基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)控制的方法。太陽輻射是設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境小氣候重要的組成要素，太陽輻射對設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境有著重要的影響，隨著一年四季季節(jié)變化及一天中太陽高度角變化，設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境被控制對象也跟隨著變化，要獲得精準控制、節(jié)能等優(yōu)化控制目的，要求設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的自動化控制系統(tǒng)必要自動適時調(diào)整控制策略和控制算法。本發(fā)明利用太陽繞日運動、太陽角以及太陽輻射能的實時計算結(jié)果，適時調(diào)整設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制策略，調(diào)整噴霧加濕或灌溉策略、環(huán)境溫度控制器參數(shù)及太陽輻射前饋補償器參數(shù)，從而達到精準控制及節(jié)能優(yōu)化控制目的。
【專利說明】基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)自動化控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]設(shè)施農(nóng)業(yè)是個新的生產(chǎn)技術(shù)體系，它采用必要的設(shè)施設(shè)備，同時選擇適宜的品種和相應(yīng)的栽培技術(shù)。設(shè)施農(nóng)業(yè)中主要核心設(shè)施有環(huán)境安全型溫室、環(huán)境安全型畜禽舍、環(huán)境安全型菇房等。隨著信息技術(shù)發(fā)展，數(shù)字化和信息化已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個趨勢，設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)控制智能結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象生長狀態(tài)對環(huán)境需求，通過自動調(diào)控暖通空調(diào)等設(shè)施設(shè)備，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境小氣候，自動、智能地實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境因子精準、節(jié)能調(diào)控。
[0003]設(shè)施農(nóng)業(yè)主要目的之一就是減少季節(jié)天氣變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，季節(jié)變化及一天中不同的時刻對設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)控制行為要求差別很大，固定不變的控制回路及控制器設(shè)置難以實現(xiàn)精準控制目的和節(jié)能目的；不同的地理位置，季節(jié)變化都不同，一天的日出日落時間都不同，單純的按照時間表來安排控制系統(tǒng)的控制行為需要較多的人工干預(yù)方能實現(xiàn)優(yōu)化和節(jié)能的目的，難以實現(xiàn)智能化。太陽輻射計算值變化可以反映具體地理位置的季節(jié)變化和一天中白天黑夜和時辰的變化，將太陽輻射計算作為設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)控制動作和控制策略變化的重要依據(jù)，可以達到實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)的精準控制、節(jié)能控制和自動智能控制的目的。
[0004]太陽輻射能對建筑物的得熱量和耗熱量有很重要的影響，在現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)建筑中有著重要作用。太陽輻射能取決于太陽在天空的位置、大氣清潔度等因素；當太陽輻射能作用于建筑物時，太陽福射能對建筑的傳熱還與建筑物的建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)及建筑方位等有關(guān)。在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境小氣候的數(shù)學(xué)模型中，太陽輻射能是重要的構(gòu)成因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)控制策略，將太陽輻射計算值作為設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機自動控制中人工智能的一種數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，基于太陽輻射計算實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)控制策略，以滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)的精準控制、節(jié)能控制和自動智能控制的需求。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于太陽福射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法，包括提供設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于包括以下步驟:
[0007]步驟SOl:根據(jù)太陽角和太陽輻射能的變化規(guī)律結(jié)合農(nóng)作物生長階段的需求關(guān)系構(gòu)建控制規(guī)劃表；
