西藏高寒农牧区温室温度调控系统研究∗

张卫江，白军，王忠红

(1.西藏农牧学院电气工程学院，西藏林芝860000；2.西藏农牧学院水力土木工程学院，西藏林芝860000；3.西藏农牧学院植物科学学院，西藏林芝860000)

0 引言

温度与光照是制约蔬菜生长的两个最重要的参数，季节的交替会引起该参数的变化，进而导致温室内温度与光照的变化，最终将影响蔬菜生长.当温室内温度与光照参数过低时，不利于蔬菜正常生长.这种情况下，必须对温室中“温度-光照”参数进行人为的干预，才能够保证蔬菜在适宜的环境参数下生长.

我国幅员辽阔，气候差异较大.在不同地域，对温室内的“温-光”两种参数的人为调整也有所偏重.文献[1-4]偏重对温室中光照的补偿，没有提及温度补偿问题.在西藏高寒农牧地区冬季气温较低，光照强度却较高，白天温室内的温度基本达到蔬菜的正常生长条件，夜晚气温过低，温室中的温度不足以满足蔬菜正常生长的需要.文献[5]利用了温室内温度数学模型，使用了神经网络控制算法，实现了对温室温度的控制.但是，该数学模型中涉及到覆盖层的热交互、通风热交换、蒸腾作用的热交换，其中的很多变量在实际的控制系统是无法检测的，如蒸腾作用的热交换.同时利用神经网络进行控制，本身的计算量就非常大，很难保证系统的实时性.此外，温室环境为多输入、大滞后、非线性系统，很难构建精确的数学模型.虽然近年来取得的成果很多，但是能够有效用于实际温室的控制成果却不多[6].

为了保证冬季温室内蔬菜的正常生长，在西藏高寒农牧地区对温室内温度补偿重要性要远远地大于对光照的补偿.由于缺乏温室“温-光”调控技术的相关研究与应用，主要是温室内温度的调控技术，致使西藏高寒农牧地区冬季几乎不能种植蔬菜，影响了该地区蔬菜的供应.

分析了藏北地区冬季的气候特征及温室具体要求，结合温室传热过程、温室传热的主要传热方式及夜晚环境的假设，对传热模型进行适当的简化，提出了温度功率模型.在该模型下，依据耗能最小与补温效果最佳原则，提出了自适应的温室温度设定值的具体流程.结合温室大滞后系统的特点，利用Smith预估控制算法能够有效的实现温室的温度控制.

1 西藏高寒农牧地区冬季气候特点及对温室性能的要求

1.1 西藏高寒农牧区环境因素

西藏高寒农牧地区海拔4 500m以上，属于高原亚寒带，一年中有半年以上气温都处于零度以下，年平均气温-2.8～1.7◦C.以那曲地区1月份气温为例，最高温度仅为0◦C，最低温度为-29◦C，温度日较差达到了30◦C.如图1所示.

同时，藏北地区处于风带上，每年10月份至来年4月份，为一年中的风季，风力功率密度达130W/m2，风速可达4.1∼50m/s，且多为龙卷风.这要求藏北地区设计温室时，要考虑温室本身具有较强的抗风灾能力.在冬季，藏北一些地区还会出现暴风雪天气，因此温室还需要具有一定的抗雪灾能力.

图1 2015年那曲12月份的气温Fig 1 Nagqu atmospheric temperature in January

1.2 西藏高寒农牧区蔬菜温室性能要求

近年来，我国温室发展速度很快，出现了多种适用于寒冷地带的温室类型，如鞍山II型、光5代、寿蓟春型温室等，它们都具有良好的保温性能.尤其是蓟春型温室作为双层温室，其保温性能更具有优势.但是，由于特殊的气候特点，当前的温室类型并不完全适合藏北高原亚寒带气候.单从抗风性方面来说，高海拔地区温室的高度与内地的温室之间就存在一定的差异.从民生与西藏设施农业发展来看，设计出完全适合藏北气候特点的温室是非常紧迫的，这仍然需要广大设施农业专家们的共同努力[8−14].综上，适合西藏地区的温室的具体要求可以归结为：

1）具有良好的保温性能，能适应极端环境温度-30◦C；

2）具有较强的抗风灾能力，能抵御6级以上的龙卷风，并且具有一定的抗雪灾能力；

3）温室中必须具有遮阳、补温、滴灌节水等相关装置；

4）温室中应具有与物联网智慧农业相关技术及所属的设备.

2 西藏温室夜间失热的过程分析

2.1 温室失热非稳态模型分析

西藏地区冬季日照率较高、大气透明度好、日照辐射大，连续晴天时间较长.日照率一般可达70∼80%，是全国冬季日照率最高的地区.以一月份水平面日平均日照辐射为例，拉萨是15.566MJ/(M2.d)[15]，白天处于该环境下的温室内温度最高可达25◦C左右，最低温度也可以达到8◦C左右.对于西藏地区而言，白天温室中的温度基本能够保证蔬菜正常的生长，到了夜晚，温室内的温度可能降至-5◦C，甚至更低.要保证在西藏地区冬季温室中种植蔬菜，在夜间对温室温度进行人为干预是至关重要的.

