[發(fā)明專利]植物工廠光強(qiáng)最優(yōu)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110391133.6
• 申請(qǐng)日: 2021-04-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113190064B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐丹;宋衛(wèi)堂;趙淑梅;楊其長(zhǎng);仝宇欣;張義
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D25/02
• 分類號(hào): G05D25/02;G06F30/20;A01G7/04
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 李文清

本發(fā)明提供一種植物工廠光強(qiáng)最優(yōu)控制方法，包括：決策層，構(gòu)建控制目標(biāo)模型并基于經(jīng)濟(jì)效益向控制目標(biāo)模型內(nèi)輸入控制參數(shù)；作物層，構(gòu)建作物生長(zhǎng)模型及切換函數(shù)模型，并基于控制目標(biāo)模型、作物生長(zhǎng)模型及切換函數(shù)模型獲得環(huán)境光強(qiáng)；環(huán)境層，基于滯環(huán)控制以及環(huán)境光強(qiáng)調(diào)控植物工廠光照強(qiáng)度。本發(fā)明基于數(shù)字最優(yōu)控制算法結(jié)合控制目標(biāo)模型以及作物生長(zhǎng)模型以獲得最優(yōu)光強(qiáng)，并在獲取最優(yōu)光強(qiáng)的過(guò)程中，基于切換函數(shù)模型對(duì)最優(yōu)光強(qiáng)的輸出值進(jìn)行切換控制，以根據(jù)作物對(duì)光期和暗期的不同光照需求控制輸出不同的光強(qiáng)值作為環(huán)境光強(qiáng)，從而完成植物工廠光期和暗期的切換，促進(jìn)作物更好的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)植物工廠生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光強(qiáng)調(diào)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種植物工廠光強(qiáng)最優(yōu)控制方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著植物工廠技術(shù)的迅速發(fā)展，使得室內(nèi)環(huán)境綜合調(diào)控成為可能。相比溫室，植物工廠可以實(shí)現(xiàn)更高的土地、水和營(yíng)養(yǎng)的利用率。在植物工廠中，影響植物生長(zhǎng)的環(huán)境因子較多，如光、溫、濕、氣等，且不同品種其優(yōu)化環(huán)境參數(shù)不同，即使是同一品種，在不同的生育階段其所需的環(huán)境參數(shù)亦不相同。

受植物的種類、試驗(yàn)設(shè)定、營(yíng)養(yǎng)液成分等限定，作物在相同光質(zhì)條件下的研究結(jié)果可能不同，各環(huán)境因子對(duì)植物的交互作用非常復(fù)雜，每一個(gè)環(huán)境因子發(fā)生變動(dòng)均會(huì)引起植物相應(yīng)生物學(xué)效應(yīng)變化，現(xiàn)有植物工廠中的環(huán)境大多是通過(guò)預(yù)設(shè)設(shè)定值的方式進(jìn)行控制的。

由于預(yù)設(shè)的設(shè)定值是基于人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的，且該設(shè)定值會(huì)使作物整個(gè)生長(zhǎng)周期中“光期”的光強(qiáng)為定值，而作物在不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)光強(qiáng)的需求是不同的，因此設(shè)定值并不能保證植物工廠生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，且人工光的能耗占據(jù)了植物工廠總成本的60%，大大制約了植物工廠的規(guī)模化生產(chǎn)以及推廣。另外，植物的生長(zhǎng)需要一定的“暗期”，否則會(huì)因?yàn)檫^(guò)度的光強(qiáng)而導(dǎo)致燒尖，并且連續(xù)人工光光強(qiáng)的增加并不會(huì)帶來(lái)作物產(chǎn)量成比例的增加。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種植物工廠光強(qiáng)最優(yōu)控制方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中預(yù)設(shè)定值光強(qiáng)以致無(wú)法滿足作物不同生長(zhǎng)周期對(duì)不同光強(qiáng)需求的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了植物工廠生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，避免了較大的成本浪費(fèi)。

本發(fā)明提供一種植物工廠光強(qiáng)最優(yōu)控制方法，包括：決策層，構(gòu)建控制目標(biāo)模型并基于經(jīng)濟(jì)效益向控制目標(biāo)模型內(nèi)輸入控制參數(shù)；作物層，構(gòu)建作物生長(zhǎng)模型及切換函數(shù)模型，并基于控制目標(biāo)模型、作物生長(zhǎng)模型及切換函數(shù)模型獲得環(huán)境光強(qiáng)；環(huán)境層，基于滯環(huán)控制以及環(huán)境光強(qiáng)調(diào)控植物工廠光照強(qiáng)度。

根據(jù)本發(fā)明提供一種的植物工廠光強(qiáng)最優(yōu)控制方法，基于控制目標(biāo)模型、作物生長(zhǎng)模型及切換函數(shù)模型獲得環(huán)境光強(qiáng)，包括：基于偽譜法獲得猜測(cè)光強(qiáng)；基于數(shù)字最優(yōu)控制算法、所述猜測(cè)光強(qiáng)、所述控制目標(biāo)模型以及所述作物生長(zhǎng)模型進(jìn)行計(jì)算以獲得最優(yōu)光強(qiáng)；基于所述切換函數(shù)模型對(duì)所述最優(yōu)光強(qiáng)進(jìn)行切換控制，以輸出符合作物生長(zhǎng)需求的環(huán)境光強(qiáng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種植物工廠光強(qiáng)最優(yōu)控制方法，環(huán)境光強(qiáng)表示為：

其中，U_led(t)表示為環(huán)境光強(qiáng)，st(t)表示為切換函數(shù)模型，U(t)表示為最優(yōu)光強(qiáng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種植物工廠光強(qiáng)最優(yōu)控制方法，切換函數(shù)的公式表示為：

其中，t為時(shí)間軸向量，s為切換時(shí)刻向量，β為使函數(shù)平滑的正數(shù)10^-3。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種植物工廠光強(qiáng)最優(yōu)控制方法，構(gòu)建切換函數(shù)模型之后，還包括：定義切換時(shí)刻，切換時(shí)刻用于區(qū)分光期和暗期；定義切換函數(shù)值，使位于光期內(nèi)的切換函數(shù)值為1，位于暗期內(nèi)的切換函數(shù)值為0。