張衛(wèi)江，白軍，王忠紅

(1.西藏農牧學院電氣工程學院，西藏林芝860000；2.西藏農牧學院水力土木工程學院，西藏林芝860000；3.西藏農牧學院植物科學學院，西藏林芝860000)

0 引言

溫度與光照是制約蔬菜生長的兩個最重要的參數(shù)，季節(jié)的交替會引起該參數(shù)的變化，進而導致溫室內溫度與光照的變化，最終將影響蔬菜生長.當溫室內溫度與光照參數(shù)過低時，不利于蔬菜正常生長.這種情況下，必須對溫室中“溫度-光照”參數(shù)進行人為的干預，才能夠保證蔬菜在適宜的環(huán)境參數(shù)下生長.

我國幅員遼闊，氣候差異較大.在不同地域，對溫室內的“溫-光”兩種參數(shù)的人為調整也有所偏重.文獻[1-4]偏重對溫室中光照的補償，沒有提及溫度補償問題.在西藏高寒農牧地區(qū)冬季氣溫較低，光照強度卻較高，白天溫室內的溫度基本達到蔬菜的正常生長條件，夜晚氣溫過低，溫室中的溫度不足以滿足蔬菜正常生長的需要.文獻[5]利用了溫室內溫度數(shù)學模型，使用了神經網(wǎng)絡控制算法，實現(xiàn)了對溫室溫度的控制.但是，該數(shù)學模型中涉及到覆蓋層的熱交互、通風熱交換、蒸騰作用的熱交換，其中的很多變量在實際的控制系統(tǒng)是無法檢測的，如蒸騰作用的熱交換.同時利用神經網(wǎng)絡進行控制，本身的計算量就非常大，很難保證系統(tǒng)的實時性.此外，溫室環(huán)境為多輸入、大滯后、非線性系統(tǒng)，很難構建精確的數(shù)學模型.雖然近年來取得的成果很多，但是能夠有效用于實際溫室的控制成果卻不多[6].

為了保證冬季溫室內蔬菜的正常生長，在西藏高寒農牧地區(qū)對溫室內溫度補償重要性要遠遠地大于對光照的補償.由于缺乏溫室“溫-光”調控技術的相關研究與應用，主要是溫室內溫度的調控技術，致使西藏高寒農牧地區(qū)冬季幾乎不能種植蔬菜，影響了該地區(qū)蔬菜的供應.

分析了藏北地區(qū)冬季的氣候特征及溫室具體要求，結合溫室傳熱過程、溫室傳熱的主要傳熱方式及夜晚環(huán)境的假設，對傳熱模型進行適當?shù)暮喕?，提出了溫度功率模?在該模型下，依據(jù)耗能最小與補溫效果最佳原則，提出了自適應的溫室溫度設定值的具體流程.結合溫室大滯后系統(tǒng)的特點，利用Smith預估控制算法能夠有效的實現(xiàn)溫室的溫度控制.

1 西藏高寒農牧地區(qū)冬季氣候特點及對溫室性能的要求

1.1 西藏高寒農牧區(qū)環(huán)境因素

西藏高寒農牧地區(qū)海拔4 500m以上，屬于高原亞寒帶，一年中有半年以上氣溫都處于零度以下，年平均氣溫-2.8～1.7?C.以那曲地區(qū)1月份氣溫為例，最高溫度僅為0?C，最低溫度為-29?C，溫度日較差達到了30?C.如圖1所示.

同時，藏北地區(qū)處于風帶上，每年10月份至來年4月份，為一年中的風季，風力功率密度達130W/m2，風速可達4.1～50m/s，且多為龍卷風.這要求藏北地區(qū)設計溫室時，要考慮溫室本身具有較強的抗風災能力.在冬季，藏北一些地區(qū)還會出現(xiàn)暴風雪天氣，因此溫室還需要具有一定的抗雪災能力.

