基于能量角度的植物工廠優(yōu)化控制分析

孫聰

摘? ?要：將圍繞通量、信息流的選擇與建立進行闡述，注重植物工廠溫度的最優(yōu)控制模型的研究，加強非線性規(guī)劃兩點邊值的問題分析，并整合仿真試驗與結(jié)果，有效地實現(xiàn)對植物工廠環(huán)境的控制，將植物工廠運行成本充分考慮在內(nèi)，逐步優(yōu)化植物工程以及作物系統(tǒng)，從而為后續(xù)研究工作的順利進行奠定基礎。

關鍵詞：能量角度;植物工廠;優(yōu)化控制

隨著現(xiàn)代化科學信息技術的不斷發(fā)展，植物工廠的興起為完善新型農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供了技術支撐，依托相關機械設備的優(yōu)勢監(jiān)測農(nóng)作物的生存環(huán)境，可以有效地提升農(nóng)業(yè)資源的利用率，減少了人力、物力、財力資源的消耗，有效地實現(xiàn)了經(jīng)濟效益與社會效益相統(tǒng)一。

1? ? ?通量、信息流的選擇與建立研究

1.1? ?植物工廠與作物之間的關系

植物工廠模型具有差異性，基于能量角度的植物工廠優(yōu)化控制與整體平衡關系具有相似性。其中，植物工廠與作物中的能量平衡關系是連接控制變量與外界環(huán)境變量，整合植物工廠內(nèi)部以及植物工廠外部因素，保證植物工廠與作物系統(tǒng)的完整性。將容量變量、植物工廠存儲的與能量相關的容量信息、作物保存的與質(zhì)量相關的容量信息、通量等相關的樹立信息進行完善。在前期需要分辨內(nèi)部設備轉(zhuǎn)移到植物工廠的通量以及植物工廠轉(zhuǎn)移到內(nèi)部設備的通量。在植物工廠與作物能量平衡關系中，需要明確植物工廠內(nèi)部設備控制信息，主要涉及二氧化碳等設備的控制信息、加溫加熱等植物工廠的實際操作信息、門窗開閉等植物工廠外部設備控制信息等。此外，還要注重植物工廠對內(nèi)部以及溫度、濕度等狀態(tài)信息考慮在內(nèi)，植物本身的狀態(tài)信息在植物工廠與作物中的能量平衡關系中處于關鍵環(huán)節(jié)。在對作物信息進行質(zhì)量判斷過程中，要實時地監(jiān)測作物。同時，植物工廠與作物之間的關系一定程度上受到外界環(huán)境與內(nèi)部設備的運行情況有關，要注重監(jiān)測風速以及濕度。

1.2? ?植物工廠系統(tǒng)中通量的平衡關系

植物工廠作物系統(tǒng)中，主要包括植物工廠存儲與能量相關的容量信息，關于時間的倒數(shù)以及作物保存的與質(zhì)量相關的容量信息，關于時間的倒數(shù)，分別用I工廠以及I作物進行表示，其中W工廠-工廠表示的是植物工廠狀態(tài)變量的影響下工廠的變化量，W作物-作物表示的是植物工廠狀態(tài)變量的影響下作物本身的變化量。當W工廠-作物出現(xiàn)在I工廠以及I作物公式中，W工廠-工廠將主要涉及光合作用、土壤水分含量等眾多因素。其中強度變量主要包括壓力以及溫度，此時得出完整的植物工廠、作物的強度變量。在植物工廠系統(tǒng)中通量的平衡關系中，影響通量變化的因素主要有強度變量，在實際系統(tǒng)建模環(huán)節(jié)中，需要把握好能量與質(zhì)量的關系，并得出容量變量與強度變量之間的變化公式，其中矩陣代表為容量系數(shù)，此時的單位設置為E，將K代表為系統(tǒng)中的強度變量。逐步完善容量變量以及強度變量之間的關系，得出具體的函數(shù)關系。

2? ? ?植物工廠溫度的最優(yōu)控制模型

植物工廠溫度的最優(yōu)控制模型設計環(huán)節(jié)中，需要充分結(jié)合多種方面對其進行考慮，其中將發(fā)揮數(shù)字模型的優(yōu)勢，計算出數(shù)字成本的最大值以及最小值，并獲得具體的函數(shù)關系。同時，在實際植物工廠溫度的最優(yōu)控制模型設計環(huán)節(jié)中，要充分結(jié)合植物工廠的實際利益，此時的收益與成本函數(shù)之間的關系呈現(xiàn)正相關，為了提升植物工廠的利益需要將其成本函數(shù)設定為最大值，并計算出植物工廠所獲得的收益。為了保證計算收益結(jié)果的準確性，要將單位面積作物的干質(zhì)量以及單位時間、單位作物的干質(zhì)量關于時間的倒數(shù)進行科學的測量，分別用T、T1表示。同時，還要整合植物工廠的環(huán)境溫度以及外界溫度，分別用Y、Y1表示。此外，在植物工廠溫度最優(yōu)控制模型的構(gòu)建環(huán)節(jié)中，需要整合植物工廠加熱系統(tǒng)單位面積的熱量輸入情況，保證計算結(jié)果的準確性[1]。

