專利名稱：基于經(jīng)濟最優(yōu)的溫室環(huán)境控制技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程和設施園藝技術領域，特指以經(jīng)濟最優(yōu)為目標的溫室環(huán)境控制技術。
背景技術：
現(xiàn)代溫室生產(chǎn)的一個主要特征，是可根據(jù)室外氣象條件和作物生長發(fā)育階段，利用環(huán)境控制設備對溫室內(nèi)的環(huán)境條件進行有效的控制，采用連續(xù)生產(chǎn)方式和管理方式，高效、均衡地生產(chǎn)各種蔬菜、水果、花卉、藥材等。
溫室內(nèi)影響作物生長發(fā)育的因素很多，主要涉及到水分、養(yǎng)分、溫度、光照和濕度等。為了獲取最大的生產(chǎn)利潤或者是作物的經(jīng)濟產(chǎn)出，必須對這些影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的環(huán)境因子進行有效控制，同時要考慮為這些控制所必須付出的溫室操作運行的成本以及作物在執(zhí)行的控制手段下相應所增加的生長量，即作物的經(jīng)濟產(chǎn)出。
目前我國在溫室環(huán)境自動控制、智能化管理等方面進行了廣泛積極的探索研究，提出了在溫室內(nèi)實施環(huán)境控制的策略和手段，如溫室模糊控制系統(tǒng)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)等，對推動我國設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了積極的作用。但在實際控制過程中未能結合作物的生長狀態(tài)和過程，對溫室內(nèi)作物生長與溫室環(huán)境之間的相互作用缺乏有機結合，同時對溫室內(nèi)作物生長發(fā)育的機理和產(chǎn)量形成沒有進行深入而有實質性的研究，使這些研究成果在實用性上受到不同程度的影響，溫室環(huán)境無法實現(xiàn)高產(chǎn)高效的綜合控制，控制的精度和穩(wěn)定性都較差。我國的設施環(huán)境控制技術主要采用單因子控制，對環(huán)境因子的相互耦合問題沒能很好地解決。溫室內(nèi)大量的作業(yè)和調(diào)整都需要人工操作和調(diào)整，作物生長環(huán)境因子調(diào)控程度很低，而且整個溫室的運營成本非常高。
溫室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化控制技術和控制目標一直是國外農(nóng)業(yè)工程界的研究重點。J.W.Jones(1991)等提出的TOMGRO模型，利用作物碳素的匯強的變化關系來尋求作物干物質的分配的關系，從而找到作物產(chǎn)量的形成機理。Chalcbi(1992)，Hwang(1993)，Van Henten(1994，2003)，Seginer(1998)，Tap(2000)等對溫室內(nèi)常見的種植作物如番茄、萵苣等進行了研究，對溫室內(nèi)環(huán)境管理的優(yōu)化控制提出了控制策略。策略主要考慮種植者的經(jīng)濟利益，以作物生長過程的凈收益為尋優(yōu)目標，以五到十年的種植數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過龐特里亞金最大值原理(MaximumPrinciple of Pontryagin)對哈密爾敦函數(shù)(Hamiltonian)尋優(yōu)，確定溫室內(nèi)用戶可以支配和獲得利益的控制手段，從而管理溫室的運營和作物正常的生長發(fā)育。但整個控制過程均是集中在作物生殖生長階段(萵苣是在整個生長階段)，而且計算公式非常復雜，需要的數(shù)據(jù)和系數(shù)非常繁多。Burhan Ozkan(2004)對土爾其國內(nèi)的溫室產(chǎn)業(yè)作了研究，對溫室內(nèi)蔬菜種植的投入和產(chǎn)出進行了分析，但主要著眼點在于對每種種植的蔬菜的成本和產(chǎn)出進行分析，為種植者在溫室內(nèi)選擇作物類型提供指導。通過查詢，基于經(jīng)濟最優(yōu)的溫室環(huán)境控制技術目前在國外并無專利申請，國外專利主要體現(xiàn)在新類型的溫室結構和溫室設備、作物生長系統(tǒng)以及栽培的方法上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為農(nóng)業(yè)設施溫室提供一種基于經(jīng)濟最優(yōu)的環(huán)境控制技術。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)本發(fā)明采用的溫室調(diào)控機構有天窗、側窗(或卷簾，分東、西、南、北)、遮陽網(wǎng)、風機、濕簾或噴淋、保溫簾幕、加熱器及其啟閉機構。
首先測定所種作物不同溫度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境因子下的作物生長量，測定溫室每一種調(diào)控機構執(zhí)行時所達到的環(huán)境因子參數(shù)，建立環(huán)境因子與作物生長量的數(shù)據(jù)庫、控制效果數(shù)據(jù)庫。
