杉本博司作品集:温室控制技术

温室控制技术  

随着农业现代化的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。我国的现代化温室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。目前我国己经能够设计生产各种现代化温室，国内温室厂家也迅速发展到300多家，全国2/3以上的大型温室都是国内设计、生产和安装的。国内有制造销售大型温室能力的厂家40多家，但市场占有量差距甚大。目前形成较大规模的有四大家，据厂家统计上报的数据排位(仅供参考)如下：上海长征87.0hm2，北京农机所(超越京鹏温室工程公司)50.84hm2，胖龙公司45.5hm2，廊坊九天45.5hm2。但到目前为止，我国的大棚、日兴温室内环境主要仍靠人工经验来管理，缺乏系统的科学指导。其栽培技术缺乏量化指标，主要靠管理者的经验，科技含量不足，只能被动地实现保温、降温、遮阳和防雨，而不能主动地调节温、光、水、肥、气，这几乎成了限制温室作物高产优质种植的主要障碍。可见，温室控制技术的发展，对于温室产业乃至我国的农业现代化进程具有深远的影响。

    1 国内外温室控制技术发展概况
温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。
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　　国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。日本研制的蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用。日本利用计算机控制温室环境因素的方法，主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动作出相应修正或调整。一般以光照条件为始变因素，温度、湿度和CO2浓度为随变因素，使这四个主要环境因素随时处于最佳配合状态。美国和荷兰还利用差温管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。花博会
我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展。20世纪80年代，我国先后从欧美和日本等发达国家引进了21.2hm2连栋温室。由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产。90年代初，我国大型温室跌入了发展的低谷。“九五”初期，以以色列温室为代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕。到90年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。1995年，北京农业大学研制成功了“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统。1996年，江苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统。该系统能对温度、光照、CO2浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统。该系统由大棚本体及通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成。1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成果。90年代末，河北职业技术师范学院的闰忠文研制了蔬菜大棚，其能够对温、湿度进行实时测量与控制。但由于我国农业现代化水平较低，农业劳动力大量过剩，温室的一次性投资大，资金短缺以及对操作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室系统的扩展。花博会
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　　从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:花博会
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　　① 手动控制。这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。80年代中期，以辽宁海城和瓦房店为代表的高效节能日光温室基本属于这种控制方式。荷兰温室发展的初期，环境因子也是根据种植者的经验来控制。如使用手动加热系统和手动通风系统，在玻璃窗上涂上石灰以减少过多的光照等。另外，在温室中挂上温度计用来检查对温室环境的控制效果。花博会
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　　② 自动控制。第二次世界大战以后，温室生产己远远超过“温室效应”的概念。手动控制的生产方式正逐渐被机械设备所替代。首先被引入使用的是自动调温仪，其后，与环境控制和作物生长有关的研究成果相继问世，这些新的成果促进了新型环境控制设备的诞生。于是利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子，包括温度、光照、湿度、CO2浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。根据温室作物的生长习性和市场的需要，部分甚至完全摆脱自然环境的约束，使人为创造适宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而且简便。这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时作出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。花博会
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　　③ 智能化控制。这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。这种智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管理与生产。农业专家系统为我们提供了一种全新的处理复杂农业问题的思想方法和技术手段。它能够根据温室环境条件和作物生长状况，应用适当的知识表达和规则化，推理决策出最适合作物生长的温室环境。将农业专家系统应用于温室的实时监控与自动调控是温室发展的新亮点。这种控制方式既能体现作物生长的内在规律，发挥农业专家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控非常方便和有效，实现温室的完全智能化控制。因此，温室专家控制系统技术是一种比较理想、比较有发展前途的控制方式。
