本發(fā)明涉及一種溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng)，尤其涉及一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

溫室可以為作物提供適宜的小氣候環(huán)境，因此許多溫室可以實(shí)現(xiàn)全年生產(chǎn)，并獲得較高的作物產(chǎn)量。溫室在獲得高產(chǎn)量的同時(shí)，也消耗很大的能量。寒冷地區(qū)的溫室能耗主要用于加熱；而亞熱帶和熱帶地區(qū)的溫室能耗主要用于降溫。中國南方地處亞熱帶地區(qū)，在一年大部分時(shí)間中溫室都需要降溫操作。溫室內(nèi)通常安裝有多種降溫設(shè)備，如天窗、風(fēng)扇、濕簾、噴霧器和遮陽網(wǎng)等。如果這些設(shè)備可以連續(xù)調(diào)節(jié)，那么可以采用許多成熟的控制方法，例如pid控制、魯棒控制、前饋-反饋控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、模型預(yù)測控制等方法。但受建設(shè)成本及管理水平等因素的限制，中國溫室中的執(zhí)行設(shè)備大多數(shù)為開關(guān)型設(shè)備，且沒有控制機(jī)構(gòu)的位置反饋，因此無法實(shí)現(xiàn)控制量的連續(xù)調(diào)節(jié)。此時(shí)，許多傳統(tǒng)控制方法則難以使用。

根據(jù)執(zhí)行器的開關(guān)特性，可以把溫室降溫系統(tǒng)分為不同的降溫模式，例如自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)等。除了濕簾-風(fēng)機(jī)降溫模式，有時(shí)自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)也能夠滿足降溫要求。這意味著有多種降溫方式可供選擇。但對于種植戶來說，選擇哪種降溫方式以及何時(shí)選擇這種降溫方式，并非易事。在實(shí)際中，種植戶通常是憑經(jīng)驗(yàn)、手動實(shí)現(xiàn)不同降溫方式切換，但這不能保證溫室運(yùn)行在能耗最優(yōu)狀態(tài)，而且也是非常費(fèi)力的。因此有必要研究不同降溫方式之間的節(jié)能自動切換控制策略?？紤]到在溫室系統(tǒng)中，既有連續(xù)變化的物理量，例如溫室空氣溫度以及室外環(huán)境因子，又有執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)量，因此可以把溫室系統(tǒng)看作是一個(gè)混雜系統(tǒng)。

我國南方地區(qū)的溫室在一年大部分時(shí)間內(nèi)都需要降溫操作。僅安裝有天窗或側(cè)窗的溫室無法滿足溫室在夏季相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)的降溫要求。如果安裝多種降溫設(shè)備，如天窗、風(fēng)扇、濕簾等。由于溫室建設(shè)費(fèi)用以及管理水平等原因，室內(nèi)執(zhí)行設(shè)備多采用開關(guān)驅(qū)動方式。對于種植戶來說，如何協(xié)調(diào)這些降溫設(shè)備，是一件困難的事情。眾多的開關(guān)控制信號導(dǎo)致基于傳統(tǒng)自動控制理論和現(xiàn)代控制理論而設(shè)計(jì)的控制方法無法使用。至今許多種植戶仍是憑經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)室外環(huán)境條件手動切換不同的降溫設(shè)備，但這是非常費(fèi)力的。有時(shí)為了避免手動切換，種植戶只使用風(fēng)扇來調(diào)控室內(nèi)溫度，即僅使用機(jī)械通風(fēng)這一種降溫方式。但是忽略其它降溫方式會導(dǎo)致溫室運(yùn)行能耗增加，這有悖于溫室建設(shè)時(shí)安裝多種降溫設(shè)備的初衷。有學(xué)者提出采用變頻驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連續(xù)調(diào)節(jié)，從而可以采用先進(jìn)的控制方法。但增加變頻驅(qū)動設(shè)備會大幅增加溫室建設(shè)費(fèi)用。如何在不改變溫室現(xiàn)有設(shè)備以及不增加額外費(fèi)用的前提下，實(shí)現(xiàn)多種開關(guān)型執(zhí)行設(shè)備的自動協(xié)調(diào)控制是目前溫室小氣候環(huán)境控制過程所面臨的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：提供一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法，能實(shí)現(xiàn)了天窗、風(fēng)扇、濕簾這三種開關(guān)型降溫設(shè)備的自動協(xié)調(diào)控制，且簡單易行。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)，包括溫室主體、多扇天窗、多個(gè)風(fēng)扇、濕簾、多個(gè)交流接觸器、多個(gè)驅(qū)動電機(jī)及控制器；所述的多扇天窗分別間隔安裝在所述的溫室主體的頂部，所述的多個(gè)風(fēng)扇分別間隔安裝在所述的溫室主體的南側(cè)端面上，所述的濕簾安裝在所述的溫室主體的北側(cè)端面上；所述的控制器的一端分別與所述的多個(gè)交流接觸器的一端連接，所述的多個(gè)交流接觸器的另一端分別與所述的多個(gè)驅(qū)動電機(jī)的一端對應(yīng)連接，所述的多個(gè)驅(qū)動電機(jī)分別與所述的多扇天窗對應(yīng)連接，所述的多扇天窗分別通過所述的多個(gè)驅(qū)動電機(jī)開合。

