温室作物模型与环境控制管理研究

阐述了国内外作物模型研究现状 ,温室园艺作物模型研究进展以及温室作物模型在现代化农业环境控制管理中的重要作用 ,并简介了温室番茄作物模拟系统研制开发现状及其进展     

温室系统综合动态模型的研究

该文将温室中的作物生长、环境控制和经济分析置于一个大系统下进行研究，根据光合速率、环境控制和控制成本三个子模型以及它们之间的关系构造了温室的综合动态模型；将大系统控制论中的“分解—协调”方法应用于求解温室系统的全局最优化问题，得出了在不同的外界气侯条件下同时满足控制效果较好和控制成本较低两个条件的最优综合环境控制方式。     

基于作物模型的温室环境管理系统设计与实现

为改进温室环境管理系统的性能,获取实时动态生成的决策信息,建立了基于作物模型的温室环境管理系统。在借鉴前人先进研究成果的基础上,通过实验建立了简化的温室番茄和黄瓜作物生长模型;其次,通过收集资料和专家经验建立了温室环境管理知识库;最后,应用农业环境实时监测数据,综合利用模型预测和知识推理建立了温室环境管理决策支持系统。通过实际运行表明,系统可实时动态输出室内温度、光照等参数的优化值及其它相关辅助决策信息,通过进一步完善可望取得更好的应用前景。     

国外温室小气候环境及控制模式

介绍了国外关于温室环境控制的基本概念和某些科学术语.对70年代以来温室环境数学模拟模型的研究,尤其是以单位地表面积表示的温室内空间平均温度和以单位叶表面积表示的冠层平均温度的热量平衡方程作了重点介绍.对于温室计算机分级管理系统也作了简要论述.     

温室环境控制方法研究现状分析与展望

环境控制方法是实现温室蔬菜高效生产的关键。随着现代控制技术的快速发展,温室环境控制方法逐步从手动、定时控制方法,转变为设定值控制和智能控制等方式。该文概述了以设定值为目标实现环境控制的方法,归纳了模糊控制、解耦控制、人工智能控制和表型控制等智能控制方法的特点,总结了现有温室环境调控领域控光、控温、控气、通风、灌溉和“云-边-端”协同控制系统的优劣。针对现存问题,指出该领域的发展趋势为构建考虑扰动因素影响的温室环境控制方法,研制基于作物生长和表型评价体系的环境调控模型,以及建立多模型融合的“云-边-端”协同温室环境调控系统。相关技术的发展将为温室的智能化与信息化发展提供重要的决策依据和借鉴意义。     

温室番茄生长发育动态模型与计算机模拟系统初探

研究建立了以太阳辐射为基本驱动因子的温室番茄生长发育动态模型,并进一步开发出基于Windows的计算机模拟系统,该模型包括太阳辐射、C平衡分析、植株形态发育、干物质分配等重要模块,使模型具有较完善的功能。计算机模拟系统采用MS Visual Basic 6.0和PowerStation Fortran 4.0混合语言编程技术,使模拟系统在界面和功能上达到较好的统一。     

N2O,CO2温室气体与土壤DNDC模型

本文对Ｎ２Ｏ，ＣＯ２两种温室气体的工作进行了评述，重点介绍了土壤脱氮－分解模型的起始原由，发展过程及其结构，并通过对模型在不同国家和地区的灵敏度检验。表明与实测结果非常吻合，得出了非常重要的结论，这一模型不仅对Ｎ２Ｏ，ＣＯ２等温室气体的全球研究有重要意义，面对对土壤农业耕作实践也有指导作用，但这些结论有待于进一步的详细研究。     

