一种温室降温切换控制系统及其方法与流程

文档序号:11217771阅读:1321来源:国知局
一种温室降温切换控制系统及其方法与流程

本发明涉及一种温室环境自动控制系统,尤其涉及一种温室降温切换控制系统及其方法。



背景技术:

温室可以为作物提供适宜的小气候环境,因此许多温室可以实现全年生产,并获得较高的作物产量。温室在获得高产量的同时,也消耗很大的能量。寒冷地区的温室能耗主要用于加热;而亚热带和热带地区的温室能耗主要用于降温。中国南方地处亚热带地区,在一年大部分时间中温室都需要降温操作。温室内通常安装有多种降温设备,如天窗、风扇、湿帘、喷雾器和遮阳网等。如果这些设备可以连续调节,那么可以采用许多成熟的控制方法,例如pid控制、鲁棒控制、前馈-反馈控制、自适应控制、模糊控制、模型预测控制等方法。但受建设成本及管理水平等因素的限制,中国温室中的执行设备大多数为开关型设备,且没有控制机构的位置反馈,因此无法实现控制量的连续调节。此时,许多传统控制方法则难以使用。

根据执行器的开关特性,可以把温室降温系统分为不同的降温模式,例如自然通风、机械通风等。除了湿帘-风机降温模式,有时自然通风、机械通风也能够满足降温要求。这意味着有多种降温方式可供选择。但对于种植户来说,选择哪种降温方式以及何时选择这种降温方式,并非易事。在实际中,种植户通常是凭经验、手动实现不同降温方式切换,但这不能保证温室运行在能耗最优状态,而且也是非常费力的。因此有必要研究不同降温方式之间的节能自动切换控制策略。考虑到在温室系统中,既有连续变化的物理量,例如温室空气温度以及室外环境因子,又有执行设备的开关量,因此可以把温室系统看作是一个混杂系统。

我国南方地区的温室在一年大部分时间内都需要降温操作。仅安装有天窗或侧窗的温室无法满足温室在夏季相当长时间内的降温要求。如果安装多种降温设备,如天窗、风扇、湿帘等。由于温室建设费用以及管理水平等原因,室内执行设备多采用开关驱动方式。对于种植户来说,如何协调这些降温设备,是一件困难的事情。众多的开关控制信号导致基于传统自动控制理论和现代控制理论而设计的控制方法无法使用。至今许多种植户仍是凭经验,根据室外环境条件手动切换不同的降温设备,但这是非常费力的。有时为了避免手动切换,种植户只使用风扇来调控室内温度,即仅使用机械通风这一种降温方式。但是忽略其它降温方式会导致温室运行能耗增加,这有悖于温室建设时安装多种降温设备的初衷。有学者提出采用变频驱动来实现设备的连续调节,从而可以采用先进的控制方法。但增加变频驱动设备会大幅增加温室建设费用。如何在不改变温室现有设备以及不增加额外费用的前提下,实现多种开关型执行设备的自动协调控制是目前温室小气候环境控制过程所面临的问题。



技术实现要素:

本发明的目的:提供一种温室降温切换控制系统及其方法,能实现了天窗、风扇、湿帘这三种开关型降温设备的自动协调控制,且简单易行。

为了实现上述目的,本发明的技术方案是:

一种温室降温切换控制系统,包括温室主体、多扇天窗、多个风扇、湿帘、多个交流接触器、多个驱动电机及控制器;所述的多扇天窗分别间隔安装在所述的温室主体的顶部,所述的多个风扇分别间隔安装在所述的温室主体的南侧端面上,所述的湿帘安装在所述的温室主体的北侧端面上;所述的控制器的一端分别与所述的多个交流接触器的一端连接,所述的多个交流接触器的另一端分别与所述的多个驱动电机的一端对应连接,所述的多个驱动电机分别与所述的多扇天窗对应连接,所述的多扇天窗分别通过所述的多个驱动电机开合。

