基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法，该方法包括如下步骤：(1)获取温室环境因子初始设定值；(2)获取温室环境因子、作物生理参数和气候参数的实时值；(3)进行产量预测和能耗预测，以环境因子初始设定值为约束，以经济效益最大为目标对温室环境因子进行优化得到温室环境因子目标值；(4)将温室环境因子目标值输入至温室调控执行机构进行温室环境多因子协调控制；同一生长阶段重复执行(2)～(4)，进入下一生长阶段时返回(1)，重新获取环境因子初始设定值。与现有技术相比，本发明专利技术充分考虑了作物的生理信息和能耗对温室环境多因子进行控制，营造更适宜作物的生长环境，实现高产节能的温室运行。

【技术实现步骤摘要】
基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法
本专利技术涉及一种温室环境控制方法，尤其是涉及一种基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法。
技术介绍
温室气候自动控制是温室生产过程中的一项关键技术，它的目的是，根据作物生长各个不同时期对温室气候(主要指温室内的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等)的量化要求，通过计算机控制系统实现对温室气候指标的数据采集、处理，并由相应的自动控制算法，实现对温室气候的自动控制，营造作物生长的最适气候。该技术是提高温室作物的产量和质量的重要手段，也是实现自动调控作物上市时间的重要途径。温室环境控制经历了从仅采用单纯的冬季保温措施到对植物生长所需多个条件进行控制的发展历程。目前荷兰、以色列、日本等一些农业发达的国家研制的温室已经可以成功地控制植物生长的几乎全部条件(温度、湿度、营养液、光等)。近几年来我国各地陆续从上述国家引进了一些这样的温室，但是在运行中这些温室普遍存在系统造价、运行费用高，不适应当地气候，控制效果不理想等诸多问题。传统的温室环境自动控制算法以种植经验得到的数据作为算法的输入参数，旨在研究如何将温室环境控制好，同时满足控制精度、时间等需求。但是这些算法并没有考虑到温室的环境状态是否是最适应作物生长的，是否能够降低能耗，实现温室的长期经济运行。不仅如此，传统的温室调控算法多以控制温度、湿度为主，光照和CO2的控制由于条件所限，还停留在基于专家经验通过设定阈值来进行调控，没有综合考虑能耗和作物生长的需求。但是自然光温室环境受室外环境的影响非常剧烈，阈值控制的方法很难达到作物产量和能耗的最佳优化组合，同时现有的控制方法多以离线设定阈值，在线反馈控制为主，难以应对天气的突然变化，因此会产生较高的能量消耗。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法，该方法包括如下步骤：(1)获取作物当前生长阶段的温室环境因子初始设定值；(2)获取温室环境因子、作物生理参数和气候参数的实时值；(3)根据温室环境因子、作物生理参数和气候参数的实时值输入至产量模型和能耗模型进行产量预测和能耗预测，同时结合产量预测值和能耗预测值，以温室环境因子初始设定值为约束，以经济效益最大为目标对温室环境因子进行优化得到温室环境因子目标值；(4)将温室环境因子目标值输入至温室调控执行机构，同时将温室环境因子实时值反馈至温室调控执行机构，进而进行温室环境多因子协调控制；在同一生长阶段重复执行(2)～(4)，当进入下一生长阶段，返回步骤(1)，重新获取环境因子初始设定值。所述的温室环境因子为多因子参数，包括温度、CO2浓度和光照强度。所述的作物生理参数包括叶面积指数、气孔开度、光合作用速率和呼吸作用速率。所述的产量模型为F1：其中，T为作物生长温度，CO2为二氧化碳浓度，PAR为光照强度，fCropYield为产量函数，[t0,tf]为作物生长时间区间。所述的能耗模型为F2：其中，PT为温度控制所需能耗，为二氧化碳浓度控制所需能耗，PPAR为光照强度控制所需能耗，PACT为温室调控执行机构中的电能驱动机构所需能耗，[t0,tf]为作物生长时间区间。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术通过实时的温室环境因子、作物生理参数监测，周期性的作物生长状态检测，获取作物生长的环境状态和作物自身相关的生理生长状态，实现对作物全方位的监测，从而对作物生理和温室能耗以经济效益最高为目标进行优化，达到对温室环境的合理控制；(2)本专利技术突破了传统温室环境控制算法，在作物生长阶段均进行温室环境因子的优化，从而使得在作物不同生长阶段的温室环境进行可靠控制；(3)本专利技术采用先进优化算法，以产量和能耗为指标，有效、较高精度地控制温室环境，实现高产、低耗、高收益的温室运行。