一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法，所述的溫室主體內(nèi)的溫度記為tin，所述的溫室主體內(nèi)的溫度上限設(shè)定值記為th，所述的溫室主體內(nèi)的溫度下限設(shè)定值記為tl；對于機(jī)械通風(fēng)和濕簾-風(fēng)扇降溫來說，停止閾值均記為tstop；該方法至少包括如下步驟：

步驟1：初始時(shí)，所述的溫室主體內(nèi)所有執(zhí)行設(shè)備均不工作，所述的溫室主體處于被動模式。

步驟2：當(dāng)所述的溫室主體內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定上限值th時(shí)，所述的溫室主體由被動模式切換至自然通風(fēng)模式。

步驟3：所述的溫室主體在自然通風(fēng)模式下運(yùn)行時(shí)，如果所述的溫室主體內(nèi)溫度在設(shè)定范圍(tl，th)內(nèi)，那么繼續(xù)保持在自然通風(fēng)下運(yùn)行；如果所述的溫室主體內(nèi)溫度超過上限值th，那么所述的溫室主體切換至機(jī)械通風(fēng)模式；如果所述的溫室主體內(nèi)溫度降低至下限值tl，所述的溫室主體則切換至被動模式。

步驟4：所述的溫室主體在機(jī)械通風(fēng)模式下運(yùn)行時(shí)，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不能把所述的溫室主體內(nèi)溫度降低至停止閾值tstop，所述的溫室主體則切換至濕簾-風(fēng)扇降溫模式；反之，切換至自然通風(fēng)模式。

步驟5：所述的溫室主體在濕簾-風(fēng)扇降溫模式下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)把所述的溫室主體內(nèi)溫度降低至停止閾值時(shí)，切換自然通風(fēng)模式；否則，繼續(xù)保持在濕簾-風(fēng)扇降溫模式下運(yùn)行。

本發(fā)明根據(jù)室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度上下限的關(guān)系而設(shè)定的切換控制可以保證該溫室降溫系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式之間自動切換，可以滿足溫室不同的降溫需求，且充分利用了自然通風(fēng)模式來減少溫室降溫能耗。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)的控制原理圖。

圖3是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)的控制方法流程圖。

圖4是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法的仿真實(shí)驗(yàn)的室外空氣溫度變化圖。

圖5是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法的仿真實(shí)驗(yàn)的室外相對濕度變化圖。

圖6是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法的仿真實(shí)驗(yàn)的室外太陽輻射變化圖。

圖7是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法的仿真實(shí)驗(yàn)的室外風(fēng)速變化圖。

圖8是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法的方案1中新控制策略下室內(nèi)溫度變化圖(預(yù)測時(shí)域?yàn)?0分鐘)。

圖9是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法的方案1中參考控制策略下室內(nèi)溫度變化圖。

圖10是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法的方案2中參考控制策略下室內(nèi)溫度變化圖。

圖11是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法的方案2中新控制策略下室內(nèi)溫度變化圖(預(yù)測時(shí)域?yàn)?0分鐘)。

圖12是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法的方案3中參考控制策略下室內(nèi)溫度變化圖。

圖13是本發(fā)明一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)及其方法的方案3中新控制策略下室內(nèi)溫度變化圖(預(yù)測時(shí)域?yàn)?0分鐘)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施例。

