CN104855181A - 一种智能恒温棉花育种装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能恒温棉花育种装置，用于棉花育种进程中新选品系种子活力的鉴定与筛选，所述智能恒温棉花育种装置设置有箱体，所述箱体内部设置有环境控制系统；所述环境控制系统包括：空气交换系统、湿度控制系统、温度控制系统；所述空气交换系统连接湿度控制系统、温度控制系统；所述温度控制系统包括：PID控制器、固态继电器、加热丝、温度传感器、A/D转换器。本发明控制精度更高，温度稳定性好，温度大约在0.2摄氏度左右；热量的传递采用了对流的方式，解决了辐射对棉花种子的影响；通过计算机控制设备进行环境控制，提高产品的质量、产量、经济价值和社会效益，同时尽量降低生产成本的智能恒温棉花育种装置。

Description

一种智能恒温棉花育种装置

技术领域

本发明本属于农作物育种技术领域，尤其涉及一种智能恒温棉花育种装置。

背景技术

目前我国农业正处于从传统农业向以优质、高产、高效益为目标的现代化农业转化阶段。温度控制工程作为农业生物速生、优质、高产的手段，是农业现代化的重要标志。种子活力是农业育种家较为关注的农艺性状，其与作物生长潜力、产量、品质等密切相关。时下，我国农业育种控制仍然以人工经验为主，种子活力这一性状的检测主要参照大田出苗情况进行评价，由于年际间气候条件变化较大，且受播种条件影响，结果往往与实际情况有较大偏差，影响甚至误导新品系的选育结果。采用先进的人工智能技术，科学、合理的控制影响作物种子发芽率，通过计算机控制设备进行环境控制，以便给农作物前期创造一个最佳的环境条件，做到既能提高产品的质量、质量、经济价值和社会效益，同时尽量降低生产成本，这对于恒温育种的实施尤为必要。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种智能恒温棉花育种装置，旨在提供一种科学、合理的控制影响作物种子发芽率，通过计算机控制设备进行环境控制，提高产品的质量、量产、经济价值和社会效益，同时尽量降低生产成本的智能恒温棉花育种装置。

本发明实施例是这样实现的，一种智能恒温棉花育种装置，所述智能恒温棉花育种装置设置有箱体，所述箱体内部设置有环境控制系统；

所述环境控制系统包括：空气交换系统、湿度控制系统、温度控制系统；所述空气交换系统连接湿度控制系统、温度控制系统；

所述温度控制系统包括：PID控制器、固态继电器、加热丝、温度传感器、A/D转换器。

进一步，所述箱体的底面安装有固定架，旋转导轨设置在底位固定架上，支撑板连接架设置在旋转导轨上，培养基支撑板设置在支撑板连接架上，伺服控制系统设置在旋转导轨上，摄像头设置在旋转导轨上部，光照控制系统设置在箱体上，环境控制系统设置在箱体上；

进一步，所述支撑板连接架和所述培养基支撑板在每个底位固定架设置12组，支撑板连接架与旋转导轨活动链接。

进一步，所述空气交换系统，包括进风管与出风管；所述进风管上依次有送风机和空调送风装置；所述出风管上有排风机；所述出风管的一端连接有热交换机；所述热交换机与所述进风管靠近空调送风装置的一端相连；

在热交换机与排风机之间的出风管上有过滤器；

所述送风机上设置有用于监测箱体内湿度的湿度控制系统和用于监测箱体内温度的温度控制系统；

所述过滤器包括壳体，所述壳体上部设置有进气管，所述壳体的下部设置有排污管，所述壳体内部设置有滤芯，所述滤芯包括上支撑板和下支撑板，在上支撑板和下支撑板之间安装有可折叠的环状过滤网，下支撑板上设置有出气管，出气管的出气端伸出壳体外。

进一步，所述过滤网上放置有过滤材料；

所述过滤材料在流动方向上具有递减的孔径，所述过滤材料包括流入侧的基底层和流出侧的细纤维层，特别是熔喷层，在所述基底层和所述细纤维层之间布置有连接区域，所述过滤材料的厚度d＞0.35mm，至少在所述基底层的流入侧的一侧设置浸渗体；