基于模型的温室加温控制目标优化系统研究

温室加温控制目标的设定合理与否,直接影响温室作物生长及温室环境调控的能耗。本研究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,建立了基于模型的温室加温控制目标计算机优化系统。系统包括一个数据库(温室、作物以及气象资料)和三个模型(作物生长模拟模型、温室加温能耗预测模型以及加温控制目标优化模型)。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利用效率最高和生物量最高的温室白天和夜间的加温控制目标(温度设置点)。以2003年1月20日～2月20日上海孙桥现代农业开发区Venlo型自控玻璃温室水果型黄瓜生产为实例进行分析,结果表明,在上海地区冬季进行温室水果型黄瓜生产时,在开花至果实采收初期将白天和夜间加温控制目标分别设为23℃和17℃时可以获得最高的干物质生产量;将白天和夜间的温室加温的温度分别设为20℃和15℃能够使黄瓜干物质生产的能耗量利用效率达最大,并能够使黄瓜干物质产量也处于较高的水平。本研究建立的基于模型的温室加温控制目标优化系统为中国温室气候控制中温度的优化调控提供了理论依据和决策支持。     

中国温室环境控制硬件系统研究进展

该文综述了国内温室控制系统模式的研究现状,介绍了几种典型的温室控制系统模式,指出了制约温室控制系统研究的主要问题:成本高,没有达到智能化的要求.该文提出了建立具有分布式结构的基于CAN总线的温室控制系统模式,可以降低成本,为解决温室控制系统智能化问题提供了有效的途径.提出未来温室控制系统的发展趋势--高层管理与控制网络化;现场检测与控制单元的现场总线化;温室调控系统的行业标准化.     

温室CO2气体浓度环境自动调控系统的研究

为了改善现代温室内气体环境的质量,提高温室的生产产量和产品品质,介绍一种新型温室CO2浓度自动调控系统,并运用射流理论,分析研究了系统的设计原理和方法,对系统的工作性能也作了相应的对比实验研究,结果表明该系统具有结构简单、自动控制性能好、造价低、运行经济可靠、补充CO2速度快、CO2浓度和气体流速分布均匀、增产效果和经济效益明显等特点.     

温室环境信息语音提示系统的设计与实现

为解决温室内测量数据的及时获取问题，研究了温室数据实时语音提示及报警系统，该系统能够实时地将传感器采集的温室环境信息以语音的方式播放出来。该系统采用MSC51系列单片机作为主控芯片，控制保存在ISD系列语音芯片内的语音数据的输入及输出，同时给出了将数据信息按人的阅读习惯正确朗读出来的控制算法。通过实践应用证明，该系统实现了实时语音提示功能，并具有控制灵活，接口简单，扩展性强等特点。     

中国连栋温室黄瓜周年生产能耗分布模拟

温室作物周年生产单位产量的能耗是进行温室投资风险评估和优化温室气候控制的重要指标。为明确中国温室作物周年生产单位产量能耗分布规律,该文以Venlo型连栋温室和温室主栽作物黄瓜为研究对象,选取中国有代表性的224个气象观测站点25 a（1981－2005年）每日平均气候资料（每日最高最低气温、水汽压、日照时数和平均风速）,利用温室能耗预测模型和作物生长模型,模拟预测在商业化生产中常用的两种不同的温室温度（白天和夜间温度控制目标分别为控制策略一：24℃与19℃,控制策略二：20 ℃与15℃）和CO2体积分数（增施：1000 mL/L,自然通风不增施：350 mL/L）控制策略下,连栋温室黄瓜周年生产所需的能耗和黄瓜的潜在产量。在此基础上,进一步计算每单位黄瓜产量所需要的能耗,并利用GIS技术及反距离权重插值方法获得空间上连续分布的栅格数据,得到中国连栋温室黄瓜周年生产单位产量能耗分布图。结果表明,中国温室周年生产黄瓜单位产量能耗总体趋势是从低纬度地区向高纬高海拔的寒冷地区增加。两种温度控制策略下各地的黄瓜单位产量能耗差异在8%以内,但增施CO2可以降低各地的黄瓜单位产量能耗达29%～67%,低纬度地区降低幅度大于高纬高海拔区。中国温室能耗主要受室外气候和温室温度控制目标影响;在两种温室温度控制策略下,黄瓜潜在产量主要受室外光照条件和室内CO2浓度影响。增施CO2能够大幅提高黄瓜产量,是增加温室作物产量和提高能耗利用率的有效手段。该研究结果可为中国不同区域连栋温室投资风险评估和从能耗角度优化温室环境调控提供支持。     