一种温室降温切换控制系统及其方法,所述的温室主体内的温度记为tin,所述的温室主体内的温度上限设定值记为th,所述的温室主体内的温度下限设定值记为tl;对于机械通风和湿帘-风扇降温来说,停止阈值均记为tstop;该方法至少包括如下步骤:

步骤1:初始时,所述的温室主体内所有执行设备均不工作,所述的温室主体处于被动模式。

步骤2:当所述的温室主体内温度达到设定上限值th时,所述的温室主体由被动模式切换至自然通风模式。

步骤3:所述的温室主体在自然通风模式下运行时,如果所述的温室主体内温度在设定范围(tl,th)内,那么继续保持在自然通风下运行;如果所述的温室主体内温度超过上限值th,那么所述的温室主体切换至机械通风模式;如果所述的温室主体内温度降低至下限值tl,所述的温室主体则切换至被动模式。

步骤4:所述的温室主体在机械通风模式下运行时,如果在规定时间内不能把所述的温室主体内温度降低至停止阈值tstop,所述的温室主体则切换至湿帘-风扇降温模式;反之,切换至自然通风模式。

步骤5:所述的温室主体在湿帘-风扇降温模式下运行时,当把所述的温室主体内温度降低至停止阈值时,切换自然通风模式;否则,继续保持在湿帘-风扇降温模式下运行。

本发明根据室内温度与设定温度上下限的关系而设定的切换控制可以保证该温室降温系统在不同运行模式之间自动切换,可以满足温室不同的降温需求,且充分利用了自然通风模式来减少温室降温能耗。

附图说明

图1是本发明一种温室降温切换控制系统的结构示意图。

图2是本发明一种温室降温切换控制系统的控制原理图。

图3是本发明一种温室降温切换控制系统的控制方法流程图。

图4是本发明一种温室降温切换控制系统及其方法的仿真实验的室外空气温度变化图。

图5是本发明一种温室降温切换控制系统及其方法的仿真实验的室外相对湿度变化图。

图6是本发明一种温室降温切换控制系统及其方法的仿真实验的室外太阳辐射变化图。

图7是本发明一种温室降温切换控制系统及其方法的仿真实验的室外风速变化图。

图8是本发明一种温室降温切换控制系统及其方法的方案1中新控制策略下室内温度变化图(预测时域为10分钟)。

图9是本发明一种温室降温切换控制系统及其方法的方案1中参考控制策略下室内温度变化图。

图10是本发明一种温室降温切换控制系统及其方法的方案2中参考控制策略下室内温度变化图。

图11是本发明一种温室降温切换控制系统及其方法的方案2中新控制策略下室内温度变化图(预测时域为10分钟)。

图12是本发明一种温室降温切换控制系统及其方法的方案3中参考控制策略下室内温度变化图。

图13是本发明一种温室降温切换控制系统及其方法的方案3中新控制策略下室内温度变化图(预测时域为10分钟)。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

请参见附图1及附图2所示,一种温室降温切换控制系统,包括温室主体1、多扇天窗2、多个风扇3、湿帘4、多个交流接触器5、多个驱动电机6及控制器7;所述的多扇天窗2分别间隔安装在所述的温室主体1的顶部,所述的多个风扇3分别间隔安装在所述的温室主体1的南侧端面上,所述的湿帘4安装在所述的温室主体1的北侧端面上;所述的控制器7的一端分别与所述的多个交流接触器5的一端连接,所述的多个交流接触器5的另一端分别与所述的多个驱动电机6的一端对应连接,所述的多个驱动电机6分别与所述的多扇天窗2对应连接,所述的多扇天窗2分别通过所述的多个驱动电机6开合。

请参见附图3所示,一种温室降温切换控制系统的控制方法,所述的温室主体1内的温度记为tin,所述的温室主体1内的温度上限设定值记为th,所述的温室主体1内的温度下限设定值记为tl;对于机械通风和湿帘-风扇降温来说,停止阈值均记为tstop;该方法至少包括如下步骤:

