大棚温室环境监测与控制系统的现状

　　1 温室环境的控制策略

　　各种作物均有其特定的适宜生长环境,而温室大棚监测控制系统就是为改善外界不利条件以达到增加农作物的产量、改善品质、延长供应期、提高效益的目的。

　　因此,整个温室的生产控制可以用一个三级模型来表示,即温室实时控制(第一级)、生长发育控制(第二级)和经济性预测控制(第三级)。其中最高级(第三级)为第二级提供控制设定点(set-point),第二级为第一级提供控制设定点,第一级通过温室的调节设备最终控制温室内的小气候环境。

　　由于作物生长发育模型的复杂性以及温室种植的多样性,使得基于生长模型的第二级很难为第一级提供用于实时控制的设定点,因此目前商业温室的主要控制方法主要采用分段式控制和人工设定相结合的方法。温度的分段式控制主要为五段或四段式变温控制,即设定一天当中5个(或4个)不同时段的温度设定值,然后由计算机通过一定的控制方法将温度控制在设定值上。后级的控制方法应用较多的仍然是经典控制方法(即比例控制、积分控制、微分控制或前馈控制等)。这种采用经典线性控制方法的主要优点是环境参数变化平缓,设备运转平稳,系统具有较强的鲁棒性。

　　国内对于温室后级控制的研究也比较多,例如模糊控制、神经网络控制、遗传算法等。实际上由于温室内部环境的空间复杂性,造成温室各点的环境参数都不一致。应用工业控制的方法,对后级控制过分强调高精度,实际应用中不仅完全没有必要,反而容易引起温室控制的不稳定。这也是目前商业温室仍然采用经典控制策略的主要原因。

　　实际上从20世纪80年代开始,国外更多的研究是关注如何将作物模型和温室环境相结合进行温室环境的优化调控,以实现温室的高产高效。如Seginer等建立一系列函数之后,进行数值寻优得到不同温光水平下最优的生菜生产温度的设定点。

　　Stanghellini等建立一个基于温室作物蒸腾和温室内湿度环境的模拟模型,并将其运用于温室的气候控制中进行温度和通风控制目标的设定。Fisher等开发的温室管理系统CARE,利用决策支持系统为温室的作物生长提供推荐的白天和夜间的设定值,并能和环境控制系统相连接,实现对温室温度的控制。

　　近年内,国内也开展了关于控制模型的研究,如李志伟等根据作物在1天中生育的不同适温水平,将所需要的温度变化划分为若干个阶段以实现温室综合环境的动态优化平衡调控。伍德林等将温室作物整个生长季节分为营养生长阶段和生殖生长阶段。在营养生长阶段,以温度优先为控制策略,在生殖生长阶段,综合控制成本模型、温室环境的预测调控模型和作物生长模型,以温室产出与投入比最大为温室环境控制目标进行决策,为温室内作物生长提供经济适宜的环境参数和生长条件。戴剑锋等以温室作物生长模拟模型和温室加温能耗预测模型为基础,建立基于模型的温室加温控制目标计算机优化系统,系统的输入主要为温室类型、温室结构、覆盖材料、作物信息以及室外气象资料,系统输出主要为作物干物质生产量、温室加温能耗量以及干物质生产能耗量,以确定温室白天和夜间的加温控制目标。邓璐娟等采用多级控制策略,优化设定系统目标值来解决温室环境系统中多个时间响应常数相差过大的问题,设定系统优化目标值时,白天使植物获得最大的光合速率,夜间在满足植物生长和积温要求的前提下使温室在能耗最小的状态下运行。这些研究都将作物的生长需求、经济目标和环境控制目标相结合,为进一步研究基于作物生长的环境控制目标提供了积极的借鉴。

　　2 温室环境模拟建立

　　温室环境模拟模型的最大优点是可通过模型的输入输出,全面认识与了解温室的结构特征、外界的气象条件以及作物生长等参数对温室内部小气候环境的影响,由于模拟模型可快速地改变和重组输入条件,有助于发现新的知识和规律,所以环境模拟模型不仅是温室结构设计和环境预测的强有力工具,其输出的参数也是作物生长模型的必要数据。