請參見附圖1及附圖2所示，一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)，包括溫室主體1、多扇天窗2、多個(gè)風(fēng)扇3、濕簾4、多個(gè)交流接觸器5、多個(gè)驅(qū)動電機(jī)6及控制器7；所述的多扇天窗2分別間隔安裝在所述的溫室主體1的頂部，所述的多個(gè)風(fēng)扇3分別間隔安裝在所述的溫室主體1的南側(cè)端面上，所述的濕簾4安裝在所述的溫室主體1的北側(cè)端面上；所述的控制器7的一端分別與所述的多個(gè)交流接觸器5的一端連接，所述的多個(gè)交流接觸器5的另一端分別與所述的多個(gè)驅(qū)動電機(jī)6的一端對應(yīng)連接，所述的多個(gè)驅(qū)動電機(jī)6分別與所述的多扇天窗2對應(yīng)連接，所述的多扇天窗2分別通過所述的多個(gè)驅(qū)動電機(jī)6開合。

請參見附圖3所示，一種溫室降溫切換控制系統(tǒng)的控制方法，所述的溫室主體1內(nèi)的溫度記為tin，所述的溫室主體1內(nèi)的溫度上限設(shè)定值記為th，所述的溫室主體1內(nèi)的溫度下限設(shè)定值記為tl；對于機(jī)械通風(fēng)和濕簾-風(fēng)扇降溫來說，停止閾值均記為tstop；該方法至少包括如下步驟：

步驟1：初始時(shí)，所述的溫室主體1內(nèi)所有執(zhí)行設(shè)備均不工作，所述的溫室主體1處于被動模式。由于太陽輻射以及室外溫度較高，室內(nèi)溫度會逐漸上升。

步驟2：當(dāng)所述的溫室主體1內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定上限值th時(shí)，所述的溫室主體1由被動模式切換至自然通風(fēng)模式。

步驟3：所述的溫室主體1在自然通風(fēng)模式下運(yùn)行時(shí)，如果所述的溫室主體1內(nèi)溫度在設(shè)定范圍(tl，th)內(nèi)，那么繼續(xù)保持在自然通風(fēng)下運(yùn)行；如果所述的溫室主體1內(nèi)溫度超過上限值th，那么所述的溫室主體1切換至機(jī)械通風(fēng)模式；如果所述的溫室主體1內(nèi)溫度降低至下限值tl，所述的溫室主體1則切換至被動模式。

步驟4：所述的溫室主體1在機(jī)械通風(fēng)模式下運(yùn)行時(shí)，如果在規(guī)定時(shí)間(圖3中以10分鐘為例)內(nèi)不能把所述的溫室主體1內(nèi)溫度降低至停止閾值tstop，所述的溫室主體1則切換至濕簾-風(fēng)扇降溫模式；反之，切換至自然通風(fēng)模式。

步驟5：所述的溫室主體1在濕簾-風(fēng)扇降溫模式下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)把所述的溫室主體1內(nèi)溫度降低至停止閾值時(shí)，切換自然通風(fēng)模式；否則，繼續(xù)保持在濕簾-風(fēng)扇降溫模式下運(yùn)行。

對機(jī)械通風(fēng)和濕簾-風(fēng)扇降溫兩種降溫模式來說，當(dāng)溫室主體1內(nèi)溫度降至該停止閾值tstop時(shí)，停止運(yùn)行，以減少降溫能耗。停止閾值tstop可以取為上下限之間的某數(shù)值。

