温室温湿度建模与多目标相容切换控制方法研究

摘要

温室小气候建模与控制涉及多个室内环境因子、多种调控设备、室内作物生长状态以及室外天气状况等许多因素，因此是一项复杂任务。本文以中国南方Venlo型玻璃温室为例，考虑室内空气温度、相对湿度、运行能耗和多种开关控制设备等因素，研究了温室小气候环境建模与自动控制问题。主要研究内容如下： (1)建立了面向气候控制的温室空气温湿度动态伪机理模型。温室小气候机理模型由于其结构复杂和很少考虑控制设备对室内小气候的影响，因此不适用于控制方法的仿真研究。为此，建立了面向气候控制的温室温湿度动态伪机理模型。与机理模型相比，许多因素在该模型中被看作边界条件，例如覆盖层表面温度、土壤表面温度等，而不再建立其动态模型，因此模型得到大幅简化。同时，根据温室中常见控制设备的开关特性，划分了温室系统的运行模式，因此在模型中充分考虑了控制设备对温室小气候的影响。结果表明，温度模拟的最大误差为2.7℃，均方根误差为1.0℃。相对湿度模拟的最大误差为13.1%，均方根误差为5.2%。可见，该模型能够准确地模拟室内空气温湿度的动态变化，为研究温室小气候各种自动控制方法提供了理论支撑。 (2)建立了温室空气温湿度IARX在线预测模型。温室环境因子在线预测模型是研究各种预测控制方法的基础。ARX预测模型具有结构简单、计算量小等特点，方便在线辨识。但是，现有温湿度ARX模型的外源输入变量差异很大。为了准确地选取主要外源输入变量，通过对上述温室温湿度动态伪机理模型进行分析，推导出了自然通风、机械通风和湿帘-风扇降温这三种降温模式下室内温湿度的增量式自回归(IARX)模型。与典型ARX模型相比，该IARX系列模型拥有更少的系数。当辨识数据达到10组以上时，IARX模型的最大温度预测误差和湿度预测误差分别为1.3℃和8.9%，明显小于典型ARX模型相应的温湿度预测误差(2.8℃和15.2%)。 (3)提出了基于温湿度IARX预测模型的温室多目标相容切换控制方法。对于实际温室控制系统来说，室内温度、相对湿度和运行能耗都是需要重点考虑的因素，但是它们之间的控制存在一定的冲突性。为此，融合模型预测控制、切换控制和冲突多目标相容控制的思想，提出了基于温湿度IARX预测模型的温室多目标相容切换控制方法。该方法包括模型预测、切换优化和反馈校正三部分。在模型预测部分，采用室内温湿度IARX模型以预测未来有限时域内的室内温湿度；在切换优化部分，在温湿度的预测值满足设定要求的前提下，以温室运行能耗为优化指标，设计了运行模式的切换规则；在反馈校正部分，通过预测误差反馈和模型在线辨识对模型预测性能及其系数进行实时校正。首先，考虑室内温度和能耗两个因素，研究了温室降温节能相容切换控制方法。仿真结果表明，该相容切换控制方法下的温度最大偏差和均方误差分别为0.7℃和0.4℃，均小于采用参考切换控制方法时所产生的相应误差(2.0℃和0.8℃)；当多种降温模式相互切换时，与参考切换控制方法相比，相容切换控制方法可以减少13%以上的运行能耗。然后，考虑室内温度、相对湿度和能耗三个因素，研究了温室多目标相容切换控制方法。仿真结果表明，室内温度超过设定范围的最大偏差和均方误差分别为1.0℃和0.5℃，室内相对湿度超出设定范围的最大偏差和均方误差分别为3.8%和2.2%。当不同运行模式频繁切换时，适当调整室内温度或相对湿度的设定范围均可以有效解决该问题。 (4)考虑室内温度和运行能耗两个因素，在一座玻璃温室中实现了对上述控制方法的系统验证。结果表明该相容切换控制方法是切实可行的。室内温度超出上限设定值的最大偏差和均方误差分别为0.7℃和0.2℃，均明显小于参考切换控制方法所产生的温度最大偏差(1.7℃)和均方误差(0.7℃)。除此之外，该相容控制方法还表现出一定的节能效果。

目录

UDC： 621

A Dissertation Submitted to

Southeast University

For the Academic Degree of Doctor

Supervised by

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 温室小气候环境动态建模研究概况

1.3 温室环境因子在线预测建模研究概况

1.4 温室环境控制方法研究概况

1.5 本文研究内容

第二章 温室小气候动态伪机理模型

2.1 引言

2.2 温室系统描述

2.3 温室小气候动态伪机理模型

2.3.1 室内主要环境因子

2.3.2 温湿度动态伪机理建模

2.4 模型检验

2.4.1 环境数据测量

2.4.2 模型检验设置

2.5 模拟结果

2.6 本章小结

第三章 温室温湿度在线预测模型

3.1 引言

3.2 室内温湿度预测建模

3.2.1 温度预测建模

3.2.2 湿度预测建模

3.3 模型预测检验

3.3.1 温室环境数据

3.3.2 对比模型

3.3.3 模型预测检验

3.4 结果及分析

3.4.1 模型辨识结果

3.4.2 机械通风下的检验结果

3.4.3 湿帘-风扇降温下的检验结果

3.4.4 结果分析

3.5 本章小结

第四章 温室降温节能相容切换控制

4.1 引言

4.2 降温节能相容切换控制方法

4.2.1 模型预测

4.2.2 切换优化

4.2.3 反馈校正

4.3 仿真实验

4.3.1 温室环境数据

4.3.2 参考切换控制方法

4.3.3 仿真设置

4.4 结果及分析

4.4.1 春季仿真结果及分析

4.4.2 夏季仿真结果及分析

4.4.3 秋季仿真结果及分析

4.5 本章小结

第五章 温室多目标相容切换控制

5.1 引言

5.2 多目标相容切换控制方法

5.2.1 模型预测

5.2.2 切换优化

5.2.3 反馈校正

5.3 仿真实验

5.4 结果及分析

5.5 本章小结

第六章 控制方法的系统验证

6.1 温室物联网监控系统

6.2 现场验证实验

6.3 结果及分析

6.4 本章小结

第七章 总结及展望

7.1 总结

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

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