淺析溫室降溫模式自動切換控制范文

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摘要：我國南方地區的溫室普遍采用多種開關降溫設備．對于種植戶來說，如何實現多種開關設備的協調控制是個重要的問題．根據設備運行的開關組合，劃分了溫室的運行模式，并把溫室系統看作是在多種運行模式之間不斷切換的切換系統．根據不同運行模式的降溫效果，設計了一種自動切換控制方法．仿真結果表明，該控制方法能夠實現溫室不同運行模式的自動切換控制，且簡單易行，應用方便．

關鍵詞：溫室；降溫；切換控制

引言

經過近30年的努力，我國溫室建設與生產取得了突飛猛進的發展，目前溫室面積已躍居世界第一位［1］．在我國南方地區，由于溫室在一年大部分時間內都需要降溫操作，因此該地區溫室內通常安裝有多種降溫設備，如天窗、風扇、濕簾和遮陽網等．這些設備通常采用開關控制方式．開關控制的優點是設備價格低、易操作以及易維護等，但這種方式增加了設計溫室小氣候環境控制方法的難度．經典控制理論與方法和現代控制理論與方法均難以應用于這類系統．因此，對于種植戶來說，如何實現這些設備的自動協調控制是個難題．至今，許多種植戶仍采用手動切換不同設備的方式，非常費力．為了避免手動切換的繁瑣，種植戶多數時候只使用風扇降溫，即僅使用機械通風這一種降溫模式．但是，忽略其他降溫模式會導致溫室運行能耗增加，這有悖于溫室建設時安裝多種降溫設備的初衷．目前針對溫室系統普遍采用開關設備的研究文獻并不多．宮赤坤等［2］針對一個包含天窗、南卷簾、北卷簾、東西卷簾、遮陽網、風扇、噴淋等多種開關設備的溫室，根據設備對溫室溫濕度影響的強弱程度，對設備進行了等級劃分，然后采用模糊控制方法對其進行了仿真研究．隨后，他們又采用BP神經網絡和遺傳算法對模糊控制規則進行了優化［3－4］．王子洋等［5］根據溫室不同設備的開關組合狀態建立了溫室切換系統，并基于每種組合下的模型預測結果來優化設備的開關控制．秦琳琳及Ma等［6－7］考慮室內溫度，構建了溫室天窗的混雜邏輯動態模型，并實現了溫室天窗的開關控制．隨后，陽斌和秦琳琳等［8－9］均從混雜自動機建模的角度研究了溫室天窗的開關控制．儲著東等［10］基于混雜自動機理論，結合天窗、風扇和濕簾這3種降溫設備，研究了夏季溫室溫度調控系統的自動控制．上述研究成果已將混雜系統的概念引入到溫室系統，對溫室小氣候環境控制具有積極意義．本文根據不同設備運行的開關組合，劃分了溫室系統的運行模式，并把溫室系統看作是在多種運行模式之間不斷切換的切換系統．然后根據不同運行模式的降溫效果來設計自動切換控制方法，以實現多種開關設備的自動協調控制．

1溫室降溫切換控制系統

這里考慮天窗、風扇、濕簾和外遮陽網這4種常見設備，每種設備僅具有ON／OFF兩種工作狀態．雖然天窗和外遮陽網可以連續調節，但實際溫室中通常沒有反饋單元，因此不能實施連續控制．首先，根據天窗、風扇、濕簾這3種設備的開關組合來劃分溫室系統的運行模式．3種設備共有8種開關組合．不過，由于3種設備的工作組合具有一定約束關系，因此部分組合沒有實際意義．例如，開啟濕簾時，要求必須開風扇、關天窗．根據溫室的實際運行情況，最終確定了4種有意義的運行模式，分別稱之為被動模式、自然通風模式、機械通風模式和濕簾—風扇降溫模式．被動模式為所有設備均不工作時溫室所處的狀態．溫室降溫過程實際上是在這4種運行模式之間不斷切換的過程，因此溫室系統可以看作是一個切換系統．由于外遮陽網的工作狀態取決于室外太陽輻射強度，可以與上述4種運行模式任意重合，所以沒有將其納入到溫室運行模式的劃分之中．溫室降溫切換控制系統如圖1所示。在被動模式下，當室外太陽輻射不斷透射至溫室內時，由于溫室的密閉性以及覆蓋層形成的溫室效應，室內熱量不斷增加，溫度也相應地逐漸升高，因此被動模式具有保溫和升溫的效果．自然通風是通過開啟天窗或側窗等方式來實現的．這種模式下室內外空氣形成對流，因而具有一定的降溫效果．由于自然通風模式幾乎不消耗電能源，因此自然通風在溫室生產過程中被廣泛使用．但是，自然通風受通風窗口面積以及室外風速等因素影響，其降溫效果有限，且具有一定的不確定性．相比之下，機械通風的降溫能力較強，受室外風速影響很小，降溫效果更為穩定．就這兩種降溫模式來說，它們均不能把室內溫度降低至室外溫度以下．在炎熱的夏季，為了保持較低的室內溫度，需要采用濕簾—風扇降溫模式．濕簾—風扇降溫是根據水蒸發吸熱原理來達到室內降溫目的的，具有更強的降溫能力．在這3種降溫模式中，后兩種模式在其運行過程中持續消耗電能源．為了減少溫室運行能耗，后兩種模式一般不宜長時間運行．

