CN1561677A - 一种以温度优先的温室环境控制技术 - Google Patents

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胡永光
张作贵
王新忠
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Abstract

本发明涉及设施农业环境控制方法和技术领域，特指一种适于现代化温室环境控制的以温度优先的温室环境控制技术。其在温度、湿度、光照及CO2浓度的综合控制时，将周年分为夏半年和冬半年两种情况，以温度为主控参数，采取天窗、侧窗、遮阳网、风机、喷淋或湿帘、保温幕、加热器等控制机构不同的动作组合，优先保证温度在适宜范围，协调进行湿度、光照和CO2浓度的控制。且按一级和二级控制规则分别实施温度控制，一级控制是按照控制效果和成本的大小排列，二级控制指有一定风速风向、雨雪以及极端天气条件下的限制规则进行温室环境的综合控制，其环境控制措施较多，控制效果明显，降低了控制成本，达到温室周年生产的高产、优质、高效。

Description

一种以温度优先的温室环境控制技术
所属技术领域
本发明涉及设施农业环境控制方法和技术领域，特指一种适于现代化温室环境控制的以温度优先的温室环境控制技术，用以实现对温室作物生长环境的动态控制，降低控制成本，达到温室周年生产的高产、优质、高效。
背景技术
温室环境的调节控制是温室生产的重要内容之一，它利用工程技术手段，根据作物生理生态要求，实现对温、湿、光、水、肥、气等的控制，保证作物适宜的生长环境。但是在环境控制技术上，根据作物生长的最佳环境条件，结合控制成本的计算来编制动态控制软件以实行智能控制方面，还比较薄弱。目前环境调控参数的选择还是根据经验进行人为设定，无论从作物生产量还是从经济效益来看，都达不到优化的目标。
国外像荷兰、美国、日本和以色列等国家在温室环境控制技术和参数优化方面，研究水平先进，应用程度也较高。如日本的四段变温管理技术已在果菜类蔬菜生产中应用较为普遍；P.Jones等(1990)将环境控制模型与番茄生长模型结合起来，确定了温室内番茄生长的最佳温度设定值；I.Seginer等(1994)利用神经网络模型模拟温室小气候并用于环境控制；另外还有丹麦的CO2施肥专家系统OPTICO等。综合环境因子的研究也有，如J.W.Jones等(1989)通过模拟番茄动态生长过程来优化控制温度和CO2浓度，另外还有日本的葡萄补光与CO2施肥栽培技术，德国的以光照为基准(但不作为主控参数)的变温管理技术等。K.G.Arvanitrs(2000)提出了适应的温度控制策略，主要解决温室内作物生长环境中温度与作物的适应性问题，G.D.Pasgianos(2003)研究了温室内环境控制中的非线性反馈技术，对温度与湿度的相互耦合和影响关系给出了计算，同时改进了温室中控制系统的算法。通过查询，温室内环境优化控制策略尤其是以温度优先为策略的温室环境控制技术目前在国外并无专利申请，国外专利申请主要体现在新类型的温室结构和温室设备、作物生长系统以及栽培的方法上。
国内在环境优化控制研究方面，大都还停留在单因素水平，综合环境参数亟待进一步的深入研究。温室环境控制技术普遍采用设定值控制方式，即温度、湿度、光照等环境参数控制均设定一个上限和下限，控制的要求就是保证温度、湿度、光照等环境参数在设定的范围内。江苏大学农业装备工程研究院(2000～2002)利用神经网络和模糊控制技术初步实现了温室CO2和温度的控制。李志伟等(2002)以温度为主控参数对温室综合环境控制系统进行研制，但其研究对象针对日光温室，且其理想温度变化周期曲线不明确，环境控制措施(特别是夏季的降温措施)和效果也有限，不能适用现代化温室环境控制的要求。
发明内容
在温室的诸多环境因子中，温度和光照是最重要的两个，而在目前的温室环境控制措施中，由于补光的成本太高，实际生产中大多只是进行遮光控制，所以温度是优先进行控制的参数。本发明的目的是采用以温度优先的控制规则，充分考虑温室内外的温度、湿度、光照、CO2浓度之间的相互影响和相互作用，进行温室环境的综合控制，改善控制效果、降低控制成本。
