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智能温室气动开窗温度调控系统研究

刘淑珍  
【摘要】:自然通风运行费用低,一次性投资少,但对运行管理的要求比较高。对于能源相对昂贵的中国农业生产来说,深入研究自然通风设备、通风模型和开窗位置控制系统具有一定的实际意义。 自然通风降温设备包括天窗和侧窗启闭系统。使用中应因地制宜,根据温室结构类型和形式、当地气候特点、栽培作物的特点来合理选择开窗系统。目前,温室中几乎都采用的电动开窗机构,对气动开窗系统研究尚处于初步研究中。国内外专家对自然通风已经做了非常深入的研究,但还没有将自然通风模型应用到温室自动控制系统中。因此,建立自然通风温度预测模型,应用数值积分和逐步逼近的方法,根据室内外环境条件和温室作物生长需要,确定通风窗开启高度,以及应用基于高速开关阀脉宽调制技术和模糊+PI控制算法,开发气动天窗位置控制系统尚属首创。 为克服传统齿轮齿条天窗机构存在的诸如响应慢、容易生锈、使用寿命短等弊端,提高温室环境控制精度,本文设计了连栋塑料温室气动四连杆天窗机构和连栋玻璃温室轨道式气动天窗机构;建立了装有防虫网温室自然通风温度预测分析模型,在此基础上,应用脉宽调制方式和模糊+PI控制算法,对气动开窗位置控制系统进行了仿真研究和控制系统开发研究。具体研究内容如下: (1) 在连栋塑料温室气动四杆天窗机构的静力学分析基础上,首次考虑强度条件、安装裕量、边界约束等条件,以气缸输出推力最小为目标构建模型进行优化设计,根据得到的优化结果选配气缸,并对机构进行稳定性校核。分析表明,机构满足稳定性要求;通过改变载荷参数和结构参数,优化模型可用于其它塑料温室的气动四连杆天窗机构的设计。对选配的气动天窗系统,就设备成本、综合电耗和运行效果,与原有的齿轮齿条天窗机构进行对比分析,结果表明:从设备成本看,齿轮齿条机构的费用稍高于气动开窗机构;从运行费用看,由于齿轮齿条开窗机构是多级传动,机械效率低,开启相同角度时,其运行费用高于气动开窗机构;从运行效果看,与原由齿轮齿条开窗机构比较,设计的气动天窗机构使得开度增加了20°,开到最大角度的时间减小至9.3到11.7秒。 (2) 创造性地应用机构运动学和联立约束法动力学仿真的方法,对连栋玻璃温室轨道式气动天窗机构进行设计选配。首先应用美国温室设计标准,对天窗荷载进行计算;然后通过机构运动学和联立约束法动力学仿真,分析了大窗开度、气缸负载以及推杆受力等与气缸活塞位移变化之间的关系,从而确定气缸行程和活塞直径。分析表明,在运动学和动力学分析过程中,玻璃温室轨道式气动天窗机构可以近似为曲柄滑块机构;对于结构一定的连栋玻璃温室,轨道式气动天窗机构存在最大开启角度;开启天窗所需气缸输出推力主要受连杆对横向推杆水平方向分力的影响,而摩擦力的影响很小;这种通过运动学动力学分析确定气缸行程和活塞直径的方法,可以防止气缸选型中的盲目性,为处理气缸选型等设计问题提出了可供参考的意见。选配气缸运行效果仿真和气动天窗系统经济性评价表明,与传统齿轮齿条机构相比,气动天窗机构安装方便、响应速度快、有利于提高天窗开度,同时降低了机构成本和运行费用,提高了经济效益。 (3) 首次结合通风率模型和热力学第一定律,建立了装有防虫网连栋塑料温室自然通风温


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