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《浙江大学》 2003年 博士论文
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自然通风动态温度调控的智能气动开窗系统

司慧萍  
【摘要】: 我国是世界上设施栽培面积最大的国家,而温室是设施栽培的重要组成部分。各种温室均设侧窗与顶窗,在不同环境条件下,通过窗的启闭,利用自然通风实现环境调控如温度、湿度、CO_2等多项基本控制要求。 在可控制的环境中,组织设施生产流程,是实现优质高产、高效和可持续发展的重要技术保证。从降低能耗,减少温室运行费用、提高产出效益、实现资源最优利用等方面考虑,采用可控自然通风调控温室内动态温度,显著改善温室内的湿热环境(在华东地区尤其如此),是一个较好的解决方案。而“十五”期间国家也将温室环境智能化综合调控系统研究与开发,列入我国农业与社会发展的重点项目。 现有国内外温室除简易温室用手动卷膜外,开窗机构均采用由电动机、减速器、齿轮齿条或连杆机构等部件组成,机构复杂。研制并完善温室智能开关窗控制系统,自动控制窗口启闭、开启面积及可控自然通风是温室环境智能化综合调控系统的一个重要分支。 随着对食品安全、生产绿色蔬菜、保护生态环境、实现可持续发展的要求不断提高,研制采用清洁能源、清洁传动介质和新型传动机构,实现节能保护环境性能价格比高的智能控制气动开窗,具有明显优点,属于国内外本学科前沿研究领域,在本领域尚属创新。 本研究项目“自然通风动态温度调控的智能气动开窗系统”,首次引入气动技术;采用自动控制信号检测系统;建立自然通风动态温度控制模型,并完成模型的试验模拟及评价;设计气动天窗系统并进行了试验及仿真研究;研制控制系统的控制模型及相应的软件程序。智能气动开窗系统,能够根据温室内外的环境信息输入驱动通风窗的自动开闭及开度调节,按预定精度实现对温室内部温度的动态调控。具体内容如下: (1)以华东型连栋塑料温室为主要研究对象,采用能量平衡、质量平衡理论,应用流体力学的基本理论,建立与气候、地理位置、温室结构、时间等多个因素相关的自然通风动态温度控制模型,依此为基础研制智能气动开窗系统,由通风窗开度控制或预测温室的内部温度,并确定最佳开窗位置。试验及分析表明,模型预测的室内温度值与试验测定值具有较高精度的吻合。 (2)采用快速、安全、可靠、低成本的气动技术,针对华东型连栋塑料温室和WSBRZ连栋玻璃温室研究出具有连动开窗和交错开窗功能的智能气动天窗系统。分析讨论了气动天窗系统原理、各级风速下的天窗荷载、驱动气缸的负载特性以及系统的动力学特性。与传统技术比较,气动系统完全可以取代机械式开窗系统,其结构简单,操作方便,控制精度高,成本降低30%,在相同条件下其通风量可以提高18%,增强了利用自然通风调节温室环境的能力。 浙江大学博士学位论文(2003) (3)调查温室所处地区全年的风速分布,针对华东型连栋塑料温室研究风载与天 窗位置角及风向的关系,以及风载、均布结构重量和集中力三种天窗荷载的作用。在此 基础上,建立多目标非线性优化模型,合理快捷地确定了气动天窗机构的各个参数,给 出优化后气缸负载的动态曲线。该组参数应用于华东型连栋塑料温室气动天窗系统的研 制,取得满意的效果。仿真分析确定风载与天窗位置角的关系,同时计算天窗均布结构 重量和集中力二种荷载;针对经过优化设计的气动天窗机构,导出气缸负载表达式;结 合气压传动特性,导出驱动力矩、驱动功率、排气节流压降和天窗运动的动力学基本方 程;采用非线性规划方法,以动力学基本方程为目标函数,考虑适当的约束,建立气动 天窗的动力学仿真模型。模型求解给出了气缸负载、天窗驱动力矩、天窗驱动功率、天 窗角加速度和角速度等随天窗位置角变化的过程。同时并进行了气动系统试验和仿真研 究 (4)研制出一种以计算机为核心的温室自然通风智能控制系统,包括80C552微 处理器,温度、湿度和光照传感器等多参数模拟量输入模块,多路A/D处理模块,RS232 通讯模块,键盘显示人机交换模块,定时器控制模块,天窗侧窗开度控制模块,机器内 部时钟模块,数据存储模块等。采用BCB语言编制软件,人机界面为菜单方式,包括 温湿度和光照参数显示、天窗和侧窗开度大小显示以及修改等模块。以自然通风温度动 态调控模型和控制策略为控制模型,输入环境参数,输出控制信号,驱动气缸或气马达 的启闭,完成天窗和侧窗的智能控制。每个功能设计成独立的子模块,以便于修改。扩 充控制内容,各个模块在系统模块的调控下进行工作。


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