温室温湿度建模与多目标相容切换控制方法研究

发布时间：2020-03-20 22:56

【摘要】：温室小气候建模与控制涉及多个室内环境因子、多种调控设备、室内作物生长状态以及室外天气状况等许多因素,因此是一项复杂任务。本文以我国南方Venlo型玻璃温室为例,考虑室内空气温度、相对湿度、运行能耗和多种开关控制设备等因素,研究了温室小气候环境建模与自动控制问题。主要研究内容如下:(1)建立了面向气候控制的温室空气温湿度动态伪机理模型。温室小气候机理模型由于其结构复杂和很少考虑控制设备对室内小气候的影响,因此不适用于控制方法的仿真研究。为此,建立了面向气候控制的温室温湿度动态伪机理模型。与机理模型相比,许多因素在该模型中被看作边界条件,例如覆盖层表面温度、土壤表面温度等,而不再建立其动态模型,因此模型得到大幅简化。同时,根据温室中常见控制设备的开关特性,划分了温室系统的运行模式,因此在模型中充分考虑了控制设备对温室小气候的影响。结果表明,温度模拟的最大误差为2.7°C,均方根误差为1.0°C。相对湿度模拟的最大误差为13.1%,均方根误差为5.2%。可见,该模型能够准确地模拟室内空气温湿度的动态变化,为研究温室小气候各种自动控制方法提供了理论支撑。(2)建立了温室空气温湿度IARX在线预测模型。温室环境因子在线预测模型是研究各种预测控制方法的基础。ARX预测模型具有结构简单、计算量小等特点,方便在线辨识。但是,现有温湿度ARX模型的外源输入变量差异很大。为了准确地选取主要外源输入变量,通过对上述温室温湿度动态伪机理模型进行分析,推导出了自然通风、机械通风和湿帘-风扇降温这三种降温模式下室内温湿度的增量式自回归(IARX)模型。与典型ARX模型相比,该IARX系列模型拥有更少的系数。当辨识数据达到10组以上时,IARX模型的最大温度预测误差和湿度预测误差分别为1.3°C和8.9%,明显小于典型ARX模型相应的温湿度预测误差(2.8°C和15.2%)。(3)提出了基于温湿度IARX预测模型的温室多目标相容切换控制方法。对于实际温室控制系统来说,室内温度、相对湿度和运行能耗都是需要重点考虑的因素,但是它们之间的控制存在一定的冲突性。为此,融合模型预测控制、切换控制和冲突多目标相容控制的思想,提出了基于温湿度IARX预测模型的温室多目标相容切换控制方法。该方法包括模型预测、切换优化和反馈校正三部分。在模型预测部分,采用室内温湿度IARX模型以预测未来有限时域内的室内温湿度;在切换优化部分,在温湿度的预测值满足设定要求的前提下,以温室运行能耗为优化指标,设计了运行模式的切换规则;在反馈校正部分,通过预测误差反馈和模型在线辨识对模型预测性能及其系数进行实时校正。首先,考虑室内温度和能耗两个因素,研究了温室降温节能相容切换控制方法。仿真结果表明,该相容切换控制方法下的温度最大偏差和均方误差分别为0.7°C和0.4°C,均小于采用参考切换控制方法时所产生的相应误差(2.0°C和0.8°C);当多种降温模式相互切换时,与参考切换控制方法相比,相容切换控制方法可以减少13%以上的运行能耗。然后,考虑室内温度、相对湿度和能耗三个因素,研究了温室多目标相容切换控制方法。仿真结果表明,室内温度超过设定范围的最大偏差和均方误差分别为1.0°C和0.5°C,室内相对湿度超出设定范围的最大偏差和均方误差分别为3.8%和2.2%。当不同运行模式频繁切换时,适当调整室内温度或相对湿度的设定范围均可以有效解决该问题。(4)考虑室内温度和运行能耗两个因素,在一座玻璃温室中实现了对上述控制方法的系统验证。结果表明该相容切换控制方法是切实可行的。室内温度超出上限设定值的最大偏差和均方误差分别为0.7°C和0.2°C,均明显小于参考切换控制方法所产生的温度最大偏差(1.7°C)和均方误差(0.7°C)。除此之外,该相容控制方法还表现出一定的节能效果。
【图文】：

联网监控,系统架构,温室

设计了一套温室物联网监控系统，如图6.1 所示。该系统以无线传感网络（WSN: wireless sensor networks）为核心。在该系统中，WSN 传感节点实时采集温室内外的环境因子数据。经过 WSN 中继节点，相关环境数据汇聚到智能基站终端一体机。智能基站终端一体机根据获得的温室内外环境数据和其控制算法，发出设备控制命令至温室内的 WSN 控制节点，并由控制节点实现相应设备的开关控制。本地用户可以通过本地终端查看温室环境数据和控制相关设备。远程监控终端通过互联网或移动运营商网络连接智能基站终端一体机，以查看监测数据和对设备进行远程控制。图 6.1 温室物联网监控系统架构Fig. 6.1 The framework of IOTs monitoring system for greenhouse上述无线监测与控制系统工作于 433MHz 频段。该系统包括 WSN 传感节点、WSN控制节点、WSN 中继节点和 WSN 智能基站终端一体机。各部分的功能及特点描述如下：(1) 传感节点：实时采集温室空气温度、空气湿度和照度等环境因子数据，并实现数据处理、存储、无线组网和传输等功能。在本系统中，，室内传感节点负责采集室内空气温度、空气湿度和照度三个环境因子；室外传感节点则采集室外空气温度、空气湿度、照度和雨量(雨滴)四个环境因子。(2) 控制节点：接收来自智能基站终端一体机发送的设备控制命令，实现天窗、排

传感数据,无线传输

(4) 智能基站终端一体机：该终端一体机下行与监控区域内的无线监测与控制网络进行通信，并实现对监控区域各传感节点发送的数据的存储、识别与转发等功能，能够根据所接收到的环境数据和控制设备的工作状态，确定温室所处的运行模式以及向控制节点发出设备控制命令。该终端一体机上行通过 RS232、RS485、USB 等标准接口，与本地监控终端相连，以及通过 Internet、移动广域通信网、WLAN 等通讯方式与远程监控终端相连，以实现环境数据的远程监测与设备的远程控制。为了保证稳定可靠的无线通信传输质量，所有节点间的无线通信均采用了接收确认机制(ACK: acknowledgement)，以提高通信质量。当传感节点采集环境数据和控制节点进行设备开关控制时，在其软件程序中，采用了软件看门狗以提高节点的抗干扰能力。为了方便说明控制方法的效果，在智能基站终端一体机中实现了第四章中所提出的降温节能相容切换控制方法和其参考切换控制方法。第四章已经给出了温室不同运行模式之间相互切换的详细流程，因此根据相关流程即可实现控制方法的软件编程。这里不再进行详述。系统测试过程中的部分测试结果如图 6.2 和图 6.3 所示。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S625;TP273

【参考文献】