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Application of dynamic programming algorithm in winter heating control of greenhouse

International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2024年第4期17卷 60-66页

作者： Fei Gao Hongbin Tu delan zhu Mengyang Liu Changyang Shi Rui Zhang Ruixin Wang zhu Li College of Water Resources and Architectural Engineering Northwest A&F UniversityYangling 712100ShaanxiChina Institute of Water-saving Agriculture in Arid Areas of China Northwest A&F UniversityYangling 712100ShaanxiChina College of Engineering Purdue UniversityIndiana 47906USA

In order to solve the immaturity of decision-making methods in the regulation of winter heating in greenhouses,this study proposed a solution to the problem of greenhouse winter heating regulation using a dynamic programming algorithm.A mathematical model that included indoor environmental state variables,optimization decision variables,and outdoor random variables was *** temperature is kept close to the expected value and the energy consumption is *** model predicts the control solution by considering the cost function within the next 10 *** two-stage planning method was used to optimize the state of each moment step by *** temperature control strategy model was obtained by training the relationship between indoor temperature,outdoor temperature,and heating time after optimization using a regression *** on a typical Internet of Things(IoT)structure,the greenhouse control system was designed to regulate the optimal control according to the feedback of the current *** testing and verification,the optimized control method could stabilize the temperature near the target *** to the threshold control(threshold interval of 2.0°C)under similar weather conditions,the optimized control method reduced the temperature fluctuation range by 0.9°C and saved 7.83 kW·h of electricity,which is about 14.56%of the total experimental electricity *** shows that the dynamic programming method is feasible for environmental regulation in actual greenhouse production,and further research can be expanded in terms of decision variables and policy models to achieve a more comprehensive,scientific,and precise regulation.

关键词： greenhouse dynamic programming heating control model predictive control Internet of Things

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面向自动控制的日光温室卷膜控制决策方法研究

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中国农机化学报 2024年第6期45卷 82-89,127页

作者：陆丽琼朱德兰李柱韩煜琪西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

为使温室环境管理由人工经验管理变为自动化管理,选取温室番茄产量在同地区较高的温室作为研究对象,实时监测温室内温度、湿度和卷膜开闭状况以及室外气象数据,建立室外气象数据、室内温湿度及卷膜开闭之间的关系。将室外气象数据作为输... 详细信息

为使温室环境管理由人工经验管理变为自动化管理,选取温室番茄产量在同地区较高的温室作为研究对象,实时监测温室内温度、湿度和卷膜开闭状况以及室外气象数据,建立室外气象数据、室内温湿度及卷膜开闭之间的关系。将室外气象数据作为输入,室内温湿度及卷膜开闭度作为输出,利用Cat Boost(Categorical Boosting,Cat Boost)算法分别构建温、湿度预测模型和卷膜决策模型,并与随机森林算法(Random Forest,RF)和极端梯度提升算法(Extreme Gradient Boosting,XG Boost)的预测结果进行对比分析。最后基于决策模型设计搭建卷膜控制系统,并于典型晴天、阴天和雨天进行试验验证。结果表明:基于Cat Boost的日光温室内环境(室内温度和室内相对湿度)预测值与实测值的均方根误差分别为0.91℃和4.73%,有更好的模拟效果、精度更高,其卷膜决策模型准确率达到92.1%;基于Cat Boost的卷膜决策模型设计搭建的卷膜控制系统可以准确预测卷膜状态的变化,并进行精准控制,具有较强的实践价值和推广意义。

关键词：温室番茄 Cat Boost 内环境预测卷膜决策模型卷膜控制系统

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考虑作物冠层高度的屋脊形大棚形状优化

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农业工程学报 2024年第15期40卷 194-203页

作者：高飞张锐朱德兰辛科涂泓滨赵航西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院杨凌712100 龙岩市农业农村局龙岩364000

为提高屋脊形大棚太阳辐射利用率,增强保温蓄热能力。该研究依据大棚内部作物对采光和蓄热保温的需求,提出了基于冠层高度和恒定体积约束的屋脊形大棚形状优化模型,设置大棚采光面捕获太阳辐射量大及有效种植面积尽可能大的约束条件,在... 详细信息

