热平衡模型的果园防霜机关键参数优化与智能控制策略

1 陈安超 、 2 吕翊恺、 1 吕跟来、 1 韩云、 1 韩新鹏

摘要：霜冻是发生较普遍的一种自然灾害，多发生在早春或晚秋，常常给农业生产造成巨大损失。该文总结了霜冻的发生类型与危害，并对其预防方法进行了归纳，以期为降低霜冻危害提供参考。

关键词：热平衡模型；果园霜冻；成因预防

目前，国内外关于防霜机控制方式的研究较少，通过分析发现，国外现有防霜机普遍存在自动化控制程度不高的问题，并且自动化控制方法的改进及优化少有涉及，实际应用中，对防霜机一般只进行简易温度控制（Huetal.，2018）。对于防霜控制方式的研究，由于防霜保护对象不同、所处野外环境复杂，防霜机的控制参数会发生变化，主要控制量是与防霜作用有关的性能参数，防霜控制方式方法研究主要体现在以下几点。

1、研究内容与方法

1.1研究内容

（1）苹果霜冻特性分析与观测模型建立

以泰山早霞苹果为研究对象，通过霜冻模拟实验分析其霜冻特性，确定苹果花苞期和盛花期的过冷却点；通过霜冻期果园温度时空分布监测和果园环境数据监测系统，分析果树冠层温度的影响因素（日间温度、湿度和风速等），利用多元回归方法建立果树冠层最低温度观测模型，为后续研究提供试验数据和理论基础。

（2）热平衡模型建立与防霜机关键参数优化

分析防霜过程中的热量传递方式和温度分布，将果园简化为控制箱体，根据能量守恒定律，建立防霜机热平衡模型；通过响应面法分析防霜机关键参数（风机安装高度、风机安装俯角和风机出口风速）对其性能的影响程度，构建果园冠层温度增幅预测模型，以温度增幅最大为优化目标，通过CFD仿真，得到防霜机关键参数的最优组合。

（3）防霜机结构设计与防霜面积计算

根据防霜机关键参数最优值，结合泰安地区果园霜冻期气候变化，设计并试制一台塔式果园防霜机；通过计算确定风机电机功率，安装高度，风叶直径以及风量等；利用ANSYS软件分析送风装置和塔架的应力、变形量与模态；为增大防霜面积，采用360°回转送风系统，根据实测点风速，通过构造三次样条函数，分析不同距离不同转速下的果树冠层任一点风速分布特性，进而计算防霜面积。

1.2研究方法

通过理论分析、样机研制、试验测试等手段，设计开发果园防霜机及其自动控制系统。研究方法主要分为以下几点：

（1）通过分析国内外各种防霜机的结构和性能，确定影响防霜机性能的关键参数；通过CFD仿真和响应面法融合得到关键参数（风机安装高度、风机安装俯角和送风速度）对其性能的影响程度，构建果园冠层温度增幅预测模型，以温度增幅最大为优化目标，得到防霜机关键参数的最优组合。

（2）将果园简化为控制箱体，根据果园热传递过程和能量守恒定律，建立防霜机热平衡模型。

（3）根据关键部件的优化参数组合，对防霜机各部件进行计算并选型，设计防霜机整体结构，并对回转风送系统进行仿真验证。

（4）提出模糊智能控制策略，设计自动控制系统，通过相关的软硬件开发，实现防霜过程自动控制。

2、果树霜冻特性与冠层温度模型

2.1果树霜冻特性试验

2.1.1果树霜冻特性分析

苹果是一种易受霜冻灾害的核果类树种，花期一般从每年3月底或4月初开始。此时发生的晚霜冻严重影响果树生长，温度越低，持续时间越长，受害越严重。霜冻指标通常根据生理指标制定，并受到不同时间、不同品种以及不同地域条件的影响而存在差异性（Millsetal.，2006）。针对泰安地区果树霜冻情况而言，需要考虑果园种植品种在当地气候条件下的霜冻低温耐受性变化、果树自身抗冻性及低温持续时间对霜冻等级影响程度等因素。关于果树霜冻指标的研究已取得一定进展，王景红等和李红英等在人工霜箱内对苹果枝条样本进行降温过冷却处理，得到花朵子房组织温度随时间的变化曲线，并确定其过冷却点和结冰点。

2.1.2材料与方法

（1）试验材料

试验于2016年3-4月进行，地点位于山东农业大学园艺试验站苹果园，种植品种为泰山早霞，属于早熟苹果，3月中下旬萌芽，4月中旬开花，树体采用自由纺锤形整枝，树高3~3.5m，果园面积约5000m2，长度×宽度为100m×50m，行距×株距为5m×3m。该果园位于山东省泰安市，地处平原地带，区域光照时间充足，温度适中，无霜期约195d，多年平均降水量约680mm。在初花期和盛花期，选取树龄和树势相似的果树，随机抽取大小粗细相似的开花枝条作为一组样品，将其带回实验室水培，共重复3次进行。

