基于能量角度的植物工厂优化控制分析

孙聪

摘   要：将围绕通量、信息流的选择与建立进行阐述，注重植物工厂温度的最优控制模型的研究，加强非线性规划两点边值的问题分析，并整合仿真试验与结果，有效地实现对植物工厂环境的控制，将植物工厂运行成本充分考虑在内，逐步优化植物工程以及作物系统，从而为后续研究工作的顺利进行奠定基础。

关键词：能量角度;植物工厂;优化控制

随着现代化科学信息技术的不断发展，植物工厂的兴起为完善新型农业系统提供了技术支撑，依托相关机械设备的优势监测农作物的生存环境，可以有效地提升农业资源的利用率，减少了人力、物力、财力资源的消耗，有效地实现了经济效益与社会效益相统一。

1     通量、信息流的选择与建立研究

1.1   植物工厂与作物之间的关系

植物工厂模型具有差异性，基于能量角度的植物工厂优化控制与整体平衡关系具有相似性。其中，植物工厂与作物中的能量平衡关系是连接控制变量与外界环境变量，整合植物工厂内部以及植物工厂外部因素，保证植物工厂与作物系统的完整性。将容量变量、植物工厂存储的与能量相关的容量信息、作物保存的与质量相关的容量信息、通量等相关的树立信息进行完善。在前期需要分辨内部设备转移到植物工厂的通量以及植物工厂转移到内部设备的通量。在植物工厂与作物能量平衡关系中，需要明确植物工厂内部设备控制信息，主要涉及二氧化碳等设备的控制信息、加温加热等植物工厂的实际操作信息、门窗开闭等植物工厂外部设备控制信息等。此外，还要注重植物工厂对内部以及温度、湿度等状态信息考虑在内，植物本身的状态信息在植物工厂与作物中的能量平衡关系中处于关键环节。在对作物信息进行质量判断过程中，要实时地监测作物。同时，植物工厂与作物之间的关系一定程度上受到外界环境与内部设备的运行情况有关，要注重监测风速以及湿度。

1.2   植物工厂系统中通量的平衡关系

植物工厂作物系统中，主要包括植物工厂存储与能量相关的容量信息，关于时间的倒数以及作物保存的与质量相关的容量信息，关于时间的倒数，分别用I工厂以及I作物进行表示，其中W工厂-工厂表示的是植物工厂状态变量的影响下工厂的变化量，W作物-作物表示的是植物工厂状态变量的影响下作物本身的变化量。当W工厂-作物出现在I工厂以及I作物公式中，W工厂-工厂将主要涉及光合作用、土壤水分含量等众多因素。其中强度变量主要包括压力以及温度，此时得出完整的植物工厂、作物的强度变量。在植物工厂系统中通量的平衡关系中，影响通量变化的因素主要有强度变量，在实际系统建模环节中，需要把握好能量与质量的关系，并得出容量变量与强度变量之间的变化公式，其中矩阵代表为容量系数，此时的单位设置为E，将K代表为系统中的强度变量。逐步完善容量变量以及强度变量之间的关系，得出具体的函数关系。

2     植物工厂温度的最优控制模型

植物工厂温度的最优控制模型设计环节中，需要充分结合多种方面对其进行考虑，其中将发挥数字模型的优势，计算出数字成本的最大值以及最小值，并获得具体的函数关系。同时，在实际植物工厂温度的最优控制模型设计环节中，要充分结合植物工厂的实际利益，此时的收益与成本函数之间的关系呈现正相关，为了提升植物工厂的利益需要将其成本函数设定为最大值，并计算出植物工厂所获得的收益。为了保证计算收益结果的准确性，要将单位面积作物的干质量以及单位时间、单位作物的干质量关于时间的倒数进行科学的测量，分别用T、T1表示。同时，还要整合植物工厂的环境温度以及外界温度，分别用Y、Y1表示。此外，在植物工厂温度最优控制模型的构建环节中，需要整合植物工厂加热系统单位面积的热量输入情况，保证计算结果的准确性[1]。