圖1 2015年那曲12月份的氣溫Fig 1 Nagqu atmospheric temperature in January

1.2 西藏高寒農牧區(qū)蔬菜溫室性能要求

近年來，我國溫室發(fā)展速度很快，出現(xiàn)了多種適用于寒冷地帶的溫室類型，如鞍山II型、光5代、壽薊春型溫室等，它們都具有良好的保溫性能.尤其是薊春型溫室作為雙層溫室，其保溫性能更具有優(yōu)勢.但是，由于特殊的氣候特點，當前的溫室類型并不完全適合藏北高原亞寒帶氣候.單從抗風性方面來說，高海拔地區(qū)溫室的高度與內地的溫室之間就存在一定的差異.從民生與西藏設施農業(yè)發(fā)展來看，設計出完全適合藏北氣候特點的溫室是非常緊迫的，這仍然需要廣大設施農業(yè)專家們的共同努力[8?14].綜上，適合西藏地區(qū)的溫室的具體要求可以歸結為：

1）具有良好的保溫性能，能適應極端環(huán)境溫度-30?C；

2）具有較強的抗風災能力，能抵御6級以上的龍卷風，并且具有一定的抗雪災能力；

3）溫室中必須具有遮陽、補溫、滴灌節(jié)水等相關裝置；

4）溫室中應具有與物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)相關技術及所屬的設備.

2 西藏溫室夜間失熱的過程分析

2.1 溫室失熱非穩(wěn)態(tài)模型分析

西藏地區(qū)冬季日照率較高、大氣透明度好、日照輻射大，連續(xù)晴天時間較長.日照率一般可達70～80%，是全國冬季日照率最高的地區(qū).以一月份水平面日平均日照輻射為例，拉薩是15.566MJ/(M2.d)[15]，白天處于該環(huán)境下的溫室內溫度最高可達25?C左右，最低溫度也可以達到8?C左右.對于西藏地區(qū)而言，白天溫室中的溫度基本能夠保證蔬菜正常的生長，到了夜晚，溫室內的溫度可能降至-5?C，甚至更低.要保證在西藏地區(qū)冬季溫室中種植蔬菜，在夜間對溫室溫度進行人為干預是至關重要的.

溫室透明前屋的能量散耗物理分析：1）溫室內熱量在薄膜內表面以對流的方式進行換熱到薄膜上；2）在薄膜及保溫被之間以導熱的方式進行熱量交換；3）溫室最外層薄膜與大氣環(huán)境接觸，其熱量最終以對流換熱的方式散失到大氣環(huán)境中.

溫室的傳熱屬于非穩(wěn)態(tài)二維傳熱模型，其工程量較大.通常計算中將其視為一維非穩(wěn)態(tài)傳熱考慮，并采用有限差分進行分析計算.描述其物理過程的微分方程如式(1)所示，并采用有限差分進行分析計算，薄膜的內、外表面均為第三類邊界條件，其邊界方程表達如式(2)所示.

式中，ρ-材料密度，kg/m3；λ-導熱系數(shù)，W/m·?C；c?比熱容，kJ/kg·?C；t?墻體內溫度，τ-時間，s；x?墻體厚度方向的坐標，m；S?墻體熱源，W/m3；tw表示溫室內的溫度，?C；tf-表示外界環(huán)境溫度，?C；h?表示溫室的傳熱系數(shù)，無綱量.

雖然利用式(1)、(2)可以計算溫室傳導的熱量，但是其本身過程是一個非穩(wěn)態(tài)的過程，而且在求解過程中計算難度較大，很難保證系統(tǒng)的實時性，同時溫室本身的因素需要對溫室的傳熱模型進行重新簡化.

2.2 溫室散熱簡化模型分析與仿真

在日光溫室外圍護面中，前屋面的散熱傳熱系數(shù)最大，散失的熱量占熱損失的70～80%.為進一步增強溫室保溫的性能，夜間溫室的外圍護中覆蓋相應的保溫材料[20].基于此考慮，冬季夜晚溫室的內外環(huán)境及傳熱方式作如下條件簡化假設：

1）太陽無輻射，天空視為無限黑體；

2）整個傳熱過程視為穩(wěn)態(tài)傳熱，溫室的散熱主要集中在外圍護中；

3）溫室覆蓋的保溫材料及溫室的薄膜視為一個整體，不考慮其內部的損耗；

4）室內植物、后墻面、后屋面按一個輻射體一并考慮；

5）熱量主要是對流換熱，溫室的空氣密度基本保持不變.

依據(jù)文獻[1]所提出含控制量的溫室數(shù)學模型如式(3)所示.