温室吸湿剂喷淋除湿降温系统的影响因子分析

为了解决湿热地区夏季温室的降温问题,提出了利用CaCl2溶液除湿降温系统对温室进行降温的方法。在CaCl2溶液除湿降温系统运行条件下,确定了以喷淋室出口空气相对湿度为试验指标,分析了进口空气流量、除湿剂流量、除湿剂浓度和温度、进口空气温度和湿度等因子对试验指标的影响。通过影响因子的单因素试验和多因素正交试验,得出了系统运行时影响除湿效果的显著因素是除湿剂浓度和温度、进口空气温度和湿度。通过回归分析建立了CaCl2溶液喷淋除湿的数学模型,并通过试验验证了该模型的最大相对误差小于5%。该文为中国南方高温高湿的温室夏季降温提供参考。     

基于GPRS的远程控制温室自动施药系统设计

针对温室环境施药劳动强度大,药雾对操作人员的健康影响严重的问题,该文研究开发了一种在温室(或温室群)中基于GPRS通信技术和集散控制原理的远程控制自动施药系统。采用多线程技术和socket编程技术设计了弥雾机远程管理系统软件,用户指令基于GPRS网络在上位机端与弥雾机端之间传输。根据弥雾机的不同工作条件定义了3种工作模式并设计了不同工作模式下的数据通信格式。弥雾机以STM32芯片为控制器采用Fuzzy-PID控制策略控制输出脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)信号,用SIM900A模块接收上位机数据。通过通信试验、弥雾试验及沉积试验对远程控制自动施药系统验证,结果表明:上位机软件能够准确向弥雾机发送控制指令,弥雾流量、总弥雾量误差分别在3.9%、5%以内,系统的反应时间约2.25 s,弥雾机速度设定为18 cm/s时雾滴沉积变异系数最小。该研究可为温室弥雾机的研制提供参考。     

温室节点式渗灌自动控制系统设计与实现

为了充分发挥节点式渗灌技术的节水增效作用,根据中国东北的农业资源特征,并考虑到农民的生产规模和经济条件,应用模糊控制方法,研制了一种适用该技术的自动控制灌溉系统。该系统由控制器、电磁阀、土壤湿度传感器、水箱和渗灌管网等构成。控制器采用89S51单片机。A/D转换芯片的型号为ADC0804。显示器采用LCM显示模块。外部存储器采用24c02芯片。键盘由4个弹跳按钮构成。输入到二维模糊控制器的信号有2个,即土壤含水率误差和经过差分变换的土壤含水率误差变化率。经过二维模糊控制器的分析和放大作用后,其输出信号也是2个,即电磁阀的开启时刻和电磁阀开启持续时间。初步试验结果表明把土壤含水率提高10%所需的调整时间在30～40 min之内、系统的控制误差在3%以内,系统运行稳定,准确性和和快速性等指标能满足农业技术要求。     

主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用

为提高主动蓄放热系统集热效率,增强日光温室抵御低温能力,设计了一套主动蓄放热-热泵联合加温系统。白天运行主动蓄放热系统,将北墙获得的太阳辐射能储存到蓄水池中;根据天气情况及蓄水池水温变化适时开启热泵机组,降低主动蓄放热系统循环水温,进而提升其集热效率;夜间室内气温较低时,通过主动蓄放热系统放热。试验结果表明：与对照温室相比,试验温室夜间气温高出5.26～6.64℃;热泵机组制热性能系数COPHp为4.38～5.17,主动蓄放热系统可为热泵机组热源提供充足的热量,保证理想的热源温度;在日光温室特定的光热环境下,主动蓄放热-热泵联合加温系统的集热效率达到了72.32%～83.62%,总体COPSys值达5.59,节能效果显著。该研究为提高日光温室夜间温度提供了新思路。     