附图说明图1为本专利技术控制方法的结构框图；图2为本专利技术基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法的具体流程框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例如图1、图2所示，一种基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法，该方法包括如下步骤：(1)获取作物当前生长阶段的温室环境因子初始设定值；(2)获取温室环境因子、作物生理参数和气候参数的实时值；(3)根据温室环境因子、作物生理参数和气候参数的实时值输入至产量模型和能耗模型进行产量预测和能耗预测，同时结合产量预测值和能耗预测值，以温室环境因子初始设定值为约束，以经济效益最大为目标对温室环境因子进行优化得到温室环境因子目标值；(4)将温室环境因子目标值输入至温室调控执行机构，同时将温室环境因子实时值反馈至温室调控执行机构，进而进行温室环境多因子协调控制；在同一生长阶段重复执行(2)～(4)，当进入下一生长阶段，返回步骤(1)，重新获取环境因子初始设定值。温室环境因子为多因子参数，包括温度、CO2浓度和光照强度。作物生理参数包括叶面积指数、气孔开度、光合作用速率和呼吸作用速率。产量模型为F1：其中，T为作物生长温度，CO2为二氧化碳浓度，PAR为光照强度，fCropYield为产量函数，[t0,tf]为作物生长时间区间。能耗模型为F2：其中，PT为温度控制所需能耗，为二氧化碳浓度控制所需能耗，PPAR为光照强度控制所需能耗，PACT为温室调控执行机构中的电能驱动机构所需能耗，[t0,tf]为作物生长时间区间。具体地，如图1所示，基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调优化控制算法的结构框图，分为开环控制目标优化层和生产过程控制层。开环控制目标优化层主要基于能量消耗模型和作物产量模型，根据温室作物生产管理计算机辅助系统提供生产条件、环境变量等的约束条件，以经济效益为目标函数进行优化，从而对温室环境因子进行调整，以实现环境控制目标设定值的优化，使之满足作物生长的同时节省能耗；生产过程控制层主要根据上层设定的环境控制目标，对温室内的执行机构进行反馈调节，使之满足控制目标，图中温室环境因子目标值，初始值选用x(0)，对于非初始值x*(t)为采用本专利技术方法进行优化所得的最优温室环境目标值，将此值输入至环境调节执行机构进行温室环境因子的调节，即可实现温室的高效多因子协调控制。在温室实际生产过程中，具体按照下述步骤进行：(a)温室环境采集系统通过温度、湿度、光照、CO2浓度、作物光合作用速率等传感器、实时获取温室环境信息及作物生理信息；(b)以当前检测到的作物产量为输入，结合长期、粗放的环境预测模型、产量模型、能耗模型、作物市场价格模型最大化最终的经济收益，并以此为准，反推并规划从当前时刻到作物收获期间的作物不同生长阶段的产量目标，选择下一阶段的目标带入步骤(c)-(d)中进行优化，丢弃其他阶段的规划目标，实现滚动式优化；(c)分别以产量和能耗作为两个性能指标，结合阶段性的产量指标，优化温度、CO2浓度和光照强度三个环境目标，进行精细化控制，达到高产节能的目的。(d)采用多目标优化算法，高效、快速地计算、比较不同组合的<T,CO2,PAR>情况下对应的产量和能耗两个性能指标函数，给出产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)获取作物当前生长阶段的温室环境因子初始设定值；(2)获取温室环境因子、作物生理参数和气候参数的实时值；(3)根据温室环境因子、作物生理参数和气候参数的实时值输入至产量模型和能耗模型进行产量预测和能耗预测，同时结合产量预测值和能耗预测值，以温室环境因子初始设定值为约束，以经济效益最大为目标对温室环境因子进行优化得到温室环境因子目标值；(4)将温室环境因子目标值输入至温室调控执行机构，同时将温室环境因子实时值反馈至温室调控执行机构，进而进行温室环境多因子协调控制；在同一生长阶段重复执行(2)～(4)，当进入下一生长阶段，返回步骤(1)，重新获取环境因子初始设定值。

【技术特征摘要】
1.一种基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)获取作物当前生长阶段的温室环境因子初始设定值；(2)获取温室环境因子、作物生理参数和气候参数的实时值；(3)根据温室环境因子、作物生理参数和气候参数的实时值输入至产量模型和能耗模型进行产量预测和能耗预测，同时结合产量预测值和能耗预测值，以温室环境因子初始设定值为约束，以经济效益最大为目标对温室环境因子进行优化得到温室环境因子目标值；(4)将温室环境因子目标值输入至温室调控执行机构，同时将温室环境因子实时值反馈至温室调控执行机构，进而进行温室环境多因子协调控制；在同一生长阶段重复执行(2)～(4)，当进入下一生长阶段，返回步骤(1)，重新获取环境因子初始设定值。2.根据权利要求1所述的一种基于作物生理和能耗优化的温室环境多因子协调控制方法，其特征在于，所述的温室环境因子为多因子参数，包括温度、CO2浓度和光照强度。3.根据权利要求1所述的一种基于作物生理和...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔚瑞华，徐立鸿，高永胜，陈岱宗，郑浩，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31