第四章 环境调节设备

　　第七节 人工光源设备

　　温室光源用于两个目的：一为照明，二为人工补光。人工补光是温室高产栽培的一项重要技术措施，采用人工补光的主要目的是弥补一定条件下温室光照的不足，以便有效地维持温室作物的正常生长发育，提高作物的产量与品质。

　　对于人工补光的基本要求是，光源的光谱特性与植物产生生物效应的光谱灵敏度尽量吻合，以便最大限度利用光源的辐射能量；光源所具有的辐射通量使作物能得到足够的辐照度。此外，还要求光源设备经济耐用，使用方便。

　　目前，温室常用的人工光源均为电光源，习惯上称这些电光源为电灯，其具体名称以各光源发光原理而命名，如白炽灯、碘钨灯、萤光灯、高压气体放电灯等。

　　白炽灯性能特点 白炽灯的光谱是连续光谱，能量主要是红外线辐射（占总能量的80~90%），生理辐射只占总辐射能的10~20%，其中主要是橙红光，蓝紫光很少，几乎无紫外线。

　　萤光灯性能特点 萤光灯发光光谱主要集中在可见光区域，其成份一般为蓝紫光16.1％、黄绿光39.3%、红橙光44.6%。萤光灯光谱可通过改变萤光粉成份，以获得所需要的光谱，如用于育苗的萤光灯，需加强蓝色和红色部分。

　　萤光灯发光效率高，约为白炽灯的4倍，达51~84％。使用寿命长达3000小时以上，且价格便宜。是目前使用最普遍的一种光源。

　　萤光灯的缺点是功率小，功率因数低(0.5左右)，附件多，故障率相对较高。

　　碘钨灯性能特点功率大，发光效率高，为20～30流明/瓦，构造简单，使用可靠，体积小，装修方便，故障少，寿命长。为温室常用光源之一。

　　高压气体放电灯

　　气体放电是指电流通过气体时的放电现象。利用气体放电发光的原理制成的灯就叫气体放电灯。由于所用气体不同，气体放电灯的种类较多，主要有水银灯(汞灯)、钠灯、氙灯、金属卤化物灯，生物效应灯等，它们的辐射光谱都是线状的。

　　(一)光源的选用

　　光源的选用，应本着以下两个原则进行：1)补光的目的；2)光源的性能价格比。

　　补光的目的通常有两个，一是以抑制或促进作物花芽分化、调节开花时期，即以满足作物光用周期的需要为目的，这种补光一般要求有红光，但光照度比较低，只要有几十勒克斯的光照度就可满足需要，多用白炽灯。二是以促进作物光合作用，促进作物生长，补充自然光照不足为目的。这种补光对光源的要求是，补光照度应高于植物的光补偿点，一般在3000勒克斯以上；光照度具有一定的可调性；光线中富含红光和蓝光；有一定的光谱成分；最好是近似于太阳光的连续光谱。这种补光多使用高压气体放电灯或萤光灯。另外，作物种类和品种的不同，对光照度的要求及对光谱特性的要求也不相同。因此，选取光源时应充分考虑作物的种类及不同生长期对光照的需要。

　　第八节 现代园艺设施环境自动控制

　　(一)自动控制的基本概念

　　所谓控制，简单地说，就是为了实现某种目的、愿望和要求，对所研究的对象进行的必要的操作。控制分为人工控制和自动控制。利用人工操作的通称为人工控制。利用控制装置，自动地、有目的地操作(纵)和控制某一(些)设备或某一(些)过程，从而实现某一(些)功能或状态就称为自动控制。用自动控制的生产过程系统，称生产过程的自动化系统，简称自动控制系统。自动控制系统就其控制的对象或者控制的具体过程而言，种类繁多，通常按如下几点分类：

　　1．按所控制的变量的性质分：

　　(1)断续控制系统

　　(2)连续控制系统

　　2．按控制系统有无反馈分：

　　所谓反馈是指将系统的输出信号或该系统中某个环境的输出信号，返送回该系统的输入端，再与输入信号一同作用于该系统本身的过程。可区分为开环和闭环控制系统。

　　(1)开环控制系统：没有反馈的控制系统称为开环控制系统。

　　(2)闭环控制系统：具有反馈的控制系统称为闭环控制系统。

　　3．按控制系统输出变化规律分：

　　(1)自动调节系统：在这种系统中，当输入为常值，或为随时间缓慢变化值时，能保证在干扰下也能使输出自动保持恒定的予期值。自然，这种系统是属于连续闭环控制系统范畴。(2)伺服系统：又称随动系统或跟踪系统，也属于闭环控制系统。在这种系统中，输入在广泛范围内随时间而变化，能保证输出以一定精度跟随着输入的变化而变化。

