CN1561675A - 基于经济最优的温室环境控制技术 - Google Patents

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毛罕平
李萍萍
伍德林
王纪章
顾寄南
王鸿翔
潘颖
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    • Y02A40/25—Greenhouse technology, e.g. cooling systems therefor

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Abstract

本发明涉及农业生物环境工程和设施园艺技术领域，其通过测定作物在温度、光照、CO2浓度等环境因子下的作物生长量及温室调控机构执行时所达到的环境因子参数，建立环境因子与作物生长量的数据库、控制效果数据库。然后设定一时段，选择通风、降温、除湿、增湿、加温等控制机构之一，利用控制效果数据库，计算在设定时段内所能达到的环境因子预期调控量，同时计算在这时间内机构动作所耗费的控制成本P；再计算出作物的经济产出值C；通过计算选择最大的C/P值，确定以按经济最优为控制目标的由调控机构的不同动作状态组合而成的控制方案。其对作物分阶段进行调控，可有效降低温室运行的控制成本，提高现代温室生产的经济效益。

Description

基于经济最优的温室环境控制技术
技术领域
本发明涉及农业生物环境工程和设施园艺技术领域，特指以经济最优为目标的温室环境控制技术。
背景技术
现代温室生产的一个主要特征，是可根据室外气象条件和作物生长发育阶段，利用环境控制设备对温室内的环境条件进行有效的控制，采用连续生产方式和管理方式，高效、均衡地生产各种蔬菜、水果、花卉、药材等。
温室内影响作物生长发育的因素很多，主要涉及到水分、养分、温度、光照和湿度等。为了获取最大的生产利润或者是作物的经济产出，必须对这些影响作物生长发育和产量的环境因子进行有效控制，同时要考虑为这些控制所必须付出的温室操作运行的成本以及作物在执行的控制手段下相应所增加的生长量，即作物的经济产出。
目前我国在温室环境自动控制、智能化管理等方面进行了广泛积极的探索研究，提出了在温室内实施环境控制的策略和手段，如温室模糊控制***、BP神经网络控制***等，对推动我国设施农业的发展起到了积极的作用。但在实际控制过程中未能结合作物的生长状态和过程，对温室内作物生长与温室环境之间的相互作用缺乏有机结合，同时对温室内作物生长发育的机理和产量形成没有进行深入而有实质性的研究，使这些研究成果在实用性上受到不同程度的影响，温室环境无法实现高产高效的综合控制，控制的精度和稳定性都较差。我国的设施环境控制技术主要采用单因子控制，对环境因子的相互耦合问题没能很好地解决。温室内大量的作业和调整都需要人工操作和调整，作物生长环境因子调控程度很低，而且整个温室的运营成本非常高。
温室内环境优化控制技术和控制目标一直是国外农业工程界的研究重点。J.W.Jones(1991)等提出的TOMGRO模型，利用作物碳素的汇强的变化关系来寻求作物干物质的分配的关系，从而找到作物产量的形成机理。Chalcbi(1992)，Hwang(1993)，Van Henten(1994，2003)，Seginer(1998)，Tap(2000)等对温室内常见的种植作物如番茄、莴苣等进行了研究，对温室内环境管理的优化控制提出了控制策略。策略主要考虑种植者的经济利益，以作物生长过程的净收益为寻优目标，以五到十年的种植数据为依据，通过庞特里亚金最大值原理(MaximumPrinciple of Pontryagin)对哈密尔敦函数(Hamiltonian)寻优，确定温室内用户可以支配和获得利益的控制手段，从而管理温室的运营和作物正常的生长发育。但整个控制过程均是集中在作物生殖生长阶段(莴苣是在整个生长阶段)，而且计算公式非常复杂，需要的数据和系数非常繁多。Burhan Ozkan(2004)对土尔其国内的温室产业作了研究，对温室内蔬菜种植的投入和产出进行了分析，但主要着眼点在于对每种种植的蔬菜的成本和产出进行分析，为种植者在温室内选择作物类型提供指导。通过查询，基于经济最优的温室环境控制技术目前在国外并无专利申请，国外专利主要体现在新类型的温室结构和温室设备、作物生长***以及栽培的方法上。
发明内容
本发明的目的是为农业设施温室提供一种基于经济最优的环境控制技术。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
本发明采用的温室调控机构有：天窗、侧窗(或卷帘，分东、西、南、北)、遮阳网、风机、湿帘或喷淋、保温帘幕、加热器及其启闭机构。
首先测定所种作物不同温度、光照、二氧化碳浓度等环境因子下的作物生长量，测定温室每一种调控机构执行时所达到的环境因子参数，建立环境因子与作物生长量的数据库、控制效果数据库。
然后设定一时段(一般为10-30分钟)，选择通风、降温、除湿、增湿、加温等控制机构之一，利用控制效果数据库，计算在设定时段内所能达到的环境因子预期调控量，同时计算在这时间内机构动作所耗费的控制成本P；
