温室小气候环境模型的应用及综述

保持着动态平衡。１ 纪 ６ ９世 ０年代 以来 ， 于传热学 基
和生 物 环 境 工程 学 的理 论 ， 究 温 室 热 环 境 的变 化 规 研
律， 国内外研 究人员 已进行 了大量 深入 的研究 工作 ， 从单个 因子 （ 辐射 、 风 、 、 、 交换 等） 通 水 热 气 的基本过 程到多因子综 合 的小 气候 模型 。对温 室微气 候 的研 究起 步较早的国家是荷兰 、 以色列等 。１６ 年荷 兰的 ９３ Ｂ ｓ ｇｒ 温 室 分 为 ４层 ： 盖 物 、 内空 气 、 物 、 ｕｉ ｅ 将 ｎ 覆 室 作 土
通讯作 者 ：张
—
武 （ ９ ６ ） 男 ， 徽淮南人 ， １６ 一 ， 安 副教 授 ， 士生导 师， Ｅ 硕 （
ｍａ ）ｚａｇ ｕ ａ ａ． ｄ ． ｎ ｉ ｌ ｈ ｎｗ ＠ ｈ ｎ ｅ ｕ ｃ ｏ
１９・ ８
温室是一个半封 闭的热力 系统 ， 它随时受到室 内
・
２１ ０ ９月 １年
轨 迹进 行 比较 ， 过 与模 型 输 出 误 差 进 行 反 馈 校 正 ； 经
化作物的生长过 程口 。根据外 部气象条 件和作 物 的 生长发育阶段 ， 利用环境控制设备对温室 内环境条件
进行 有 效 的 控 制 ， 取 连 续 生 产 方 式 和 管 理 方 式 高 采 效、 均衡 地 进 行 生产 。为 了更 好 地 管 理 和 控 制 温 室 气
以能 量 平 衡 方程 和质 量 平 衡方 程 为 理 论 依 据研 究 温 室 的 模 型 ， 一 种 方 法 为基 于 输 入 输 出数 据 的模 型 ， 括 线 另 包 性 模 型 、 线 性 模 型 、 箱模 型 等 。同 时 ， 出 了 目前 温 室 小 气 候 建 模 方 法 存 在 的 问 题 ， 对 温 室 小 气 候 环 境 建 非 黑 指 并 模 方 法 的 发 展趋 势 进 行 了展 望 ， 介 绍 了一 种 温 室小 气 候 建模 方 法 在 气 候 自适 应 ＰＤ控 制 中的应 用 。 并 Ｉ
和 期 望控 制 设 备 输 入 的数 据 ； 后 根 据 温 室 模 型 ， 然 预
１ 温室小气候模型在温 室控 制系统 中的应用
建立温室 的主要 目的是改善 作物生 长的环境 条
件， 温室 环 境 控制 的 目标 是 进 一 步 改 善 环 境 条 件 来 优
测出未来 的温室气候 ， 再将 预测输 出数据 与参考输入
收 稿 日期 ：２ １ 一ｌ — ２ ００ １２
条件 ， 可限制 过大 的控 制量 冲击 ， 过程输 出变化平 使
基金项 目：国家 “ 十一 五 ” 技支 撑 计划 重 点 项 目 （ ０ ９ Ａ Ｃ Ｂ ２ 科 ２０ Ｂ Ｄ ４ ０ ；
２ｏ ｏ ９ＢＡＤＡ６Ｂ ２） ０
稳， 还可使 系统能获得稳定的运行性能 。
热力学 、 传热学的基本原理 ， 建立 能量平衡方程式 ， 从
而定 量 地 确 定 温 室 内 部 和 外 部 各 参 数 间 的 关 系 以及
所需供热 （ 制冷 ） 负荷 ， 也有基于输入和输 出数据 的方
法建模 ， 如应用模糊逻辑网络和人工神经网络等。
其主要包括 ： 温室 内部小气候模型 、 反馈校正 、 滚 动优化 、 参考值输入等几个部分。用历史 的气候数据 的输入输 出信息 由天气模 型得 到的预测 的气象数据
热 、 湿 等 。在 这 些 扰 量 作 用 下 ， 室 内 的 空 气 始 终 散 温
温度 的二阶模 型 ， 型 的参 数是在 线时变 的 ， 是对 模 但
于模 型 的结 构 没 有作 分 析 。２０ ０ ５年 ，ｉ ｇｅ ｌ 用 时 Ｌｔ ｏｔ 采 ａ ａ 间序 列 分析 的 方 法 对 自然 通 风 温 室 的 温 湿 度 进 行 建 模 。 国外还 有 一 些典 型 的 综合 环 境模 型 【］如 比利 时 ｌ： ｏ 的 Ｇ Ｇ Ｍ 模 型 、 国的 ＳＭＵ Ｓ Ｒ Ｅ模 型 和 美 国 的 Ｄ Ｃ 法 Ｉ ＬＥ Ｒ