　　(3)程序控制系统：在这种系统中，输入是按事先确定的程序变化的，其变化规律是已知的时间函数，系统能保证输出准确地自动按事先确定的规律变化。这种控制系统可以是开环的，也可以是闭环的。

　　(二)自动调节系统的组成

　　自动调节系统是由起调节作用的全套自动化仪表(器)装置(调节装置)和被调节与控制的设备(或各种参数，即调节对象)构成。如温室内的感温元(器)件、调节器、各种控制件(如阀门)、散热器、温室围护结构组合在一起就是一个自动调节系统。

　　自动调节装置仅管多种多样，但均必须由传感器，调节器和执行器三大部分构成。传感器好比人的眼、耳，是由具有一定物理特性的敏感元件，如热敏电阻，湿敏电阻及相应的测量变换电路等组成，它能够检测各种非电的环境参数，并转换成某一单一函数的特定信号(电量、气压或机械位移等)，送至调节器。当敏感元件发出的信号与调节器所要求的信号不相符合时，尚需通过“变送器”将信号进行相应的变换。变送器通常由电路或气路构成。

　　调节器好比人的大脑，是调节装置的核心部件。它将传感器送来的信号值与要求的值相比，检出偏差，再按照已经确定的运算规律算出结果，并将结果用特定的信号(电量、电气接点的通、断、气压等)送给执行器，实现予定的控制和调节。

　　执行器好比人的手脚，它是一些动力部件(电动、气动、液动等)，它接收调节器发送来的特定信号，去改变调节机构(如电磁阀门、窗扇等)的位移，自动地维持某一参数恒定。

　　(三)自动调节的基本规律及对调节过程的影响。

　　所谓调节规律是就指调节器的输出信号与输入信号之间的关系随时间而变化的规律。

　　1．双位调节

　　双位调节是调节器只有全开和全关两个固定位置的调节动作。

　　双位调节系统在农业环境工程中应用极为普遍。一般凡是有上、下限触点的检测装置，如带电气触点的温度计，土壤水分张力计，双金属片式温度计等都可以做成双位调节式。

　　2．比例调节(P调节)

　　3．积分调节(I调节)

　　积分调节器在实用中通常有两种方式，即恒速积分和比例速度积分。

　　4．比例积分调节(PI调节)

　　人们常将比例动作和积分动作两者结合起来组成比例积分调节。

　　二、园艺设施自动控制的功能和对自动控制系统的基本要求

　　(一)自动系统的功能应包括如下几个方面：

　　1．保温控制2．换气检制3．加温控制4．遮光控制5．CO₂施用控制6．降温控制7．警报系统控制8．记录、显示和打印功能

　　(二)对温室自动控制系统的基本要求：

　　1．可靠性

　　由于温室内的高温和高湿和存在腐蚀性气体，所以控制装置是处于一个十分不利的环境下长期工作，因此要求配套的设施和器材有高的可靠性。

　　2．适应性

　　现代的自动化温室造价都很高，因此，不能单生产某一种作物品种。要能根据作物品种不同和在各个不同的生长发育阶段对环境的要求，灵活方便地调整各被控环境因子，以满足作物生长发育的需求，获得高产和优质的成果。

　　3．调控精度

　　我们知道，在温室生产中影响生物体生长发育的环境因素如光照、温度、湿度、CO₂浓度等，对不同生物和同一生物在不同的生长发育阶段都有较严格的范围，因此，为了保证生物体优质和高产、稳产，控制系统的精确度是至关重要的。