再根据所得到的环境因子预期调控量，利用作物生长量的数据库，计算出作物的经济产出值C；
再计算C/P值；
最后重复以上的b、c、d步骤，对所实施的温室内所有控制机构单独作用和组合作用下可能产生的C/P值中寻最大值，该最大值所对应的温室控制机构动作即为按经济最优为控制目标所要求的控制方案。
较佳的技术方案是将作物整个生长季节分为营养生长阶段和生殖生长阶段，当作物处于营养生长阶段时，温室的环境调控按温度优先技术方案，保证作物处在适宜的生长环境下，同时降低控制成本。如四种主要温室作物适宜生长温度(白天/夜间)设定为：生菜15～20/12～15℃，甜椒22～25/14～20℃，番茄20～30/15～20℃，黄瓜21～27/19～24℃。作物处于生殖生长阶段时，控制***按经济最优的调控方法来实现温室内环境参数的调控。
当作物处于生殖生长阶段时，实施的基于经济最优的环境调控技术方案为：首先判断温室当前的环境参数是否满足作物生长的适宜范围，若满足则维持温室当前的调控机构的动作状态，不满足则按上述计算作物的经济产出值与机构动作所耗费的控制成本的比值C/P的步骤通过寻找最大值选择按经济最优为控制目标的最佳控制方案。
在夜间时，温室的环境调控可采用夜间控制方案，是以白天平均的控制效果水平为基础，采用改进后的昼夜差温法控制。为了有利于白天作物光合产物的有效输送，前半夜温室的环境控制在稍高于白天的平均控制效果水平减去一设定值的水平上，而后半夜则是按作物低极限温度加上一设定值进行控制，以利于减少整个***能量的消耗，降低温室生产成本。
本发明的优点在于：
综合***分析温室整个运营的经济投入与作物经济产出，根据温室内种植的不同品种作物对环境条件的要求不同，以及同一品种，在不同生长阶段的要求也不同，通过对作物分阶段进行调控，结合维持温室运行的控制成本，以经济最优的环境控制方法较好地满足作物工厂化生产的需要，提高现代温室生产的经济效益。
附图说明
图1为以经济最优为目标的温室环境控制算法
图2为温室夜间基于昼夜差温法的环境控制流程图
图2中，各参数的意义如下：
T内为控制设备动作后温室内测定的的温度值；
T3＝T0+T设。T0为作物的低温临界温度值；T设为设定值，一般应T设≥1-2℃
T均为白天温室平均温度值； 为根据昼夜差温法设定的差温值，一般为4-8℃，差值大小也可以根据种植专家的建议确定；
T2＝T1+T设。
具体实施方式
以下以目前农业设施园艺内主要种植的果蔬之一—黄瓜为实例来进一步说明本发明的技术方案和实施方式。
首先测定所种作物不同温度、光照、二氧化碳浓度等环境因子下的作物生长量，测定温室每一种调控机构执行时所达到的环境因子参数，建立环境因子与作物生长量的数据库、控制效果数据库。
以黄瓜为实例，从定植开始后的40天左右，作为黄瓜的营养生长阶段，40天后一直到采收期结束，作为其生殖生长阶段。
通过栽培实验得到，黄瓜定植40天到50天作物光合作用产生的干物质分配到果实的比例数为0.018～0.427，50天到60天分配的比例数为0.427～0.527，60天到70天的分配的比例数为0.527～0.539，70天后分配的比例数为0.539～0.561。
黄瓜在定植开始的40天内，按温度优先的控制策略来实施，保证黄瓜的适宜生长。40天后控制***转入生殖生长阶段的控制方案，例如***其中一天的运行情况：这天的14:00温室内温度为35℃，相对湿度为47％，光照强度为21.56kLx，根据调控效果判断出需要进行“降温增湿”的操作，判断查询得到符合“降温增湿”规则的所有可执行机构组合方案有：内喷淋、内喷淋+外喷淋、内喷淋+外喷淋+南卷帘、内喷淋+外喷淋+南卷帘+风机。任选方案其中之一，控制***根据组合计算出该方案在设定时间内相应的温度、相对湿度和光照强度变化，即得到预期的环境参数调控量，计算得到经过设定时间后温室内的环境参数值(温室内温度、光照强度、相对湿度)；同时计算上述可执行机构组合方案在设定时间内的运行动作所需花费的控制成本P，再利用刚才求得的预期环境参数值计算出黄瓜在经过这一段时间后得到的净光合速率Pn，由黄瓜相应生长天数的果实比例数，计算出经过设定时间后作物的净增产值C。将C与P相除，得出Dn值，即产出投入比。对降温增湿所有可执行机构组合的Dn值进行比较，从中选择出Dn值最大的一组方案为最优方案，在本例中执行“降温增湿”操作中能使性价比最优的一组方案为“内喷淋”组合。利用控制效果数据库得该方案执行20分钟的最优解为温室内温度33.65℃，相对湿度72.14％，光照强度不变。而在实际运用“内喷淋”组合20分钟后发现温室内温度为33.8℃，相对湿度为71％，光照强度不变，达到了***设计预期的目的。达到这样的环境参数既保证了作物生长的需要，同时又兼顾了经济成本。
夜间黄瓜的环境控制技术是以白天的平均控制效果为基础结合昼夜差温法来进行控制。黄瓜的低温临界温度值T0为14℃，取差温值 为6℃，根据白天温室温度记录得到白天温室平均温度值T均为24℃。则前半夜温室内温度应控制在18-20℃之间，后半夜温室内温度应控制在16℃以上。如果白天温室平均温度值T均为18℃，则前、后半夜温室内温度应控制在14℃以上。
根据以上的技术方案，编制了相应的控制软件。
以上控制方法，经实践证明其有较好的操作性和控制效果，可真正实现温室生产的高产、优质、高效。