所述基底层包括纤维素，含有或不含有人造纤维组分，所述基底层的孔具有65～85μm，特别为74μm的孔径，所述细纤维层的孔具有30～40μm的孔径，所述细纤维层包括聚酰胺，聚乙烯、聚酯或聚丙烯的纤维，所述细纤维层包括直径为1.5～5μm；

所述基底层和/或所述细纤维层和/或所述连接区域在流动方向上具有递减的孔径，所述连接区域的孔具有30～35μm的孔径；和/或连接区域形成为粘结层，所述基底层的透气率总计为840l/m²s；和/或所述细纤维层的透气率总计为645l/m²s；和/或所述过滤材料的透气率总计为355l/m²s；；

所述浸渗体形成为在热的作用下交联的固化浸渗体；或所述浸渗体形成为非固化浸渗体，所述浸渗体包括酚醛树脂、丙烯酸酯或环氧树脂。

进一步，所述PID控制器的参数优化方法，以每一组可行的PID控制参数作为一个粒子，利用梯度修正粒子群优化算法搜索出最优的PID控制器参数；所述梯度修正粒子群优化算法具体包括以下步骤：

首先确定粒子种群数量N和优化最大代数k_max；

其次在粒子的取值范围内初始化粒子种群每一个粒子的位置和速度；

再次判断每个粒子的位置是否违反预设的不等式约束条件，对于违反不等式约束条件的粒子，则使用梯度修正方法将违反不等式约束条件的粒子的位置进行修正，使修正后的粒子的位置满足不等式约束条件；对于任意一个位置为x的违反了不等式约束条件的粒子，按照以下梯度修正方法修正位置：

步骤1、以所要修正的粒子位置x作为初始值x⁰；

步骤2、按下式修正所述粒子的位置：

$X^{t+1}=x^t+{\left({\▿}_x{v}^t\right)}^{+}\×\mathrm{\Δ}{v}^t;$

式中，x^t、x^t+1分别表示第t次、第t+1次修正后的粒子位置，t＝0，1，2，3…；

Δv^t＝Min{0，-g(x^t)}为第t次修正后粒子位置的约束违反变量，g(·)表示括号中粒子位置的不等式约束条件函数值；表示第t次修正后粒子位置的约束函数变化率变量的伪逆，e为预设的扰动小量；

步骤3、判断x^t+1是否违反所述不等式约束条件，如是，则转至步骤2；如否，则以当前的x^t+1作为最终的粒子位置修正值并退出；

然后计算每一个粒子的性能指标函数值；

计算每个粒子的个体最优值p_i和当前粒子种群最优值p_g，如粒子当前值优于p_i，则将粒子当前值设置为p_i，如全部粒子当前值中有优于p_g的粒子，则将该粒子当前值设置为p_g；

