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本文首先建立了温室环境动态模型和黄瓜生长发育动态模型,温室环境动态模型包括:温室内温度、土壤温度、二氧化碳浓度、相对湿度和一系列子模型。黄瓜生长发育动态模型包括同化物暂存库、叶干重、果实干重、光合速率和蒸腾速率,并对模型进行模拟与实验验证。然后基于作物生长与环境变化响应时间的不同,把温室系统分解为快速子系统(环境)与慢速子系统(作物)。构建各子系统的哈密顿函数、目标函数并根据相关函数求解。最后根据温室内需要补充二氧化碳的要求,研究了温室内二氧化碳的优化控制,求出每个系统中优化的二氧化碳供给速率。通过优化二氧化碳的供给不仅提高温室黄瓜的产量,而且降低温室环境控制的成本,为实现以经济最优为目标的温室作物生产提供理论依据和技术支撑。
1.以津优一号黄瓜为实验对象,在江苏大学农业工程研究院的Venlo型玻璃温室中进行温室环境与黄瓜生长发育实验研究,为模型提供必要的数据。
2.建立温室内温度、土壤温度、二氧化碳浓度、相对湿度、加热管道温度的模型,对模型进行模拟并将模拟结果进行试验验证,验证结果:温度R2=0.9861,RMSE=0.8；相对湿度R2=0.803,RMSE=3.727。
3.建立光合作用、蒸腾速率、呼吸作用、作物生长发育阶段、同化物暂存库、叶干重、果实干重模型。对模型进行模拟并将模拟结果进行试验验证,验证结果:叶干物质:R2=0.9998,RMSE=0.0601；果实干物质:R2=0.9975,RMSE=0.9596；日同化物积累量:R2=0.9983,RMSE=0.0067。验证结果表明模拟值与实测值吻合的很好。
4.构建各子系统的目标函数、哈密顿函数并根据相关函数求解。求出慢速子问题、整个问题和快速子问题中黄瓜果实状态轨迹和协态轨迹。根据温室内需要补充二氧化碳的要求,求出整个优化问题、慢速子问题和快速子问题中优化的二氧化碳浓度状态轨迹及其协态轨迹,并求出每个子问题中优化的二氧化碳供给速率轨迹。
本文在参考国外文献研究的基础上,结合江南的气候,对温室环境模型和作物模型进行了参数修正,在国内首次提出了基于两时间尺度分解的温室黄瓜环境优化控制,并应用于实际的温室黄瓜生产中,提高了温室环境控制的精度。