步骤1:初始时,所述的温室主体1内所有执行设备均不工作,所述的温室主体1处于被动模式。由于太阳辐射以及室外温度较高,室内温度会逐渐上升。

步骤2:当所述的温室主体1内温度达到设定上限值th时,所述的温室主体1由被动模式切换至自然通风模式。

步骤3:所述的温室主体1在自然通风模式下运行时,如果所述的温室主体1内温度在设定范围(tl,th)内,那么继续保持在自然通风下运行;如果所述的温室主体1内温度超过上限值th,那么所述的温室主体1切换至机械通风模式;如果所述的温室主体1内温度降低至下限值tl,所述的温室主体1则切换至被动模式。

步骤4:所述的温室主体1在机械通风模式下运行时,如果在规定时间(图3中以10分钟为例)内不能把所述的温室主体1内温度降低至停止阈值tstop,所述的温室主体1则切换至湿帘-风扇降温模式;反之,切换至自然通风模式。

步骤5:所述的温室主体1在湿帘-风扇降温模式下运行时,当把所述的温室主体1内温度降低至停止阈值时,切换自然通风模式;否则,继续保持在湿帘-风扇降温模式下运行。

对机械通风和湿帘-风扇降温两种降温模式来说,当温室主体1内温度降至该停止阈值tstop时,停止运行,以减少降温能耗。停止阈值tstop可以取为上下限之间的某数值。

控制器7通过交流接触器5和驱动电机6来控制三种执行设备。首先划分温室运行模式。根据这三种执行设备的开关组合状态,把温室的运行模式分为自然通风、机械通风和湿帘-风扇降温三种模式。当所有设备均不工作时,称温室处于被动模式。把温室的运行过程看作是在这四种运行模式之间不断切换的过程。然后由控制器7根据温室主体1内空气温度与所设定上下限的关系,发出运行模式的切换命令,从而实现不同运行模式的切换。假设温室主体1初始处于被动模式。当温室主体1内温度上升到所设定的上限值时,温室进入自然通风模式。当自然通风模式不能把温室主体1内温度控制在设定上限值以下时,则切换至能力更强的机械通风模式。如果机械通风不能在规定时间内把温室主体1内温度降低到某设定值处,则切换至湿帘-风扇降温模式。当湿帘-风扇降温模式把温室主体1内温度降至某设定值处,则切换至自然通风模式。如果机械通风在规定时间内能够把温室主体1内温度降至某设定值处,也切换至自然通风模式。在自然通风模式下,当温室主体1内温度降至设定下限值时,温室主体1则切换至被动模式。

自然通风几乎不消耗能量,通常为温室主体1降温的首选方式。机械通风和湿帘-风机降温方式的能耗明显增加,但其降温能力也显著增强。尤其是湿帘-风机降温,可以将温室主体1内温度降至周围环境温度以下。

自然通风和机械通风两种降温情况下的室内空气温度预测模型均如(1)式所示:

δti(k+1)=αδtot(k)+βrout(k)+ε(1)

而湿帘-风机降温下的室内空气温度预测模型如(2)式所示:

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

式中δti(k+1)为室内空气温度在k+1时刻与k时刻的差值;δtoi(k)为室内外空气温度在k时刻的温差;rout(k)为k时刻的太阳辐射强度;δtpi(k)为k时刻室内空气温度和湿帘表面温度之差;α、β、γ和ε均为模型系数。

当前时刻记为k。当预测k+i(i>1)时刻室内温度时,则需要获得k+i-1时刻室外相关环境因子。但在实际应用中未来时刻的环境因子是未知的,而且不方便准确地预测。懒人天气预测是一种简单易行的方法,该预测方法的基本思想是假设在预测时域内其它相关环境因子保持其最新测量值不变。当预测时域不长时,该预测方法是有效的。