　　4．具有完善的软件系统

　　三、温室环境控制中常用的自动控制装置

　　温室环境自动控制(调节)系统中应包括传感器(敏感元件)、执行器件和调节器三大部分，它们按一定的方式相互联结组合成一体，完成某一项或综合的自动调节功能。

　　(一)传感器

　　传感器是借助于敏感元件接收一种物理信息，按照一定的函数关系将该信息转换为各种不同电量输出的器械。主要有

　　1．光照和光辐射传感器

　　2．温度传感器

　　3．空气湿度和土壤湿度传感器

　　4．CO₂气体浓度检测传感器

　　(二)执行器

　　执行器是一些动力部件，它处于被调对象之前，接受调节器来的特定信号，改变调节机构的状态或位移，使送入温室的物质和能量流发生变化，从而实现对温室环境因子的调节和控制。

　　在温室自动监控系统中，执行器主要用来控制冷(热)水流量，蒸汽流量，制冷工质流量、送风量，电加热器的功率，天窗开度，工作时间等。

　　(三)调节器

　　调节器是自动调节系统的核心部件，它根据被调对象的工作状况，适时的改变着调节规律，保证对象的工作参数在一定的范围内变化。

　　1．调节器的类型：

　　调节器按控制能源的形式有直接作用式(不需要外加能源，也称作自力式调节器)、电动式(也称作电气式)、电子式、气动式以及计算机型。

　　调节器按输出给执行机构的信号不同分为二位式控制的调节器和连续控制的调节器。前者是通过电气触点的通断转换来实现调节的，它又分为双位调节、三位调节、时间比例(双位或三位比例微分)调节和双位比例积分微分调节。后者是调节器给执行机构送去的是连续的调节信号，实现连续平滑的调控。

　　2．直接作用式调节器

　　直接作用式调节器是指不需外加其它动力和能源而自己动作，实现对某一参数调控的调节器。通常其敏感元件、执行机构(器)和调节机构是组成一体的。

　　3．电气式调节器

　　电气式调节器是通过敏感元件把各被调参数的变化转变为机械位移，直接使各种电气触点开闭或借助电位器变成相应的电信号输出，使执行机构动作，完成相应的调节。

　　4．电子式调节器

　　电子式调节器是通过敏感元件把被调参数，如温度、湿度、光照、CO₂浓度等的变化转换为相应的电参数(如电阻，电压等)的变化，然后通过检测，放大等电子电路，最后去推动执行机构，由执行机构操纵调节机构，完成预定的调节目的。

　　5、以微型计算机（简称微机）为核心的调节器

　　随着微型计算机的广泛应用，在农业生物环境自动调控系统中已逐步越来越多的采用微型计算机做成智能调节器，构成微机调控系统。在这种系统中，传感检测环节相当于人的“耳目”，执行机构则为行动的“手脚”，计算机则好比人的“头脑”，由“耳目”和“头脑”组成一个智能调节器。

　　四、设施环境自动调控系统

　　四段变温是将一昼夜分成上午、下午、前半夜、后半夜四个时间带，白天以促进光合作用为目标，晴天设置较高气温；前半夜气温略降，以促进体内物质运转；后半夜气温继续降低，以便抑制呼吸作用，但要保证作物生长发育不受阻。五段变温管理是在四段的基础上，增加早晨加温带，以促进光合作用。所谓“差温”定义为白天温度减夜间温度的代数差，即“差温”=昼温—夜温。实践证明，差温的变化对植物高度起显著矮化作用，即差温影响节间长度，但不影响节间数目的多少和叶片数的多少，因此，控制差温成为温室管理实践中控制株高的有效手段。

　　1．四段变温双位自动调控系统

　　四段变温是把一昼夜分为上午、下午、前半夜和后半夜四个时段，分别按照各时段不同作物在不同生长发育期内的适温标准设置给定温度，通过一个24小时为周期的定时器（P_s）自动转换，分时段向调节器输入给定温度信号。而双位调节是指执行机构只有0%和100%（全关和全开）两个稳定位置。

　　2．湿帘排风自动控制系统

　　在炎热的夏季，为了降低温室的气温，可采用加湿降温法，其作用一是降低由室外流入室内的空气温度，二是降低进入温室内的太阳辐射能所产生温度。其原理是由于水分的蒸发要消耗热能，从而会使室温降低。加湿降温的具体方法在生产中应用最多的是湿帘排（通）风法。

　　湿帘排风降温系统由湿帘、给水和通风三大部分组成。

　　（三）温室灌溉自动调控系统

　　温室灌溉系统自动控制范围主要是灌溉用水的加温和精确、定时、定量、高效地自动补充土壤水分。