为提高屋脊形大棚太阳辐射利用率,增强保温蓄热能力。该研究依据大棚内部作物对采光和蓄热保温的需求,提出了基于冠层高度和恒定体积约束的屋脊形大棚形状优化模型,设置大棚采光面捕获太阳辐射量大及有效种植面积尽可能大的约束条件,在内部能量需求恒定的条件下分析大棚高度比及方位角对太阳辐射捕获量的影响规律,并优选出不同脊位比大棚在不同地区下的最优参数组合。结果表明:1)大棚所捕获的太阳辐射量大多随高度比减小而逐渐减小,在高度比k=5时为最大值;相同高度比下,脊位比越大,大棚所捕获的太阳辐射量越大;当高度比k=5时,沈阳地区脊位比为0.65、0.75和0.85的大棚相对于脊位比为0.50时的增长率分别为2.67%、4.42%和6.17%。2)大棚太阳辐射捕获量大多随方位角增加呈先减小后增加趋势,在方位角0°~90°的范围内,脊位比越大,大棚所捕获的太阳辐射量越多,在90°~180°的范围内相反;当大棚脊位比为0.65、0.75和0.85时,随着地区纬度的增加,大棚太阳辐射捕获量最低值点所对应的方位角值逐渐减小,不同脊位比之间的差异逐渐减小。3)大棚在不同地区优选得到的高度比值仅与作物冠层高度有关;地区纬度越高,脊位比及高度比越大,大棚优选得到的方位角相对于南北走向偏转的角度越大。该研究可依据作物冠层高度大小在大棚捕获太阳辐射量尽可能多的前提下减少大棚供热成本,为推进塑料大棚的整体规划发展提供理论依据。

关键词：太阳辐射光照屋脊形大棚冠层高度恒定体积大棚高度比大棚方位角

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滴灌系统叠片过滤器结构参数优化

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农业工程学报 2024年第7期40卷 133-141页

作者：袁寄望朱德兰孙少博郑长娟 KHUDAYBERDI Nazarov 柳昌新西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 塔什干国立农业大学农业生物学院塔什干100140

针对不同级配含沙水和灌水器类型的叠片过滤器结构选型问题,该研究选取常用叠片过滤器,通过组合不同叠片数量改变相邻叠片间孔径,设计了多种不同泥沙处理能力的过滤器。对5种泥沙粒径级配条件下5种孔径叠片过滤器的性能开展试验研究,根... 详细信息

针对不同级配含沙水和灌水器类型的叠片过滤器结构选型问题,该研究选取常用叠片过滤器,通过组合不同叠片数量改变相邻叠片间孔径,设计了多种不同泥沙处理能力的过滤器。对5种泥沙粒径级配条件下5种孔径叠片过滤器的性能开展试验研究,根据不同工况下叠片过滤器运行周期内的水头损失、堵塞时段水头损失增长速率、过滤器的堵塞均匀度以及灌水器流量偏差率等指标,采用模糊数学综合评价方法,构建综合考虑灌溉含沙水、叠片过滤器和滴灌灌水器的多目标评价模型。结果表明:基于叠片孔径可调的过滤器可以实现拦截不同粒径范围泥沙的目标,5种孔径过滤器拦截泥沙粒径(拦截率大于90%的沙粒段中最小粒径级配的中值粒径)分别为49、82、100、127和150μm;随着过滤器孔径减小,粒径越细小的含沙水对水头损失增大作用越显著。不同级配含沙水和灌水器类型条件下叠片过滤器性能综合评价结果与试验结果相符,通过对综合评价指标值排序,筛选出灌溉含沙水、过滤器、灌水器三者最优的匹配方式,能够同时实现灌水器堵塞程度轻微和过滤器性能稳定。提出的叠片过滤器结构参数配置决策方案,可为叠片过滤器的合理配置和使用提供参考。