温室温度控制系统不确定性与干扰的灰色预测补偿算法

温室温度常规控制方法的控制效果依赖于被控对象模型精确度和干扰测量精确度.而温室系统不确定性、不精确性、时变性和多扰动等特性使温室精确模型很难获得、且干扰很难精确测量.为此,该文采用灰色预测补偿算法对温室对象上述特性进行预测补偿,其优点是可避开温室对象不确定性和干扰因素所带来的在获取对象模型时无法避免的理论和技术上的障碍,摆脱了控制算法对模型精确度和干扰测量精确度的依赖.仿真及实际运行情况均表明,该算法可达到较好的控制效果,控制精度明显提高.统计分析显示,表征不确定性与干扰的灰参量估计值与真值的相关系数分别为0.9968、0.9804、0.9938,决定系数分别为0.9935、0.9585、0.9871;灰参量绝对误差均值为-0.11510、-0.26733、-0.31035,方差为0.05150、0.16324、0.09474,相对误差均值为-1.68%、-8.06%、-8.73%,方差为0.01368、0.00533、0.00581;实测温度曲线与仿真温度曲线相关系数为0.973972,决定系数为0.948621.由于有效地减弱或消除了温度调节过程中的超调和振荡,能耗明显降低,既满足了温度变化的预期要求,又可实现节能.     

基于CFD的温室气温时空变化预测模型及通风调控措施

夏季温室高温湿热,对作物生长产生重大危害,制定合理的夏季温室气温调控方案,是提高温室生产效益,降低温室气温调控能耗的关键问题。该文基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,结合气象预报信息,针对苏南地区大型连栋温室,建立了夏季温室气温时空变化预测模型,通过设置边界参数,对不同通风条件下温室气温的时空变化进行了预测,并通过试验验证了模型的有效性。试验结果表明,预测值与实测值吻合良好,均方根误差在1.2℃以内,最大相对误差在6%以内,平均相对误差在4%以内。不同通风降温条件下的试验结果显示,温室气温空间分布存在明显差异,湿帘-风机系统较自然通风降温效果显著,降温幅度在5℃左右,持续的湿帘-风机降温措施可将温室高温控制在较低水平。基于该文模型的预测结果和温室调控目标,选取合适的时间点、时间长度和不同类型的通风降温措施,可有效提高温室气温调控效率和效益。同时,该研究还可为优化传感器布局提供依据。     

日光温室空气余热热泵加温系统应用效果

中国日光温室是低碳节能设施结构类型的代表,但昼夜能量分布极不平衡,白天室内热量富余,而夜间低温高湿,冷害、病虫害时有发生。为实现日光温室内热量在时间、空间上的转移,以提高空气热能利用效率,提升日光温室抵御低温能力,设计了一套日光温室空气余热热泵加温系统。白天适时运行系统,将日光温室内富余空气热能泵取并储存于蓄热水池中;夜间室内气温较低时,首先开启风机和水泵,以对流换热方式通过表冷器直接散热;当蓄热水池水温降至一定温度,逆向运行热泵系统强制放热;此外,在连阴天及极端低温天气条件下,可开启风机与翅片式电加热对温室进行应急加温。对加温系统的应用效果进行试验,试验结果表明：与对照温室相比,系统运行期间,试验温室夜间平均气温高出2.8～4.4℃,相对湿度降低8.0%～11.5%;白天平均气温降低3.7～5.2℃,相对湿度降低12.3%～16.5%。系统不仅夜间加温、降湿效果显著,同时白天降温、除湿效果显著。系统白天集热功率为12.5～16.4 kW,制热性能系数为3.3～4.2;夜间表冷器散热阶段系统放热功率为9.3～10.3 kW,性能系数为6.6～7.4;逆向运行热泵强制放热阶段系统性能系数为3.8～4.1。加温周期内系统集、放热过程始终处于制热工况,整体性能系数达2.7,节能效果显著。该研究为日光温室夜间节能加温提供了新思路。