判断当前最优值是否满足性能指标停止条件或达到最大优化代数，如满足二者之一即停止算法并转到输出最优粒子的位置和对应的性能指标函数值；

更新每个粒子的位置并转到判断每个粒子的位置是否违反预设的不等式约束条件；

输出最优粒子的位置和对应的性能指标函数值。

进一步，所述PID控制器为鲁棒PID控制器；

所述梯度修正粒子群优化算法中粒子的性能指标函数具体如下：

J＝‖|w₁(s)S(s)|+|w₂(s)T(s)|‖；

式中，S(s)和T(s)分别为灵敏度函数和补灵敏度函数，w₁(s)和w₂(s)分别为灵敏度权函数和补灵敏度权函数，e为控制误差；

所述梯度修正粒子群优化算法中的不等式约束条件具体如下：

Re[λ_max(∑[x])]＜0；

其中，λ_max(∑[x])表示所要控制的闭环系统∑[x]的最大极点。

进一步，所述固态继电器包括壳体，所述壳体的内部设置有散热装置和保险丝，所述壳体的内部还设置有与保险丝相适配的固定座；

所述壳体内部设置有分别与所述保险丝和外部控制设备相配合的断路报警装置；

所述固定座的两端分别设置有可拆卸地与所述保险丝的金属端头相卡接的金属卡片；

所述散热装置为散热片；散热片包括底座、金属导热片和贴装在所述金属导热片上的导热翅片，所述的金属导热片呈折线形安装在底座上；

所述金属导热片为奇数片，交叉安装在底座上；

所述的导热翅片成排、错位的贴装在金属导热片上；

所述金属导热片为铝合金材质；

所述壳体的厚度为28毫米。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明采用了PID控制算法，利用PWM控制升温，控制精度更高，温度稳定性好，温度大约在0.2摄氏度左右。热量的传递采用了对流的方式，解决了辐射对棉花种子的影响。本发明提供了一种科学、合理的控制影响作物种子发芽率，通过计算机控制设备进行环境控制，提高产品的质量、产量、经济价值和社会效益，同时尽量降低生产成本的智能恒温棉花育种装置。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能恒温棉花育种装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的温度控制系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的空气交换系统结构示意图；

图中：1、箱体；2、底位固定架；3、旋转导轨；4、支撑板连接架；5、培养基支撑板；6、伺服控制系统；7、摄像头；8、光照控制系统；9、环境控制系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图1：

如图1所示，本发明实施例的一种智能恒温棉花育种装置，该装置包括：箱体1、底位固定架2、旋转导轨3、支撑板连接架4、培养基支撑板5、伺服控制系统6、摄像头7、光照控制系统8、环境控制系统9、集成控制系统10；

所述底位固定架2设置在所述箱体1底面上，所述旋转导轨3设置在所述底位固定架2上，所述支撑板连接架4设置在所述旋转导轨3上，所述培养基支撑板5设置在所述支撑板连接架4上，所述伺服控制系统6设置在所述旋转导轨3上，所述摄像头7设置在所述旋转导轨3上部，所述光照控制系统8设置在箱体1上，所述环境控制系统9设置在所述箱体1上。

进一步，所述环境控制系统9包括：空气交换系统、湿度控制系统、温度控制系。在环境控制系统中划分出恒温腔、恒压腔和制冷腔三个工作腔。整个箱体内部是通过控制的流动来达到温度的恒定的。空气通过从恒温腔流入半导体制冷片的制冷端，经过冷却后，在制冷腔中经过一次混合使控制的温度比较均匀。这些空气再从制冷腔中由交流风扇吹入恒压腔。通过气流的流动，使制冷片上产生的冷量传递到恒温腔内，保证恒温腔内的空气温度的稳定并使空间内的温度场均匀；

进一步，温度控制系统包括：PID控制器、固态继电器、加热丝、温度传感器、A/D转换器；

进一步，所述旋转导轨3受到所述伺服控制系统6控制，伺服控制系统6控制旋转导轨3的旋转，带动支撑板连接架4和培养基支撑板5旋转；

进一步，所述支撑板连接架4和所述培养基支撑板5在每个底位固定架2设置12组，支撑板连接架4与旋转导轨3活动链接，保证培养基支撑板4在导轨旋转3过程中根据重力的影响呈水平状态；

进一步，如图3所示，空气交换系统，包括进风管与出风管8，所述进风管上依次设置有送风机3和空调送风装置2。所述出风管8上有排风机6。所述出风管8的一端连接有热交换机1，所述热交换机1与所述进风管靠近空调送风装置2的那一端相连。在热交换机1与排风机6之间的那段出风管8上有过滤器5。

使用时，将进风管靠近送风机3的那一端和出风管8开机过滤器5的那一端伸入到室内4，启动空调送风装置2、排风机6、热交换机1、送风机3和过滤器5即可。在热交换机与排风机之间的出风管上有过滤器；

所述送风机上设置有用于监测箱体内湿度的湿度控制系统和用于监测箱体内温度的温度控制系统；

所述过滤器包括壳体，所述壳体上部设置有进气管，所述壳体的下部设置有排污管，所述壳体内部设置有滤芯，所述滤芯包括上支撑板和下支撑板，在上支撑板和下支撑板之间安装有可折叠的环状过滤网，下支撑板上设置有出气管，出气管的出气端伸出壳体外。