温室降温节能切换控制策略设计如下。降温的上下限温度分别记为th和tl。首先建立每种降温模式下的温度预测模型。然后当室内温度上升到th时,使用每种降温方式下的温度模型预测未来有限时域内室内温度的变化。由于自然通风消耗的能量很少,因此在有限预测时域内,温度预测值只要不超过或略低于温度上限值th,那么自然通风就有可能被采用。由于机械通风和湿帘-风机降温为主动降温方式,在整个过程中都有能量消耗,所以只有在预测时域内能够将室内温度降低至上下限的平均值时,它们才有可能被采用。在满足降温要求的前提下,选择能耗最小的降温方式。每次室内温度上升到th时,都重复这样的操作,从而实现不同降温方式的自动节能切换控制。假设温室初始处于被动状态,当室内温度上升到上限值th时,具体控制策略如下:

这里下标nv、mv和pf分别表示自然通风、机械通风和湿帘-风机降温。tnv(k+nj|k)、tmv(k+nj|k)和tpf(k+nj|k)分别为三种降温方式在k+nj时刻的温度预测值;jnv,jm和jpf分别为相应降温方式的估计能耗;pj(j=1,2,3)为三种降温方式的运行功率;nj×δt(j=1,2,3)为三种降温方式中设备的运行时间,其中δt为采样间隔;nj为不同降温方式下设备运行持续的采样周期数。

为了在完全相同的环境下对比新控制策略与一个参考控制策略,以及研究影响降温节能的因素,需要一个温室温度仿真模型。针对上节所描述的温室降温系统,建立了如下的温室温度机理模型:

式中ρa为空气密度(g/m3);ca为空气比热容(j/(g℃));vg为温室体积(m3);tin(t)室内空气温度(℃);t为时间(s);qrad(t)太阳辐射功率(w);qtran(t)作物蒸腾吸收的功率(w);qexch(t)经过覆盖层的室内外空气热交换功率(w);qnv(t)自然通风功率损失(w);qmv(t)机械通风功率损失(w);qpad(t)湿帘-风机降温的功率损失(w);t为时间(s);xj(j=1,2,3)为三种降温方式的开关量,其值取为0和1(0表示关闭;1表示开启)。由实际控制情况可知,开关量xj(j=1,2,3)在任何时间最多只能有一个取值为1。

请参见附图4至附图7所示,使用上述温室温度机理仿真模型时,需要提供室外空气温度、相对湿度、太阳辐射强度以及风速这四种环境因子的测量数据。以南京地区为例,选择一个晴天2014年4月22日。由于夜晚温室不需要降温,因此仿真仅在白天进行。仿真实验的时段设置为7:30~16:30。自然通风的风速是根据风力等级与风速对照表得到的。为了减小风向的影响,选择了风力等级所对应的最小风速值。

仿真实验中的设施是按照上述实际温室情况进行设置的。温室本体1南侧墙安装有4个风扇3,受同一控制信号驱动,即4个风扇3同时开启和关闭。当它们开启后,温室本体1则运行于机械通风模式。温室北侧墙安装有一个湿帘4。温室本体1的湿帘-风扇降温模式是同时开启4个风扇3和湿帘4。由于实际温室天窗2不能打开,这里假设天窗面积为温室面积的1/10,其张角为30°。风扇3、湿帘4均不工作,而只有天窗2打开时,温室本体1运行于自然通风模式。温室本体1顶部安装有外遮阳网,其透光率为50%。由于预测模型包含太阳辐射强度,因此遮阳网的工作状态会影响模型预测结果。基于遮阳网的开关工作特性,对式(1)和式(2)分别进行了修正,修正后的温度预测模型如式(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为遮阳网的控制信号,1代表展开;0代表收起。η为遮阳网的透光率。

计算温室运行能耗需要各种设备的运行功率。每个风扇的额定功率为1kw;湿帘的电动机功率为2kw;与机械通风和湿帘-风机降温相比,遮阳网和天窗的能耗非常小,因此在这里被忽略。

