基于CFD的温室环境双尺度控制

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本研究针对山西省晋中市一日光温室,提出了一种了基于CFD(Computational Fluid Dynamics)的双尺度温室环境控制方案。温室是一个非常复杂的系统,温室中各种作物的生长与温度的变化是相互影响,作物的生长变化较为缓慢,而温室中环境变化较为快速,该系统之间存在明显的时间尺寸差异。针对这种特性本文提出了一种基于不同时间尺度的温室温度分层控制系统,实现对作物最适生长温度的跟踪并根据该值调控室内温度。此外,以传感器进行环境感知的控制系统以“点”的形式进行反馈,无法实现温室温度的均匀性调控,导致作物生长产生区域性差异。本研究利用CFD技术对温室环境进行模拟仿真,得到温室环境场数据参与室内环境控制,进而提高调控的均匀性。试验结果表明,基于CFD的双尺度温室环境控制方案可以较好地实现对温室环境的控制,其控制精度为98.2%。该方案的提出和实现为温室的生产调控提供了一种新的思路。本文主要研究内容和结果如下:(1)通过深入研究温室室内的流体运动特性和传热特性,确定CFD模拟的数学模型和方法,在此基础上,确定模型求解方法。实现对温室内环境温度场的仿真。(2)针对所研究的单跨度玻璃温室,使用Gambit软件按照1:1比例建立与实验温室相等的三维模型,边界条件和初始条件根据农用通云监测平台测量的数据进行确定。基于文中所选择的温室物理和数学模型,对生菜种植温室温度场采用CFD技术进行数值模拟研究并进行对比验证。结果显示:模拟值与实测值存在一定的误差,最大相对误差1.5%,这可能是由于传感器自发热导致,但是模拟数据与实测数据的变化趋势相同,表明本文所建立的CFD模型在一定程度上可以反映生菜温室内部温度场的变化状况,为进一步研究温室环境在线追踪控制提供理论和技术支撑。(3)基于生菜生长模型,结合温室环境值,得到作物干重与温室环境的关系函数。找到作物干重达到最大时的温室温度值,作为温室环境层控制的参考指标。(4)利用CFD数值模拟技术得到的温室温度场分布情况和作物层输出的环境控制指标,设计环境层优化控制器,从而实现对温室环境的均匀性调控。
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