本发明解决上述技术问题所采用的具体技术方案是：
温室设有天窗、侧窗(对于塑料温室侧窗指侧面的卷帘)、遮阳网(内或外)、风机、喷淋或湿帘(选其一)、保温幕、加热器等控制机构和设备，在温度、湿度、光照及CO2浓度的综合控制时，将周年分为夏半年和冬半年两种情况，以温度为主控参数，采取天窗、侧窗、遮阳网、风机、喷淋或湿帘、保温幕、加热器等控制机构不同的动作组合，优先保证温度在适宜范围，如温室主要蔬菜作物的温度适宜范围为：生菜15～20℃、番茄22～28℃、黄瓜22～28℃、甜椒18～26℃。湿度、光照和CO2浓度控制在保证温度控制达到上述调控要求的基础上协调进行。
其中将周年分为夏半年和冬半年两种情况，不同地区有所变化，如在江南地区可以把从4月中旬至10月中旬作为夏半年，把10月下旬至第二年的4月上旬作为冬半年；在一天当中分为上午、下午和夜间三个时段；天气状况分为晴、多云和阴雨三种情况。
在实施温度控制时，按一级控制规则和二级控制规则进行。
一级控制规则是按照控制效果和成本的大小排列，即控制效果由低到高、控制成本由低到高的顺序，如表1、2所示。
                            表1  夏半年温度控制一级控制规则表
    -4     -3     -2     -1     0     +1     +2     +3     +4
    天窗二组关     1     ☆
    天窗一组关     1     1     ☆
    侧窗二组关     1     1     1     ☆
    侧窗一组关     1     1     1     1     ☆
    天窗开卷帘开     ☆     ☆     ☆     ☆     ☆     ☆     ☆     ☆     ☆
    内或外遮阳网开(只取其一) ☆ 1 1 1 1
    风机一组开     ☆     1     1     1
    风机二组开     ☆     1     1
    喷淋(或湿帘)开     ☆     1
                            表2、冬半年温度控制一级控制规则表
  -5   -4   -3   -2   -1     0   +1   +2   +3   +4   +5
    加温器2   1     ☆
    加温器1   1   1     ☆
    内保温幕开   1   1   1     ☆
    天窗全关   1   1   1   1     ☆
    天窗一的1/2关天窗二关 0 1 1 1 1 ☆
    天窗一、二的1/2关侧窗全关 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆
    天窗一开     ☆   1   1   1   1   1
    天窗二开     ☆   1   1   1   1
    南窗全开     ☆   1   1   1
    东西窗全开     ☆   1   1
    北窗帘开     ☆   1
表1中，①侧窗成对开，南北为一组、东西为另一组，对于塑料温室侧窗指侧面的卷帘；②天窗和风机设为两组，也可以简化为一组；③遮阳网内或外两者选其一，喷淋或湿帘两者选其一。④夏半年每一种控制执行机构动作分别对应-4、-3、-2、-1、0、+1、+2、+3、+4等9种温度状态，其中中间状态0表示作物处于适宜范围的温度条件下，+1、+2、+3、+4表示温度大于适宜范围一个、两个、三个、四个级差，-4、-3、-2、-1则反之，每个级差温度为1～3℃。⑤表中“1”表示执行机构动作，“0”表示不动作。
表2中，①冬半年每一种控制执行机构动作分别对应-5、-4、-3、-2、-1、0、+1、+2、+3、+4、+5等11种温度状态；②天窗一、二的1/2关表示天窗一组和天窗二组各开1/2开度，对于天窗能开1/4、3/4的照此执行，不再细表；③其他含义同上
