淺析溫室降溫模式自動(dòng)切換控制范文

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摘要：我國南方地區(qū)的溫室普遍采用多種開關(guān)降溫設(shè)備．對于種植戶來說，如何實(shí)現(xiàn)多種開關(guān)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制是個(gè)重要的問題．根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的開關(guān)組合，劃分了溫室的運(yùn)行模式，并把溫室系統(tǒng)看作是在多種運(yùn)行模式之間不斷切換的切換系統(tǒng)．根據(jù)不同運(yùn)行模式的降溫效果，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)切換控制方法．仿真結(jié)果表明，該控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)溫室不同運(yùn)行模式的自動(dòng)切換控制，且簡單易行，應(yīng)用方便．

關(guān)鍵詞：溫室；降溫；切換控制

引言

經(jīng)過近30年的努力，我國溫室建設(shè)與生產(chǎn)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前溫室面積已躍居世界第一位［1］．在我國南方地區(qū)，由于溫室在一年大部分時(shí)間內(nèi)都需要降溫操作，因此該地區(qū)溫室內(nèi)通常安裝有多種降溫設(shè)備，如天窗、風(fēng)扇、濕簾和遮陽網(wǎng)等．這些設(shè)備通常采用開關(guān)控制方式．開關(guān)控制的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格低、易操作以及易維護(hù)等，但這種方式增加了設(shè)計(jì)溫室小氣候環(huán)境控制方法的難度．經(jīng)典控制理論與方法和現(xiàn)代控制理論與方法均難以應(yīng)用于這類系統(tǒng)．因此，對于種植戶來說，如何實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的自動(dòng)協(xié)調(diào)控制是個(gè)難題．至今，許多種植戶仍采用手動(dòng)切換不同設(shè)備的方式，非常費(fèi)力．為了避免手動(dòng)切換的繁瑣，種植戶多數(shù)時(shí)候只使用風(fēng)扇降溫，即僅使用機(jī)械通風(fēng)這一種降溫模式．但是，忽略其他降溫模式會(huì)導(dǎo)致溫室運(yùn)行能耗增加，這有悖于溫室建設(shè)時(shí)安裝多種降溫設(shè)備的初衷．目前針對溫室系統(tǒng)普遍采用開關(guān)設(shè)備的研究文獻(xiàn)并不多．宮赤坤等［2］針對一個(gè)包含天窗、南卷簾、北卷簾、東西卷簾、遮陽網(wǎng)、風(fēng)扇、噴淋等多種開關(guān)設(shè)備的溫室，根據(jù)設(shè)備對溫室溫濕度影響的強(qiáng)弱程度，對設(shè)備進(jìn)行了等級劃分，然后采用模糊控制方法對其進(jìn)行了仿真研究．隨后，他們又采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對模糊控制規(guī)則進(jìn)行了優(yōu)化［3－4］．王子洋等［5］根據(jù)溫室不同設(shè)備的開關(guān)組合狀態(tài)建立了溫室切換系統(tǒng)，并基于每種組合下的模型預(yù)測結(jié)果來優(yōu)化設(shè)備的開關(guān)控制．秦琳琳及Ma等［6－7］考慮室內(nèi)溫度，構(gòu)建了溫室天窗的混雜邏輯動(dòng)態(tài)模型，并實(shí)現(xiàn)了溫室天窗的開關(guān)控制．隨后，陽斌和秦琳琳等［8－9］均從混雜自動(dòng)機(jī)建模的角度研究了溫室天窗的開關(guān)控制．儲(chǔ)著東等［10］基于混雜自動(dòng)機(jī)理論，結(jié)合天窗、風(fēng)扇和濕簾這3種降溫設(shè)備，研究了夏季溫室溫度調(diào)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制．上述研究成果已將混雜系統(tǒng)的概念引入到溫室系統(tǒng)，對溫室小氣候環(huán)境控制具有積極意義．本文根據(jù)不同設(shè)備運(yùn)行的開關(guān)組合，劃分了溫室系統(tǒng)的運(yùn)行模式，并把溫室系統(tǒng)看作是在多種運(yùn)行模式之間不斷切換的切換系統(tǒng)．然后根據(jù)不同運(yùn)行模式的降溫效果來設(shè)計(jì)自動(dòng)切換控制方法，以實(shí)現(xiàn)多種開關(guān)設(shè)備的自動(dòng)協(xié)調(diào)控制．