在建立植物工廠溫度的最優(yōu)控制模型環(huán)節(jié)中，要科學地分析作物質(zhì)量與光照度以及溫度之間的關系，使之呈現(xiàn)正相關。同時，還要充分結(jié)合植物工廠的實際情況出發(fā)，加強對外部溫度的實時監(jiān)測力度，并整合植物工廠的溫度數(shù)據(jù)信息，為了保證熱量輸入結(jié)果的準確性，需要優(yōu)化植物工廠加熱系統(tǒng)，保證處于正常運行狀態(tài)，并將熱量輸入設定為P。在植物工廠溫度最優(yōu)控制模型過程中，其主要目的是提升作物質(zhì)量，此時，要求相關設計人員提升植物工廠的溫度，保證光照的充足。但在實際提升植物工廠溫度環(huán)節(jié)中，要求設計人員要做好前期準備工作，針對植物工廠實際情況適當調(diào)整溫度，防止因為溫度上升過快造成不必要的能源消耗，有利于實現(xiàn)經(jīng)濟效益與社會效益相統(tǒng)一。同時還需注意的是，在對植物工廠進行升溫環(huán)節(jié)中，要保證升溫環(huán)節(jié)與光照同時進行，不可單獨進行，植物需要在有光照環(huán)境下生存，若單純地進行加熱，將不能對植物產(chǎn)生任何作用[2]。

3? ? ?非線性規(guī)劃兩點邊值問題分析

在進行非線性規(guī)劃兩點邊值問題分析環(huán)節(jié)中，需要結(jié)合植物工廠溫度的最優(yōu)控制模型設計，注重加強溫度控制環(huán)節(jié)，不斷優(yōu)化最優(yōu)控制問題，有利于保證非線性規(guī)劃兩點值計算結(jié)果的準確性，在非線性規(guī)劃兩點邊值的方程式中，將線性函數(shù)設定為N，等式約束函數(shù)以及不等式約束函數(shù)設定為Z、C，為了保證非線性規(guī)劃兩點邊值計算結(jié)果的真實性，需要將其轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制問題進行解決，并將非線性等式約束的工質(zhì)范圍進行科學的界定，通常設定在0～20之間。

4? ? ?仿真試驗與結(jié)果分析

在進行仿真試驗與結(jié)果分析環(huán)節(jié)中，需要借助Matlab軟件優(yōu)勢，為了保證仿真試驗結(jié)果的準確性，需要技術人員對其進行全天候的實時監(jiān)測。其中，在進行仿真試驗與結(jié)果分析環(huán)節(jié)中，利用非線性規(guī)劃兩點邊值的計算公式進行仿真試驗，在試驗中可以發(fā)現(xiàn)，變量值出現(xiàn)逐漸下降的趨勢。在光照度、室外溫度與加熱量隨時間的變化曲線中可以看出，在相關控制器控制環(huán)節(jié)中，要科學地分析加熱量與光照溫度以及外界溫度之間的關系，要根據(jù)植物工廠實際運行情況適當?shù)卣{(diào)節(jié)加熱量、光照溫度以及外界溫度，保證熱量處于最大值時，光照溫度處于最佳區(qū)間。同時，為了節(jié)約植物工廠生產(chǎn)成本，在加熱植物工廠時，要保證與光照同步進行，有利于提升植物工廠的經(jīng)濟效益，從而減少能源的消耗。在狀態(tài)變量隨時間的變化曲線中可以發(fā)現(xiàn)，狀態(tài)變量與時間之間的關系呈現(xiàn)正相關，當狀態(tài)變量處于最大值時，其時間也處于最大值，此時為了保證觀測結(jié)果的真實性，要實時地監(jiān)測控制器的控制過程，保證作物的干質(zhì)量呈現(xiàn)逐漸上升的狀態(tài)，此時植物工廠運行成本最小，有利于提升自身經(jīng)濟效益[3]。

5? ? 試驗結(jié)論研究

基于能量角度的植物工廠優(yōu)化控制分析環(huán)節(jié)中，要根據(jù)植物工廠實際情況出發(fā)，逐步完善作物系統(tǒng)，從而提升能量系統(tǒng)模型建構(gòu)的準確性。在研究試驗結(jié)果中，研究各個通量之間的平衡關系，在仿真試驗環(huán)節(jié)中，充分借助最優(yōu)控制問題解決優(yōu)勢。為了提升作物質(zhì)量，需要科學地計算植物工廠的運行成本，將能源消耗降到最低，優(yōu)化植物工廠溫度以及光照條件，結(jié)合Matlab軟件平臺實時觀察植物工廠運行情況，從而提升植物工廠的社會價值。

6? ? ?結(jié)語

此次研究是充分結(jié)合植物工廠環(huán)境實際情況所開展的，基于能量角度的植物工廠優(yōu)化控制分析通過建立平衡關系的方式建立數(shù)字動態(tài)模型，整合不同的環(huán)境因子，依托非線性規(guī)劃方法優(yōu)勢減少植物工廠的運行成本，從而有利于提升農(nóng)作物品質(zhì)。

參考文獻

[1]楊澤文，賈鶴鳴，宋文龍，等.基于能量角度的植物工廠優(yōu)化控制[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2018（14）

[2]張浩偉.基于智能控制和云平臺技術的遠程植物工廠系統(tǒng)研究[D].天津工業(yè)大學，2017

[3]孫爽.植物工廠中光照效率提升途徑簡述[J].中國照明電器，2016（12）

（責任編輯? 禾初）