营养液自适应控制机制研究

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1、中国科学技术大学 硕士学位论文 营养液自适应控制机制研究 姓名：何海东 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：陈锋 2011-05-08 摘 要 I 摘摘 要要 无土栽培是通过人工创造的根系环境取代土壤环境来进行农作物栽培的农 业生产方式， 是现代农业的重要发展方向。 无土栽培技术目前已经在欧洲、 北美、 日本、以色列等发达国家和地区得到广泛的应用，并展现了极大的优越性和巨大 的发展前景。无土栽培技术对提高农业产能、缓解耕地资源短缺等问题具有重要 作用，对经济和社会的发展具有重要意义。 在无土栽培技术中，作物生长环境控制是提高生产效率、降低生产成本的重 要手段，而其中营养液的

2、优化控制是作物生产环境的优化所面临的关键问题。营 养液优化控制的理想结果是实现对营养液组分的控制， 从而实现对作物生长的最 优化控制。而目前国内外对于营养液的优化控制主要基于对 EC、pH 值的调控， 难以实现对营养液组分的有效控制。 且由于作物生长与营养液组分之间关系极为 复杂，难以通过建模的方法进行最优化控制。针对上述问题，本文提出了一种基 于 Q-学习的无土栽培营养液优化控制方案，并根据方案设计了一种营养液自适 应循环控制系统。 本文的主要内容包括： 1. 基于 Q-学习的营养液控制算法研究 该部分为本文的核心。主要工作为：定义了状态和动作表示，以作物的光合 速率为指标对作物生长状态进行

3、评估，在此基础上提出了基于 Q-学习的复杂营 养液的控制算法 2. 营养液自适应控制系统硬件设计 硬件系统利用对营养液成分及作物生长状况的在线监测结果进行营养液的 控制。本文实现了硬件系统的硬件系统结构设计、电气设备驱动电路设计等。 另外，本文还对所设计系统的控制性能进行了实验。实验表明，与传统的基 于 EC、pH 值控制的方案相比，本文所提出的方案的控制效果更为有效。 关键词关键词：无土栽培 营养液 最优化控制 Q-学习 ABSTRACT II ABSTRACT Soilless Cultivation, as an important development direction of mo

4、dern agriculture, is an agricultural mode that utilizes man-made root environment to substitute the soil environment. It has been widely applied in developed countries and regions such as Europe, America, Japan, and Israel, and demonstrates superior advantages and great potential. Soilless Cultivati

5、on could be an essential technique to raise the agricultural productivity and alleviate the problems such as land shortage, and would play a significant role for the economic proposing a nutrients control algorithm based on Q-Learning. 2. Hardware design of self-adaptive control system of nutrient s

6、olution Hardware makes use of the monitoring result about vegetable growth status and nutrient compositions to carry out the control decision. The hardware design work includes hardware structure design, electrical device drive circuit and so on. In addition, we conduct experiments to test the perfo

7、rmance of this control system. Experimental results show that the proposed method is more efficient than the method based on the control of EC and pH. Key Words: soilless cultivation, nutrient solution, optimal control, Q-Learning 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外

8、，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名

9、：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第 1 章 绪论 1 第第1章 章 绪论绪论 1.1 研究背景 1.1.1 无土栽培技术简介 无土栽培（Soilless Culture, Hydroponics, Solution culture）又称为水培法，或 营养液栽培， 是指不用天然土壤， 用营养液或者加有养分溶液的基质 （如珍珠岩、 蛭石、无毒泡沫塑料等）作为作物生长介质的栽培方法（刘佳，2008） 。 无土栽培的起源至少可以追溯到 17 世纪， 1666 年， 英国化学家 Robert Boyle 在“只有水的瓶子”里种植作物，其中一种叫留香兰（Spearmint）存活了 9 个月 （筵丽萍，2

10、002） 。而直到 19 世纪中叶，德国化学家 Liebig，Knob，Sachs 才发 起了系统的作物营养液栽培研究。1929 年，美国科学家 Gericke 第一次把无土栽 培用于实际生产，并获得了成功；1935 年在他的指导下美国一些蔬菜和花卉种 植者进行了大规模的生产试验。第二次世界大战末期，盟军在关岛和中东的沙漠 中利用无土栽培生产蔬菜供应部队， 对军队的后勤保障起到了积极作用 （郭世荣， 2003） 。 20 世纪 60 年代，无土栽培主要是固体基质探索时期。70 年代末，岩棉基质 栽培取得成功，由于其价格低廉、体轻、耐用等特点，在丹麦、荷兰、瑞典等国 迅速发展起来。 20 世纪