控制器7通過交流接觸器5和驅(qū)動電機(jī)6來控制三種執(zhí)行設(shè)備。首先劃分溫室運(yùn)行模式。根據(jù)這三種執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)組合狀態(tài)，把溫室的運(yùn)行模式分為自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和濕簾-風(fēng)扇降溫三種模式。當(dāng)所有設(shè)備均不工作時(shí)，稱溫室處于被動模式。把溫室的運(yùn)行過程看作是在這四種運(yùn)行模式之間不斷切換的過程。然后由控制器7根據(jù)溫室主體1內(nèi)空氣溫度與所設(shè)定上下限的關(guān)系，發(fā)出運(yùn)行模式的切換命令，從而實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行模式的切換。假設(shè)溫室主體1初始處于被動模式。當(dāng)溫室主體1內(nèi)溫度上升到所設(shè)定的上限值時(shí)，溫室進(jìn)入自然通風(fēng)模式。當(dāng)自然通風(fēng)模式不能把溫室主體1內(nèi)溫度控制在設(shè)定上限值以下時(shí)，則切換至能力更強(qiáng)的機(jī)械通風(fēng)模式。如果機(jī)械通風(fēng)不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)把溫室主體1內(nèi)溫度降低到某設(shè)定值處，則切換至濕簾-風(fēng)扇降溫模式。當(dāng)濕簾-風(fēng)扇降溫模式把溫室主體1內(nèi)溫度降至某設(shè)定值處，則切換至自然通風(fēng)模式。如果機(jī)械通風(fēng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠把溫室主體1內(nèi)溫度降至某設(shè)定值處，也切換至自然通風(fēng)模式。在自然通風(fēng)模式下，當(dāng)溫室主體1內(nèi)溫度降至設(shè)定下限值時(shí)，溫室主體1則切換至被動模式。

自然通風(fēng)幾乎不消耗能量，通常為溫室主體1降溫的首選方式。機(jī)械通風(fēng)和濕簾-風(fēng)機(jī)降溫方式的能耗明顯增加，但其降溫能力也顯著增強(qiáng)。尤其是濕簾-風(fēng)機(jī)降溫，可以將溫室主體1內(nèi)溫度降至周圍環(huán)境溫度以下。

自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種降溫情況下的室內(nèi)空氣溫度預(yù)測模型均如(1)式所示：

δti(k+1)＝αδtot(k)+βrout(k)+ε(1)

而濕簾-風(fēng)機(jī)降溫下的室內(nèi)空氣溫度預(yù)測模型如(2)式所示：

δti(k+1)＝αδtoi(k)+βrout(k)+γδtpi(k)+ε(2)

式中δti(k+1)為室內(nèi)空氣溫度在k+1時(shí)刻與k時(shí)刻的差值；δtoi(k)為室內(nèi)外空氣溫度在k時(shí)刻的溫差；rout(k)為k時(shí)刻的太陽輻射強(qiáng)度；δtpi(k)為k時(shí)刻室內(nèi)空氣溫度和濕簾表面溫度之差；α、β、γ和ε均為模型系數(shù)。

當(dāng)前時(shí)刻記為k。當(dāng)預(yù)測k+i(i＞1)時(shí)刻室內(nèi)溫度時(shí)，則需要獲得k+i-1時(shí)刻室外相關(guān)環(huán)境因子。但在實(shí)際應(yīng)用中未來時(shí)刻的環(huán)境因子是未知的，而且不方便準(zhǔn)確地預(yù)測。懶人天氣預(yù)測是一種簡單易行的方法，該預(yù)測方法的基本思想是假設(shè)在預(yù)測時(shí)域內(nèi)其它相關(guān)環(huán)境因子保持其最新測量值不變。當(dāng)預(yù)測時(shí)域不長時(shí)，該預(yù)測方法是有效的。

溫室降溫節(jié)能切換控制策略設(shè)計(jì)如下。降溫的上下限溫度分別記為th和tl。首先建立每種降溫模式下的溫度預(yù)測模型。然后當(dāng)室內(nèi)溫度上升到th時(shí)，使用每種降溫方式下的溫度模型預(yù)測未來有限時(shí)域內(nèi)室內(nèi)溫度的變化。由于自然通風(fēng)消耗的能量很少，因此在有限預(yù)測時(shí)域內(nèi)，溫度預(yù)測值只要不超過或略低于溫度上限值th，那么自然通風(fēng)就有可能被采用。由于機(jī)械通風(fēng)和濕簾-風(fēng)機(jī)降溫為主動降溫方式，在整個(gè)過程中都有能量消耗，所以只有在預(yù)測時(shí)域內(nèi)能夠?qū)⑹覂?nèi)溫度降低至上下限的平均值時(shí)，它們才有可能被采用。在滿足降溫要求的前提下，選擇能耗最小的降溫方式。每次室內(nèi)溫度上升到th時(shí)，都重復(fù)這樣的操作，從而實(shí)現(xiàn)不同降溫方式的自動節(jié)能切換控制。假設(shè)溫室初始處于被動狀態(tài)，當(dāng)室內(nèi)溫度上升到上限值th時(shí)，具體控制策略如下：