然后設定一時段(一般為10-30分鐘)，選擇通風、降溫、除濕、增濕、加溫等控制機構之一，利用控制效果數(shù)據(jù)庫，計算在設定時段內(nèi)所能達到的環(huán)境因子預期調(diào)控量，同時計算在這時間內(nèi)機構動作所耗費的控制成本P；再根據(jù)所得到的環(huán)境因子預期調(diào)控量，利用作物生長量的數(shù)據(jù)庫，計算出作物的經(jīng)濟產(chǎn)出值C；再計算C/P值；最后重復以上的b、c、d步驟，對所實施的溫室內(nèi)所有控制機構單獨作用和組合作用下可能產(chǎn)生的C/P值中尋最大值，該最大值所對應的溫室控制機構動作即為按經(jīng)濟最優(yōu)為控制目標所要求的控制方案。
較佳的技術方案是將作物整個生長季節(jié)分為營養(yǎng)生長階段和生殖生長階段，當作物處于營養(yǎng)生長階段時，溫室的環(huán)境調(diào)控按溫度優(yōu)先技術方案，保證作物處在適宜的生長環(huán)境下，同時降低控制成本。如四種主要溫室作物適宜生長溫度(白天/夜間)設定為生菜15～20/12～15℃，甜椒22～25/14～20℃，番茄20～30/15～20℃，黃瓜21～27/19～24℃。作物處于生殖生長階段時，控制系統(tǒng)按經(jīng)濟最優(yōu)的調(diào)控方法來實現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的調(diào)控。
當作物處于生殖生長階段時，實施的基于經(jīng)濟最優(yōu)的環(huán)境調(diào)控技術方案為首先判斷溫室當前的環(huán)境參數(shù)是否滿足作物生長的適宜范圍，若滿足則維持溫室當前的調(diào)控機構的動作狀態(tài)，不滿足則按上述計算作物的經(jīng)濟產(chǎn)出值與機構動作所耗費的控制成本的比值C/P的步驟通過尋找最大值選擇按經(jīng)濟最優(yōu)為控制目標的最佳控制方案。
在夜間時，溫室的環(huán)境調(diào)控可采用夜間控制方案，是以白天平均的控制效果水平為基礎，采用改進后的晝夜差溫法控制。為了有利于白天作物光合產(chǎn)物的有效輸送，前半夜溫室的環(huán)境控制在稍高于白天的平均控制效果水平減去一設定值的水平上，而后半夜則是按作物低極限溫度加上一設定值進行控制，以利于減少整個系統(tǒng)能量的消耗，降低溫室生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的優(yōu)點在于綜合系統(tǒng)分析溫室整個運營的經(jīng)濟投入與作物經(jīng)濟產(chǎn)出，根據(jù)溫室內(nèi)種植的不同品種作物對環(huán)境條件的要求不同，以及同一品種，在不同生長階段的要求也不同，通過對作物分階段進行調(diào)控，結合維持溫室運行的控制成本，以經(jīng)濟最優(yōu)的環(huán)境控制方法較好地滿足作物工廠化生產(chǎn)的需要，提高現(xiàn)代溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。


圖1為以經(jīng)濟最優(yōu)為目標的溫室環(huán)境控制算法圖2為溫室夜間基于晝夜差溫法的環(huán)境控制流程2中，各參數(shù)的意義如下T內(nèi)為控制設備動作后溫室內(nèi)測定的的溫度值；T3＝T0+T設。T0為作物的低溫臨界溫度值；T設為設定值，一般應T設≥1-2℃ T均為白天溫室平均溫度值； 為根據(jù)晝夜差溫法設定的差溫值，一般為4-8℃，差值大小也可以根據(jù)種植專家的建議確定；T2＝T1+T設。
具體實施例方式
以下以目前農(nóng)業(yè)設施園藝內(nèi)主要種植的果蔬之一—黃瓜為實例來進一步說明本發(fā)明的技術方案和實施方式。
首先測定所種作物不同溫度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境因子下的作物生長量，測定溫室每一種調(diào)控機構執(zhí)行時所達到的環(huán)境因子參數(shù)，建立環(huán)境因子與作物生長量的數(shù)據(jù)庫、控制效果數(shù)據(jù)庫。
以黃瓜為實例，從定植開始后的40天左右，作為黃瓜的營養(yǎng)生長階段，40天后一直到采收期結束，作為其生殖生長階段。
通過栽培實驗得到，黃瓜定植40天到50天作物光合作用產(chǎn)生的干物質分配到果實的比例數(shù)為0.018～0.427，50天到60天分配的比例數(shù)為0.427～0.527，60天到70天的分配的比例數(shù)為0.527～0.539，70天后分配的比例數(shù)為0.539～0.561。
