基于DT-FPID的中国日光温室局部冠层CO2富集控制系统设计与实验验证

《Agriculture》：Design and Experimental Validation of a DT-FPID-Based Local Canopy CO2 Enrichment Control System in a Chinese Solar Greenhouse

　　

二氧化碳（CO2）富集是提高保护地栽培作物生产力的重要手段。然而，中国日光温室局部冠层CO2浓度受气体释放、管道输送与通风扰动共同影响，使得固定参数比例–积分–微分（PID）控制无法同时实现快速跟踪、低超调与快速抗扰恢复。研究人员开发了一套CO2富集系统，包括碳酸氢铵可控热分解、冷凝与水洗、近冠层输送及基于可编程逻辑控制器（PLC）的闭环控制，并提出动态目标模糊PID（DT-FPID）策略。通过阶跃响应测试建立加热器占空比与局部冠层CO2浓度的一阶加纯滞后（FOPDT）模型，在中国日光温室局部验证区进行固定目标跟踪、基于规则的动态目标执行与短期通风扰动恢复测试。仿真中，相较固定参数PID，DT-FPID最大超调降低约68–79%，±20 ppm精度稳定时间（T20）缩短约35–70%；600 ppm下±5%稳定时间缩短约71%，800与1000 ppm下与PID相近。温室实验中各控制器–目标组合含3次独立重复，基于组均值描述性比较，DT-FPID平均最大超调降低约47–49%，平均稳定时间缩短约36–40%，平均通风扰动恢复时间缩短约77–80%，且优于常规模糊PID。三次动态目标田间运行均完成600、800、1000 ppm间规定切换。结果仅支持本研究短期局部验证条件下的控制性能，不用于确定生理或经济最优CO2浓度，也不外推全温室均匀性与长期生产效应。

研究背景方面，中国新疆南部日光温室采用黄沙基质栽培可减少耕地依赖，但冠层光合持续消耗CO₂且结构渗漏与通风加剧亏缺，固定参数PID因过程惯性、死区、工作点漂移与饱和难以兼顾快速性与低超调。研究人员在阿拉尔市第六团100 m×10 m×6.0 m日光温室五叶期番茄黄沙基质局部6 m×3 m验证区，构建以碳酸氢铵热分解为气源、含冷凝水洗除尘、近冠层打孔支管输送、PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）5 s采样闭环、安全联锁（反应器温度76/80 °C报警停机、管路压力3.0/4.5 kPa阈值、机械泄压5.5 kPa）的CO₂富集装置；以加热器占空比为操纵变量、P2点（冠层上方0.25 m）NDIR（non-dispersive infrared，非分散红外）传感器校正浓度为反馈，提出在常规模糊PID上增加基于PAR（photosynthetically active radiation，光合有效辐射）、气温、通风状态与控制等级的规则化动态目标生成器，以及比例软死区、大误差积分衰减、过零积分释放与单步输出变化率限制（≤30%）的约束执行层，形成DT-FPID（dynamic-target fuzzy PID，动态目标模糊PID）。论文发表于《Agriculture》。

关键技术方法上，研究人员以阶跃响应结合对数参数化与fminsearch辨识加热器占空比至P2浓度的FOPDT（first-order-plus-dead-time，一阶加纯滞后）标称模型（K≈10.12 ppm·%^?1，T≈19.6 min，L≈1.05 min），在MATLAB统一离散仿真中比较PID、常规模糊PID与DT-FPID，并对DT-FPID做单机制剔除消融；田间以27次固定目标（600/800/1000 ppm×3控制器×3重复）、27次通风扰动恢复（轴流风机1.7 m³·min^?1扰10–13 min）与3次动态目标运行构成57次正式评价，以最大超调、±5%与±20 ppm（T₂₀）稳定时间、ITAE（integral of time-weighted absolute error，时间乘绝对误差积分）、恢复时间与动态IAE为指标，仅做描述性组均值比较。

研究结果部分，3.1节CO₂富集系统表征与控制仿真中，传感器校正R² 0.99757–0.99876，40–100%占空比下scrubber表观脱NH₃ 89.6–94.7%，P2处亚ppm仅作筛查；FOPDT拟合均值R²=0.99942，留一验证RMSE 7.6–15.2 ppm。仿真显示DT-FPID在600 ppm下±5%稳定时间7.25 min（PID 24.83 min），最大超调降68–79%，T₂₀降35–70%；消融表明过零积分释放对超调与近目标收敛影响最显著。3.2节温室目标跟踪中，基于3次重复组均值，DT-FPID较PID平均最大超调降47–49%、±5%稳定时间降36–40%、ITAE降57–68%，较常规模糊PID分别降29–33%、18–23%、36–42%；1000 ppm稳态误差1.9±1.0 ppm（PID 14.2±6.4 ppm）；P1高于P2约3–3.5%、P3低4.2–4.7%、P4低7.3–8.0%显示局部梯度。3次动态目标田间运行均完成600/800/1000 ppm规定切换，无意外切换，最大目标速率50 ppm·min^?1，最大过渡误差186.2–193.3 ppm。3.3节通风扰动恢复中，DT-FPID较PID平均最大恢复偏差降37–41%、恢复时间降77–80%、ITAE降73–75%，伴随总输出变化增9.1–30.2%但平均占空比反低3.4–4.9%。

讨论部分指出，DT-FPID优势集中于超低超调与近目标收敛，800/1000 ppm下±5%稳定时间未全面优于PID；FOPDT仅捕主导惯性死区，田间作物吸收、渗漏与混合未被全纳；动态目标仅为预定义阈值规则而非在线学习或生理经济寻优；P2仅代表局部中心不能外推全室均匀性，未测光合与产量故不推农艺增益；NH₃亚ppm读数为短期筛查非长期安全结论；6 m×3 m验证面积不足以支撑商用放大与成本回收推断。

结论部分翻译为：（1）研究人员开发了集成碳酸氢铵可控热分解、冷凝水洗、近冠层输送、PLC反馈与安全联锁的局部冠层CO₂富集系统，加热器占空比连续调节产气，短期测试scrubber脱NH₃ 89.6–94.7%，P2亚ppm仅作筛查，阶跃辨识FOPDT逼近加热器至局部冠层CO₂主导动态，供控制器比较公用。（2）仿真与温室均表明DT-FPID主要改善最大超调与近目标收敛；仿真超调降68–79%、T₂₀降35–70%，600 ppm下±5%稳定时间降约71%，800/1000 ppm与PID相近；温室3重复组均值较PID超调降47–49%、稳定时间降36–40%、通风恢复时间降77–80%，且优于常规模糊PID；消融示过零积分释放对超调近目标收敛影响最著，单步输出限率主要抑制执行器突跳。（3）三次动态目标田间运行在同预设情景结构下依实测环境完成600/800/1000 ppm规定切换无意外动作，600/800/1000 ppm为工程分级目标，结果仅支持短期局部冠层验证，不推广泛自然工况鲁棒性、番茄生理经济最优CO₂、全室均匀性或长期生产效应。