温室透明前屋的能量散耗物理分析：1）温室内热量在薄膜内表面以对流的方式进行换热到薄膜上；2）在薄膜及保温被之间以导热的方式进行热量交换；3）温室最外层薄膜与大气环境接触，其热量最终以对流换热的方式散失到大气环境中.

温室的传热属于非稳态二维传热模型，其工程量较大.通常计算中将其视为一维非稳态传热考虑，并采用有限差分进行分析计算.描述其物理过程的微分方程如式(1)所示，并采用有限差分进行分析计算，薄膜的内、外表面均为第三类边界条件，其边界方程表达如式(2)所示.

式中，ρ-材料密度，kg/m3；λ-导热系数，W/m·◦C；c−比热容，kJ/kg·◦C；t−墙体内温度，τ-时间，s；x−墙体厚度方向的坐标，m；S−墙体热源，W/m3；tw表示温室内的温度，◦C；tf-表示外界环境温度，◦C；h−表示温室的传热系数，无纲量.

虽然利用式(1)、(2)可以计算温室传导的热量，但是其本身过程是一个非稳态的过程，而且在求解过程中计算难度较大，很难保证系统的实时性，同时温室本身的因素需要对温室的传热模型进行重新简化.

2.2 温室散热简化模型分析与仿真

在日光温室外围护面中，前屋面的散热传热系数最大，散失的热量占热损失的70∼80%.为进一步增强温室保温的性能，夜间温室的外围护中覆盖相应的保温材料[20].基于此考虑，冬季夜晚温室的内外环境及传热方式作如下条件简化假设：

1）太阳无辐射，天空视为无限黑体；

2）整个传热过程视为稳态传热，温室的散热主要集中在外围护中；

3）温室覆盖的保温材料及温室的薄膜视为一个整体，不考虑其内部的损耗；

4）室内植物、后墙面、后屋面按一个辐射体一并考虑；

5）热量主要是对流换热，温室的空气密度基本保持不变.

依据文献[1]所提出含控制量的温室数学模型如式(3)所示.

结合西藏高寒地区温室的种类及研究温室的具体参数，选取温室的表面积A为480m2，V为1 408m3，空气密度取1.2 kg/m3，c空气比热容1.01J/kg·◦C，td为100∼110s，Ck取值为20，.不同文献在研究温室补温问题时，所建立的模型因其研究地域差异，模型的具体参数有所不同.

3 西藏高寒农牧地区温室温度设定值确定方法

3.1 蔬菜温室对补温的要求

温室补温的过程与空调取暖方式相类似，当温度等于设定温度上限时将电源断开，当温度低于设定温度下限时重新接通电源，温度在设定值上限与下限之间不断的震荡.这种“补温”方式，不适合包括蔬菜在内的农作物的补温.当前很多温室的补温都是按照这种做法进行的.对农作物的温度补偿过程应尽可能做到恒温方式补温，即温度在动态调整之后，应该保持在设定温度值附近，温度不宜在较大范围内波动.

蔬菜生长对温度的要求较为严格.同一种蔬菜，在不同的生长阶段，对温度的要求也不尽相同.以辣椒为例，发芽时的温度是30∼45◦C；生长适宜温度白天为26∼30◦C，夜间为18∼22◦C；温度15◦C以下，种子不能发芽，开花不能受精.

过程控制中设定值一般都是固定不变的，对于温室中蔬菜而言，其所要求的温度是一个范围，温度可以在此范围内任意波动.在蔬菜生长的温度范围内，其关键的三个温度点为：最低温度、最佳温度与最高温度.最低温度与最高温度就是温度区间的上限与下限，最佳温度一般介于最低温度与最高温度之间.以补温效果最好为原则，温室温度设定值应设置在最佳的生长温度点；从消耗能源最小的原则出发，温室温度设定为最低温度点.温室温度设置在蔬菜最佳温度点，固然能保证蔬菜的最好地生长，而且对于增强系统的鲁棒性都具有一定的优势，但是这样设置所消耗的能量相对较大，而且相应的会降低系统的响应速度.如果将温室温度的设定值设置在蔬菜生长的最低值，补温过程中消耗的能量最小，增加系统的响应速度，但是系统的鲁棒性较差，一旦受到扰动，系统可能出现不稳定的情况[2−8].