黃瓜在定植開始的40天內(nèi)，按溫度優(yōu)先的控制策略來實施，保證黃瓜的適宜生長。40天后控制系統(tǒng)轉入生殖生長階段的控制方案，例如系統(tǒng)其中一天的運行情況這天的14:00溫室內(nèi)溫度為35℃，相對濕度為47％，光照強度為21.56kLx，根據(jù)調(diào)控效果判斷出需要進行“降溫增濕”的操作，判斷查詢得到符合“降溫增濕”規(guī)則的所有可執(zhí)行機構組合方案有內(nèi)噴淋、內(nèi)噴淋+外噴淋、內(nèi)噴淋+外噴淋+南卷簾、內(nèi)噴淋+外噴淋+南卷簾+風機。任選方案其中之一，控制系統(tǒng)根據(jù)組合計算出該方案在設定時間內(nèi)相應的溫度、相對濕度和光照強度變化，即得到預期的環(huán)境參數(shù)調(diào)控量，計算得到經(jīng)過設定時間后溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)值(溫室內(nèi)溫度、光照強度、相對濕度)；同時計算上述可執(zhí)行機構組合方案在設定時間內(nèi)的運行動作所需花費的控制成本P，再利用剛才求得的預期環(huán)境參數(shù)值計算出黃瓜在經(jīng)過這一段時間后得到的凈光合速率Pn，由黃瓜相應生長天數(shù)的果實比例數(shù)，計算出經(jīng)過設定時間后作物的凈增產(chǎn)值C。將C與P相除，得出Dn值，即產(chǎn)出投入比。對降溫增濕所有可執(zhí)行機構組合的Dn值進行比較，從中選擇出Dn值最大的一組方案為最優(yōu)方案，在本例中執(zhí)行“降溫增濕”操作中能使性價比最優(yōu)的一組方案為“內(nèi)噴淋”組合。利用控制效果數(shù)據(jù)庫得該方案執(zhí)行20分鐘的最優(yōu)解為溫室內(nèi)溫度33.65℃，相對濕度72.14％，光照強度不變。而在實際運用“內(nèi)噴淋”組合20分鐘后發(fā)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度為33.8℃，相對濕度為71％，光照強度不變，達到了系統(tǒng)設計預期的目的。達到這樣的環(huán)境參數(shù)既保證了作物生長的需要，同時又兼顧了經(jīng)濟成本。
夜間黃瓜的環(huán)境控制技術是以白天的平均控制效果為基礎結合晝夜差溫法來進行控制。黃瓜的低溫臨界溫度值T0為14℃，取差溫值 為6℃，根據(jù)白天溫室溫度記錄得到白天溫室平均溫度值T均為24℃。則前半夜溫室內(nèi)溫度應控制在18-20℃之間，后半夜溫室內(nèi)溫度應控制在16℃以上。如果白天溫室平均溫度值T均為18℃，則前、后半夜溫室內(nèi)溫度應控制在14℃以上。
根據(jù)以上的技術方案，編制了相應的控制軟件。
以上控制方法，經(jīng)實踐證明其有較好的操作性和控制效果，可真正實現(xiàn)溫室生產(chǎn)的高產(chǎn)、優(yōu)質、高效。
權利要求
1.基于經(jīng)濟最優(yōu)的溫室環(huán)境控制技術，其特征在于a.測定所種作物不同溫度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境因子下的作物生長量，測定溫室每一種調(diào)控機構執(zhí)行時所達到的環(huán)境因子參數(shù)，建立環(huán)境因子與作物生長量的數(shù)據(jù)庫、控制效果數(shù)據(jù)庫；b.設定一時段(一般為10-30分鐘)，選擇通風、降溫、除濕、增濕、加溫等控制機構之一，利用控制效果數(shù)據(jù)庫，計算在設定時段內(nèi)所能達到的環(huán)境因子預期調(diào)控量，同時計算在這時間內(nèi)機構動作所耗費的控制成本P；c.根據(jù)所得到的環(huán)境因子預期調(diào)控量，利用作物生長量的數(shù)據(jù)庫，計算出作物的經(jīng)濟產(chǎn)出值C；d.計算C/P值；e.重復以上的b、c、d步驟，對所實施的溫室內(nèi)所有控制機構單獨作用和組合作用下可能產(chǎn)生的C/P值中尋最大值，該最大值所對應的溫室控制機構動作即為按經(jīng)濟最優(yōu)為控制目標所要求的控制方案。
2.如權利要求1所述的基于經(jīng)濟最優(yōu)的溫室環(huán)境控制技術，其特征是作物的生長環(huán)境控制是按營養(yǎng)生長和生殖生長兩個生長階段來實施不同的控制方法；營養(yǎng)生長階段，是按溫度優(yōu)先的控制方法進行，即優(yōu)先保證作物調(diào)控在適宜溫度范圍內(nèi)，生殖生長階段按產(chǎn)出投入比最優(yōu)的控制方案來實現(xiàn)環(huán)境控制。
3.如權利要求1所述的基于經(jīng)濟最優(yōu)的溫室環(huán)境控制技術，其特征是溫室夜間的環(huán)境控制采用改進后的晝夜差溫法控制，即將夜間時間段分成前半夜和后半夜兩部分，前半夜溫室的環(huán)境控制在稍高于白天的平均控制效果水平減去一差溫值(一般為4-8℃)的水平上，而后半夜則是按作物低極限溫度加上一設定值(一般應≥1-2℃)進行控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程和設施園藝技術領域，其通過測定作物在溫度、光照、CO
文檔編號A01G9/00GK1561675SQ20041001443
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權日2004年3月25日
發(fā)明者毛罕平, 李萍萍, 伍德林, 王紀章, 顧寄南, 王鴻翔, 潘穎 申請人:江蘇大學