這里下標(biāo)nv、mv和pf分別表示自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和濕簾-風(fēng)機(jī)降溫。tnv(k+nj|k)、tmv(k+nj|k)和tpf(k+nj|k)分別為三種降溫方式在k+nj時(shí)刻的溫度預(yù)測值；jnv，jm和jpf分別為相應(yīng)降溫方式的估計(jì)能耗；pj(j＝1，2，3)為三種降溫方式的運(yùn)行功率；nj×δt(j＝1，2，3)為三種降溫方式中設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，其中δt為采樣間隔；nj為不同降溫方式下設(shè)備運(yùn)行持續(xù)的采樣周期數(shù)。

為了在完全相同的環(huán)境下對比新控制策略與一個(gè)參考控制策略，以及研究影響降溫節(jié)能的因素，需要一個(gè)溫室溫度仿真模型。針對上節(jié)所描述的溫室降溫系統(tǒng)，建立了如下的溫室溫度機(jī)理模型：

式中ρa(bǔ)為空氣密度(g/m³)；ca為空氣比熱容(j/(g℃))；vg為溫室體積(m³)；tin(t)室內(nèi)空氣溫度(℃)；t為時(shí)間(s)；qrad(t)太陽輻射功率(w)；qtran(t)作物蒸騰吸收的功率(w)；qexch(t)經(jīng)過覆蓋層的室內(nèi)外空氣熱交換功率(w)；qnv(t)自然通風(fēng)功率損失(w)；qmv(t)機(jī)械通風(fēng)功率損失(w)；qpad(t)濕簾-風(fēng)機(jī)降溫的功率損失(w)；t為時(shí)間(s)；xj(j＝1，2，3)為三種降溫方式的開關(guān)量，其值取為0和1(0表示關(guān)閉；1表示開啟)。由實(shí)際控制情況可知，開關(guān)量xj(j＝1，2，3)在任何時(shí)間最多只能有一個(gè)取值為1。

請參見附圖4至附圖7所示，使用上述溫室溫度機(jī)理仿真模型時(shí)，需要提供室外空氣溫度、相對濕度、太陽輻射強(qiáng)度以及風(fēng)速這四種環(huán)境因子的測量數(shù)據(jù)。以南京地區(qū)為例，選擇一個(gè)晴天2014年4月22日。由于夜晚溫室不需要降溫，因此仿真僅在白天進(jìn)行。仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)段設(shè)置為7：30～16：30。自然通風(fēng)的風(fēng)速是根據(jù)風(fēng)力等級與風(fēng)速對照表得到的。為了減小風(fēng)向的影響，選擇了風(fēng)力等級所對應(yīng)的最小風(fēng)速值。

仿真實(shí)驗(yàn)中的設(shè)施是按照上述實(shí)際溫室情況進(jìn)行設(shè)置的。溫室本體1南側(cè)墻安裝有4個(gè)風(fēng)扇3，受同一控制信號驅(qū)動，即4個(gè)風(fēng)扇3同時(shí)開啟和關(guān)閉。當(dāng)它們開啟后，溫室本體1則運(yùn)行于機(jī)械通風(fēng)模式。溫室北側(cè)墻安裝有一個(gè)濕簾4。溫室本體1的濕簾-風(fēng)扇降溫模式是同時(shí)開啟4個(gè)風(fēng)扇3和濕簾4。由于實(shí)際溫室天窗2不能打開，這里假設(shè)天窗面積為溫室面積的1/10，其張角為30°。風(fēng)扇3、濕簾4均不工作，而只有天窗2打開時(shí)，溫室本體1運(yùn)行于自然通風(fēng)模式。溫室本體1頂部安裝有外遮陽網(wǎng)，其透光率為50％。由于預(yù)測模型包含太陽輻射強(qiáng)度，因此遮陽網(wǎng)的工作狀態(tài)會影響模型預(yù)測結(jié)果?；谡陉柧W(wǎng)的開關(guān)工作特性，對式(1)和式(2)分別進(jìn)行了修正，修正后的溫度預(yù)測模型如式(4)和式(5)所示。