1溫室降溫切換控制系統(tǒng)

這里考慮天窗、風(fēng)扇、濕簾和外遮陽網(wǎng)這4種常見設(shè)備，每種設(shè)備僅具有ON／OFF兩種工作狀態(tài)．雖然天窗和外遮陽網(wǎng)可以連續(xù)調(diào)節(jié)，但實(shí)際溫室中通常沒有反饋單元，因此不能實(shí)施連續(xù)控制．首先，根據(jù)天窗、風(fēng)扇、濕簾這3種設(shè)備的開關(guān)組合來劃分溫室系統(tǒng)的運(yùn)行模式．3種設(shè)備共有8種開關(guān)組合．不過，由于3種設(shè)備的工作組合具有一定約束關(guān)系，因此部分組合沒有實(shí)際意義．例如，開啟濕簾時(shí)，要求必須開風(fēng)扇、關(guān)天窗．根據(jù)溫室的實(shí)際運(yùn)行情況，最終確定了4種有意義的運(yùn)行模式，分別稱之為被動(dòng)模式、自然通風(fēng)模式、機(jī)械通風(fēng)模式和濕簾—風(fēng)扇降溫模式．被動(dòng)模式為所有設(shè)備均不工作時(shí)溫室所處的狀態(tài)．溫室降溫過程實(shí)際上是在這4種運(yùn)行模式之間不斷切換的過程，因此溫室系統(tǒng)可以看作是一個(gè)切換系統(tǒng)．由于外遮陽網(wǎng)的工作狀態(tài)取決于室外太陽輻射強(qiáng)度，可以與上述4種運(yùn)行模式任意重合，所以沒有將其納入到溫室運(yùn)行模式的劃分之中．溫室降溫切換控制系統(tǒng)如圖1所示。在被動(dòng)模式下，當(dāng)室外太陽輻射不斷透射至溫室內(nèi)時(shí)，由于溫室的密閉性以及覆蓋層形成的溫室效應(yīng)，室內(nèi)熱量不斷增加，溫度也相應(yīng)地逐漸升高，因此被動(dòng)模式具有保溫和升溫的效果．自然通風(fēng)是通過開啟天窗或側(cè)窗等方式來實(shí)現(xiàn)的．這種模式下室內(nèi)外空氣形成對流，因而具有一定的降溫效果．由于自然通風(fēng)模式幾乎不消耗電能源，因此自然通風(fēng)在溫室生產(chǎn)過程中被廣泛使用．但是，自然通風(fēng)受通風(fēng)窗口面積以及室外風(fēng)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(jī)械通風(fēng)的降溫能力較強(qiáng)，受室外風(fēng)速影響很小，降溫效果更為穩(wěn)定．就這兩種降溫模式來說，它們均不能把室內(nèi)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(nèi)溫度，需要采用濕簾—風(fēng)扇降溫模式．濕簾—風(fēng)扇降溫是根據(jù)水蒸發(fā)吸熱原理來達(dá)到室內(nèi)降溫目的的，具有更強(qiáng)的降溫能力．在這3種降溫模式中，后兩種模式在其運(yùn)行過程中持續(xù)消耗電能源．為了減少溫室運(yùn)行能耗，后兩種模式一般不宜長時(shí)間運(yùn)行．