进一步，所述过滤网上放置有过滤材料；

所述过滤材料在流动方向上具有递减的孔径，所述过滤材料包括流入侧的基底层和流出侧的细纤维层，特别是熔喷层，在所述基底层和所述细纤维层之间布置有连接区域，所述过滤材料的厚度d＞0.35mm，至少在所述基底层的流入侧的一侧设置浸渗体；

所述基底层包括纤维素，含有或不含有人造纤维组分，所述基底层的孔具有65～85μm，特别为74μm的孔径，所述细纤维层的孔具有30～40μm的孔径，所述细纤维层包括聚酰胺，聚乙烯、聚酯或聚丙烯的纤维，所述细纤维层包括直径为1.5～5μm；

所述基底层和/或所述细纤维层和/或所述连接区域在流动方向上具有递减的孔径，所述连接区域的孔具有30～35μm的孔径；和/或连接区域形成为粘结层，所述基底层的透气率总计为840l/m²s；和/或所述细纤维层的透气率总计为645l/m²s；和/或所述过滤材料的透气率总计为355l/m²s；；

所述浸渗体形成为在热的作用下交联的固化浸渗体；或所述浸渗体形成为非固化浸渗体，所述浸渗体包括酚醛树脂、丙烯酸酯或环氧树脂。

进一步，所述PID控制器的参数优化方法，以每一组可行的PID控制参数作为一个粒子，利用梯度修正粒子群优化算法搜索出最优的PID控制器参数；所述梯度修正粒子群优化算法具体包括以下步骤：

首先确定粒子种群数量N和优化最大代数k_max；

其次在粒子的取值范围内初始化粒子种群每一个粒子的位置和速度；

再次判断每个粒子的位置是否违反预设的不等式约束条件，对于违反不等式约束条件的粒子，则使用梯度修正方法将违反不等式约束条件的粒子的位置进行修正，使修正后的粒子的位置满足不等式约束条件；对于任意一个位置为x的违反了不等式约束条件的粒子，按照以下梯度修正方法修正位置：

步骤1、以所要修正的粒子位置x作为初始值x⁰；

步骤2、按下式修正所述粒子的位置：

$X^{t+1}=x^t+{\left({\▿}_x{v}^t\right)}^{+}\×\mathrm{\Δ}{v}^t;$

式中，x^t、x^t+1分别表示第t次、第t+1次修正后的粒子位置，t＝0，1，2，3…；

Δv^t＝Min{0，-g(x^t)}为第t次修正后粒子位置的约束违反变量，g(·)表示括号中粒子位置的不等式约束条件函数值；表示第t次修正后粒子位置的约束函数变化率变量的伪逆，e为预设的扰动小量；

步骤3、判断x^t+1是否违反所述不等式约束条件，如是，则转至步骤2；如否，则以当前的x^t+1作为最终的粒子位置修正值并退出；

然后计算每一个粒子的性能指标函数值；

计算每个粒子的个体最优值p_i和当前粒子种群最优值p_g，如粒子当前值优于p_i，则将粒子当前值设置为p_i，如全部粒子当前值中有优于p_g的粒子，则将该粒子当前值设置为p_g；