关键词：滴灌叠片过滤器灌水器水力性能优化配置

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多因素耦合的光伏水泵提水系统配置优化方法

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农业工程学报 2024年第3期40卷 84-93页

作者：赵航朱德兰张锐纳扎罗夫•胡代贝尔迪柳昌新西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 塔什干国立农业大学塔什干100140乌兹别克斯坦

为探究提水效率影响因素及系统配置对光伏水泵提水系统性能影响,该研究利用光伏水泵循环提水系统,探究不同辐照强度、阀门开度、提水高度下光伏组件利用效率、水泵运行效率、管路效率变化规律,并构建系统流量计算模型,根据该模型计算各... 详细信息

为探究提水效率影响因素及系统配置对光伏水泵提水系统性能影响,该研究利用光伏水泵循环提水系统,探究不同辐照强度、阀门开度、提水高度下光伏组件利用效率、水泵运行效率、管路效率变化规律,并构建系统流量计算模型,根据该模型计算各个区间的提水量占比及不同提水高度下提水系统的参数,根据该系统整体效率和太阳能利用率确定最优提水高度;在此基础上,通过增加光伏组件面积及蓄水池数量降低提水系统提水成本及提高太阳能利用率,并确定提水成本最低时光伏组件面积和蓄水池数量。研究结果表明:确定光伏组件利用效率随辐照强度变化关系及水泵高效率运行区间,并确定光伏水泵最优提水高度为20 m,太阳能利用率为64.05%,整体利用效率为4.521%,提水成本为0.151元/m^(3);在最优提水高度的基础上,讨论了增加光伏板面积及蓄水池数量对太阳能利用率与提水成本的影响,当提水成本最低时,光伏板面积为3.71 m2,成本为0.143元/m^(3),太阳能利用率为90.83%;蓄水池数量为4个,成本为0.145元/m^(3),太阳能利用率为94.62%,表明增加光伏板面积和蓄水池数量有效降低提水成本和提高太阳能利用率,为光伏水泵提水系统配置的优化提供新思路。

关键词：太阳能效率阀门开度光伏水泵太阳能利用率

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基于数值模拟的温室湿帘-风机运行参数确定方法研究

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中国农机化学报 2024年第5期45卷 79-84页

作者：焦宁朱德兰荆宇鹏刘孟阳柳昌新西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点试验室陕西杨凌712100 Breeding and Seed Production of Agricultural Crops of Tashkent State Agrarian University Tashkent100140Uzbekistan

为提高温室湿帘-风机系统降温效果、降低温室运行成本,运用计算流体力学方法(CFD)构建温室三维模型,模拟湿帘-风机系统运行过程,探究运行参数对温室内部温度场影响规律。对湿帘面积、风机风速、湿帘入口温度三种影响参数进行组合,通过... 详细信息

为提高温室湿帘-风机系统降温效果、降低温室运行成本,运用计算流体力学方法(CFD)构建温室三维模型,模拟湿帘-风机系统运行过程,探究运行参数对温室内部温度场影响规律。对湿帘面积、风机风速、湿帘入口温度三种影响参数进行组合,通过成本分析、温度占比及温度分布均匀性选配合适的湿帘-风机降温系统参数。结果表明:模拟值与实测值最大误差为3.983%,验证CFD模型的有效性。由数值模拟可知:温室水平向及竖直向存在梯度变化,在湿帘-风机降温系统开启210 s时,温室内部整体温度稳定在27.9℃。夏季高温季节,当温室温度高达35℃时,利用CFD优选出湿帘-风机降温系统配置参数为湿帘面积0.5 m^(2),风机风速4 m/s;湿帘入口温度23.85℃时,经过300 s温度由35℃降低至30℃,温室内温度偏差系数为0.077,满足作物生长需求且成本低。基于数值模拟的温室湿帘-风机降温系统的参数选取方法,可应用到陕西地区双拱温室中。

