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1、林木温室育苗的自动化作业系统的构建引言在大型林木种苗的培育系统中，环境参数( 如室内温度、湿度、光照强度以及 CO2含量等) 都需要进行实时监控，这就要求温室控制系统具有自动化、网络化和便于操作等优点。传统的温室控制系统一般采用 RS485 总线系列，成本高，传输距离有限。WLAN是一种新型的无线传输系统，其具有高速、高效、经济、覆盖范围广、经济性比较强等优点。本文将无线通信技术运用到林木温室的自动化作业平台中，并结合数值仿真模拟技术成功地实现了温室内 CO2的自动化调节过程，得到了温室环境的温度、湿度、CO2含量等分布情况，实现了温室育苗的自动化作业。1 林木温室机械自动化作业平台概述随着机
2、械数控技术的发展，通过 PLC 编程控制可以实现很多自动化作业，如林木育苗过程的自动化。无线通信技术是当前应用得比较多的自动化控制技术，通过它可以将检测信号直接传输到控制中心，由控制中心发出控制指令对电机机械操作，从而实现各种自动化作业过程，如图 1 所示。图 1 中，无线控制作业过程主要是通过无线传输WLAN 和自动化控制设备来完成的，无线控制作业的输出设备为机械手。具体操作流程如图 2 所示。工作时，通过无线检测技术对温室的林木生长环境进行无线检测，将无线检测得到的信号加入到数值模拟的边界条件中进行仿真计算，得到温室的环境参数分布情况; 对温室参数分布情况进行分析，对计算机自动控制发出指令
3、，操作机械手实现温室育苗过程的自动化作业。2 温室育苗机械自动化控制数学模型研究在温室林木育苗过程中，需要采用机械自动化的方式对温室的温度、湿度以及 CO2量进行控制。在自动化实现过程中，首先要进行信息的采集，本文主要运用无线通信技术对环境参数进行检测。在信息采集完毕之后，自动化控制过程主要采用的是机械导轨和机械手装置，通过导轨滑动实现空间自动化，通过机械手实现环境参数的调控。机械自动化装置示意图如图 3 所示。根据图 3 可以得到装置的驱动力为其中，θ 表示手指的角度; φ 表示旋转方位角。装置的实际驱动力为由于传动过程中有损耗，所以将机械传动效率确定为 0 94，而 K
4、 的取值可表示为机械装置的设计主要是活塞运动的设计，其中需要施加的活塞力可以表示为其中，F1表示活塞杆推力; F2表示反作用于弹簧的力; F3表示气缸的总的阻力; P 表示气缸的总压力。反作用于弹簧的力可以用下列公式计算，即其中，x 表示活塞行程，Gf表示弹簧的刚度。其中，d2表示弹簧直径; D2表示弹簧平均直径; i表示弹簧的圈数; G 表示弹簧的弹性模量。考虑机械效率的影响，则3 林木温室育苗自动化控制数值模拟研究本文以实际温室林木育苗过程为研究对象，对林木温室育苗的自动化进行了数值模拟和实验研究。图 4 为林木温室育苗实际模型图。本文选用松木等生长适应性比较强的林木作为研究对象，将林木在
5、温室中进行自动化培育，培育过程运用无线检测技术对温室环境进行检测。为了实现温室的自动化控制，以数值模拟的方式进行仿真模拟建模，通过将边界条件输入模型的方式来调控温室内温度、湿度以及 CO2的变化。建立的温室二维模型截面示意图如图 5 所示。为了准确地模拟温室内的环境参数，本文选用结构化四边形网格，并对边界进行加密，网格划分总数为 12 万个。表 1 为通过无线检测技术检测到的温室环境参数结果。由表 1 可以看出，温室的温度、相对湿度以及 CO2的含量随着时间的变化而变化。其中，温度和湿度对于林木育苗的温度比较适合，但是 CO2的浓度不合理。为了对温室育苗 CO2的浓度进行自动化控制，使用 FL
6、UENT 软件对 CO2浓度进行了数值仿真模拟，如图 6 所示。由图 6 可以看出，不同部位 CO2的浓度有所不同，没有均匀分布。为了保证 CO2含量的均匀分布，需要通过导轨对 CO2排放装置进行移动控制，并通过机械手控制 CO2的排量。图 7 为机械手受到的驱动力作用变化图。由图 7可以看出，机械手受到的力成正弦曲线或者余弦曲线变化。通过对驱动力的自动控制，便可以实现林木温室育苗的自动化控制。通过对 CO2排列的自动化控制，最终得到了 CO2随时间变化曲线，如图 8 所示。由图 8 可以看出，在前 50s 内，CO2的含量逐渐减低，不利用林木苗的生成; 通过自动化控制之后，CO2的量随时间逐
7、渐增加，实现了林木的自动育苗过程。4 结语结合数值仿真模拟技术，运用先进的机械自动化技术设计了林木苗的自动化作业平台，通过对温室环境的调节，实现了温室作业的自动控制。首先对林木苗的自动化控制系统进行了概述，分析了系统的构成以及无线通信技术的应用。同时，根据自动化过程中机械手的驱动力和导轨的驱动力设计了自动化作业平台的数学模型，并通过计算得到了驱动力的理论公式。最后，通过对 CO2的自动化调节实现了温室生长环境的自动化控制，并得到了温室环境参数分布以及CO2含量控制曲线，从而为林业技术的研究提供了理论参考。参考文献:1 陈加浪，陈大跃，何科奭，等 单栋塑料大棚在高温低风速下的自然通风数值研究J
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