[发明专利]一种热电植三联产的温室控制方法

权利要求书

1.一种热电植三联产的温室控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、建立系统模型，系统模型包括三个部分：一个温室、一个能源路由器EH和一个水箱；其中EH包括一个热电联产发电机、一个燃气锅炉，E表示电能，热流用H表示，CO₂用X表示，锅炉产生热能和二氧化碳，热电联产发电机产生电能、热能和二氧化碳；

温室中的热流包括太阳能流入的热流、从锅炉流入的热流和温室损失的热流；水箱的热流是双向的，包括流出的热流和流入的热流；温室中的二氧化碳包括EH产生的二氧化碳、温室损失的二氧化碳和植物消耗的二氧化碳；EH中有两个节点，一个节点是热流节点，包括热电联产机组流入的热流、锅炉流入的热流、流出到温室的热流和水箱交换的热流，另一个节点是二氧化碳节点，包括从热电联产机组流入的二氧化碳、从锅炉流入的二氧化碳和流出到温室的二氧化碳；

二、把储存的热量S当成是唯一状态变量，忽略其他状态变量；

三、根据系统模型中节点能量守恒、质量守恒，通过步骤一和步骤二得到以下平衡式：

水箱热流：ds/dt＝H_s (1)

温室能量平衡：H_G+H_F-H_T＝0 (2)

温室CO₂平衡：X_G-X_V-G_G＝0 (3)

EH中节点热流平衡：H_C+H_B+H_S-H_G＝0 (4)

EH中节点CO₂平衡：X_C+X_B-X_G＝0 (5)

其中，ds/dt表示存储热量的变化速率，H_S表示水箱的热流，并假定流出水箱为正，H_G表示从锅炉流入温室的热流，H_F表示太阳能供的热流，H_T表示温室损失的热流，X_G、X_V分别表示EH产生的二氧化碳和从温室损失的二氧化碳，G_G表示植物消耗的二氧化碳，H_C表示热电联产机组产生的热流，H_B表示锅炉流出的热流，X_C、X_B分别表示热电联产机组和锅炉产生的二氧化碳；

将热电联产产生的热量和电相互联系起来，得出以下过程平衡方程式：

E_C＝η_HEH_C (6)

将热电联产产生的能量(热和电)与产生的二氧化碳联系起来，得出以下过程平衡方程式：

X_C＝η_(H+E)X(H_C+E_C) (7)

将锅炉产生的热量和二氧化碳联系起来，得出以下过程平衡方程式：

X_B＝η_HXH_B (8)

其中E_C指热电联产机组产生的电能，η_HE指热电联产热电比，η_(X+E)X指热电联产中二氧化碳与产生热电能量的比，η_HX指锅炉中二氧化碳与产生热流的比；

植物处于稳定的状态，其生长速度为：

G≡N+Y＝(P-R)f{M} (9)

其中G、N和Y分别指整个植物、不可销售的材料和可销售的植物的生长速度，P是总光合作用速率，R是总呼吸速率，上述Y被假定为与G成比例，f{M}是日照叶面积指数；

总光合作用速率P可表示为：

P{L_i,C_i,T_i}＝p{L_i,C_i}q{T_i} (10)

q{T_i}＝1-k(T_i-T_P)² (12)

其中P{L_i,C_i}表示最佳温度下的总光合作用速率，q{T_i}表示光合作用对最佳温度的偏差的反应，L_i、C_i、T_i分别表示室内光强、CO₂浓度和温度，η_LX是光合作用的效率，σ是树叶对CO₂的电导系数，T_p是最佳光合作用的温度，k是一个常数；

给定系统和天气参数值，以时间的函数优化控制：

J＝∫[(U_E{t}E_C+u_YY)-(u_QQ+u_CH_c+u_BH_B)]dt (13)

其中J是温室系统的性能标准，E_C指热电联产机组产生的电能，U_E{t}是电力的单价值，u_Y是可收获植物的单价值，Y为可收获植物的量，u_Q、u_C、u_B分别指通风成本单价、热电联产热单价、锅炉产热单价，Q是通风率；

M＝U_E{t}E_C+u_YY-u_QQ-u_CH_c-u_BH_B)+ΛH_S (14)

存储的热量的虚拟值Λ，通过哈密顿函数进入决策过程，M表示温室系统作为一个整体的价值的增量，其中包括存储的热量；

四、在上述系统中的约束条件为：

0≤H_B≤H_BC (15)

0≤H_C≤H_Cc (16)

-H_Sc≤H_s≤H_Sc (17)

H_BC表示锅炉流出热流的最大值，H_Cc表示热电联产机组产生热流的最大值，H_Sc表示流入水箱热流的最大值，负H_Sc表示流出水箱热流的最大值；

五、控制过程是通过在每个时间步长(真实或模拟)用Λ的值最大化哈密顿函数来获得；当储存的热量没越界时，通过对Q、H_B、Hc、Hs和TS的五维搜索，实现H最大化，这里Q指通风率，TS指温室中热屏的开关；然后利用最优控制向量来评估温室室内环境，以及生长和蓄热的增量，在这种情况下，Λ随时间变化而变化，当水箱为空或已满时，Hs已知为零，哈密顿函数与Λ无关，搜索为四维Q、H_B、Hc和TS；这里进入启发式规则：当存储量在上界时，每个时间步长都会略有减少，以增加清空水箱的能力，反之当在下限时，S＝0，S指存储的热量。