2溫室降溫切換控制方法

對于切換系統(tǒng)來說，實(shí)現(xiàn)其控制的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合適的切換規(guī)則．根據(jù)以上對溫室降溫切換系統(tǒng)的描述，下面將根據(jù)不同運(yùn)行模式的降溫能力來設(shè)計(jì)切換控制規(guī)則．為了方便描述，使用符號TH表示室內(nèi)溫度上限設(shè)定值，符號TL表示下限設(shè)定值，符號Tstop表示機(jī)械通風(fēng)降溫和濕簾—風(fēng)扇降溫的停止閾值．對于該控制系統(tǒng)來說，理想狀態(tài)是將室內(nèi)溫度控制在設(shè)定范圍（TL，TH）內(nèi)．假設(shè)溫室初始處于被動(dòng)模式，且外遮陽網(wǎng)卷起，室內(nèi)溫度在設(shè)定范圍（TL，TH）內(nèi)．切換控制方法設(shè)計(jì)如下：（1）當(dāng)室內(nèi)溫度上升至上限設(shè)定值TH時(shí)，溫室由被動(dòng)模式切換至降溫能力較弱的自然通風(fēng)模式．（2）在自然通風(fēng)模式下，如果室內(nèi)溫度降至TL，溫室則由自然通風(fēng)模式切換至被動(dòng)模式；如果室內(nèi)溫度長時(shí)間持續(xù)在TH以上，或降低后再次上升至TH，溫室則由自然通風(fēng)模式切換至機(jī)械通風(fēng)模式．這里設(shè)置長時(shí)間持續(xù)時(shí)間的限制為6min．（3）在機(jī)械通風(fēng)模式下，如果室內(nèi)溫度降至Tstop，那么溫室切換至自然通風(fēng)模式；如果室內(nèi)溫度降低后再次上升至TH，則切換至濕簾—風(fēng)扇降溫模式；或者機(jī)械通風(fēng)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)不能把室內(nèi)溫度降至Tstop，也切換至濕簾—風(fēng)扇降溫模式．這里設(shè)置規(guī)定時(shí)間也為6min．（4）在濕簾—風(fēng)扇降溫模式下，當(dāng)室內(nèi)溫度降至Tstop時(shí)，規(guī)定溫室切換至自然通風(fēng)模式．在上述切換過程中，當(dāng)室內(nèi)溫度被調(diào)節(jié)到設(shè)定范圍（TL，TH）內(nèi)時(shí)，記住最后一次所采取的降溫模式．當(dāng)室內(nèi)溫度再次上升至TH時(shí)，溫室自動(dòng)采取上一次所采取的降溫模式．這樣，在每次降溫操作時(shí)，無需都從自然通風(fēng)模式開始，由此避免了運(yùn)行模式的頻繁切換．外遮陽網(wǎng)的控制單獨(dú)進(jìn)行．在上述過程中，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，展開外遮陽網(wǎng)；當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)，則卷起外遮陽網(wǎng)．為避免遮陽網(wǎng)頻繁開關(guān)，設(shè)置其啟動(dòng)閾值略大于關(guān)閉閾值．根據(jù)以上分析，可以得到如圖2所示的溫室降溫系統(tǒng)的運(yùn)行模式切換機(jī)制．

3仿真試驗(yàn)