2溫室降溫切換控制方法

對于切換系統來說，實現其控制的關鍵在于設計合適的切換規則．根據以上對溫室降溫切換系統的描述，下面將根據不同運行模式的降溫能力來設計切換控制規則．為了方便描述，使用符號TH表示室內溫度上限設定值，符號TL表示下限設定值，符號Tstop表示機械通風降溫和濕簾—風扇降溫的停止閾值．對于該控制系統來說，理想狀態是將室內溫度控制在設定范圍（TL，TH）內．假設溫室初始處于被動模式，且外遮陽網卷起，室內溫度在設定范圍（TL，TH）內．切換控制方法設計如下：（1）當室內溫度上升至上限設定值TH時，溫室由被動模式切換至降溫能力較弱的自然通風模式．（2）在自然通風模式下，如果室內溫度降至TL，溫室則由自然通風模式切換至被動模式；如果室內溫度長時間持續在TH以上，或降低后再次上升至TH，溫室則由自然通風模式切換至機械通風模式．這里設置長時間持續時間的限制為6min．（3）在機械通風模式下，如果室內溫度降至Tstop，那么溫室切換至自然通風模式；如果室內溫度降低后再次上升至TH，則切換至濕簾—風扇降溫模式；或者機械通風在設定時間內不能把室內溫度降至Tstop，也切換至濕簾—風扇降溫模式．這里設置規定時間也為6min．（4）在濕簾—風扇降溫模式下，當室內溫度降至Tstop時，規定溫室切換至自然通風模式．在上述切換過程中，當室內溫度被調節到設定范圍（TL，TH）內時，記住最后一次所采取的降溫模式．當室內溫度再次上升至TH時，溫室自動采取上一次所采取的降溫模式．這樣，在每次降溫操作時，無需都從自然通風模式開始，由此避免了運行模式的頻繁切換．外遮陽網的控制單獨進行．在上述過程中，當太陽輻射強度超過設定閾值時，展開外遮陽網；當太陽輻射強度低于設定閾值時，則卷起外遮陽網．為避免遮陽網頻繁開關，設置其啟動閾值略大于關閉閾值．根據以上分析，可以得到如圖2所示的溫室降溫系統的運行模式切換機制．

3仿真試驗

針對上述溫室降溫自動切換控制要求和方法，本文采用文獻［11］中的溫室小氣候機理模型對其進行仿真檢驗．該模型充分考慮了溫室降溫系統的上述運行模式．式中：ρa為空氣密度，g／m3；Vg為溫室體積，m3；Ca為空氣比熱容，J／（g•℃）；t為時間，s；Tin（t）為t時刻的室內空氣溫度，℃；Qradin（t）為進入溫室的太陽輻射功率，W；Qnv（t）為自然通風所引起的熱功率損失，W；Qmv（t）為機械通風所引起的功率損失，W；Qpf（t）為濕簾—風扇降溫所引起的功率損失，W；Qexch（t）為室內空氣通過覆蓋材料與室外空氣進行熱交換而導致的功率損失，W；Qtran（t）為作物蒸騰吸熱功率，W；xj（j＝1，2，3）為控制變量，其取值為0和1（0表示關閉，1表示開啟）．根據溫室實際運行情況和上述分析可知，決策變量在任何時間最多只能有一個取值為1，即滿足式（1）中的約束條件．我國南方地區夏季炎熱，室外溫度常在30℃以上，采用自然通風和機械通風均很難滿足降溫要求，因此，一般只能采用濕簾—風扇降溫和遮陽降溫，即不會出現上述多種降溫模式相互之間不斷切換的現象．而在春秋季節，白天溫度并不太高，對于溫室的降溫需求，上述3種降溫模式通常都能滿足，因此存在多種降溫模式不斷切換的現象．這里選擇了2017年10月8日和9日兩天的白天8：00—18：00時段．所需要的室外環境因子為空氣溫度（Temp）、相對濕度（RH）、太陽輻射強度（Rad）和風速（Wind）．在所選擇的時段內，4種環境因子隨時間變化情況如圖3所示．在圖3中，Temp1，RH1，Rad1和Wind1依次為8日的環境數據；Temp2，RH2，Rad2和Wind2依次為9日的環境數據．由于只有整點時刻的數據，因此采用RBF神經網絡對數據進行了擬合與插值處理．插值周期設置為1min．太陽輻射數據來自文獻［12］．筆者建立了南京地區逐時太陽能強度及其計算模型，并計算出了每月日照天數內每h的平均輻射強度．這里選取了10月平均每d的逐時太陽輻射強度，然后采取RBF神經網絡進行擬合與插值處理．為使其接近實際測量值，在原始值的基礎上增加了±10％的隨機噪聲．由于風速數據為風力等級，而非具體的風速數值，因此需要根據風力等級對照表給風力等級賦予具體的風速值［13］．由于仿真中沒有考慮風向的影響，因此選擇了每個風力等級對應的最小風速值．設置室內溫度上限為30℃，下限為22℃，機械通風和濕簾—風扇降溫的停止閾值溫度均設置為上下限的平均值．遮陽網啟動閾值設置為320W／m2，關閉閾值設置為300W／m2．室內溫度初始值設置為25℃，相對濕度為70％．為方便仿真，設置濕簾水溫比室外溫度低6℃．在MATLAB軟件中，對上述切換控制方法進行了仿真．