[0008]步驟S02:實時計算太陽角和太陽輻射能；
[0009]步驟S03:將步驟S02計算所得值與所述控制規(guī)劃表進行比對，所述設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃表比對對應(yīng)的控制策略進行控制該設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)中的噴霧加濕設(shè)備、作物灌溉設(shè)備工作；根據(jù)所述步驟S02的計算值調(diào)整設(shè)施農(nóng)業(yè)中通風設(shè)備、加熱設(shè)備、降溫設(shè)備的控制策略及PID控制器參數(shù)。
[0010]在本發(fā)明一實施例中，所述調(diào)整加熱設(shè)備、降溫設(shè)備的控制策略及PID控制器參數(shù)的實現(xiàn)方式是基于對象系統(tǒng)模型，應(yīng)用內(nèi)?？刂瓶刂破髟O(shè)計方法，通過對控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇，使其具有Smith預(yù)估器補償系統(tǒng)長延遲的功能，利用內(nèi)?？刂瓶刂破鞯脑O(shè)計方法，控制器的參數(shù)主要由被控對象系統(tǒng)模型決定，針對不同的工況條件，分模式建立被控對象系統(tǒng)模型，再進行控制器的參數(shù)整定。
[0011]在本發(fā)明一實施例中，所述控制規(guī)劃表包括加濕或灌溉規(guī)劃表，該加濕或灌溉規(guī)劃表定義每次要啟動加濕或灌溉時的太陽高度角值及對應(yīng)的加濕或灌溉量，設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)讀入噴霧或灌溉規(guī)劃表，實時計算太陽高度角，當計算值與數(shù)據(jù)表比較，落在規(guī)劃數(shù)據(jù)表內(nèi)時，啟動灌溉或噴霧，并依據(jù)對應(yīng)規(guī)劃的噴霧加濕或灌溉量實施加濕或灌溉控制動作。
[0012]在本發(fā)明一實施例中，所述太陽輻射能強度用太陽輻射晴空模型來計算，實際建筑得熱量模型在太陽輻射晴空模型基礎(chǔ)上進行各種影響因素修正獲得。
[0013]在本發(fā)明一實施例中，所述通風設(shè)備的控制包括設(shè)施農(nóng)業(yè)中的通風天窗與側(cè)窗的開度控制及通風風扇轉(zhuǎn)速控制。
[0014]在本發(fā)明一實施例中，所述加熱設(shè)備的控制包括設(shè)施農(nóng)業(yè)中熱水管道加熱系統(tǒng)熱水流量控制、熱風機加熱系統(tǒng)加熱功率控制、空調(diào)加熱系統(tǒng)控制；降溫設(shè)備的控制包括設(shè)施農(nóng)業(yè)中濕簾降溫設(shè)備以及空調(diào)設(shè)備。
[0015]在本發(fā)明一實施例中，所述的實時計算太陽角和太陽輻射能是根據(jù):在具體時間和某個地理位置:由該地理位置的經(jīng)緯度、當日時間、日期進行軟體計算獲得。
[0016]本發(fā)明利用太陽繞日運動、太陽角以及太陽輻射能的實時計算結(jié)果，適時調(diào)整設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制策略，調(diào)整噴霧加濕或灌溉策略、環(huán)境溫度控制器參數(shù)及太陽輻射前饋補償器參數(shù)，從而達到精準控制及節(jié)能優(yōu)化控制目的，本發(fā)明不需要對現(xiàn)有的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)的硬件做改動，只需在軟件設(shè)置上實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是太陽高度角和方位角示意圖。
[0018]圖2太陽輻照日高度角例圖
[0019]圖3透過玻璃溫室太陽輻照量日變化例圖
[0020]圖4是加熱或降溫控制系統(tǒng)控制框圖。
[0021 ] 圖5是通風系統(tǒng)溫度控制框圖。
[0022]圖6是溫度設(shè)定值自動機。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0024]本實施例提供一種基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法，包括提供設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于包括以下步驟:步驟SOl:根據(jù)太陽角和太陽輻射能的變化規(guī)律結(jié)合農(nóng)作物生長階段的需求關(guān)系構(gòu)建控制規(guī)劃表；步驟S02:實時計算太陽角和太陽輻射能；步驟S03:將步驟S02計算所得值與所述控制規(guī)劃表進行比對，所述設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃表比對對應(yīng)的控制策略進行控制該設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)中的噴霧加濕設(shè)備、作物灌溉設(shè)備工作；根據(jù)所述步驟S02的計算值調(diào)整設(shè)施農(nóng)業(yè)中通風設(shè)備、加熱設(shè)備、降溫設(shè)備的控制策略及PID控制器參數(shù)。
[0025]本實施例中，所述的太陽輻射計算包括太陽角的計算和太陽輻射能計算，太陽角是由地球繞日運動規(guī)律所決定，太陽角包括太陽高度角和太陽方位角。如圖1所示，圖中太陽高度角β是太陽光線與其在水平面上投影之間夾角，太陽方位角Φ是在水平面上，太陽光線在水平面上投影以順時針方向與北向之間的夾角。根據(jù)地球繞日運動規(guī)律可以計算計算太陽高度角和方位角，在具體時間和某個地理位置，太陽高度角和方位角計算值由三個基本量決定:1)地理位置的經(jīng)緯度；2)當日時間；3)日期。以某地(經(jīng)度121.22，緯度31.12)為例，在日期10月15日一天中太陽高度角計算值隨時間變化如圖2所示。