3.2 自适应调整温室温度设定值方法

为了解决上述矛盾，本文选取一种自适应温度设定原则.在温室目标温度（温度设定值）不变的情况下，外界环境的温度越低其损耗的热功率越大，而在外界温度相同时，目标温度越高时其损失热功率也越大.因此，在外界环境温度还不是太低的情况下，可以考虑适当的将温室设定温度调高；当外界环境温度较低时，将温室设定温度调低.同时，温室补温的功率损耗也是时间的函数，从晚上24:00至次日的7:00，外界的温度将保持在最低温度.在温室的设定值保持不变的情况下，温室损耗的热功率最高，而且维持的时间也较长，消耗热能也相应的最高.如前述假设简化，在静态时温室外界环境变化所损失的热功率如式（4）、（5）所示.

tω表示温室内的目标温度，◦C；tf表示外部环境温度，◦C；λj表示第j层材料的导热系数，W/m·k；δj表示第j层材料的厚度；q表示热流密度，W/m2；Φ表示热流量，W；A表示温室外围护有效面积，m2.然后，温室在热损耗过程中还存在墙体的热损耗、缝隙损耗等[9−15].为了更精确的计算温室的热损耗，对（4）、（5）进行必要的修正，结果如式（6）所示.

Φ∗表示修正后的温室热损，W；ϕ表示热损正向偏移量（修正量），W.

设蔬菜夜间tbest的生长温度范围在[tmin,tmax]区间内，[tmin]表示蔬菜的最低温度，◦C；[tmax]表示蔬菜生长的最高温度，◦C；tbest表示最佳温度，◦C，位于上述区间内，tset表示温室温度设定值，◦C.温室温度的设定范围定义为最佳温度与最低温度之间的半开半闭区间内，即tset∈(tmax,tbest].为了增强系统的鲁棒性，系统的最低设定温度比最低温度高2◦C左右，并用变量tL表示，即生长温度的最低温度正向偏移2◦C，因此温度设定值范围可以表示为tbest∈(tL,tbest].

当温度降低时，计算当前设定温度所增加功率.如果该增加的功率小于预先设定的阈值时，则设定值保持不变.如果该增加的功率差大于预先设定阈值Φth时，则温度设定值在原来基础上减去一个固定的步长L，将该值作为新的设定值.当温室外的温度非常接近预先设定的极限温度tlim时，将最低设定温度作为温室的设定温度.同理当温度增加时，温度小于极限温度点，将最低设定温度作为温室的设定温度.在外界温度大于极限温度tlim，计算减小功率，如果小于阈值则设定值保持不变，否则按预先设定步长增加设定值.当温度降低时，设定值调整过程如图2表示，由于温度增加时，其调整过程与降低时相似，在此不再赘述.温室设定值与外界环境温度变化的仿真图如图3所示.

从图2可以看出，当外界环境温度逐渐减低时，设定值也在不断的减低；当外界环境温度达到极限温度时，温室的设定温度达到最低设定温度.当外界环境温度上升时，其设定值也会相应的升高.对于不同的极限温度，阈值设定不同.

引起温室内温度上升与降低的主导因素是外界环境温度的变化.当外界环境温度上升，温室内的温度上升，反之亦然.外界环境温度是整个系统的扰动变量，而且具有固定和可测量的特点，但是这种扰动又具有不可预测性.当扰动变化时，对温室内的被控对象进行调节的过程具有一定的滞后，即当温度降低时，需要很长时间才能将温度调整到设定值附近.本文所采用的控制算法以外界的扰动（外界环境温度）为依据，在温室内温度的变化区间内合理的取值，达到温室补温消耗能量最小.然后结合温室系统模型大滞后、非线性的特点利用斯密斯预估控制，达到了温室补温的要求[16−20].

图2 温度设定值计算流程Fig 2 Calculation flow of temperature setting value

4 结论

为了解决西藏高寒农牧地区冬季夜晚温室温度过低，不能保证蔬菜正常生长的问题，本文分析了温室夜晚传热过程，简化了温室传热模型.

通过该模型，将温室设定值设置在最低设定温度与最佳温度之间.在补温效果最佳与耗能最小的指导原则下，提出了自适应温室设定温度的算法，同时以温室外界环境变化为扰动，提出了扰动控制结构，通过前馈环节与闭环回路实现对温室温度的精确控制，取得了满意的控制效果.研究表明：

1）西藏高寒农牧地区温室取得较好的保温措施应该尽可能的从两个方面考虑：①由于西藏地区具有很好的光照条件，尽可能的减少温室的前屋面积；②温室最好采用双层覆盖，冬季夜晚应该具有较厚的棉被之类保温材料覆盖.

2）温室补温过程中，温室目标温度（温室设定值）应该依据外界环境温度的变化，自适应调整.并能够在外界温度达到极限调整温度时，温室设定温度自动调整至温室最低设定值.

图3 温室设定温度与外界环境的变化仿真图Fig 3 Simulation of greenhouse setting temperature and external environment change

3）通过扰动（外界环境温度）变化，实现对温室损耗功率的预测，对温室内温度设定值的重新估算，利用斯密斯预估控制实现对温室内温度精确的控制.