关键词：温室湿帘-风机降温系统数值模拟计算流体力学温度参数优化

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网式过滤器水头损失动态变化规律

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农业工程学报 2024年第8期40卷 62-70页

作者：郑长娟朱德兰高洒洒张锐赵泽晋李路明 KHUDAYBERDI Nazarov 柳昌新西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 山西省曲沃县水利局曲沃043400 新疆农业大学水利与土木工程学院乌鲁木齐830000 塔什干国立农业大学农业生物学学院塔什干100140乌兹别克斯坦

网式过滤器是微灌系统的关键部件之一,对过滤杂质,减缓滴头堵塞起到重要作用,但过滤器水头损失往往随拦截杂质的增多而增大,导致滤网破损或系统被迫停机。为明晰过滤器水头损失变化规律,该研究采用文献数据归纳分析和试验相结合的方法,... 详细信息

网式过滤器是微灌系统的关键部件之一,对过滤杂质,减缓滴头堵塞起到重要作用,但过滤器水头损失往往随拦截杂质的增多而增大,导致滤网破损或系统被迫停机。为明晰过滤器水头损失变化规律,该研究采用文献数据归纳分析和试验相结合的方法,对7种网式过滤器水头损失数据开展聚类分析;以Y型网式过滤器为例,测试不同流量、泥沙浓度和沙粒级配对过滤器水头损失的影响,以减少水头损失激增、提高拦沙效果为主要目标开展综合评价,优选过滤器适宜的运行工况。结果表明:1)不同类型网式过滤器水头损失随时间变化可分为平稳增加阶段和突然增加阶段,突然增加阶段的水头损失增长速率更大,堵塞均匀度均大于1。2)相同流量和浓度下,以>100~125μm泥沙为主的Ⅲ级配和以>125~150μm泥沙为主Ⅳ级配含沙水较以>54~75μm泥沙为主Ⅰ级配和以>100~125μm泥沙为主Ⅱ级配含沙水更容易产生水头损失激增。相同流量下,高浓度工况更容易出现水头损失激增;相同浓度下,流量为3.5 m^(3)/h时最容易使过滤器水头损失激增。3)CRITIC-TOPSIS综合评价结果表明排名前3的分别是流量2.5 m^(3)/h、泥沙浓度60 mg/L工况下Ⅲ、Ⅳ和Ⅱ级配含沙水,综合得分指数分别为0.726、0.712和0.711;低泥沙浓度、大颗粒级配和高泥沙浓度、小颗粒级配在流量2.5 m^(3)/h时综合性能好,高泥沙浓度、大颗粒级配在流量4.5 m^(3)/h综合性能好,低泥沙浓度、小颗粒级配在3种流量下综合性能差异不大。研究可为减少过滤器水头损失和增加运行时长提供参考。

关键词：流量滴头泥沙网式过滤器水头损失激增文献分析综合评价

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水溶性KGM/PVA涂膜的制备及性能研究

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化工新型材料 2024年第8期52卷 251-255,261页

作者：张斌吴守军朱德兰贺维张庆宇西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学干旱半干旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100

水溶性保鲜涂膜可以有效延缓果蔬的腐烂,同时可以解决传统涂膜影响果蔬品质、味道和色泽等问题。以魔芋葡甘聚糖(KGM)和聚乙烯醇(PVA)为基料,甘油和山梨醇作为复配增塑剂,研究了原料配比对KGM/PVA涂膜水溶性以及光学和力学性能的影响。... 详细信息

水溶性保鲜涂膜可以有效延缓果蔬的腐烂,同时可以解决传统涂膜影响果蔬品质、味道和色泽等问题。以魔芋葡甘聚糖(KGM)和聚乙烯醇(PVA)为基料,甘油和山梨醇作为复配增塑剂,研究了原料配比对KGM/PVA涂膜水溶性以及光学和力学性能的影响。结果表明:原料配比一定时,KGM/PVA涂膜5min内溶解率随水温的升高而升高;在水温确定的条件下,KGM/PVA涂膜5min内溶解率随着PVA用量的增加而降低。影响涂膜水溶性的主次因素排序为PVA>KGM>山梨醇>甘油。每100mL纯水中,PVA、KGM、甘油、山梨醇用量分别为3g,0.4g,0.3mL,0.1g时涂膜综合性能最佳,在20℃左右冷水中基本不溶,而在30℃及以上温水中可溶,涂膜透光率达到93.68%,拉伸强度为16.66MPa,断裂伸长率为125.87%。

