T／HBCIA 007-2022 黄瓜和西红柿全季节温室大棚温度控制参数模型

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ICS11.120.01CCSC23TSCY河北省特色产业协会团体标准T/HBCIA007—2022黄瓜和西红柿全季节温室大棚温度控制参数模型全国团体标准信息平台2022-06-10发布2022-06-11实施河北省特色产业协会发布

1T/HBCIA007—2022前言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件由河北绿谷信息科技有限公司提出。本文件由河北省特色产业协会归口。本标准起草单位：河北绿谷信息科技有限公司。本标准主要起草人：陈建红、李立博、王少红、卢飞、李林、许哲辉、李守寅、王景、乔硕、杨晓东。全国团体标准信息平台I

2T/HBCIA007—2022黄瓜和西红柿全季节温室大棚温度控制参数模型一、概况本温度控制参数模型是基于位于河北固安国家农业科技园区内的固安县兴芦绿色蔬菜种植有限公司等的种植基地多年的种植经验基础上，结合不同种植基地、园区温室的结构与特点，通过科学分析与研究，形成的黄瓜和西红柿两类蔬菜全季节温室大棚温度控制参数模型。二、温度作用及特征温度对于蔬菜的生长有着至关重要的作用，从生物学的角度来看，蔬菜生长存在最低温度、最适温度和最高温度。当蔬菜低于生物学上的最低温度时，蔬菜会停止生长。在蔬菜生长所需的其他因子得到基本满足后，在一定的温度范围内，气温和蔬菜生长发育速度成正相关，即气温越高，蔬菜生长发育越快。因此，适宜的空气温度对蔬菜的生长发育起着重要的作用。温度作为环境中的重要指标之一，其本身所具有的特性是时滞性和强非线性。而温室大棚中的温度除了这两个共有的特性之外，还具备一些独特的特征。1.干扰因素多温室大棚是一个半封闭、半开放的循环系统，需要与外界进行空气交换，那么室外空气温度、湿度、风速、风向等也是温室温度的干扰量。除了室外干扰量，室内的采暖加热系统、光照补充系统都是辅助加热设施，会对室内温度产生影响。蔬菜生命活动所产生的热量、土壤的吸热与散热都是温室温度的影响因素。在室外因素与室内因素的综合作用下，温室大棚的温度量处于一个时刻变化的动态平衡中。如果不考虑人为的采暖加热，温室大棚内气温的变化基本与太阳辐射保持同步，晴天上午随着太阳辐射的逐渐增强，室内气温迅速提高，最快每小时可提高5℃～7℃，直到下午13:00-14:00，室内气温达到最高。午后，随着太阳辐射不断减弱，室内气温每小时可降低4℃～5℃。日落后，气温继续下降，但速度明显减弱，室内气温在日出前后达到最低。2.温室形状及尺寸因素温室大棚的尺寸不同、形状也不尽相同，以固安园区兴芦蔬菜温室大棚为例，大棚建造成一个长度在1全国团体标准信息平台00m、宽度在10m、最高高度在4m的空间扇形空间。由于这种结构的空间分布不均匀，导致大棚内部的温度分布也是不均匀的。受到太阳辐射的不均匀性、设备布置位置和室外气象等诸多因素的影响。总体而言，热空气上浮、冷空气下降，导致温度的分布是上部空间明显高于下部，根据测算统计，上部最高温度与底部最高温度的温差有4℃～6℃。大棚从前到后的高度逐渐升高，因此大棚的温度由前到1

3T/HBCIA007—2022后温度是递减的，最大温差在2℃左右。除了空间本身的分布所导致的温度分布不均匀外，温室大棚内外的空气流动和交换作用会引起棚内温度分布的不均匀。温室大棚上风侧温度往往高于下风侧，这是因为在外部风压作用下，棚内中上层空气沿风向移动，导致近地面被加热的空气逆风向移动到上风向，从而带来棚内温度空间分布的不均匀性。三、蔬菜控制参数1.黄瓜生长温度控制参数温室温度控制序经历生长阶段形态特征下限上限号天数最适温度温度温度从播种到第2片真叶完1苗期812℃28～32℃35℃全展开幼苗定植至第一雌花出2定植期1015℃18～20℃38℃现大蕾由第一雌花出现大蕾至3开花座果期913℃18～32℃32℃坐果由第一穗果坐果至果实4果实生长期2418℃20～32℃35℃定型成熟第一穗果成熟至少数果5采收初期718℃20～30℃35℃实开始采收第2～45穗果先后大量6采收盛期4818℃20～30℃32℃采收果实成熟缓慢并出现植7采收末期1215℃20～30℃32℃株老化及拉秧2.番茄生长温度控制参数温室温度控制序经历天生长阶段形态特征号数下限温上限最适温度度温度从种子萌发开始（种子萌发以胚全国团体标准信息平台1发芽期根露出长度为种子的1/2为标810℃25～30℃35℃准）2幼苗期第一片真叶至第一朵花开放5510℃15～28℃35℃2