11、70 年代， 英国科学家 Cooper 发明的营养液膜技术 （NFT） 及丹麦首先开发并在荷兰普及的岩棉栽培技术（RW）的应用，使无土栽培突破 了应用瓶颈（田吉林 等，2000） ，意味着无土栽培高科技时代的到来。 20 世纪 80 年代开始，由于无土栽培设施设备的开发应用和无土栽培技术的 逐渐成熟，无土栽培在一些发达国家得到了广泛的应用。而土地狭小、技术较为 先进的欧盟、日本等国家和地区的发展尤为迅速。1986 年，荷兰的无土栽培作 物种植面积已经达到了 3500 公顷。2000 年，栽培面积已经达到 1 万公顷。欧盟 规定，至 2010 年，其成员国的所有温室都将采用无土栽培。日本的无土栽

12、培始 于二战以后， 美军在日本建立的蔬菜无土栽培基地促进了日本日后无土栽培技术 的发展（张英 等，2008） 。2005 年，日本的无土栽培面积已经超过 1600 公顷。 除了种植面积的迅速增加外，日本也开展了卓有成效的研究工作。在营养液配方 研究方面，山崎提出了作物吸水和吸肥按比例同步进行的概念，并以此为依据设 计了一系列的山崎营养液配方；由堀氏对霍格兰和阿农配方修正设计出一系列 “园试配方”至今在世界广泛应用（赵淑梅 等，2007） 。美国是最先推广无土栽 第 1 章 绪论 2 培商用的国家，也是无土栽培技术比较先进的国家之一。虽然目前美国无土栽培 面积不是很大， 但是技术非常先进， 主要

13、应用在干旱、 沙漠地区及宇航中心。 1984 年， 美国无土栽培番茄产量达到 2733kg/m2（1.82.2 万 kg/亩） 、 黄瓜产量 27 45kg/m2（1.83 万 kg/亩） 、莴苣产量 3350kg/m2（2.23.3 万 kg/亩） （郭世荣， 2003） 。 中国无土栽培在生产上应用始于 1941 年，由浙江农业大学教授陈子元院士 牵头在上海进行，后来由于成本问题而放弃（蒋卫杰，2008） 。20 世纪 70 年代 末，山东农业大学的无土栽培生产技术试验成功，并开始应用。80 年代中期， 进口的温室及无土栽培设施相继投入使用， 并极大地推动了国内无土栽培技术的 发展，无土栽

14、培在农业上得到了快速的应用。据不完全统计，1985 年全国无土 栽培的面积只有 0.1 公顷，1995 年发展到 50 公顷。到 2000 年，无土栽培面积已 经增加到 315 公顷（蒋卫杰 等，2001） 。 无土栽培技术的发展，使得人类对农作物生产的全面控制能力大大增强，并 使农业能够很大程度上摆脱了自然环境的限制。同时，计算机技术、生物工程技 术等新兴技术在无土栽培中的应用， 使农业生产朝着高科技、 工厂化的方向发展。 这将大大地提高农业生产力，提高农产品的产量和质量。因此，在当今形势下， 无土栽培农业具有很好的发展前景。 1.1.2 无土栽培技术的优势 和传统农业的生产方式相比，无土栽

15、培方式的主要优势有以下几点： 1. 克服了土地条件限制 无土栽培改变了作物生长对土地条件的高度依赖，在不宜耕种的地方如沙 石，不毛之地，甚至宇宙飞船上都可以栽培作物。这不仅可以创造经济效益，还 可以净化空气、节约用水、保护环境。在我国一些特殊环境地区，如胜利油田废 弃场地、 山东寿光市盐碱地上， 利用无土栽培技术生产高产优质蔬菜已获得成功。 2. 节省水肥 营养液栽培的水肥供应一般采用管道灌溉系统，可以根据作物品种、作物不 同生长期的需求进行定点、局部化、有针对性的水肥供应。并容易实现营养液的 循环利用，可明显减少水肥的浪费。试验证明，在合理操作下，无土栽培生产方 式可比土壤栽培节水 37 倍

16、，肥料利用率提高 20%30%。 3. 减少病虫害 土壤传播是作物病虫害重要的传播方式， 无土栽培除了切断了一个较重要的 病虫害传播渠道外，且由于人为改善了根系生长环境，可以促使植株生长健壮， 并增强自身的抗病能力。同时，无土栽培基质和营养液的消毒同土壤消毒相比更 第 1 章 绪论 3 为经济、方便、有效。 4. 优质高产 无土栽培具有专门、精细的水肥供给系统，能为蔬菜作物提供充足、适宜、 全面的营养，并易于通过人工控制达到适于作物生长的光、温、气等环境条件。 因而能够更好地协调植株的地上与地下、营养生长与生殖生长等的关系，容易发 挥作物高产的潜能。 无土栽培技术较成熟的国家和地区， 农作物单位面积产量可比土壤栽培提高 0.4-20 倍（因作物而异，一般在 2-4 倍之间） （李海燕 等，2008） 。例如，一般 农田种植的西红柿亩产约 800-1200 公斤， 而水培法亩产可达 3