結合西藏高寒地區(qū)溫室的種類及研究溫室的具體參數(shù)，選取溫室的表面積A為480m2，V為1 408m3，空氣密度取1.2 kg/m3，c空氣比熱容1.01J/kg·?C，td為100～110s，Ck取值為20，.不同文獻在研究溫室補溫問題時，所建立的模型因其研究地域差異，模型的具體參數(shù)有所不同.

3 西藏高寒農牧地區(qū)溫室溫度設定值確定方法

3.1 蔬菜溫室對補溫的要求

溫室補溫的過程與空調取暖方式相類似，當溫度等于設定溫度上限時將電源斷開，當溫度低于設定溫度下限時重新接通電源，溫度在設定值上限與下限之間不斷的震蕩.這種“補溫”方式，不適合包括蔬菜在內的農作物的補溫.當前很多溫室的補溫都是按照這種做法進行的.對農作物的溫度補償過程應盡可能做到恒溫方式補溫，即溫度在動態(tài)調整之后，應該保持在設定溫度值附近，溫度不宜在較大范圍內波動.

蔬菜生長對溫度的要求較為嚴格.同一種蔬菜，在不同的生長階段，對溫度的要求也不盡相同.以辣椒為例，發(fā)芽時的溫度是30～45?C；生長適宜溫度白天為26～30?C，夜間為18～22?C；溫度15?C以下，種子不能發(fā)芽，開花不能受精.

過程控制中設定值一般都是固定不變的，對于溫室中蔬菜而言，其所要求的溫度是一個范圍，溫度可以在此范圍內任意波動.在蔬菜生長的溫度范圍內，其關鍵的三個溫度點為：最低溫度、最佳溫度與最高溫度.最低溫度與最高溫度就是溫度區(qū)間的上限與下限，最佳溫度一般介于最低溫度與最高溫度之間.以補溫效果最好為原則，溫室溫度設定值應設置在最佳的生長溫度點；從消耗能源最小的原則出發(fā)，溫室溫度設定為最低溫度點.溫室溫度設置在蔬菜最佳溫度點，固然能保證蔬菜的最好地生長，而且對于增強系統(tǒng)的魯棒性都具有一定的優(yōu)勢，但是這樣設置所消耗的能量相對較大，而且相應的會降低系統(tǒng)的響應速度.如果將溫室溫度的設定值設置在蔬菜生長的最低值，補溫過程中消耗的能量最小，增加系統(tǒng)的響應速度，但是系統(tǒng)的魯棒性較差，一旦受到擾動，系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況[2?8].

3.2 自適應調整溫室溫度設定值方法

為了解決上述矛盾，本文選取一種自適應溫度設定原則.在溫室目標溫度（溫度設定值）不變的情況下，外界環(huán)境的溫度越低其損耗的熱功率越大，而在外界溫度相同時，目標溫度越高時其損失熱功率也越大.因此，在外界環(huán)境溫度還不是太低的情況下，可以考慮適當?shù)膶厥以O定溫度調高；當外界環(huán)境溫度較低時，將溫室設定溫度調低.同時，溫室補溫的功率損耗也是時間的函數(shù)，從晚上24:00至次日的7:00，外界的溫度將保持在最低溫度.在溫室的設定值保持不變的情況下，溫室損耗的熱功率最高，而且維持的時間也較長，消耗熱能也相應的最高.如前述假設簡化，在靜態(tài)時溫室外界環(huán)境變化所損失的熱功率如式（4）、（5）所示.

tω表示溫室內的目標溫度，?C；tf表示外部環(huán)境溫度，?C；λj表示第j層材料的導熱系數(shù)，W/m·k；δj表示第j層材料的厚度；q表示熱流密度，W/m2；Φ表示熱流量，W；A表示溫室外圍護有效面積，m2.然后，溫室在熱損耗過程中還存在墻體的熱損耗、縫隙損耗等[9?15].為了更精確的計算溫室的熱損耗，對（4）、（5）進行必要的修正，結果如式（6）所示.

Φ?表示修正后的溫室熱損，W；?表示熱損正向偏移量（修正量），W.