針對上述溫室降溫自動(dòng)切換控制要求和方法，本文采用文獻(xiàn)［11］中的溫室小氣候機(jī)理模型對其進(jìn)行仿真檢驗(yàn)．該模型充分考慮了溫室降溫系統(tǒng)的上述運(yùn)行模式．式中：ρa(bǔ)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(shí)間，s；Tin（t）為t時(shí)刻的室內(nèi)空氣溫度，℃；Qradin（t）為進(jìn)入溫室的太陽輻射功率，W；Qnv（t）為自然通風(fēng)所引起的熱功率損失，W；Qmv（t）為機(jī)械通風(fēng)所引起的功率損失，W；Qpf（t）為濕簾—風(fēng)扇降溫所引起的功率損失，W；Qexch（t）為室內(nèi)空氣通過覆蓋材料與室外空氣進(jìn)行熱交換而導(dǎo)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(guān)閉，1表示開啟）．根據(jù)溫室實(shí)際運(yùn)行情況和上述分析可知，決策變量在任何時(shí)間最多只能有一個(gè)取值為1，即滿足式（1）中的約束條件．我國南方地區(qū)夏季炎熱，室外溫度常在30℃以上，采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)均很難滿足降溫要求，因此，一般只能采用濕簾—風(fēng)扇降溫和遮陽降溫，即不會(huì)出現(xiàn)上述多種降溫模式相互之間不斷切換的現(xiàn)象．而在春秋季節(jié)，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(xiàn)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(shí)段．所需要的室外環(huán)境因子為空氣溫度（Temp）、相對濕度（RH）、太陽輻射強(qiáng)度（Rad）和風(fēng)速（Wind）．在所選擇的時(shí)段內(nèi)，4種環(huán)境因子隨時(shí)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(huán)境數(shù)據(jù)；Temp2，RH2，Rad2和Wind2依次為9日的環(huán)境數(shù)據(jù)．由于只有整點(diǎn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，因此采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合與插值處理．插值周期設(shè)置為1min．太陽輻射數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)［12］．筆者建立了南京地區(qū)逐時(shí)太陽能強(qiáng)度及其計(jì)算模型，并計(jì)算出了每月日照天數(shù)內(nèi)每h的平均輻射強(qiáng)度．這里選取了10月平均每d的逐時(shí)太陽輻射強(qiáng)度，然后采取RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擬合與插值處理．為使其接近實(shí)際測量值，在原始值的基礎(chǔ)上增加了±10％的隨機(jī)噪聲．由于風(fēng)速數(shù)據(jù)為風(fēng)力等級，而非具體的風(fēng)速數(shù)值，因此需要根據(jù)風(fēng)力等級對照表給風(fēng)力等級賦予具體的風(fēng)速值［13］．由于仿真中沒有考慮風(fēng)向的影響，因此選擇了每個(gè)風(fēng)力等級對應(yīng)的最小風(fēng)速值．設(shè)置室內(nèi)溫度上限為30℃，下限為22℃，機(jī)械通風(fēng)和濕簾—風(fēng)扇降溫的停止閾值溫度均設(shè)置為上下限的平均值．遮陽網(wǎng)啟動(dòng)閾值設(shè)置為320W／m2，關(guān)閉閾值設(shè)置為300W／m2．室內(nèi)溫度初始值設(shè)置為25℃，相對濕度為70％．為方便仿真，設(shè)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(jìn)行了仿真．

4仿真結(jié)果

2017年10月8日溫室內(nèi)溫度的仿真結(jié)果如圖4所示，運(yùn)行模式的切換過程如圖5所示；2017年10月9日溫室內(nèi)溫度的仿真結(jié)果如圖6所示，運(yùn)行模式的切換過程如圖7所示．在運(yùn)行模式的切換圖形中，以數(shù)字0，1，2，3分別對應(yīng)被動(dòng)模式、自然通風(fēng)模式、機(jī)械通風(fēng)模式和濕簾—風(fēng)扇降溫模式的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)線表示運(yùn)行模式的切換過程，以數(shù)字0和4分別表示遮陽網(wǎng)的關(guān)閉和展開狀態(tài)，虛線表示遮陽網(wǎng)的切換過程．上述仿真結(jié)果表明，本文所提出的控制方法能夠?qū)⑹覂?nèi)溫度較好地控制在設(shè)定范圍內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了溫室運(yùn)行模式的合理切換．在10月8日的溫室運(yùn)行過程中，共采用了自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和濕簾—風(fēng)扇3種降溫模式，而在10月9日的運(yùn)行過程中，由于室外風(fēng)速較大，僅采用了自然通風(fēng)這一種降溫模式．

5結(jié)論

針對我國南方地區(qū)溫室同時(shí)設(shè)置多種開關(guān)降溫設(shè)備的情況，本文將溫室系統(tǒng)看作一個(gè)切換系統(tǒng)，提出了一種基于運(yùn)行模式降溫能力的自動(dòng)切換控制方法．仿真結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)多種降溫模式的合理切換控制，為我國現(xiàn)代化溫室多種開關(guān)降溫設(shè)備的協(xié)調(diào)控制提供了一種簡單易行的方法．

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作者：尹晶晶 徐振峰 單位：安徽國防科技職業(yè)學(xué)院