当室内温度超过上限设定值时,执行上述比表格设计的控制策略来选择合适的降温模式。当室内温度降低到一定程度时,则需要变停止降温。每种降温方式运行停止的条件设置如下:若采用自然通风,那么只要室内温度不低于下限设定值,则无需关闭天窗2。若采用机械通风或湿帘-风机降温方式,当室内温度降至上下限的平均值时,则停止动作。由于遮阳网的工作状态取决于太阳辐射强度,因此遮阳网进行单独控制,相关设置如下:当太阳辐射强度超过420w/m2时,打开遮阳网;当太阳辐射强度降至400w/m2时,关闭遮阳网。

从上述控制策略可知,不同预测时域长度可能会对降温模式的切换产生影响,从而影响温室运行能耗,因此这里将预测时域分别设置为5,6,8,10,12,15,20分钟,以研究预测时域长度对温室降温运行能耗的影响。温度上下限对温室降温能耗也会有所影响,所以这里设置了三种温度上下限值,分别为20℃和30℃、24℃和30℃、22℃和32℃。在这三种情况下分别进行上述仿真实验。为了便于区别这三种情况,分别依次标记为方案1、2和3。

温度预测模型在使用之前,需要进行辨识。为了方便,设置前三次降温分别为自然通风、机械通风和湿帘-风机降温,且每次降温过程至少持续3分钟,以获得足够的数据进行模型辨识。这里设置数据采集周期为20秒。前三次降温之后,开始采用新控制策略进行降温控制。随着时间的推移,模型的预测准确性将会越来越低,因为除了模型所考虑的影响因素外,诸如长波辐射、作物冠层以及土壤等对室内空气温度均有所影响。为了保持模型预测的准确性,在降温过程中必须及时更新模型系数。做了如下设置:在任何一种降温方式下连续获取的环境数据超过所需最小辨识数目时,则对该降温方式下的温度预测模型进行重新辨识。由于模型辨识需要的数据较少以及采样周期较短,因此在每次降温过程中几乎都可以更新模型系数。这样可以有效克服那些慢时变因素对模型预测准确性的影响,从而使模型保持准确的预测功能。

为了研究本文所提方法的节能效果,设计了一个不采用温度预测模型的参考切换控制策略。该参考控制策略基于固定的切换规则,具体描述如下:假设温室一开始处于被动模式,遮阳网收起。当温度超过上限设定值时,首先采用自然通风。当自然通风不能将室内温度降至上限以下时,切换到机械通风。若机械通风不能在5分钟内将温度降至上下限的平均值,则切换为湿帘-风机降温方式。当每次需要降温时,该策略均采用上次使用的降温模式。当遮阳网打开之后,有降温需求时,仍是首选自然通风,并重复上面的切换规则。除了切换规则之外,参考控制策略的其它所有设置均和新控制策略相同。

请参见附图8至附图13所示,仿真结果显示室内温度可以有效控制在设定范围内,这表明上述两种控制策略均能够满足控制要求。在每一种方案中,由于预测时域的长度不同,温室温度动态变化的过程略有不同。在方案1中,当预测时域为10分钟时,新控制策略下的室内温度动态变化如图9所示。参考控制策略下室内温度的动态变化如图8所示。两种控制策略下降温方式的运行时间及其切换次数分别在表1和表2中给出。在方案2中,相应的仿真结果分别在图10、图11、表3和表4中。而在方案3中,相应的仿真结果分别在图12、图13、表5和表6中。根据仿真实验中相关设施的功率,计算出各种控制策略的降温运行能耗,如表7所示。

表1.方案1中不同降温策略下降温方式的运行时间

表2.方案1中不同降温策略下降温方式的切换次数

表3.方案2中不同降温策略下降温方式的运行时间

表4.方案2中不同降温策略下降温方式的切换次数

表5.方案3中不同降温策略下降温方式的运行时间

表6.方案3中不同降温策略下降温方式的切换次数

表7.不同控制策略下的降温能耗(kw.h)

