基于热平衡模型的果园防霜机关键参数优化与智能控制策略研究

发布时间：2020-04-15 21:34

【摘要】：中国是世界第一果品生产大国,果树种植面积与产量稳居世界第一,但霜冻害已成为制约果品产业可持续发展的主要瓶颈之一。传统果园防霜技术包括覆盖、喷灌和烟熏等,虽然起到一定防霜效果,但人工成本较高,且污染环境;现有防霜设备存在可靠性差、自动化程度低等问题导致推广应用缓慢。因此,开展防霜机关键参数优化和智能控制策略研究对降低果园霜冻害和果品提质增效具有重要的意义。本研究主要内容如下:(1)以泰山早霞苹果为研究对象,通过霜冻模拟实验分析其霜冻特性,确定了苹果花苞期和盛花期的过冷却点分别为-3.1°C和-2.9°C,结冰点分别为-2.4°C和-2.3°C;通过霜冻期果园温度时空分布监测,离地面8~12 m的高度空间逆温现象明显,最大逆温差为5.2°C,时间点为日出前06:00左右,离地面1~3.5 m的果树冠层温度受日间温度、湿度和风速等因素影响变化较快;通过果园环境数据监测系统,利用多元回归方法建立了果树冠层最低温度观测模型,为后续研究提供试验数据和理论基础。(2)通过分析防霜过程中的热量传递方式和温度分布,根据能量守恒定律,将果园简化为控制箱体,建立了果园防霜机热平衡模型,在此基础上提出了一种CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)仿真和响应面融合的防霜机关键参数优化方法;通过分析防霜机关键参数(风机安装高度、风机安装俯角和送风速度)对其性能的影响,初步确定了各参数取值范围,利用CFD仿真得到果树冠层温度场分布,通过响应面回归方程拟合了果园冠层温度增幅预测模型,以温度增幅最大为优化目标,得到各参数优化值分别为俯角20°、风速15 m/s、高度9.5 m;利用上述优化参数,再通过CFD仿真,得到最大温度增幅为2.38°C,与预测值的相对误差仅为0.059%,表明该防霜机关键参数优化方法可行。(3)基于防霜机关键参数的最优组合,结合泰安地区果园霜冻期气候变化,设计了一种塔式防霜机。根据优化的关键参数,通过计算确定了风机电机功率为4 kW,安装高度为9.5 m,风叶直径为1 m,风量为42 300 m~3/h;利用ANSYS软件分析了送风装置和塔架的应力、变形量与模态,其最大应力分别约为110 MPa和185 MPa,最大变形量分别为0.0043 m和0.0046 m,塔架6阶固有频率为38.681 Hz,表明防霜机能够经受暴风侵袭,满足强度和稳定性要求;为增大防霜面积,采用360°回转送风系统,利用样点风速测量值,通过三次样条函数,得到不同距离不同转速下的果树冠层任一点风速分布特性。(4)为提高防霜机的自动化程度,提出了一种模糊智能控制策略,设计了自动控制系统。基于前述建立的果树冠层最低温度观测模型和m时刻冠层温度计算模型,利用最小二乘支持向量机算法,构建了果树冠层在线温度预测模型,以逆温差和温差变化率为输入变量,通过模糊控制器实现不同环境温度下防霜机回转转速实时改变;根据该控制策略,设计了防霜机自动控制系统,以STM32单片机作为主控制器,利用传感器采集果园环境信息,通过触摸屏、手机APP和远程监控平台,实现防霜机本地控制、防霜过程人机交互和远程监控;在枝叶稀疏果园和枝叶繁茂果园内,进行无线数据传输性能测试,结果表明,60 m处无线数据传输成功率分别为99.44%和99.16%,满足试验果园50 m内无线数据传输需求。(5)在山东农业大学南校区果园实验站,进行了防霜机性能试验和不同控制模式下防霜效果测试。结果表明,以温度0°C或增温幅度1°C,风速0.6 m/s为保护边界条件,有效保护半径为7~48 m,保护面积约7150 m~2;以传统控制模式为对照组,设定临界启动温度为-0.5°C,在第一个试验周期内,采用传统控制模式平均增温幅度为0.5°C,模糊控制模式平均增温幅度为0.8°C,比前者提高60%;在保护的范围内,采用传统控制模式的苹果花芽最大受冻率≤26%,模糊控制模式最大受冻率≤12%,相对降低53.8%,表明防霜效果较好,能够满足要求。
【图文】：

低温,霜冻,气候条件,和风

山东农业大学博士学位论文经过许多研究证实，降低水汽结冰温度并阻止霜冻从植物表面渗透到植物细胞，可以更有效地保护植物免受霜冻损害（Ball et al.，2002；Wisniewski et al.，2003；Hacker al.，2007；Wisniewski et al.，，2008）。当果树表面的温度下降到 0 °C 以下时，其体内水分在短时间内形成冰晶，造成作物低温冻害（李建东等，2014）。果树遭受霜冻的表现如图 1-1 所示。

防霜,气流扰动

山东农业大学博士学位论文发生逆转，形成气温上高下低，这种现象被称为逆温。如果发生逆温，则暖空气位于地表冷空气的上方，高度通常在地面 6 m 以上，暖空气层的高度以及逆温差在夜间会随着环境而发生变化（Langvalla et al.，2002）。气流扰动法通过不同高度、不同温度的空气强制对流，打破逆温层，使上下层空气混合，从而增加作物冠层高度处的温度，增温有效性将与逆温强度成正比，逆温层中的空气温度对防霜机的运行至关重要。目前，国内外的大部分防霜机械都是利用逆温原理进行气流扰动，将逆温层的暖气流强制吹送到近地面，从而提高近地面的空气温度，降低低温霜冻对果树的影响（胡永光等，2007），如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S425;S66;S49

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