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双时间尺度温室生产最优控制算法研究

徐丹  
【摘要】:温室生产使得种植者可以调控作物的生长环境,进而提高作物的产量和质量。然而,传统温室控制技术大多基于种植者的经验,缺乏科学的解释,难以保证温室生产获得最大的经济效益。最优控制算法可以将实现经济效益最大化作为控制目标,根据温室环境以及作物生长的动态模型计算得到最优控制输入,其物理意义可以通过模型进行科学的解释。但是,由于温室环境动态与作物生长的时间尺度不同,使得最优控制的计算量较大,难以在线实施。时间尺度分解的方法将温室生产最优控制分解为与作物生长相关的慢子问题,以及与温室环境相关的快子问题,大大降低了最优控制的计算量,使得其在线实施成为可能。本文针对双时间尺度温室生产最优控制研究中存在的问题,做了以下工作:(1)选取了适用于双时间尺度温室生产最优控制的温室-作物模型,运用伪谱法快速求解其开环最优控制的慢子问题和快子问题,并根据模型的物理意义对求解结果进行科学解释。开发了适用于在线实施的数字最优控制算法,以快子问题的伪谱法求解结果作为算法的初始猜测,应用于可闭环实施的滚动时域最优控制。(2)针对最优控制算法并未应用于中国日光温室的问题,本文研究了双时间尺度中国日光温室生产最优控制。基于所选取的连栋温室模型,扩展了符合中国日光温室的北墙模型以及保温被模型。运用双时间尺度分解的方法,计算了将最优控制算法应用于中国日光温室所得到的经济收益,并得到了保温被的最优控制输入轨迹。(3)针对双时间尺度温室生产最优控制并未考虑不确定或时变模型参数的问题,本文研究了温室生产自适应最优控制。基于所选取模型参数的物理意义以及经济指标对参数的开环灵敏度分析,确定了候选自适应模型参数。将快速可辨识性算法用于候选参数的可辨识性分析,确定对两个温室环境模型参数进行在线参数估计。分析了经济指标对两个参数的闭环灵敏度,并通过引入测量误差检验了自适应参数的跟随性能。(4)针对慢子问题通常是开环计算的问题,本文研究了双闭环温室生产最优控制。通过温室环境状态的测量数据和作物生长模型,计算得到作物生长状态作为反馈信息。以前一次慢子问题伪谱法开环计算的结果作为初始猜测,自动更新计算慢子问题。分析了当作物售价、控制成本和长期天气预测存在误差时双闭环对于最优控制经济效益的改善,以及引入LED补光后双闭环对于经济效益的进一步提高。最后通过计算时间验证了双闭环最优控制在线实施的可行性。


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