在方案1和方案2中,两种控制策略下温室温度变化的主要差异表现在后期降温过程中。每次降温时,参考控制策略是依据固定规则进行切换,而新控制策略依据模型预测结果做出判断。因此新控制策略具有自适应性,并能够及时选择自然通风,这对于减少温室降温运行能耗是非常有效的。结果显示,新控制策略表现出了良好的节能效果。但在方案3中,由于自然通风即可满足降温要求,因此新控制策略没有表现出节能优势,甚至新控制策略因前三次固定降温中使用了机械通风和湿帘-风机降温而比参考控制策略消耗了更多的能量。所以至少需要两种降温方式时,新控制策略才能表现出其优点。

方案1和方案2的仿真结果表明,新控制策略中预测时域长度对降温能耗和设备切换次数有所影响。在自然通风模式下,当预测时域较短时难以获得较低的预测值,因为自然通风降温的能力很弱。反之,当预测时域较长时,可以获得较低的温度预测值。因此当预测时域较长时,新控制策略会越来越多地选择自然通风进行降温,相应地能耗也就越少。此外,仿真结果也表明,随着预测时域的增长,设备运行的切换次数略有减少,这是非常好的,因为较少的切换次数对于延长设备使用寿命是有益处的。但预测时域不宜设置得太长,因为模型预测中使用懒人天气预测方法来提供室外环境因子数据。从上述仿真结果看,预测时域设置在10~20分钟之间时,新控制策略的能耗比较稳定,且与参考控制策略相比,节能效果在15%以上。

与方案1相比,方案2中的温度下限由20℃改为24℃。根据2.3节中所介绍的各种降温方式的停止条件可知,各种降温方式工作的温度带宽被缩小,这会导致降温方式的频繁开关。另外,降温停止条件的改变对降温能耗也有影响。根据相关研究,在降温过程中,室内温度变化呈负指数规律,这意味着随着室内温度逐渐降低,降低1℃会需要越来越多的能量。所以与方案1相比,方案2中各控制策略的降温运行能耗略有降低。在实际应用中,要合理设置各种降温方式停止的条件,以便在温室降温运行能耗和设备开关频繁程度之间取得平衡。

与方案1相比,方案3的温度范围从(20~30℃)改变为(22~32℃)。仿真结果表明两种方案中的降温能耗大不相同。在方案3中仅使用自然通风就可以满足降温要求,因此温室降温过程几乎不消耗能量。可见,温度上限值对温室降温能耗有很大影响。温度上限值越高,降温运行能耗就越少。因此在实际中,需要综合考虑作物生长所需要的温度范围,来设置合适的温度上限,以达到减少温室降温能耗的目的。也可以在今后的研究中根据积温原理来设置可变的温度上限,已达到更加节能的目的。

因为本发明的重点在于三种具有约束关系的降温模式的自动节能切换,所以没有对遮阳网的降温效果进行量化分析。但这并不是说遮阳网是无关紧要的。相反,从仿真结果可以看出,遮阳网对于减少降温能耗来是非常重要的。在方案1和方案2中,在遮阳网打开之前,自然通风已无法满足降温要求,因此均进行过几次主动降温。但当遮阳网打开之后,启动自然通风方式即可满足降温要求。在方案3中,同样可以看出遮阳网对于减少降温能耗的重要影响。可见遮阳对于温室降温来说是非常有效的,可减少降温能耗。在实际生产中,基于室内作物光合作用对太阳辐射量的需求以及节能要求等因素,来设置合理的遮阳网开关阈值。

最后需要说明的是本文所提控制策略是容易实现的。温室生产的最终目标是希望经济利益最大化,因此有一些以经济利益最大化为目标进行温室环境参数的优化控制方法。但是它们在实际中是不可行的,主要原因是作物产量模型以及未来市场价格的预测结果并不可靠。相比之下,本文是以有限时域内温室能耗最小为优化目标来实现不同降温方式的节能切换控制,更具有可行性。

综上所述,本发明根据室内温度与设定温度上下限的关系而设定的切换控制可以保证该温室降温系统在不同运行模式之间自动切换,可以满足温室不同的降温需求,且充分利用了自然通风模式来减少温室降温能耗。

以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换,或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

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