δti(k+1)＝αδtoi(k)+β(1-x4η)rout(k)+ε(4)

δti(k+1)＝αδtot(k)+β(1-x4η)rout(k)+γδtpi(k)+ε(5)

式中x4為遮陽網(wǎng)的控制信號，1代表展開；0代表收起。η為遮陽網(wǎng)的透光率。

計(jì)算溫室運(yùn)行能耗需要各種設(shè)備的運(yùn)行功率。每個(gè)風(fēng)扇的額定功率為1kw；濕簾的電動機(jī)功率為2kw；與機(jī)械通風(fēng)和濕簾-風(fēng)機(jī)降溫相比，遮陽網(wǎng)和天窗的能耗非常小，因此在這里被忽略。

當(dāng)室內(nèi)溫度超過上限設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行上述比表格設(shè)計(jì)的控制策略來選擇合適的降溫模式。當(dāng)室內(nèi)溫度降低到一定程度時(shí)，則需要變停止降溫。每種降溫方式運(yùn)行停止的條件設(shè)置如下：若采用自然通風(fēng)，那么只要室內(nèi)溫度不低于下限設(shè)定值，則無需關(guān)閉天窗2。若采用機(jī)械通風(fēng)或濕簾-風(fēng)機(jī)降溫方式，當(dāng)室內(nèi)溫度降至上下限的平均值時(shí)，則停止動作。由于遮陽網(wǎng)的工作狀態(tài)取決于太陽輻射強(qiáng)度，因此遮陽網(wǎng)進(jìn)行單獨(dú)控制，相關(guān)設(shè)置如下：當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度超過420w/m²時(shí)，打開遮陽網(wǎng)；當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度降至400w/m²時(shí)，關(guān)閉遮陽網(wǎng)。

從上述控制策略可知，不同預(yù)測時(shí)域長度可能會對降溫模式的切換產(chǎn)生影響，從而影響溫室運(yùn)行能耗，因此這里將預(yù)測時(shí)域分別設(shè)置為5，6，8，10，12，15，20分鐘，以研究預(yù)測時(shí)域長度對溫室降溫運(yùn)行能耗的影響。溫度上下限對溫室降溫能耗也會有所影響，所以這里設(shè)置了三種溫度上下限值，分別為20℃和30℃、24℃和30℃、22℃和32℃。在這三種情況下分別進(jìn)行上述仿真實(shí)驗(yàn)。為了便于區(qū)別這三種情況，分別依次標(biāo)記為方案1、2和3。

溫度預(yù)測模型在使用之前，需要進(jìn)行辨識。為了方便，設(shè)置前三次降溫分別為自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和濕簾-風(fēng)機(jī)降溫，且每次降溫過程至少持續(xù)3分鐘，以獲得足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型辨識。這里設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期為20秒。前三次降溫之后，開始采用新控制策略進(jìn)行降溫控制。隨著時(shí)間的推移，模型的預(yù)測準(zhǔn)確性將會越來越低，因?yàn)槌四Ｐ退紤]的影響因素外，諸如長波輻射、作物冠層以及土壤等對室內(nèi)空氣溫度均有所影響。為了保持模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，在降溫過程中必須及時(shí)更新模型系數(shù)。做了如下設(shè)置：在任何一種降溫方式下連續(xù)獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)超過所需最小辨識數(shù)目時(shí)，則對該降溫方式下的溫度預(yù)測模型進(jìn)行重新辨識。由于模型辨識需要的數(shù)據(jù)較少以及采樣周期較短，因此在每次降溫過程中幾乎都可以更新模型系數(shù)。這樣可以有效克服那些慢時(shí)變因素對模型預(yù)測準(zhǔn)確性的影響，從而使模型保持準(zhǔn)確的預(yù)測功能。

