装

6．5．2 系统上电测试

6．5．3 执行机构调试

6．5．3．1 气缸运行控制

6．6 结论

第七章结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

7．3 本文主要创新点

参考文献

附录一:气动开窗系统实验照片

附录二:博士学习阶段发表论文(第一作者)

发布时间: 2005-07-15

参考文献

[1].自然通风动态温度调控的智能气动开窗系统[D]. 司慧萍.浙江大学2003

智能温室气动开窗温度调控系统研究

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