　　国外对温室小气候数值模型的研究始于20世纪60年代。Walker在1965年就对通风温室内的温度建立了预测模型,当时的模型比较简单,模拟参数也较为单一。后来Kindelan和Gal提出要提高模型精度需要把那些不受温室影响的边界条件作为模型的输入。到了20世纪80年代,荷兰研制出了基于温室小气候模拟模型和番茄作物生长模型的温室环境优化控制模型KASPRO。

　　KASPRO可以根据室外气象条件、温室结构、番茄的播种日期和温室环境控制目标预测模拟温室环境的控制结果(温室内温度、湿度、作物蒸腾速率和能耗等)。

　　近年来,随着温室研究的不断深入,我国也进行了温室小气候模型的探讨。如李元哲、陈青云、郦伟在研究日光温室微生态环境变化机理的基础上,利用动态规划理论,建立了以温度为主参量的日光温室综合环境调控模式。陈教料等应用CFD技术对玻璃温室进行夜间热风加热条件下的热环境数值模拟,赵云等研究了夏季温室内蒸腾速率与湿帘风机系统工作状况之间相互关系的数值计算和测量。汪小应用温室的传热传质机理,详细分析温室的覆盖层、室内空气层、作物层以及地表层的热量平衡,分析作物与室内空气、室内空气与室外大气间的质量平衡,建立了适合我国南方气候条件的现代化温室模拟模型,并在此基础上进行了温室能耗的预测。李惟毅等建立了供热温室通用模拟模型,并以全光温室为例通过各层能量微分方程对微气候理论模型进行了描述和分析,该模型为温室供热设计及温室微气候的研究提供了有价值的参考。沈明卫等对华东地区三连栋塑料温室在配置内遮阳网后室内自然通风气流场进行三维稳态模拟;借助热辐射理论,在分析太阳辐射在温室内传播过程的基础上,分别建立了连栋塑料温室在无遮阳、内遮阳和外遮阳情况下的光环境模型,结合实际情况分析讨论了边缘效应对室内光环境的影响;同时研究了连栋温室遮阳网上喷雾降温的性能。

　　王健等采用CFD理论,建立了互插式连栋温室周围空气绕流的数学模型,对互插式连栋温室的风压分布进行模拟分析;在此基础上,利用ANSYS软件模拟了单栋温室内风速为3 m/s时的速度场,并比较了侧窗通风、侧窗加天窗组合通风等几种不同通风方式下温室内部流场的变化。这些研究都对进一步分析温室内各参数的关系提供了非常有用的理论支持。

　　3 讨论及展望

　　根据近年国内外温室环境模拟和控制系统的研究现状可知,目前温室环境控制技术的发展主要趋向于控制系统的智能化和信号传输的无线化。另外,在温室管理方面则更多的强调将作物的生长模型、经济模型以及控制模型进行有机集成。

　　随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展,温室计算机控制系统也由简单的以数据采集处理和监测为主,逐步向以知识处理和应用为主的专家系统转变,信号传输方式也逐步由有线方式向无线传输方式转变。

　　由于温室作物生长需求的特殊性,使得温室中一天的不同时刻和作物的不同生长期对温室环境的要求都不一样,因此,温室的专家系统需要综合研究不同的作物生长规律和温室小气候环境的相互作用,这方面的研究不仅需要工程技术专家和栽培专家进行通力协作,而且需要长期的试验积累。同时,温室专家系统还需要考虑作物生产的经济性。尤其在能源价格和农产品价格不断变动的今天,经济性才是温室发展首要考虑的问题。

　　在温室的环境控制方面,由于温室环境参数是温度、光照和湿度等多因子环境参数综合作用的结果,对于后级控制而言,应从整体上动态地研究环境参数的相互耦合问题,避免将一个参数调整到合理水平后,另一个参数又变化到不合理水平。另一方面,鉴于温室环境参数的空间不一致性,过分强调后级控制的精度,易造成执行机构频繁动作,增加控制成本,而对促进作物的生长不一定具有较大的意义。

　　因此,应充分加强控制理论与温室农业生产过程的紧密结合,在引入智能化方法和技术以外,还应该考虑到农业生产的特殊性和复杂性,设计出综合考虑作物生长、生产经济性在内的智能决策支持及控制系统,这是温室控制系统今后的发展趋势。

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