[发明专利]植物工厂光强最优控制方法

说明书

本发明提供一种植物工厂光强最优控制方法，包括：决策层，构建控制目标模型并基于经济效益向控制目标模型内输入控制参数；作物层，构建作物生长模型及切换函数模型，并基于控制目标模型、作物生长模型及切换函数模型获得环境光强；环境层，基于滞环控制以及环境光强调控植物工厂光照强度。本发明基于数字最优控制算法结合控制目标模型以及作物生长模型以获得最优光强，并在获取最优光强的过程中，基于切换函数模型对最优光强的输出值进行切换控制，以根据作物对光期和暗期的不同光照需求控制输出不同的光强值作为环境光强，从而完成植物工厂光期和暗期的切换，促进作物更好的生长，实现植物工厂生产经济效益最大化。

技术领域

本发明涉及光强调控技术领域，尤其涉及一种植物工厂光强最优控制方法。

背景技术

近年来，随着植物工厂技术的迅速发展，使得室内环境综合调控成为可能。相比温室，植物工厂可以实现更高的土地、水和营养的利用率。在植物工厂中，影响植物生长的环境因子较多，如光、温、湿、气等，且不同品种其优化环境参数不同，即使是同一品种，在不同的生育阶段其所需的环境参数亦不相同。

受植物的种类、试验设定、营养液成分等限定，作物在相同光质条件下的研究结果可能不同，各环境因子对植物的交互作用非常复杂，每一个环境因子发生变动均会引起植物相应生物学效应变化，现有植物工厂中的环境大多是通过预设设定值的方式进行控制的。

由于预设的设定值是基于人工经验设置的，且该设定值会使作物整个生长周期中“光期”的光强为定值，而作物在不同生长时期对光强的需求是不同的，因此设定值并不能保证植物工厂生产经济效益的最大化，且人工光的能耗占据了植物工厂总成本的60%，大大制约了植物工厂的规模化生产以及推广。另外，植物的生长需要一定的“暗期”，否则会因为过度的光强而导致烧尖，并且连续人工光光强的增加并不会带来作物产量成比例的增加。

发明内容

本发明提供一种植物工厂光强最优控制方法，用以解决现有技术中预设定值光强以致无法满足作物不同生长周期对不同光强需求的问题，实现了植物工厂生产经济效益最大化，避免了较大的成本浪费。

本发明提供一种植物工厂光强最优控制方法，包括：决策层，构建控制目标模型并基于经济效益向控制目标模型内输入控制参数；作物层，构建作物生长模型及切换函数模型，并基于控制目标模型、作物生长模型及切换函数模型获得环境光强；环境层，基于滞环控制以及环境光强调控植物工厂光照强度。

根据本发明提供一种的植物工厂光强最优控制方法，基于控制目标模型、作物生长模型及切换函数模型获得环境光强，包括：基于伪谱法获得猜测光强；基于数字最优控制算法、所述猜测光强、所述控制目标模型以及所述作物生长模型进行计算以获得最优光强；基于所述切换函数模型对所述最优光强进行切换控制，以输出符合作物生长需求的环境光强。

根据本发明提供的一种植物工厂光强最优控制方法，环境光强表示为：

其中，U_led(t)表示为环境光强，st(t)表示为切换函数模型，U(t)表示为最优光强。

根据本发明提供的一种植物工厂光强最优控制方法，切换函数的公式表示为：

其中，t为时间轴向量，s为切换时刻向量，β为使函数平滑的正数10^-3。

根据本发明提供的一种植物工厂光强最优控制方法，构建切换函数模型之后，还包括：定义切换时刻，切换时刻用于区分光期和暗期；定义切换函数值，使位于光期内的切换函数值为1，位于暗期内的切换函数值为0。