Claims (3)

1.基于经济最优的温室环境控制技术，其特征在于：
a.测定所种作物不同温度、光照、二氧化碳浓度等环境因子下的作物生长量，测定温室每一种调控机构执行时所达到的环境因子参数，建立环境因子与作物生长量的数据库、控制效果数据库；
b.设定一时段(一般为10-30分钟)，选择通风、降温、除湿、增湿、加温等控制机构之一，利用控制效果数据库，计算在设定时段内所能达到的环境因子预期调控量，同时计算在这时间内机构动作所耗费的控制成本P；
c.根据所得到的环境因子预期调控量，利用作物生长量的数据库，计算出作物的经济产出值C；
d.计算C/P值；
e.重复以上的b、c、d步骤，对所实施的温室内所有控制机构单独作用和组合作用下可能产生的C/P值中寻最大值，该最大值所对应的温室控制机构动作即为按经济最优为控制目标所要求的控制方案。
2.如权利要求1所述的基于经济最优的温室环境控制技术，其特征是：作物的生长环境控制是按营养生长和生殖生长两个生长阶段来实施不同的控制方法；营养生长阶段，是按温度优先的控制方法进行，即优先保证作物调控在适宜温度范围内，生殖生长阶段按产出投入比最优的控制方案来实现环境控制。
3.如权利要求1所述的基于经济最优的温室环境控制技术，其特征是：温室夜间的环境控制采用改进后的昼夜差温法控制，即将夜间时间段分成前半夜和后半夜两部分，前半夜温室的环境控制在稍高于白天的平均控制效果水平减去一差温值(一般为4-8℃)的水平上，而后半夜则是按作物低极限温度加上一设定值(一般应≥1-2℃)进行控制。
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