壤 ， 能 量 守 恒 公 式 化 以来 ， 种 研 究 方 法 成 为 以后 在 这 温 室 建模 的核 心 。１７ ９ ７年 ，．Ｔｋｍｉ Ｚ ｃｉｍａ没 Ｓ ａａ ， ．Ｕ ｈｉ ｊ
Ｐ Ｌ 一 模型等。 ＯＹ ２
２ ２ 国 内温 室小气 候 环境模 型 研究 的历 史及 现状 ．
我 国的现代温室起 步较 晚。２ Ｏ世 纪 ５ Ｏ年代 末 ， 在华 北 地 区 曾建 造 过 屋 脊 式 大 型玻 璃 温 室 ；０年 代 ６
一 的 去
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维持温室 内部 良好的小气候 环境 ， 有利于更好地实现 温室气候控制 ， 而达到 提高作 物品质 、 从 高产 和低能
耗 的最 终 目的 。温 室 小 气 候 建 模 方 法 的 研 究 对 温 室 建 筑 、 产 和发 展 有 着 十 分 重 要 的 意 义 ， 生 目前 多 利 用
关键词 ：温室 ；小气候模型 ；系统识别 ； 自适应 ＰＤ控制 Ｉ
中图分 类号 ：８ ２ ． ６ ５５
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ０ － ８ Ｘ（０ １ ０ － １ ９ ０ ０ ３ １ ８ ２ １ ）９ ０ ８ － ４
０ 引言
温室是以采光覆 盖材料 作为全部 或部分 围护结
构材料 ， 可供冬季或其他不适宜露地植物生长 的季节 栽 培植 物 的建 筑 。现代 化 温 室 可 以 有 效地 调 控 温 度 、
湿度 、 照 、 氧化 碳浓 度 和 土壤 环 境 等 环境 因 子 ， 光 二 创 造 一个 与 室 外 大 气 候 环 境 相 对 隔 离 的 小 气 候 环 境 。
的气 候 控制 策 略 ， 个 控 制 信 号 能 够 确定 温 室 的 性 价 这 比， 自适 应 ＰＤ控 制 器 能够 实 现这 一 功 能 。 Ｉ 气候 自适 应 ＰＤ控制 器 的结构 如 图 １所 示 。 Ｉ
区 ］． 茎 Ｉ ＿ 塑
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图 １ 温 室 气 候 自适 应 ＰＤ控 制 结 构 图 Ｉ
Ｆ ｇ Ｔｈ ｔｕ ｔ ｒ ｆ ｔ ｅ ｇ ｅ ｎ ｕ ｅ ｃ ｉ ｔ ｄ ｐ ｉ ｅ ＰＩ ｃ ｎ ｒ ｌ ｉ ．１ ｅ ｓｒ ｃｕ ｅ ｏ ｈ ｒ ｅ ｈｏ ｓ ｌ ｍａ ｅ ａ ａ ｔ Ｄ ｏ ｔｏ ｖ
内温 度 、 度 、 氧 化 碳 浓 度 的 变 化 模 型 。１９ 湿 二 ９ ７年 ，
兆力等 建立 了供热温室通用方程 ， 并以全光温室为 例通过各层能量微分方程 ， 对研究对象进行 简化后建 立了微气候 理论模 型。２０ ０５年胥芳 、 张立彬 等 沿
Ａ ｉｒ ｔ 系统分 析无风 和弱风情 况下 温室 的 自 ．Ｍ ｓｉｉ ｔｏ ｓ 然通风过程 ， 应用计 算流 体动力 学知识 ， 各种通 风 对 结构温室的通风效率进行 了预测。１９ ９８年 ， ． ｉ ｅ Ｒ Ｌ ｋｒ ｎ 等 在假设温室作物模型已知的情况下 ， 利用 神经 网 络建 立 温室 气 候 模 型 ， 现 了对 Ｃ 浓 度 的 控制 。 实 Ｏ １９ ９ ９年 ，． ．Ｐ ｔ ｓ Ｊ Ｇ ｉ ｅ Ｌ 对种植 西红柿 的全 光温 室构 ｅｒ６ 件数学模 型仅考虑太 阳辐射单 次反射的前提下 ， 定量 研究了覆盖 材料与地 面光学参 数及覆 盖物 表面蒸 汽 的冷凝方式 对 温室太 阳能利 用率 的影 响。１９ ９ ９年 ，
东 型连 栋 塑料 温 室 对模 型 进 行 了实 验 验 证 ， 实测 数 据 与 预测 模 型输 出 的数据 基 本 吻合 。２ ０ ０５年 李 惟 毅 、 李