為了研究本文所提方法的節(jié)能效果，設(shè)計(jì)了一個(gè)不采用溫度預(yù)測模型的參考切換控制策略。該參考控制策略基于固定的切換規(guī)則，具體描述如下：假設(shè)溫室一開始處于被動模式，遮陽網(wǎng)收起。當(dāng)溫度超過上限設(shè)定值時(shí)，首先采用自然通風(fēng)。當(dāng)自然通風(fēng)不能將室內(nèi)溫度降至上限以下時(shí)，切換到機(jī)械通風(fēng)。若機(jī)械通風(fēng)不能在5分鐘內(nèi)將溫度降至上下限的平均值，則切換為濕簾-風(fēng)機(jī)降溫方式。當(dāng)每次需要降溫時(shí)，該策略均采用上次使用的降溫模式。當(dāng)遮陽網(wǎng)打開之后，有降溫需求時(shí)，仍是首選自然通風(fēng)，并重復(fù)上面的切換規(guī)則。除了切換規(guī)則之外，參考控制策略的其它所有設(shè)置均和新控制策略相同。

請參見附圖8至附圖13所示，仿真結(jié)果顯示室內(nèi)溫度可以有效控制在設(shè)定范圍內(nèi)，這表明上述兩種控制策略均能夠滿足控制要求。在每一種方案中，由于預(yù)測時(shí)域的長度不同，溫室溫度動態(tài)變化的過程略有不同。在方案1中，當(dāng)預(yù)測時(shí)域?yàn)?0分鐘時(shí)，新控制策略下的室內(nèi)溫度動態(tài)變化如圖9所示。參考控制策略下室內(nèi)溫度的動態(tài)變化如圖8所示。兩種控制策略下降溫方式的運(yùn)行時(shí)間及其切換次數(shù)分別在表1和表2中給出。在方案2中，相應(yīng)的仿真結(jié)果分別在圖10、圖11、表3和表4中。而在方案3中，相應(yīng)的仿真結(jié)果分別在圖12、圖13、表5和表6中。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)中相關(guān)設(shè)施的功率，計(jì)算出各種控制策略的降溫運(yùn)行能耗，如表7所示。

表1.方案1中不同降溫策略下降溫方式的運(yùn)行時(shí)間

表2.方案1中不同降溫策略下降溫方式的切換次數(shù)

表3.方案2中不同降溫策略下降溫方式的運(yùn)行時(shí)間

表4.方案2中不同降溫策略下降溫方式的切換次數(shù)

表5.方案3中不同降溫策略下降溫方式的運(yùn)行時(shí)間

表6.方案3中不同降溫策略下降溫方式的切換次數(shù)

表7.不同控制策略下的降溫能耗(kw.h)

在方案1和方案2中，兩種控制策略下溫室溫度變化的主要差異表現(xiàn)在后期降溫過程中。每次降溫時(shí)，參考控制策略是依據(jù)固定規(guī)則進(jìn)行切換，而新控制策略依據(jù)模型預(yù)測結(jié)果做出判斷。因此新控制策略具有自適應(yīng)性，并能夠及時(shí)選擇自然通風(fēng)，這對于減少溫室降溫運(yùn)行能耗是非常有效的。結(jié)果顯示，新控制策略表現(xiàn)出了良好的節(jié)能效果。但在方案3中，由于自然通風(fēng)即可滿足降溫要求，因此新控制策略沒有表現(xiàn)出節(jié)能優(yōu)勢，甚至新控制策略因前三次固定降溫中使用了機(jī)械通風(fēng)和濕簾-風(fēng)機(jī)降溫而比參考控制策略消耗了更多的能量。所以至少需要兩種降溫方式時(shí)，新控制策略才能表現(xiàn)出其優(yōu)點(diǎn)。

方案1和方案2的仿真結(jié)果表明，新控制策略中預(yù)測時(shí)域長度對降溫能耗和設(shè)備切換次數(shù)有所影響。在自然通風(fēng)模式下，當(dāng)預(yù)測時(shí)域較短時(shí)難以獲得較低的預(yù)測值，因?yàn)樽匀煌L(fēng)降溫的能力很弱。反之，當(dāng)預(yù)測時(shí)域較長時(shí)，可以獲得較低的溫度預(yù)測值。因此當(dāng)預(yù)測時(shí)域較長時(shí)，新控制策略會越來越多地選擇自然通風(fēng)進(jìn)行降溫，相應(yīng)地能耗也就越少。此外，仿真結(jié)果也表明，隨著預(yù)測時(shí)域的增長，設(shè)備運(yùn)行的切換次數(shù)略有減少，這是非常好的，因?yàn)檩^少的切換次數(shù)對于延長設(shè)備使用壽命是有益處的。但預(yù)測時(shí)域不宜設(shè)置得太長，因?yàn)槟Ｐ皖A(yù)測中使用懶人天氣預(yù)測方法來提供室外環(huán)境因子數(shù)據(jù)。從上述仿真結(jié)果看，預(yù)測時(shí)域設(shè)置在10～20分鐘之間時(shí)，新控制策略的能耗比較穩(wěn)定，且與參考控制策略相比，節(jié)能效果在15％以上。