[0026]農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境小氣候重要的得熱源是太陽輻射能，太陽輻射能以太陽直接輻射、漫射和反射方式作用與設(shè)施農(nóng)業(yè)建筑環(huán)境小氣候。建筑太陽輻射能得熱一年中不同日期及時間都在變化，天空的云及空氣中細小顆粒也影響輻射強度，另外還與建筑材料、墻面朝向、方位角與傾斜度、窗戶、遮陽等因素有關(guān)。太陽輻射能強度用太陽輻射晴空模型來計算，實際建筑得熱量模型在太陽輻射晴空模型基礎(chǔ)上進行各種影響因素修正獲得。以某地(經(jīng)度121.22，緯度31.12)—玻璃溫室為例，在日期10月15日一天中玻璃溫室內(nèi)太陽輻射能計算值隨時間變化如圖3所示。
[0027]在本發(fā)明一實施例中，所述的噴霧加濕或灌溉系統(tǒng)的規(guī)劃策略是:依據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)中具體生產(chǎn)對象，根據(jù)專家經(jīng)驗知識，構(gòu)建加濕或灌溉規(guī)劃表，規(guī)劃表定義每次要啟動加濕或灌溉時的太陽高度角值及對應(yīng)的加濕或灌溉量，設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)讀入噴霧或灌溉規(guī)劃表，實時計算太陽高度角，當計算值與數(shù)據(jù)表比較，落在規(guī)劃數(shù)據(jù)表內(nèi)時，啟動灌溉或噴霧，并依據(jù)對應(yīng)規(guī)劃的噴霧加濕或灌溉量實施加濕或灌溉控制動作。灌溉規(guī)劃
表一條示例記錄如下:太陽高度角超過10度:灌溉量
【權(quán)利要求】
1.一種基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法，包括提供設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于包括以下步驟: 步驟SOl:根據(jù)太陽角和太陽輻射能的變化規(guī)律結(jié)合農(nóng)作物生長階段的需求關(guān)系構(gòu)建控制規(guī)劃表； 步驟S02:實時計算太陽角和太陽輻射能； 步驟S03:將步驟S02計算所得值與所述控制規(guī)劃表進行比對，所述設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃表比對對應(yīng)的控制策略進行控制該設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)中的噴霧加濕設(shè)備、作物灌溉設(shè)備工作；根據(jù)所述步驟S02的計算值調(diào)整設(shè)施農(nóng)業(yè)中通風設(shè)備、加熱設(shè)備、降溫設(shè)備的控制策略及PID控制器參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:所述調(diào)整加熱設(shè)備、降溫設(shè)備的控制策略及PID控制器參數(shù)的實現(xiàn)方式是基于對象系統(tǒng)模型，應(yīng)用內(nèi)?？刂瓶刂破髟O(shè)計方法，通過對控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇，使其具有Smith預(yù)估器補償系統(tǒng)長延遲的功能，利用內(nèi)?？刂瓶刂破鞯脑O(shè)計方法，控制器的參數(shù)主要由被控對象系統(tǒng)模型決定，針對不同的工況條件，分模式建立被控對象系統(tǒng)模型，再進行控制器的參數(shù)整定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:所述控制規(guī)劃表包括加濕或灌溉規(guī)劃表，該加濕或灌溉規(guī)劃表定義每次要啟動加濕或灌溉時的太陽高度角值及對應(yīng)的加濕或灌溉量，設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境計算機控制系統(tǒng)讀入噴霧或灌溉規(guī)劃表，實時計算太陽高度角，當計算值與數(shù)據(jù)表比較，落在規(guī)劃數(shù)據(jù)表內(nèi)時，啟動灌溉或噴霧，并依據(jù)對應(yīng)規(guī)劃的噴霧加濕或灌溉量實施加濕或灌溉控制動作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:所述太陽輻射能強度用太陽輻射晴空模型來計算，實際建筑得熱量模型在太陽輻射晴空模型基礎(chǔ)上進行各種影響因素修正獲得。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:所述通風設(shè)備的控制包括設(shè)施農(nóng)業(yè)中的通風天窗與側(cè)窗的開度控制及通風風扇轉(zhuǎn)速控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:所述加熱設(shè)備的控制包括設(shè)施農(nóng)業(yè)中熱水管道加熱系統(tǒng)熱水流量控制、熱風機加熱系統(tǒng)加熱功率控制、空調(diào)加熱系統(tǒng)控制；降溫設(shè)備的控制包括設(shè)施農(nóng)業(yè)中濕簾降溫設(shè)備以及空調(diào)設(shè)備。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽輻射計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:所述的實時計算太陽角和太陽輻射能是根據(jù):在具體時間和某個地理位置:由該地理位置的經(jīng)緯度、當日時間、日期進行軟體計算獲得。
【文檔編號】G05D27/02GK103955249SQ201410145583
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月12日
【發(fā)明者】林東亮, 林文忠 申請人:閩江學(xué)院