关键词：魔芋葡甘聚糖聚乙烯醇水溶性透光率拉伸性能保鲜涂膜

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Influence of sprinkler irrigation droplet diameter, application intensity and specific power on flower damage

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Frontiers of Agricultural Science and Engineering 2017年第2期4卷 165-171页

作者： Yisheng ZHANG delan zhu College of Water Resources and Architectural Engineering Northwest A&F University Institute of Water-saving Agriculture in Arid Areas of China Northwest A&F University

To determine the main parameters of droplet strike damage and avoid flower injury due to the unsuitable practices during sprinkler irrigation, an indoor experiment of irrigation droplet impact on cyclamen was *** influences of different parameters such as droplet diameter, application intensity, specific power on flower strike damage was analyzed using Image Pro-Plus software to compute strike damage area and define damage level by sense-analysis. The results showed that a damage area of 6%heavy damage level. Equations of application intensity,specific power with sprinkler irrigation time and flower injury ratio were regressed against parameters which cause impact damages. The results indicated that specific power has a significant correlation with injury, and flower damage area increased as the increasing of the value of specific power for the same irrigation time. Application intensity was also correlated with injury when the droplet diameter was larger than 1 mm. When the duration of sprinkler irrigation was 1, 5 and 10 min, the threshold of impinging damage of application intensity was 25.30, 5.01 and1.64 mm·h^(–1) and the specific power was 0.467×10^(–3),9.340×10^(–3) and 3.110×10^(–3)W·m^(–2). These results provide a reference for determining the suitable values of sprinkler properties in operation design.

关键词： application intensity damage floriculture flowers specific power sprinkler irrigation

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基于模糊自适应控制的温室温度调控

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农业工程学报 2024年第14期40卷 190-198页

作者：侍昌阳朱德兰王亚利张锐张廷宁 KHUDAYBERDI Nazarov 柳昌新 NAZAROVA Sayyora 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 陕西咸阳杨凌区农业农村局杨凌712100 塔什干国立农业大学农业生物学学院塔什干100140 塔什干国立经济大学外国语学院塔什干100140

为了实现温室在冬季时温度控制精度高、能耗小的目标,该研究提出了一种将热量平衡原理与模糊控制相结合的模糊自适应控制方法,在模糊控制器中加入基于热量平衡方程的输出隶属度函数修正模块,通过监测温室内外温度数据,在上位机中对模糊... 详细信息

为了实现温室在冬季时温度控制精度高、能耗小的目标,该研究提出了一种将热量平衡原理与模糊控制相结合的模糊自适应控制方法,在模糊控制器中加入基于热量平衡方程的输出隶属度函数修正模块,通过监测温室内外温度数据,在上位机中对模糊控制器中的输出隶属度函数进行自适应调整,最终使温室温度稳定在目标温度。结果表明,基于热量平衡方程的温室温度模糊自适应控制系统具有较好的稳定性和准确性,在设置20℃为目标温度值的情况下,基于热量平衡方程的模糊自适应控制最终使温室温度稳定在(19.8±0.11)℃,一般模糊控制方法最终使温室温度稳定在(13.5±0.5)℃,无法达到目标环境温度值,而阈值控制最终使温室温度稳定在(20.0±0.85)℃;同时,基于热量平衡方程的温室温度模糊自适应控制能耗较低,且能量利用率更高,模糊自适应控制能量利用率为45.97%,而阈值能量利用率仅为20.21%。研究提出的基于热量平衡方程的模糊自适应控制方法不仅满足温室温度调控需求,而且能够提高能量利用率,降低能耗。

关键词：温室温度环境控制模糊控制自适应控制

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