现代温室湿度系统混合逻辑动态建模与控制

摘要

设施农业是指通过工程技术手段有效地调节温室内小气候环境，使作物处于最佳生长状态的一种新型农业生产方式。经过多年的发展，我国设施农业已取得长足的进步，但与发达国家相比仍有较大差距。现代温室是设施农业的典型代表，它将信息技术、生物技术综合应用到农业生产中，依据所种植农作物的特点将生长环境调控到最佳水平，具有高产、优质、安全的特点。深入研究以现代温室为代表的设施农业对促进国民经济发展、提升农业科技水平、加快农业产业结构升级都具有重要的战略意义。
　　温室小气候建模与控制是温室环境控制的重要环节，合理的模型可以有效的模拟温室内的环境，为环境控制提供依据。目前，国内外对于温室温湿度系统的研究主要采用连续系统的理论，没有针对我国温室环境控制执行设备大多只具有开关两种状态的特点进行研究。本文提出利用混杂系统的方法解决这一问题，在模型辨识理论基础上，将混合逻辑动态(Mixed Logical Dynamical，MLD)方法引入温室湿度系统的建模，并利用基于MLD的模型进行预测控制。
　　本文的主要内容如下:首先研究了试验温室测控系统的软硬件部分，介绍了试验温室测控系统的基本功能。然后将对温室病虫害、产量具有重要影响的湿度作为研究对象，基于水蒸气平衡原理，结合蒸腾作用等基本生理学过程，将温室结构、材料、室内温度、室外湿度、太阳辐射强度、室内空气流速、室外风速作为输入量，推导出温室湿度系统的机理模型。最后分析系统内部机理，得出实验建模所需要的结论。
　　在机理模型基础上，利用传感器采集得到的环境数据进行模型辨识。采用不同季节的数据，首先分析湿度系统输入、输出变量的相关性。然后将室外相对湿度、室外温度、太阳辐射强度和室外风速作为输入，室内相对湿度作为输出，采用赤池信息量准则辨识模型结构，利用带遗忘因子的渐消记忆递推增广最小二乘辨识模型参数，最后通过仿真实验对比得到的高阶模型和低阶模型，并计算分析了各项误差指标。
　　利用MLD建模理论对温室湿度系统进行建模，基于辨识模型以及命题约束，结合命题逻辑与线性不等式之间的转化关系，得到湿帘控制下的温室湿度系统的MLD模型，利用基于MLD的预测控制对温室湿度进行仿真和控制，将设定值优化、最小化开关设备次数作为性能指标，采用分支定界法求解温室设备的动作序列，并通过仿真和实时的控制实验来验证模型以及控制方法的有效性。
　　最后总结全文，对已完成的工作进行总结归纳，并提出未来需要进一步研究的工作。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外温室发展现状

1．2．1 国外温室发展现状

1．2．2 国内温室发展现状

1．3 温室小气候建模与控制发展现状

1．4 混合逻辑动态理论发展现状

1．5 本论文主要研究内容及意义

第2章 试验温室湿度系统机理建模

2．1 引言

2．2 试验温室测控系统简介

2．2．1 温室硬件系统

2．2．2 温室软件系统

2．3 温室湿度系统机理模型

2．4 本章小结

第3章 基于输入输出的温室湿度系统建模

3．1 引言

3．2 温室输入输出相关性分析

3．3 模型描述

3．3．1 实验数据预处理

3．3．2 模型结构辨识

3．3．3 模型参数辨识

3．3．4 模型比较及有效性验证

3．4 温室湿度系统仿真结果

3．5 本章总结

第4章 基于混合逻辑动态的混杂系统建模

4．1 引言

4．2 混合逻辑动态模型

4．2．1 混合逻辑动态模型的基础理论

4．3 温室湿度系统混合逻辑动态模型

4．4 温室湿度模型仿真研究

4．5 本章小结

第5章 温室湿度系统的优化控制

5．1 混杂系统的控制理论基础

5．2 基于混合逻辑动态模型的控制

5．3 温室湿度系统的控制

5．4 本章总结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果