二级控制规则为限制修正控制规则，一级控制规则受二级控制规则的限制，二级控制规则指有一定风速风向、雨雪以及极端天气条件下的限制规则。①风很大(风速超过6～8级)强行关闭天窗、侧窗、外遮阳网；②下雨时，天窗一组与二组均强行关闭；③刮风同时下雨时，什么风向就关什么窗，即刮东风就关东窗；④光照很弱时(如室内光强低于3Klx)，收起遮阳网。⑤保温幕夜间才张开，白天将内保温幕收起；⑥当温室环境温度达到作物要求的最高温度时，开启遮阳网(内或外)、风机、喷淋或湿帘等降温机构组合；当温室环境温度达到作物要求的最低温度时，天窗、侧窗、保温幕均闭合，并开启全部加热器。
本发明的优点在于采用以温度优先的控制规则，充分考虑温室内外的温度、湿度、光照、CO2浓度等多因数之间的相互影响和相互作用，进行温室环境的综合控制，环境控制措施较多，控制效果明显，降低了控制成本，可满足现代化温室环境控制的要求。
附图说明
图1为环境控制软件程序流程图
具体实施方式
以下结合附图表对本发明作进一步详细描述。
例如，有这样一个塑料温室：温室走向为南北向，结构设施包括①天窗两组，都开在一边，在西边；②卷帘成对开，即南北同时开、东西同时开；③遮阳网只有内或外一组；④风机两组，装在南面；⑤喷淋或湿帘(装在北面)选其一。
表1是夏半年温度控制例，在第一级控制规则表中，有如下9种控制措施：天窗二组关、天窗一组关、东西卷帘关、南北卷帘关、天窗开卷帘开、内或外遮阳网开(只取其一)、风机一组开、风机二组开、喷淋(或湿帘)开。每一种措施分别对应-4、-3、-2、-1、0、+1、+2、+3、+4等9种温度状态，其中中间状态0表示作物处于适宜的温度条件下，无需调控，对应的执行机构状态是天窗卷帘全打开，这也是该季节时段所处的最多的一种状态。+1状态表示温度大于适宜范围一定的值，需要采取其对应的措施：内或外遮阳网开(只取其一)，其它几个状态的情况与此类同。这里控制规则严格按照控制效果和成本的优先级进行，即控制效果有低到高、控制成本由低到高的顺序。
需要说明的是，表1中“1”表示执行机构动作，“0”表示不动作。考虑到夏半年多东南风，首先关南北卷帘。
在考虑以上控制策略时，同时要附加限制条件，主要有：风向、风速、雨、光照强度以及作物生长要求等。以下是针对每一个温度状态给定的限制规则：
-4——无需限制；
-3——在西风很大(风速超过安全风速)或下雨时，天窗二组强行关闭，即取状态为“1”，此时可考虑开起南北卷帘；
-2——在西风很大或下雨时，天窗一组与二组均强行关闭，即均取状态为1，此时可考虑开起南北卷帘；
-1——在西风很大或下雨时，天窗一组、二组和西卷帘均强行关闭，即均取状态为1，此时可考虑开起南北卷帘；东风很大时，关东卷帘；
0——在西风很大或下雨时，天窗一组、二组和西卷帘均强行关闭，即均取状态为1，此时可考虑开起南北卷帘；东风很大时，关东卷帘；南(或北)风很大时，关南(或北)卷帘，若不下雨，可考虑开天窗；
+1——在风速很大或光照很弱时(如可以设定为室内光强低于3Klx)，收起外遮阳网；
+2——风机开起前要关闭天窗、东西卷帘和；若风速适中，可关闭风机，同时打开所有卷帘和所有天窗；
+3——风机开起前要关闭天窗、东西卷帘；若风速适中，可关闭风机，同时打开所有卷帘和所有天窗
+4——对于有湿帘的温室：风机开起前要关闭天窗、东西卷帘和南卷帘(若有南卷帘)；若南北向风速合适，可关闭风机，同时打开南北卷帘；
对于有喷淋的温室：关闭天窗、东西卷帘和北卷帘。若南北向风速合适，关闭风机，同时打开南北卷帘。
根据以上控制规则，编制相应的的控制软件，其流程图如图1所示。其中第一个判断框中的“设定值”是根据各种条件确定的一个动态的合理温度值，等级N是对应9种温度状况的级别。

Claims (3)