4T/HBCIA007—2022开花坐果3花序出现大蕾至第一穗果坐果2515℃20～30℃35℃期4结果期第一个果实座果开始至拉秧10010℃12～30℃35℃四、温度控制原理及模型温室大棚的温度控制模型实际上会受到多因素的影响，比如光照度、换风口的空气循环次数、空气循环量、温室内部加热器、排风扇、温室内蔬菜呼吸作用的强度等。因此如果从影响因素的权重角度建立温室内部温度模型难度很大，而且很难给出一个精准的模型。考虑到这种情况，结合廊坊地区环境，针对温室温度这一指标本身建模，通过对选定季节温室内温度的历史数据进行采集分析处理，对被控的温度对象进行数学模型分析和建模。以固安县的冬季为例，温室大棚根据蔬菜生长需要，白天温度控制在22℃最有利于作物生长，而晚上由于蔬菜不再进行光合作用，为了减少呼吸作用带来的消耗，温度控制一般以9℃为最佳。温室内的温度是随光照等实时变化的。根据历史数据可以绘制出温室大棚的温度-时间曲线如下图所示。温度自动控制系统在进行恒温调控时，应该在温度高于设定值时减小加热系统输出或加大换风窗的开度，而在温度低于设定值时加大加热系统的输出或减小换风窗的开度。虽然控制规则简单，但是如何能够全国团体标准信息平台高效、低耗、快速地将此温度控制在设定值附件，则需要设计合理的策略。温度控制是一个比较复杂的对象，主要在于其强时滞的特点以及较强的非线性，因此如果进行控制策略，首先建立其数学模型。3

5T/HBCIA007—20221.温度控制数学模型在满足实际应用的前提下提出，根据多年温室温度控制的研究，制定出温室内温度动态模型如式：dTin(t)Vpcp=hcAc(Tout(t)−Tin(t))+cp(Tout(t)−Tin(t))Vin(t)+dtkQrad(t)−λE(t)×A+Qheat(t−td)（1）式中：V是温室大棚的体积(m³)；Tin是温室大棚内的温度（℃）；Qrad是照射在温室大棚覆盖层的单位面积的太阳轴射能(W/㎡)；Qheat为加热装置的加热功率(w)，其表达式如下:�（t）=�×Heat(t)（2）ℎ?�ℎ式（2）中:Ch表征加热源的传热系数。将式（2）和（1）结合推导后得出：dTin(t)M(t)L(t)+ch×Heat(t−td)=−×Tin(t)+（3）dtVpcpVpcp参考当地温室大棚内影响蔬菜生长的环境因子所得数据，并根据有关运算法则算出M（t）的相对平均值M。用M替代M（t）对式（3）进行推导计算得到：�ℎe−dds×Heat(S)1L'(S)�?(�)=×Vpcp+×Vpcp（4）�'×S+1M'×S+1M'M'式（4）中，Heat（3）是调控温度的控制输出传递函数，传递函数系数：ChVpcpK=τ=tdT=（5）M'M'综上所述，温室大棚内的温度控制系统的动态数学模型近似为带时滞扰动的一阶惯性系统。2.温度自动控制策略由于温室大棚内的温度系统是时滞扰动的一阶惯性系统，传统PID控制算法已不适用，本系统采用模糊PID控制算法，把常规控制和模糊控制融合起来，温度模糊控制器如图所示。全国团体标准信息平台4

6T/HBCIA007—2022该系统为两输入三输出的结构。输入量是e（温室大棚内温度偏差）和ec(偏差变化率)，输出量是:Kp、Ki、Kd，即控制的三个参数。（1）模糊化模糊上的论域是和的变化范围，即：e，ec={-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}，模糊子集是{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，表示从正大到负大。确定隶属函数时考虑到要在保证稳定性的前提下，提高系统的动态响应，本系统选用简单高效的三角形函数作为隶属函数。（2）建立模糊规则自整定规律如下:①误差的减小通过比例控制来实现，要想系统响应越快Kp就得越大，但同时也会增大超调量。因此，在控制后期，Kp的值不宜过大。②积分控制虽然有滞后性但静差可消除。时Ki小些，后期慢慢增大，用以减少静态误差。③微分控制能加速系统响应速度，但过大容易产生振荡，因此后期应逐渐减小，保证系统稳定运行。（3）解模糊从模糊集合变换到实际输出就是解模糊。解模糊采用重心法。推理和合成规则分别为Min法和Max法。则输出即为PID参数的修正值。经过模糊后的PID参数计算公式见式(6):��=�'�+{�,��}���=�'�+{�,��}���=K'd+{e,ec}d（6）�−?�通过分析得到温室内的温度系统是带时滞扰动的一阶惯性系统，传递函数为：�S=��+1参考当地温室的采样数据，得到传递函数系数如下：1/K=4.44031，T=713.628，�=12�−12�14.44031则温室大棚温度模型的传递函数确定为:�S=713.628�+1全国团体标准信息平台5