設蔬菜夜間tbest的生長溫度范圍在[tmin,tmax]區(qū)間內，[tmin]表示蔬菜的最低溫度，?C；[tmax]表示蔬菜生長的最高溫度，?C；tbest表示最佳溫度，?C，位于上述區(qū)間內，tset表示溫室溫度設定值，?C.溫室溫度的設定范圍定義為最佳溫度與最低溫度之間的半開半閉區(qū)間內，即tset∈(tmax,tbest].為了增強系統(tǒng)的魯棒性，系統(tǒng)的最低設定溫度比最低溫度高2?C左右，并用變量tL表示，即生長溫度的最低溫度正向偏移2?C，因此溫度設定值范圍可以表示為tbest∈(tL,tbest].

當溫度降低時，計算當前設定溫度所增加功率.如果該增加的功率小于預先設定的閾值時，則設定值保持不變.如果該增加的功率差大于預先設定閾值Φth時，則溫度設定值在原來基礎上減去一個固定的步長L，將該值作為新的設定值.當溫室外的溫度非常接近預先設定的極限溫度tlim時，將最低設定溫度作為溫室的設定溫度.同理當溫度增加時，溫度小于極限溫度點，將最低設定溫度作為溫室的設定溫度.在外界溫度大于極限溫度tlim，計算減小功率，如果小于閾值則設定值保持不變，否則按預先設定步長增加設定值.當溫度降低時，設定值調整過程如圖2表示，由于溫度增加時，其調整過程與降低時相似，在此不再贅述.溫室設定值與外界環(huán)境溫度變化的仿真圖如圖3所示.

從圖2可以看出，當外界環(huán)境溫度逐漸減低時，設定值也在不斷的減低；當外界環(huán)境溫度達到極限溫度時，溫室的設定溫度達到最低設定溫度.當外界環(huán)境溫度上升時，其設定值也會相應的升高.對于不同的極限溫度，閾值設定不同.

引起溫室內溫度上升與降低的主導因素是外界環(huán)境溫度的變化.當外界環(huán)境溫度上升，溫室內的溫度上升，反之亦然.外界環(huán)境溫度是整個系統(tǒng)的擾動變量，而且具有固定和可測量的特點，但是這種擾動又具有不可預測性.當擾動變化時，對溫室內的被控對象進行調節(jié)的過程具有一定的滯后，即當溫度降低時，需要很長時間才能將溫度調整到設定值附近.本文所采用的控制算法以外界的擾動（外界環(huán)境溫度）為依據(jù)，在溫室內溫度的變化區(qū)間內合理的取值，達到溫室補溫消耗能量最小.然后結合溫室系統(tǒng)模型大滯后、非線性的特點利用斯密斯預估控制，達到了溫室補溫的要求[16?20].

圖2 溫度設定值計算流程Fig 2 Calculation flow of temperature setting value

4 結論

為了解決西藏高寒農牧地區(qū)冬季夜晚溫室溫度過低，不能保證蔬菜正常生長的問題，本文分析了溫室夜晚傳熱過程，簡化了溫室傳熱模型.

通過該模型，將溫室設定值設置在最低設定溫度與最佳溫度之間.在補溫效果最佳與耗能最小的指導原則下，提出了自適應溫室設定溫度的算法，同時以溫室外界環(huán)境變化為擾動，提出了擾動控制結構，通過前饋環(huán)節(jié)與閉環(huán)回路實現(xiàn)對溫室溫度的精確控制，取得了滿意的控制效果.研究表明：

1）西藏高寒農牧地區(qū)溫室取得較好的保溫措施應該盡可能的從兩個方面考慮：①由于西藏地區(qū)具有很好的光照條件，盡可能的減少溫室的前屋面積；②溫室最好采用雙層覆蓋，冬季夜晚應該具有較厚的棉被之類保溫材料覆蓋.

2）溫室補溫過程中，溫室目標溫度（溫室設定值）應該依據(jù)外界環(huán)境溫度的變化，自適應調整.并能夠在外界溫度達到極限調整溫度時，溫室設定溫度自動調整至溫室最低設定值.

圖3 溫室設定溫度與外界環(huán)境的變化仿真圖Fig 3 Simulation of greenhouse setting temperature and external environment change

3）通過擾動（外界環(huán)境溫度）變化，實現(xiàn)對溫室損耗功率的預測，對溫室內溫度設定值的重新估算，利用斯密斯預估控制實現(xiàn)對溫室內溫度精確的控制.