[发明专利]一种venlo型温室环境的高分辨率降阶建模方法

说明书

本发明公开了一种venlo型温室环境的高分辨率降阶建模方法，包括四个主要步骤：1)对温室环境作稳态数值仿真，构造不同外部条件下的温度场与风速流场数据集；2)通过本征正交分解技术构造数据集的特征向量；3)传感器测量温室外部条件，包括室外太阳辐射强度、室外温度与机械通风口风速；4)根据传感器测量值和数据集的特征向量推算温室内局部作物区域的温度分布和空气流场。本发明结合传感器测量和本征正交分解技术构造温室微气候降阶模型，能够通过布置少量传感器获取温室环境参数的高分辨率时空信息，具有硬件投资小、精度高等特点。

技术领域

本发明涉及一种venlo型温室环境的高分辨率降阶建模方法，属于设施农业与农业自动化领域。

背景技术

目前，具有时空变异特性的作物生长环境与温室控制系统之间的失配是影响作物产量、能源消耗的重要原因。在传统控制策略下，温室环境参数通常在空间上简化为单一节点值，忽略空间分布对环境参数的影响。而实际上，作为大空间热力系统，温室内部微气候分布是影响作物生长发育最直接的因素。从控制学角度，整个温室环境可看作一个分布式参数的复杂系统，并具有不确定性。这是因为：(1)温室环境由多相结构组成，物理性质各异，相互之间存在复杂非线性关联；(2)温室微气候中各种环境因子呈现显著空间分布特性，如自然对流形成的温度和气流的分层现象、作物冠层和温室顶部的温度差异、二氧化碳沉积现象等；(3)温室环境受室外温度、太阳辐射、作物蒸腾等因素的影响，具有不确定性。

发明内容

针对目前温室微气候建模复杂度与精度之间的矛盾，本发明公开一种运用模型降阶技术对温室环境进行高分辨率快速建模的方法。其特点在于通过构造低阶的温室环境参数变化空间，结合布置少量传感器获取温室环境参数的高分辨率时空信息，具有硬件投资小、精度高等特点。

本发明的技术方案是：

一种venlo型温室环境的高分辨率降阶建模方法，包括如下步骤：

(1)利用计算流体力学工具对温室环境作稳态数值仿真，构造不同温室外部条件下的温度场与风速流场数据集；

(2)通过本征正交分解技术构造数据集的特征向量；

(3)传感器测量室外太阳辐射强度、室外温度与机械通风口风速；

(4)根据传感器测量值和数据集的特征向量推算温室内局部作物区域的温度分布和空气流场。

所述步骤(1)中，温室外部条件包括太阳辐射强度、室外温度和温室通风口风速；温室内部温度场与风速流场数据集的建立步骤如下：

A.根据历史天气数据对温室外部太阳辐射强度和干球温度的逐时值分档，对温室机械通风口风速分档，每档确定一个典型气象值；太阳辐射强度以100W为间隔，干球温度以1摄氏度为间隔；温室通风口风速以0.5m/s为间隔。

B.利用计算流体力学工具建立温室环境的三维几何模型。为简化模型的几何特征，提高数值求解速度和收敛性，对边界条件等设置作以下简化：①忽略温室内排水沟的实际结构；②由于玻璃的导热系数很大，且温室玻璃的长宽面远大于玻璃厚度，因此三维建模时所有玻璃围护以无厚度面近似；③温室内立柱、内部钢结构横梁对仿真结果影响较小，因此忽略温室内部这些设施。CFD软件采用基于Fluent计算引擎的Aripak软件，建立以笛卡尔坐标系为全局坐标系。为减少边界对温室内及周围流场的影响，使得模拟区域处于空气流动充分发展的区域，将温室空间连同周围一部分室外区域一起作为计算域。温室内气体流动假设为湍流，采用标准k-ε模型；Fluent求解器设置为解算质量、动量与能量方程的稳态解。

C.针对外部条件各个典型值分别求取控制域内质量、动量及能量方程的稳态解，提取其中的温度分布与风速流场组成数据集。考虑三维网格点数量过大引起维数灾难，同样可以考虑典型二维截面提取温度分布与风速流场的分布数据。

所述步骤(2)中，构造数据集特征向量的基本步骤如下：