的控制结果 （温室 内温度 、 湿度 、 作物蒸腾速 率和能 耗 等 ） ９ ５年 Ｊ Ｃ Ｂ ｋ ｅ， ． ． ｏ 等 在 温 室 。１９ ． ． ａｋｒ Ｇ Ｐ Ａ Ｂ ｔ 建模与控制 的著作 中， 综合研究 了跟温 室相关 的各个 领域的成果 ， 从植物 的生 理学 、 热力学 角度研 究温 室
室环境优化控制模型 Ｋ Ｓ Ｒ ， Ａ Ｐ Ｏ 该模 型能够综合考 虑温室的材料 和布局 、 室室外气 象条件 、 温 番茄 的播
种 日期 和温 室 环 境 控 制 目标 来 预 测 模 拟 温 室 内环 境
件已知 的情况下 ， 得到与地理位置 、 温室结构 、 温室容 积等因素有关联温室温度 的动态预测模 型 ， 并基 于华
Ｍ．Ｎ ａｇｃ 根 据 能 量平 衡 的方 法 ， ．Ｂ ｒａｈ 研究 了一 套 目
用 ４层理论模 型 ， 分析 了玻璃温室 能量小气候 的质热
平衡 ， 建立了温室小气候 温湿度 动态模 型 ， 并对模 型 进行 了仿 真。２ ０ ０ ７年 ， 高振波 和赵立强等¨ 研究从
温 室采 光 面 的光 学 模 型 人 手 ， 析 温 室 内外 环境 的热 分 交 换 ， 立相 应 的热平 衡 数学 模 型 。２ ０ 建 ０ ９年 ， 力 力 、 孟
基 于 温 室小 气 候 模 拟 模 型 和 番 茄 作 物 生 长 模 型 的 温
室。从 国内温 室小气候 建立模 型方法 的研究情 况来
看， 目前 主要 有 以下 两 种 方法 ： １ 以能 量 平 衡 方 程 和 质 量 平 衡 方 程 为 理 论 依 据 ） 研 究温 室 的 模 型 。２ ０ ０ ３年 ， 慧 萍 、 香 雯 和 崔 绍 司 苗 荣 利 用 能 量 平 衡 、 量 平 衡 的方 法 ， 外 界 气 象 条 质 在
作 者简 介 ：周 荣双 （９ １ ） 女 ， 南南 阳人 ， 士研 究 生 ， Ｅ ｍ ｉ １８ 一 ， 河 硕 （ — ａ） ｌ
ｌ ｅ ７ ６ ｉ ２３ ０４ ７＠ ｓｎ ． ｏ 。 ｕｙ ｉａ ｅｍ
２ 国 内外温室小气候环境模 型的研究
２ １ 国外 温 室小气 候 环境 模型 研究 的历 史及 现状 ．
最后优化后计算 当前时刻应加于系统的控制动作 ， 完
成 整个 控 制循 环 。 ’
一
般地 ， 执行 最 优化 就是 实 现价 值 函数 的最 大
化， 达到期望收成经济价值 的最大化和气 候调节设 备
的经 营成 本 最 小 化 。在 性 能 指 标 中 加 入 控 制 量 约 束
候环境 ， 必须建立一个用来计算最优控制信号 的合适
农 机 化 研 究
第 ９期
外 诸 多 扰 量 的 影 响 。其 中 ， 外 扰 量 有 室 外 空 气 温 室
外 风 速 作 为输 入 量 ， 用 递 推 最 小 二 乘 建 立 了温 室 内 利
度、 湿度 、 阳辐射强度 、 太 风速 、 向等 ； 内扰量包括 风 室 采 暖系统 、 明及 其 他设 备 的散 热 和作 物及 土 壤散 照
初， 在东北地区建成 １ｍ 的大型玻璃 温室 ， ｈ 但基本没
有什 么 配 套 设 施 ， 有 形 成 有 效 利 用 ； ２ 没 从 ０世 纪 ８ ０ 年 代初 开 始 得 到 长 足 发 展 ， 中 ９ ％ 以上 是 日光 温 其 ５
有精确考虑土壤 热容并 在土壤 的传热计 算 中采用 了 许多近似处理后 ， 首次建立 了基于初等边界条件 的温 室 稳 态模 型 ； 是 在 ２ 于 ０世 纪 ８ ０年 代 ， 兰 研 制 出 了 荷
２ ｌ 年 ９月 ０ １
农 机 化 研 究
第 ９期
温 室 小 气 候 环 境 模 型 的 应 用 及 综 述
周 荣 双 ，张 武
（． １ 安徽 农 业 大 学 信息 与 计 算 机 学 院 ，合 肥 ２ ０ ３ ；２ 农 业信 息 学 安 徽 省 重点 实 验 室 ，合 肥 ２ ０ ３ ） ３０ ６ ． ３ ０ ６ 摘 要 ： 对 国 内外 温 室小 气 候 环 境 建模 方 法 的 研 究进 行 了综 述 。温 室小 气 候 环 境 建 模 的 方 法 主 要 有 两 种 ： 是 一