（2）试验方法

对于过冷却点和结冰点的试验处理，利用程序控制冰箱模拟自然界霜夜降温过程，以2°C/h的速度降温，当温度降到-5°C时，停止降温，并以3°C/h温升速度回升温度到5°C以上。随机选取5朵苹果花，分别与5个温度记录仪的探头固定，紧贴花瓣表面，记录该枝条上花器官组织表面温度变化，设置采样间隔为10s。取出温度记录仪，通过分析温度随时间的变化，可以得到过冷却点和结冰点。在花苞期和盛花期分别进行上述试验，可得到苹果花不同发育期的对比数据。对于不同低温强度和低温持续时间的试验处理，根据所测的过冷却点，确定-1°C、-2°C、-3°C、-4°C和-5°C作为5个温度处理。对每个低温处理分为6个持续时间，分别为1h、2h、3h、4h、5h和6h，共30个处理，建立不同低温强度和不同持续时间的处理组合。以苹果盛花期花瓣作为试验样品，每个处理试验结束后取出的样品，经过自然升温，水培12h后取出观察，统计受冻率，与健康花器官组织相比，花瓣出现褐变、脱水或发黑均视为该花受冻。在每个低温强度下完成全部持续时间的试验后，计为一组试验，每个低温强度试验重复3组进行，以保证样本的可靠性。

2.2果树冠层温度模型建立

由于苹果受冻率受到霜冻低温变化的影响，差异很大，因此有必要对低温强度进行量化；但苹果花器官的过冷却温度在果园中不易测量，通过监测果园的气象环境数据，以果树冠层中心高度处的空气最低温度进行代替，确定果园环境因子与其相关性，为下一步的防霜控制策略提供依据。柴芊等利用近40年的气温和苹果部分物候监测资料，得到物理意义明确的苹果花期冻害指数计算模型，并进行独立样本预测试验，实际使用后效果尚好。

2.3基于响应面的防霜机关键参数优化

防霜机性能受与防霜作用有关的参数影响，主要包括送风速度、风机安装俯角和风机安装高度（简称风速、俯角和高度）等。高度是从风机出口中心至地面的垂直距离。防霜机对逆温层高低处的空气进行扰动，强制冷暖空气混合，提高果树冠层空气温度。为达到较为理想的防霜效果，选择风机安装高度时，应考虑果园的逆温层高度，不同高度的逆温差也不一样；此外，不同的防霜作用对象，也是需要考虑的因素。日本用于茶园的高架防霜风扇，安装高度一般在5~7m，美国用于果园的塔式风机，安装高度在10m左右。俯角是风机出风口轴线与水平面的夹角。同一高度不同俯角下，送风距离不同，一般随着俯角的增大，防霜机送风的距离逐渐减小，防霜机保护盲区逐渐减小，总覆盖面积逐渐减小。

3、结论

经过试制与调试，样机安装在山东农业大学园艺试验站苹果园，在霜期对其防霜效果进行试验。首先以温度>0°C或增温幅度>1°C，风速>0.6m/s作为边界条件，进行防霜性能试验，结果表明，防霜机在360°回转送风时，保护面积约7150m2；其次在两个逆温环境相似的霜冻夜，分别对模糊控制模式和传统控制模式进行防霜效果对比试验，在应用模糊控制的工作区内，测点温度短时间内提升更快，当临界启动温度为-0.5°C时，在第一个试验周期内，采用模糊控制模式的平均增温幅度为0.8°C，采用传统控制模式的平均增温幅度为0.5°C，相对提高60%，在最后一个试验周期内，采用模糊控制模式的平均增温幅度为2.1°C，采用传统控制模式的平均增温幅度为1.65°C，相对提高27.2%；最后对两种控制模式下的花芽受冻率进行对比试验，结果表明，在工作区内应用模糊控制模式的苹果花芽最大受冻率≤12%，与传统控制模式相比，相对降低53.8%，与对比区内最大受冻率相比，相对降低86%，防霜效果良好。

参考文献：

[1]尹宪志，王研峰，丁瑞津，等.大面积果园高架长叶片防霜机的效果试验[J].农业工程学报，2014（15）

[2]汪晓谦，杜国栋，李玲，等.秋子梨园风扇防晚霜冻效果研究[J]，中国果树，2017（2）

[3]胡永光，李萍萍，戴青玲，等，茶园高架风扇防霜系统设计与试验[J].农业机械学报，2017（12）

[4]蔡彦宏.防霜机预防苹果园霜冻效果[J].防灾减灾，2016（3）

[5]郑平生.苹果园防霜机预防霜冻效果试验[J].中国果树，2017（2）

本文为2021年山东省大学生创新创业训练计划创新训练项目(丘陵果园烟雾防霜机的研制与试验)(项目编号S202112843043)成果 ）