基于太阳辐射计算的设施农业环境控制系统的控制方法

摘要

本发明涉及基于太阳辐射计算的设施农业环境控制系统控制的方法。太阳辐射是设施农业环境小气候重要的组成要素，太阳辐射对设施农业环境有着重要的影响，随着一年四季季节变化及一天中太阳高度角变化，设施农业环境被控制对象也跟随着变化，要获得精准控制、节能等优化控制目的，要求设施农业环境的自动化控制系统必要自动适时调整控制策略和控制算法。本发明利用太阳绕日运动、太阳角以及太阳辐射能的实时计算结果，适时调整设施农业环境控制策略，调整喷雾加湿或灌溉策略、环境温度控制器参数及太阳辐射前馈补偿器参数，从而达到精准控制及节能优化控制目的。

说明书

技术领域

本发明涉及农业自动化控制技术领域，特别是一种基于太阳辐射计算的设施农业环境控制系统的控制方法。

背景技术

设施农业是个新的生产技术体系，它采用必要的设施设备，同时选择适宜的品种和相应的栽培技术。设施农业中主要核心设施有环境安全型温室、环境安全型畜禽舍、环境安全型菇房等。随着信息技术发展，数字化和信息化已成为设施农业发展的一个趋势，设施农业环境计算机控制系统控制智能结合农业生产对象生长状态对环境需求，通过自动调控暖通空调等设施设备，实现自动调节设施农业环境小气候，自动、智能地实现设施农业环境因子精准、节能调控。

设施农业主要目的之一就是减少季节天气变化对农业生产的影响。在设施农业生产过程中，季节变化及一天中不同的时刻对设施农业环境计算机控制系统控制行为要求差别很大，固定不变的控制回路及控制器设置难以实现精准控制目的和节能目的；不同的地理位置，季节变化都不同，一天的日出日落时间都不同，单纯的按照时间表来安排控制系统的控制行为需要较多的人工干预方能实现优化和节能的目的，难以实现智能化。太阳辐射计算值变化可以反映具体地理位置的季节变化和一天中白天黑夜和时辰的变化，将太阳辐射计算作为设施农业环境计算机控制系统控制动作和控制策略变化的重要依据，可以达到实现设施农业环境计算机控制系统的精准控制、节能控制和自动智能控制的目的。

太阳辐射能对建筑物的得热量和耗热量有很重要的影响，在现代设施农业建筑中有着重要作用。太阳辐射能取决于太阳在天空的位置、大气清洁度等因素；当太阳辐射能作用于建筑物时，太阳辐射能对建筑的传热还与建筑物的建筑材料、建筑结构及建筑方位等有关。在设施农业环境小气候的数学模型中，太阳辐射能是重要的构成因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种设施农业环境计算机控制系统控制策略，将太阳辐射计算值作为设施农业环境计算机自动控制中人工智能的一种数据基础，基于太阳辐射计算实现设施农业环境计算机控制系统控制策略，以满足设施农业环境计算机控制系统的精准控制、节能控制和自动智能控制的需求。

本发明的技术方案为：一种基于太阳辐射计算的设施农业环境控制系统的控制方法，包括提供设施农业环境控制系统，其特征在于包括以下步骤：

步骤S01：根据太阳角和太阳辐射能的变化规律结合农作物生长阶段的需求关系构建控制规划表；

步骤S02：实时计算太阳角和太阳辐射能；

步骤S03：将步骤S02计算所得值与所述控制规划表进行比对，所述设施农业环境控制系统根据规划表比对对应的控制策略进行控制该设施农业环境控制系统中的喷雾加湿设备、作物灌溉设备工作；根据所述步骤S02的计算值调整设施农业中通风设备、加热设备、降温设备的控制策略及PID控制器参数。

在本发明一实施例中，所述调整加热设备、降温设备的控制策略及PID控制器参数的实现方式是基于对象系统模型，应用内模控制控制器设计方法，通过对控制器的结构和参数选择，使其具有Smith预估器补偿系统长延迟的功能，利用内模控制控制器的设计方法，控制器的参数主要由被控对象系统模型决定，针对不同的工况条件，分模式建立被控对象系统模型，再进行控制器的参数整定。

在本发明一实施例中，所述控制规划表包括加湿或灌溉规划表,该加湿或灌溉规划表定义每次要启动加湿或灌溉时的太阳高度角值及对应的加湿或灌溉量，设施农业环境计算机控制系统读入喷雾或灌溉规划表，实时计算太阳高度角，当计算值与数据表比较，落在规划数据表内时，启动灌溉或喷雾，并依据对应规划的喷雾加湿或灌溉量实施加湿或灌溉控制动作。

在本发明一实施例中，所述太阳辐射能强度用太阳辐射晴空模型来计算，实际建筑得热量模型在太阳辐射晴空模型基础上进行各种影响因素修正获得。

在本发明一实施例中，所述通风设备的控制包括设施农业中的通风天窗与侧窗的开度控制及通风风扇转速控制。

在本发明一实施例中，所述加热设备的控制包括设施农业中热水管道加热系统热水流量控制、热风机加热系统加热功率控制、空调加热系统控制；降温设备的控制包括设施农业中湿帘降温设备以及空调设备。

在本发明一实施例中，所述的实时计算太阳角和太阳辐射能是根据：在具体时间和某个地理位置：由该地理位置的经纬度、当日时间、日期进行软体计算获得。

本发明利用太阳绕日运动、太阳角以及太阳辐射能的实时计算结果，适时调整设施农业环境控制策略，调整喷雾加湿或灌溉策略、环境温度控制器参数及太阳辐射前馈补偿器参数，从而达到精准控制及节能优化控制目的，本发明不需要对现有的设施农业环境计算机控制系统的硬件做改动，只需在软件设置上实现。