在建立植物工厂温度的最优控制模型环节中，要科学地分析作物质量与光照度以及温度之间的关系，使之呈现正相关。同时，还要充分结合植物工厂的实际情况出发，加强对外部温度的实时监测力度，并整合植物工厂的温度数据信息，为了保证热量输入结果的准确性，需要优化植物工厂加热系统，保证处于正常运行状态，并将热量输入设定为P。在植物工厂温度最优控制模型过程中，其主要目的是提升作物质量，此时，要求相关设计人员提升植物工厂的温度，保证光照的充足。但在实际提升植物工厂温度环节中，要求设计人员要做好前期准备工作，针对植物工厂实际情况适当调整温度，防止因为温度上升过快造成不必要的能源消耗，有利于实现经济效益与社会效益相统一。同时还需注意的是，在对植物工厂进行升温环节中，要保证升温环节与光照同时进行，不可单独进行，植物需要在有光照环境下生存，若单纯地进行加热，将不能对植物产生任何作用[2]。

3     非线性规划两点边值问题分析

在进行非线性规划两点边值问题分析环节中，需要结合植物工厂温度的最优控制模型设计，注重加强温度控制环节，不断优化最优控制问题，有利于保证非线性规划两点值计算结果的准确性，在非线性规划两点边值的方程式中，将线性函数设定为N，等式约束函数以及不等式约束函数设定为Z、C，为了保证非线性规划两点边值计算结果的真实性，需要将其转化为最优控制问题进行解决，并将非线性等式约束的工质范围进行科学的界定，通常设定在0～20之间。

4     仿真试验与结果分析

在进行仿真试验与结果分析环节中，需要借助Matlab软件优势，为了保证仿真试验结果的准确性，需要技术人员对其进行全天候的实时监测。其中，在进行仿真试验与结果分析环节中，利用非线性规划两点边值的计算公式进行仿真试验，在试验中可以发现，变量值出现逐渐下降的趋势。在光照度、室外温度与加热量随时间的变化曲线中可以看出，在相关控制器控制环节中，要科学地分析加热量与光照温度以及外界温度之间的关系，要根据植物工厂实际运行情况适当地调节加热量、光照温度以及外界温度，保证热量处于最大值时，光照温度处于最佳区间。同时，为了节约植物工厂生产成本，在加热植物工厂时，要保证与光照同步进行，有利于提升植物工厂的经济效益，从而减少能源的消耗。在状态变量随时间的变化曲线中可以发现，状态变量与时间之间的关系呈现正相关，当状态变量处于最大值时，其时间也处于最大值，此时为了保证观测结果的真实性，要实时地监测控制器的控制过程，保证作物的干质量呈现逐渐上升的状态，此时植物工厂运行成本最小，有利于提升自身经济效益[3]。

5    试验结论研究

基于能量角度的植物工厂优化控制分析环节中，要根据植物工厂实际情况出发，逐步完善作物系统，从而提升能量系统模型建构的准确性。在研究试验结果中，研究各个通量之间的平衡关系，在仿真试验环节中，充分借助最优控制问题解决优势。为了提升作物质量，需要科学地计算植物工厂的运行成本，将能源消耗降到最低，优化植物工厂温度以及光照条件，结合Matlab软件平台实时观察植物工厂运行情况，从而提升植物工厂的社会价值。

6     结语

此次研究是充分结合植物工厂环境实际情況所开展的，基于能量角度的植物工厂优化控制分析通过建立平衡关系的方式建立数字动态模型，整合不同的环境因子，依托非线性规划方法优势减少植物工厂的运行成本，从而有利于提升农作物品质。

参考文献

[1]杨泽文，贾鹤鸣，宋文龙，等.基于能量角度的植物工厂优化控制[J].江苏农业科学，2018（14）

[2]张浩伟.基于智能控制和云平台技术的远程植物工厂系统研究[D].天津工业大学，2017

[3]孙爽.植物工厂中光照效率提升途径简述[J].中国照明电器，2016（12）

（责任编辑  禾初）