判断当前最优值是否满足性能指标停止条件或达到最大优化代数，如满足二者之一即停止算法并转到输出最优粒子的位置和对应的性能指标函数值；

更新每个粒子的位置并转到判断每个粒子的位置是否违反预设的不等式约束条件；

输出最优粒子的位置和对应的性能指标函数值。

进一步，所述PID控制器为鲁棒PID控制器；

所述梯度修正粒子群优化算法中粒子的性能指标函数具体如下：

J＝‖|w₁(s)S(s)|+|w₂(s)T(s)|‖；

式中，S(s)和T(s)分别为灵敏度函数和补灵敏度函数，w₁(s)和w₂(s)分别为灵敏度权函数和补灵敏度权函数，e为控制误差；

所述梯度修正粒子群优化算法中的不等式约束条件具体如下：

Re[λ_max(∑[x])]＜0；

其中，λ_max(∑[x])表示所要控制的闭环系统∑[x]的最大极点。

进一步，所述固态继电器包括壳体，所述壳体的内部设置有散热装置和保险丝，所述壳体的内部还设置有与保险丝相适配的固定座；

所述壳体内部设置有分别与所述保险丝和外部控制设备相配合的断路报警装置；

所述固定座的两端分别设置有可拆卸地与所述保险丝的金属端头相卡接的金属卡片；

所述散热装置为散热片；散热片包括底座、金属导热片和贴装在所述金属导热片上的导热翅片，所述的金属导热片呈折线形安装在底座上；

所述金属导热片为奇数片，交叉安装在底座上；

所述的导热翅片成排、错位的贴装在金属导热片上；

所述金属导热片为铝合金材质；

所述壳体的厚度为28毫米。

本发明采用了PID控制算法，利用PWM控制升温，控制精度更高，温度稳定性好，温度大约在0.2摄氏度左右。热量的传递采用了对流的方式，解决了辐射对棉花种子的影响。本发明提供了一种科学、合理的控制影响作物种子发芽率，通过计算机控制设备进行环境控制，提高产品的质量、量产、经济价值和社会效益，同时尽量降低生产成本的智能恒温棉花育种装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能恒温棉花育种装置，其特征在于，所述智能恒温棉花育种装置设置有箱体，所述箱体内部设置有环境控制系统；

所述环境控制系统包括：空气交换系统、湿度控制系统、温度控制系统；所述空气交换系统连接湿度控制系统、温度控制系统；

所述温度控制系统包括：PID控制器、固态继电器、加热丝、温度传感器、A/D转换器。

2.如权利要求1所述的智能恒温棉花育种装置，其特征在于，所述箱体的底面安装有固定架，旋转导轨设置在底位固定架上，支撑板连接架设置在旋转导轨上，培养基支撑板设置在支撑板连接架上，伺服控制系统设置在旋转导轨上，摄像头设置在旋转导轨上部，光照控制系统设置在箱体上，环境控制系统设置在箱体上。

3.如权利要求2所述的智能恒温棉花育种装置，其特征在于，所述支撑板连接架和所述培养基支撑板在每个底位固定架设置12组，支撑板连接架与旋转导轨活动链接。

4.如权利要求1所述的智能恒温棉花育种装置，其特征在于，所述空气交换系统，包括进风管与出风管；所述进风管上依次有送风机和空调送风装置；所述出风管上有排风机；所述出风管的一端连接有热交换机；所述热交换机与所述进风管靠近空调送风装置的一端相连；

在热交换机与排风机之间的出风管上有过滤器；

所述送风机上设置有用于监测箱体内湿度的湿度控制系统和用于监测箱体内温度的温度控制系统；

所述过滤器包括壳体，所述壳体上部设置有进气管，所述壳体的下部设置有排污管，所述壳体内部设置有滤芯，所述滤芯包括上支撑板和下支撑板，在上支撑板和下支撑板之间安装有可折叠的环状过滤网，下支撑板上设置有出气管，出气管的出气端伸出壳体外。

5.如权利要求4所述的智能恒温棉花育种装置，其特征在于，所述过滤网上放置有过滤材料；

所述过滤材料在流动方向上具有递减的孔径，所述过滤材料包括流入侧的基底层和流出侧的细纤维层，特别是熔喷层，在所述基底层和所述细纤维层之间布置有连接区域，所述过滤材料的厚度d＞0.35mm，至少在所述基底层的流入侧的一侧设置浸渗体；

所述基底层包括纤维素，含有或不含有人造纤维组分，所述基底层的孔具有65～85μm，特别为74μm的孔径，所述细纤维层的孔具有30～40μm的孔径，所述细纤维层包括聚酰胺，聚乙烯、聚酯或聚丙烯的纤维，所述细纤维层包括直径为1.5～5μm；

所述基底层和/或所述细纤维层和/或所述连接区域在流动方向上具有递减的孔径，所述连接区域的孔具有30～35μm的孔径；和/或连接区域形成为粘结层，所述基底层的透气率总计为840l/m²s；和/或所述细纤维层的透气率总计为645l/m²s；和/或所述过滤材料的透气率总计为355l/m²s；