1.以温度优先的温室环境控制技术，其特征在于：温室设有天窗、侧窗(对于塑料温室侧窗指侧面的卷帘)、遮阳网(内或外)、风机、喷淋或湿帘(选其一)、保温幕、加热器等控制机构和设备，在温度、湿度、光照及CO2浓度的综合控制时，将周年分为夏半年和冬半年两种情况，以温度为主控参数，采取天窗、侧窗、遮阳网、风机、喷淋或湿帘、保温幕、加热器等控制机构不同的动作组合，优先保证温度在适宜范围，湿度、光照和CO2浓度控制在保证温度控制达到上述调控要求的基础上协调进行。
2.如权力要求1所述的以温度优先的温室环境控制技术，其特征在于：温度控制分夏半年和冬半年，分别按表1、表2的一级控制规则进行；
                             表1夏半年温度控制一级控制规则表     -4     -3     -2     -1     0   +1   +2   +3   +4     天窗二组关     1     ☆     天窗一组关     1     1     ☆     侧窗二组关     1     1     1     ☆     侧窗一组关     1     1     1     1     ☆     天窗开卷帘开     ☆     ☆     ☆     ☆     ☆   ☆   ☆   ☆   ☆     内或外遮阳网开(只取其一) ☆ 1 1 1 1     风机一组开     ☆   1   1   1     风机二组开     ☆   1   1     喷淋(或湿帘)开     ☆   1
表1中，①侧窗成对开，南北为一组、东西为另一组；②天窗和风机设为两组，也可以简化为一组；③遮阳网内或外两者选其一，喷淋或湿帘两者选其一。④夏半年每一种控制执行机构动作分别对应-4、-3、-2、-1、0、+1、+2、+3、+4等9种温度状态，其中中间状态0表示作物处于适宜范围的温度条件下，+1、+2、+3、+4表示温度大于适宜范围一个、两个、三个、四个级差，-4、-3、-2、-1则反之，每个级差温度为1～3℃。⑤表中“1”表示执行机构动作，“0”表示不动作；
表2中，①冬半年每一种控制执行机构动作分别对应-5、-4、-3、-2、-1、0、+1、+2、+3、+4、+5等11种温度状态；②天窗一、二的1/2关表示天窗一组和天窗二组各开1/2开度，对于天窗能开1/4、3/4的照此执行，不再细表；③其他含义同上；
                        表2、冬半年温度控制一级控制规则表   -5     -4     -3     -2 -1     0 +1 +2 +3 +4 +5     加温器2   1     ☆     加温器1   1     1     ☆     内保温幕开   1     1     1     ☆     天窗全关   1     1     1     1     ☆     天窗一的1/2关天窗二关 0 1 1 1 1 ☆     天窗一、二的1/2关侧窗全关 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆     天窗一开     ☆ 1 1 1 1 1     天窗二开     ☆ 1 1 1 1     南窗全开     ☆ 1 1 1     东西窗全开     ☆ 1 1     北窗帘开     ☆ 1
3.如权力要求2所述的以温度优先的温室环境控制技术，其特征在于：制定了有一定风速风向、雨雪以及极端天气条件下的二级控制规则，其为限制修正控制规则，一级控制规则受二级控制规则的限制：①风很大(风速超过6～8级)强行关闭天窗、侧窗、外遮阳网；②有雨雪时，天窗一组与二组均强行关闭；③刮风同时下雨时，什么风向就关什么窗，即刮东风就关东窗；④光照很弱时(室内光强低于3Klx)，收起遮阳网；⑤保温幕夜间才张开，白天将内保温幕收起；⑥当温室环境温度达到作物要求的最高温度时，开启遮阳网(内或外)、风机、喷淋或湿帘等降温机构组合；当温室环境温度达到作物要求的最低温度时，天窗、侧窗、保温幕均闭合，并开启全部加热器。
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