温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。花博会
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　2 温室农业专家控制系统技术花博会
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　　2.1温室农业专家控制系统花博会
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　　温室农业专家控制系统是一种计算机管理控制系统。它将农业专家系统技术与当今的温室控制技术有机结合，将农业专家的知识自动地运用到温室的实时控制中去。即该温室系统可根据专家系统的储备知识，自动决策和选择控制参数，以适合作物的生长。温室农业专家系统控制技术主要应用计算机与自动控制技术，是一门横跨人工智能理论、数据库技术、信息技术、生物学、电子科学、机械设计和环境控制等几大学科，综合了多种高新技术的边缘学科。花博会
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　　现代化大型温室实现智能化控制，必须具备计算机控制系统、自然通风系统、外遮阳系统、内保温系统、湿帘/风扇强制降温系统、CO2补气系统、微雾系统、补光系统、灌溉/施肥系统、育苗系统、顶喷淋系统、加热系统、植保系统、照明系统、采摘系统等配套设备。而作为温室控制载体的控制系统则由先进的控制器、性能可靠的传感器、完善的尖端控制程序、打印机和显示器等组成，以实现对上述温室配套设备的优化运行监控。不同温室厂家所开发的温室工程，其控制设备及软件内核可能相差很大，但其主要的控制原理基本相同。胖龙公司开发的自动化控制系统能够自动测量温室的气候和土壤参数，并对温室内配置的所有设备均能实现优化运行自动控制，如开窗、加温、降温、加湿、光照、CO2补充、灌溉、施肥和环流等。超越京鹏温室公司开发的京鹏计算机控制系统能自动抵御各种恶劣天气，温度、湿度、光照、CO2浓度以及肥水供应数量、浓度和时间都在系统的调控之中。九天温室公司开发的温室环境控制系统采用闭环控制方法，对室外风速、风向、日照辐射、温度及室内的湿度等因素进行采集，通过控制器处理后，将控制结果返回到现场，调节现场的执行机构，对室内的气候因素实施实时控制，以此来保证控制的精度及控制的可靠性。荷兰Priva是园艺环境控制的专家，在温室行业己有40多年的经验。其开发的自动控制系统能很好地协调控制各种环境因子，而并非对每个因子单独控制，具有经济实用、功能齐全、运行可靠等特点。从国内外一些温室公司开发的温室控制系统也可以看出，温室环境控制是温室控制技术的关键所在。花博会
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　　温室农业专家控制系统控制过程如下:温室中环境参数及执行机构工作参数等信息通过各传感器转变成电信号传送到计算机，农业专家系统根据不同作物在不同时期的生理需要，在作物生长的不同时期自动设定温度、湿度、光照和CO2浓度等的最佳值域作为理想数据，并将实际检测数据与理想数据的偏差作为温室气候的调节量。当温室内的温度超过设定偏差上限，计算机发出调节指令，执行机构打开通风降温系统;如果温室内温度低于设定偏差下限，计算机发出调节指令，打开通风换气系统;当湿度低于设定湿度的下限时，计算机发出调节指令，打开加湿系统;当CO2浓度超出限定值域时，计算机自动开关通风换气系统和CO2发生器，等等。花博会
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　　2.2温室控制存在的问题花博会
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　　① 农业专家系统自身存在的问题。农业专家系统的技术还不十分成熟，由专家整理出来的知识大多属于这个领域的浅层知识，形式上也主要是条件规则型知识。而且目前各种专家系统在收集、整理农业专家知识时并没有把专家是如何学习和获得这些知识的过程整理出来，这样开发的专家系统并不具有真正的学习能力，结果导致系统应用时只能处理人类专家见过的各种情况，不能随机应变。花博会
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　　② 采集数据的束缚。至今为止，温室控制技术还主要停留在对温室环境因子的监控上，并没有考虑温室作物本身的生理过程，诸如植株的温度、光合作用和蒸腾作用等。事实上，温室中的CO2浓度将根据植株光合作用的情况来决定，用蒸腾作用的实际数据来决定水分和营养液的供给量，根据植株温度的测量值来进行温室内的环境控制等。而且这些测量值将不断与最佳作物生长模块中的值进行比较，这些值之间的不同就可能造成作物生长发育过程中的不良结果。这也就对温室控制技术提出了更高的要求。花博会
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　　③ 农业专家系统在温室实时控制中的应用有局限性。农业专家系统对温室环境因子进行实时监控，不同于开发单纯的农业专家系统，其中涉及与控制系统的“接口”问题。因此，在开发温室农业专家控制系统时，对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑。同时，将更多的农业知识用于温室生产的实时控制中，不仅仅局限于对环境因子的专家指导，例如通过图象处理等技术使系统具备自动病虫害诊断等功能，将使温室农业专家控制系统的智能化程度更高。花博会
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　　3 温室农业专家系统控制技术的应用前景花博会
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　　智能化温室是在可持续发展战略指导下开辟的农业新方向。从作物产量角度来看，它具有很高的单位面积产出值;就环境保护角度而言，它不仅可以产出清洁的瓜果蔬菜，而且由于精确控制化肥及其它添加剂的用量，也避免了对土壤和地下水的污染。据不完全统计，我国的大型温室面积己超过700hm2，1000m2以上的连栋温室全国32个省市自治区无一空白。温室生产己从蔬菜扩展到了花卉、瓜果以及畜禽、水产养殖、林木育苗、食用菌、中草药等领域。近年来，大型连栋温室以每年超过100hm2的速度增长。目前，国内从事温室制造的企业己从20世纪80年代的5～6家发展到300余家。我国的温室环境控制技术与国外技术相比还比较落后，最近几年才真正实现计算机自动控制。目前我国的现代化温室，除智能化控制系统外，硬件系统基本达到与国际同步的水平。可见，将农业专家系统应用于温室的实时监控与自动调控技术无疑是温室发展的新亮点，也是温室控制技术发展的大势所趋。其发展潜力及应用空间大，对农民的实际生产有很重要的指导意义。既满足了温室生产的需要，又缓解了领域专家缺乏的矛盾，从而大大提高了科学技术的转化率、到位率和普及率。

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