所述浸渗体形成为在热的作用下交联的固化浸渗体；或所述浸渗体形成为非固化浸渗体，所述浸渗体包括酚醛树脂、丙烯酸酯或环氧树脂。

6.如权利要求1所述的智能恒温棉花育种装置，其特征在于，所述PID控制器的参数优化方法，以每一组可行的PID控制参数作为一个粒子，利用梯度修正粒子群优化算法搜索出最优的PID控制器参数；所述梯度修正粒子群优化算法具体包括以下步骤：

首先确定粒子种群数量N和优化最大代数k_max；

其次在粒子的取值范围内初始化粒子种群每一个粒子的位置和速度；

再次判断每个粒子的位置是否违反预设的不等式约束条件，对于违反不等式约束条件的粒子，则使用梯度修正方法将违反不等式约束条件的粒子的位置进行修正，使修正后的粒子的位置满足不等式约束条件；对于任意一个位置为x的违反了不等式约束条件的粒子，按照以下梯度修正方法修正位置：

步骤1、以所要修正的粒子位置x作为初始值x⁰；

步骤2、按下式修正所述粒子的位置：

$X^{t+1}=x^t+{\left({\▿}_x{v}^t\right)}^{+}\×{\mathrm{\Δv}}^t;$

式中，x^t、x^t+1分别表示第t次、第t+1次修正后的粒子位置，t＝0，1，2，3...；

Δv^t＝Min{0，-g(x^t)}为第t次修正后粒子位置的约束违反变量，g(·)表示括号中粒子位置的不等式约束条件函数值；表示第t次修正后粒子位置的约束函数变化率变量的伪逆，e为预设的扰动小量；

步骤3、判断x^t+1是否违反所述不等式约束条件，如是，则转至步骤2；如否，则以当前的x^t+1作为最终的粒子位置修正值并退出；

然后计算每一个粒子的性能指标函数值；

计算每个粒子的个体最优值p_i和当前粒子种群最优值p_g，如粒子当前值优于p_i，则将粒子当前值设置为p_i，如全部粒子当前值中有优于p_g的粒子，则将该粒子当前值设置为p_g；

判断当前最优值是否满足性能指标停止条件或达到最大优化代数，如满足二者之一即停止算法并转到输出最优粒子的位置和对应的性能指标函数值；

更新每个粒子的位置并转到判断每个粒子的位置是否违反预设的不等式约束条件；

输出最优粒子的位置和对应的性能指标函数值。

7.如权利要求6所述的智能恒温棉花育种装置，其特征在于，所述PID控制器为鲁棒PID控制器；

所述梯度修正粒子群优化算法中粒子的性能指标函数具体如下：

J＝|||w₁(s)S(s)|+|w₂(s)T(s)|||；

式中，S(s)和T(s)分别为灵敏度函数和补灵敏度函数，w₁(s)和w₂(s)分别为灵敏度权函数和补灵敏度权函数，e为控制误差；

所述梯度修正粒子群优化算法中的不等式约束条件具体如下：

Re[λ_max(∑[x])]＜0；

其中，λ_max(∑[x])表示所要控制的闭环系统∑[x]的最大极点。

8.如权利要求1所述的智能恒温棉花育种装置，其特征在于，所述固态继电器包括壳体，所述壳体的内部设置有散热装置和保险丝，所述壳体的内部还设置有与保险丝相适配的固定座；

所述壳体内部设置有分别与所述保险丝和外部控制设备相配合的断路报警装置；

所述固定座的两端分别设置有可拆卸与所述保险丝的金属端头相卡接的金属卡片；

所述散热装置为散热片；散热片包括底座、金属导热片和贴装在所述金属导热片上的导热翅片，所述的金属导热片呈折线形安装在底座上；

所述金属导热片为奇数片，交叉安装在底座上；

所述的导热翅片成排、错位的贴装在金属导热片上；

所述金属导热片为铝合金材质；

所述壳体的厚度为28毫米。