[發明專利]植物工廠光強最優控制方法

有效

• 申請號: 202110391133.6
• 申請日: 2021-04-12
• 公開（公告）號: CN113190064B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 徐丹;宋衛堂;趙淑梅;楊其長;仝宇欣;張義
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G05D25/02
• 分類號: G05D25/02;G06F30/20;A01G7/04
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 李文清

1.一種植物工廠光強最優控制方法，其特征在于，包括：

決策層，構建控制目標模型并基于經濟效益向所述控制目標模型內輸入控制參數；

作物層，構建作物生長模型及切換函數模型，并基于所述控制目標模型、所述作物生長模型及所述切換函數模型獲得環境光強；

所述基于所述控制目標模型、所述作物生長模型及所述切換函數模型獲得環境光強，包括：基于偽譜法獲得猜測光強；基于數字最優控制算法、所述猜測光強、所述控制目標模型以及所述作物生長模型進行計算以獲得最優光強；基于所述切換函數模型對所述最優光強進行切換控制，以輸出符合作物生長需求的環境光強；

基于偽譜法獲得猜測光強，包括：猜測初始人工光光強作為偽譜法的初始猜測光強值；基于偽譜法并根據所述初始猜測光強值、所述控制參數、 所述控制目標模型和所述作物生長模型進行快速計算以求得猜測光強值；

所述基于數字最優控制算法對所述猜測光強、所述控制目標模型以及所述作物生長模型進行計算以獲得最優光強，包括：基于數字最優控制算法、所述猜測光強、所述控制目標模型以及所述作物生長模型進行計算，以獲得作物模型狀態和控制目標；根據所述作物模型狀態以及所述控制參數獲得拉格朗日算子，并根據所述拉格朗日算子和所述猜測光強獲得哈密爾頓函數；根據所述哈密爾頓函數、所述猜測光強、所述控制參數以及所述作物模型狀態獲得協狀態方程；根據所述協狀態方程定義新的人工光光強，并根據所述猜測光強對應的控制目標和所述新的人工光光強對應的控制目標計算差值；對所述差值進行判斷，若所述差值落入容限范圍內，則判斷所述協狀態方程的狀態以確定最優光強；否則，重新獲取所述作物模型狀態；

環境層，基于滯環控制以及所述環境光強調控植物工廠光照強度。

2.根據權利要求1所述的植物工廠光強最優控制方法，其特征在于，所述環境光強表示為：

其中，U_led(t)表示為環境光強，st(t)表示為切換函數模型，U(t)表示為最優光強。

3.根據權利要求1所述的植物工廠光強最優控制方法，其特征在于，所述切換函數模型表示為：

其中，t為時間軸向量，s為切換時刻向量，β為使函數平滑的正數10^-3。

4.根據權利要求1所述的植物工廠光強最優控制方法，其特征在于，所述構建所述切換函數模型之后，還包括：

定義切換時刻，所述切換時刻用于區分光期和暗期；

定義切換函數值，使位于所述光期內的所述切換函數值為1，位于所述暗期內的所述切換函數值為0。

5.根據權利要求1所述的植物工廠光強最優控制方法，其特征在于，所述判斷所述協狀態方程的狀態以確定最優光強，包括：

判斷所述協狀態方程的輸出值是否符合輸出規則；

若符合，則所述猜測光強為最優光強；

否則，重新優化所述猜測光強。

6.根據權利要求1所述的植物工廠光強最優控制方法，其特征在于，所述新的人工光光強表示為：

其中，表示為新的人工光光強，U_led表示為猜測光強，α表示為標度，且α0，H表示為哈密爾頓函數。

7.根據權利要求1所述的植物工廠光強最優控制方法，其特征在于，所述控制目標模型表示為：

其中，P為控制目標，c_lettuce為作物鮮重的價格，c_fw為作物鮮重和干重的比值，X_d(t_f)為收貨時作物的干重，t₀和t_f分別為作物定植和收獲的時間，U_led (t) 為t時刻作物冠層的人工光光強，c_energy為電能價格，c_unit為單位kW·h至J的轉化比率，c_trans是電能至光能的轉化效率，c_cost為人工光以外的其他成本。

8.根據權利要求1所述的植物工廠光強最優控制方法，其特征在于，所述作物生長模型表示為：

其中，X_d為作物模型狀態，c_αβ為光合作用轉化為作物干重的生產率因子，φ_phot,c為冠層光合作用速率，c_resp,d為呼吸作用速率，X_T為植物工廠的溫度；

所述冠層光合作用速率φ_phot,c表示為：

其中，c_pl,d為有效冠層面積，X_d為作物模型狀態， U_led為作物所需光強，為擬合溫度對葉片中co₂擴散影響的二次多項式參數，X_T為植物工廠的溫度，X_c為二氧化碳濃度，c_г為二氧化碳濃度補償點，為人工光利用效率，單位為 kg·J^-1。