温室生产分层递阶控制系统设计方法研究

发布时间：2020-05-05 08:35

【摘要】：温室生产自动化是现代智慧农业发展的方向,系统的建模与控制技术是实现自动化的基础。本文主要针对温室生产过程中的双时间尺度特性,同时考虑系统的不确定、时变、非线性、强耦合等特点,开展了温室生产自适应模型构建与分层递阶控制系统设计的研究,为提高温室自动化生产的经济效益提供理论基础与技术支撑。本文重点开展了以下五方面的研究工作:[1]开展了温室作物-环境自适应机理模型的研究。针对温室系统模型参数的时变和不确定特性,使用无损卡尔曼滤波器原理构建了系统的自适应模型,该方法可对模型的参数和状态进行在线联合预估。仿真结果表明该自适应模型可有效预测具有时变参数的温室系统状态。[2]研究了温室生产分层递阶控制系统的结构。针对温室生产过程的双时间尺度特性,利用奇异摄动理论将系统模型进行降阶分解,将相互耦合的作物和环境状态进行解耦,获得时间尺度较大的作物层子模型和时间尺度较小的环境层子模型;基于降阶解耦的子模型,提出了分层递阶控制系统的结构,包括上层作物层控制器和下层环境层控制器,该结构可将环境设定值的获取和跟踪任务分配给不同的子控制器。[3]提出了作物层闭环优化控制器设计方法。利用无损卡尔曼滤波器对作物状态进行预估构成反馈,在室内环境和执行机构状态的约束下,基于滚动时域优化原理设计了作物层闭环优化控制器,使经济性能指标达到最优;利用修正的共轭梯度法对形成的受约束优化问题进行求解,获得优化的环境设定值。仿真结果表明,该优化控制器可在满足约束范围的条件下,获取有效的环境设定值。[4]提出了基于精确反馈线性化的环境层鲁棒预测控制器设计方法。利用非线性状态反馈原理对系统模型进行精确线性化,解除环境状态之间的耦合关系;基于线性化解耦模型,设计了最小-最大化鲁棒预测控制器,以最优化最大干扰情形下的控制性能;利用改进的粒子群优化算法对形成的带约束非线性规划问题进行求解,获得控制输入值。仿真结果表明,在未知干扰存在的情形下,相比常规的反馈线性化预测控制器,该控制器能够获得更合理的控制输入和更理想的设定值跟踪效果。[5]研发了温室环境远程测控系统,为控制算法的验证和实施提供测试平台。该系统包括VB用户应用层、Web服务器层和底层传感器和输入输出控制电路板。试验结果表明,该系统可实现温室环境数据的采集和执行机构状态的监测和控制功能,且运行具有一定的稳定性。
【图文】：

一阶微分方程,温室,物质交换,动态模型

透光率高、大跨度、多雨槽等特点。由于采用了小屋面结构，Ｖｅｎｌｏ型温室可以在保持檐高的基逡逑础上，降低温室屋架高度，从而具有较好的抗风性能和较强的承受雪雨荷载的性能。Ｖｅｎｌｏ型结逡逑构温室如图２－１所示。逡逑ｉＳＳ逡逑图；Ｍ邋Ｖｅｎｌｏ型结构温室逡逑Ｖｅｎｌｏ型温室除了在结构方面具有优势外，在温室环境调控措施方面，也具有一定的先进性。逡逑通常在Ｖｅｎｌｏ型温室中，配备有加热系统、自然通风系统、保温幕以及Ｃ０２补充器等执行机构。逡逑温室环境系统是一个涉及多种参数的复杂系统。温室环境中涉及的主要环境参数有：（１）室逡逑内：温度、土壤温度、太阳辐射、相对湿度、Ｃ０２浓度；（２）室外：温度，相对湿度、太阳辐射、逡逑风速等。室外环境因子和室内执行机构的动作影响室内环境的动态变化，室内环境因子决定作物逡逑的动态生长状态。从另一角度而言，作物生长发育中的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等一系列逡逑复杂的生理活动又对温室环境产生反馈作用。逡逑温室内环境因子的动态变化可以根据能量及物质的交换和平衡理论进行描述，能量和物质交逡逑换的主体包括三大部分，即温室内部系统组件、温室外部系统和温室生产执行机构［１｜７】，具体如图逡逑２－２。温室内部系统主要由温室小气候环境和栽培作物两部分组成

示意图,能量守恒定律,内部温度,微分方程

？邋？邋￥邋１＝邋６邋＾邋＾邋＾邋４邋■逡逑图２－２温室系统能量和物质交换示意图逡逑本文研究温室温度、湿度、＜：０２浓度的动态模型，，这三个模型均可以用一阶微分方程来描述，逡逑建立的模型基于如下假设。逡逑１）
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S625;TP273

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