4仿真結果

2017年10月8日溫室內溫度的仿真結果如圖4所示，運行模式的切換過程如圖5所示；2017年10月9日溫室內溫度的仿真結果如圖6所示，運行模式的切換過程如圖7所示．在運行模式的切換圖形中，以數字0，1，2，3分別對應被動模式、自然通風模式、機械通風模式和濕簾—風扇降溫模式的運行狀態，實線表示運行模式的切換過程，以數字0和4分別表示遮陽網的關閉和展開狀態，虛線表示遮陽網的切換過程．上述仿真結果表明，本文所提出的控制方法能夠將室內溫度較好地控制在設定范圍內，同時實現了溫室運行模式的合理切換．在10月8日的溫室運行過程中，共采用了自然通風、機械通風和濕簾—風扇3種降溫模式，而在10月9日的運行過程中，由于室外風速較大，僅采用了自然通風這一種降溫模式．

5結論

針對我國南方地區溫室同時設置多種開關降溫設備的情況，本文將溫室系統看作一個切換系統，提出了一種基于運行模式降溫能力的自動切換控制方法．仿真結果表明，該方法能夠實現多種降溫模式的合理切換控制，為我國現代化溫室多種開關降溫設備的協調控制提供了一種簡單易行的方法．

參考文獻：

［1］王新坤，李紅．我國溫室的研究現狀與發展趨勢［J］．排灌機械工程學報，2010，28（2）：179－184．

［2］宮赤坤，陳翠英，毛罕平．溫室環境多變量模糊控制及其仿真［J］．農業機械學報，2000，31（6）：52－5.

［3］宮赤坤，毛罕平．溫室溫濕度遺傳模糊神經網絡控制仿真研究［J］．江蘇大學學報（自然科學版），2000，21（6）：35－37．

［4］宮赤坤，毛罕平．溫室夏季溫濕度遺傳模糊神經網絡控制［J］．農業工程學報，2000，16（4）：106－109．

［5］王子洋，秦琳琳，吳剛，等．基于切換控制的溫室溫濕度控制系統建模與預測控制［J］．農業工程學報，2008，24（7）：188－192．

［6］秦琳琳，石春，吳剛，等．基于混雜系統的溫室天窗溫度系統建模［J］．系統仿真學報，2010，22（4）：833－836．

［8］陽斌，秦琳琳，吳剛．基于混雜自動機的溫室溫度系統建模與控制［C］．中國自動化學會控制理論專業委員會會議論文集，2011：1627－1631．

［9］秦琳琳，石春，吳剛．現代溫室溫度混雜系統的建模［J］．北京工業大學學報，2014，40（7）：996－1000．

［10］儲著東，秦琳琳，陸林箭，等．實驗溫室溫度系統混雜控制器設計與分析［J］．中國科學技術大學學報，2015，45（4）：268－274．

［12］黃靜，陳志鵬，李存霖，等．南京地區的太陽能輻射特性［J］．電力與能源，2013，34（1）：82－84.

作者：尹晶晶 徐振峰 單位：安徽國防科技職業學院