附图说明

图1是太阳高度角和方位角示意图。

图2太阳辐照日高度角例图

图3透过玻璃温室太阳辐照量日变化例图

图4是加热或降温控制系统控制框图。

图5是通风系统温度控制框图。

图6是温度设定值自动机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种基于太阳辐射计算的设施农业环境控制系统的控制方法，包括提供设施农业环境控制系统，其特征在于包括以下步骤：步骤S01：根据太阳角和太阳辐射能的变化规律结合农作物生长阶段的需求关系构建控制规划表；步骤S02：实时计算太阳角和太阳辐射能；步骤S03：将步骤S02计算所得值与所述控制规划表进行比对，所述设施农业环境控制系统根据规划表比对对应的控制策略进行控制该设施农业环境控制系统中的喷雾加湿设备、作物灌溉设备工作；根据所述步骤S02的计算值调整设施农业中通风设备、加热设备、降温设备的控制策略及PID控制器参数。

本实施例中，所述的太阳辐射计算包括太阳角的计算和太阳辐射能计算，太阳角是由地球绕日运动规律所决定，太阳角包括太阳高度角和太阳方位角。如图1所示，图中太阳高度角β是太阳光线与其在水平面上投影之间夹角，太阳方位角φ是在水平面上，太阳光线在水平面上投影以顺时针方向与北向之间的夹角。根据地球绕日运动规律可以计算计算太阳高度角和方位角，在具体时间和某个地理位置，太阳高度角和方位角计算值由三个基本量决定：1）地理位置的经纬度；2）当日时间；3）日期。以某地（经度121.22，纬度31.12）为例，在日期10月15日一天中太阳高度角计算值随时间变化如图2所示。

农业设施环境小气候重要的得热源是太阳辐射能，太阳辐射能以太阳直接辐射、漫射和反射方式作用与设施农业建筑环境小气候。建筑太阳辐射能得热一年中不同日期及时间都在变化，天空的云及空气中细小颗粒也影响辐射强度，另外还与建筑材料、墙面朝向、方位角与倾斜度、窗户、遮阳等因素有关。太阳辐射能强度用太阳辐射晴空模型来计算，实际建筑得热量模型在太阳辐射晴空模型基础上进行各种影响因素修正获得。以某地（经度121.22，纬度31.12）一玻璃温室为例，在日期10月15日一天中玻璃温室内太阳辐射能计算值随时间变化如图3所示。

在本发明一实施例中，所述的喷雾加湿或灌溉系统的规划策略是：依据设施农业中具体生产对象，根据专家经验知识，构建加湿或灌溉规划表,规划表定义每次要启动加湿或灌溉时的太阳高度角值及对应的加湿或灌溉量，设施农业环境计算机控制系统读入喷雾或灌溉规划表，实时计算太阳高度角，当计算值与数据表比较，落在规划数据表内时，启动灌溉或喷雾，并依据对应规划的喷雾加湿或灌溉量实施加湿或灌溉控制动作。灌溉规划表一条示例记录如下：太阳高度角超过10度：灌溉量为其中K为基本灌溉量，针对不同灌溉对象依据经验知识给出，为上一次灌溉时间t₁到当前时间t₂直接辐照量R_i的积分量，实现对规划灌溉量依据辐照量进行修正。

在本发明一实施例中，所述的加热或降温系统控制策略是：在设施农业环境控制系统中，加热系统和降温系统大延迟的特点，基于对象系统模型，应用内模控制控制器设计方法，通过对控制器的结构和参数选择，使其具有Smith预估器补偿系统长延迟的功能。加热或降温控制系统控制框图如图4。图中，R(s)—温度设定值；U(s)—加热或降温系统输入；D(s)—干扰输入；G(s)—被控对象系统；

Gm(s)—被控对象系统中无延迟部分，

利用内模控制控制器的设计方法，G_c(s)为PI控制器

式中T、K、τ—被控对象系统模型参数;G_c(s)—PI控制器。

利用内模控制控制器的设计方法，控制器的参数主要由被控对象系统模型决定，针对不同的工况条件，分模式建立被控对象系统模型，再进行控制器的参数整定，运行时分模式进行控制器切换可以实现精准和优化控制。在设施农业中，环境因子温度的被控对象系统模型主要影响因素是太阳辐射能得热，运行时分模式进行控制器切换依据是太阳辐射晴空计算模型计算值的变化。

在本发明一实施例中，通风系统控制策略是：设施农业中建筑通风口包括如温室的天窗、食用菌菇房中的通风口等，通风系统通过室内和室外的空气交换，在设施农业建筑中起降温和调节室内湿度用途，由于室外空气温度与湿度太阳高度角密切相关，依据太阳角高度启动关停通风系统及适时调整通风系统控制策略，通风系统一般通过通风口的开度变化执行温度和湿度控制，通风系统进行温度调控时控制框图如图5。图5中，T_sp为温度设定值；T_vc为计算通风温度，由T_sp通过前馈控制器进行干扰补偿计算获得；θ为通风口开度角；T_I为室内温度；通风P控制器为比例控制器。前馈干扰补偿主要为室外空气变化干扰，通风系统温度控制器温度前馈干扰补偿分阶段采用不同的补偿，分阶段自动机模型如图6。图中PH0、PH1、PH2和PH3四个自动机状态对应一天中温度补偿的四个不同阶段。事件ph1为日出事件，如定义太阳高度值超过10度时，日出事件发生；ph11为白天午间事件，如定义太阳高度值超过40度时，白天事件发生，进入正午；ph2为日落事件，如定义太阳高度值降下到20度时，日落事件发生，进入傍晚；ph22为午夜事件，如定义太阳高度值降下到0度时，午夜事件发生，进入夜晚。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。