與方案1相比，方案2中的溫度下限由20℃改為24℃。根據(jù)2.3節(jié)中所介紹的各種降溫方式的停止條件可知，各種降溫方式工作的溫度帶寬被縮小，這會導(dǎo)致降溫方式的頻繁開關(guān)。另外，降溫停止條件的改變對降溫能耗也有影響。根據(jù)相關(guān)研究，在降溫過程中，室內(nèi)溫度變化呈負(fù)指數(shù)規(guī)律，這意味著隨著室內(nèi)溫度逐漸降低，降低1℃會需要越來越多的能量。所以與方案1相比，方案2中各控制策略的降溫運(yùn)行能耗略有降低。在實(shí)際應(yīng)用中，要合理設(shè)置各種降溫方式停止的條件，以便在溫室降溫運(yùn)行能耗和設(shè)備開關(guān)頻繁程度之間取得平衡。

與方案1相比，方案3的溫度范圍從(20～30℃)改變?yōu)?22～32℃)。仿真結(jié)果表明兩種方案中的降溫能耗大不相同。在方案3中僅使用自然通風(fēng)就可以滿足降溫要求，因此溫室降溫過程幾乎不消耗能量?？梢姡瑴囟壬舷拗祵厥医禍啬芎挠泻艽笥绊?。溫度上限值越高，降溫運(yùn)行能耗就越少。因此在實(shí)際中，需要綜合考慮作物生長所需要的溫度范圍，來設(shè)置合適的溫度上限，以達(dá)到減少溫室降溫能耗的目的。也可以在今后的研究中根據(jù)積溫原理來設(shè)置可變的溫度上限，已達(dá)到更加節(jié)能的目的。

因?yàn)楸景l(fā)明的重點(diǎn)在于三種具有約束關(guān)系的降溫模式的自動節(jié)能切換，所以沒有對遮陽網(wǎng)的降溫效果進(jìn)行量化分析。但這并不是說遮陽網(wǎng)是無關(guān)緊要的。相反，從仿真結(jié)果可以看出，遮陽網(wǎng)對于減少降溫能耗來是非常重要的。在方案1和方案2中，在遮陽網(wǎng)打開之前，自然通風(fēng)已無法滿足降溫要求，因此均進(jìn)行過幾次主動降溫。但當(dāng)遮陽網(wǎng)打開之后，啟動自然通風(fēng)方式即可滿足降溫要求。在方案3中，同樣可以看出遮陽網(wǎng)對于減少降溫能耗的重要影響?？梢娬陉枌τ跍厥医禍貋碚f是非常有效的，可減少降溫能耗。在實(shí)際生產(chǎn)中，基于室內(nèi)作物光合作用對太陽輻射量的需求以及節(jié)能要求等因素，來設(shè)置合理的遮陽網(wǎng)開關(guān)閾值。

最后需要說明的是本文所提控制策略是容易實(shí)現(xiàn)的。溫室生產(chǎn)的最終目標(biāo)是希望經(jīng)濟(jì)利益最大化，因此有一些以經(jīng)濟(jì)利益最大化為目標(biāo)進(jìn)行溫室環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化控制方法。但是它們在實(shí)際中是不可行的，主要原因是作物產(chǎn)量模型以及未來市場價(jià)格的預(yù)測結(jié)果并不可靠。相比之下，本文是以有限時(shí)域內(nèi)溫室能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)不同降溫方式的節(jié)能切換控制，更具有可行性。

綜上所述，本發(fā)明根據(jù)室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度上下限的關(guān)系而設(shè)定的切換控制可以保證該溫室降溫系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式之間自動切換，可以滿足溫室不同的降溫需求，且充分利用了自然通風(fēng)模式來減少溫室降溫能耗。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換，或直接或間接運(yùn)用附屬在其他相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。