我國旱作面積占總耕地面積的 52.5%, 如何抵御干旱是我國旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境改善面臨的重大科技問題。在農(nóng)業(yè)與資源環(huán)境領(lǐng)域的科技項(xiàng)目中，以土壤—植被—大氣界面水分傳輸、植物和植被群落水分的水分生理生態(tài)、植被恢復(fù)與干旱環(huán)境的關(guān)系等始終是科學(xué)研究的核心問題，而自然環(huán)境的復(fù)雜多變及不可重顯性限制了研究工作的定量化和進(jìn)程，人工氣候室在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上 , 綜合運(yùn)用生物科學(xué)、信息科學(xué)和自動(dòng)控制科學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識 , 對特定小環(huán)境內(nèi)各個(gè)環(huán)境因子 , 如溫度、濕度、光照和 CO2濃度等 , 進(jìn)行控制和調(diào)節(jié) , 以滿足科學(xué)研究對特定環(huán)境的需求。
　　以中國科學(xué)院大型儀器設(shè)備研制計(jì)劃—人工干旱環(huán)境氣候室研制項(xiàng)目的實(shí)體原型為基礎(chǔ)，總結(jié)論述科學(xué)研究型人工干旱環(huán)境氣候室的特點(diǎn)及模擬和控制溫度、濕度、光照和 CO2濃度 4 個(gè)環(huán)境因素的技術(shù)方案。實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、光照和 CO2濃度等參數(shù)的程序控制，滿足了恒定或漸變的要求，即溫、濕度的變化過程連續(xù)，不產(chǎn)生階梯式變化；配置符合植物生長發(fā)育的光源，光源譜線與太陽光譜線相似，照度均勻，可分組按設(shè)定光照強(qiáng)度自動(dòng)啟閉，最小可調(diào)時(shí)間單位為 1min，并進(jìn)行 24h 循環(huán)；配置有新風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)，氣流組織、制熱、制冷方式合理，節(jié)能效果好；具有網(wǎng)絡(luò)化分層管理及遠(yuǎn)程管理功能，并具有手機(jī)無線信號提供設(shè)備非正常運(yùn)行的報(bào)警功能。該氣候室可為當(dāng)前旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)等的科研工作提供理想的研究環(huán)境。
　　1　人工干旱環(huán)境氣候室技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)
　　1.1　技術(shù)指標(biāo)的選定
　　根據(jù)人工干旱環(huán)境氣候室的研制目標(biāo)，選定植物生長發(fā)育所需的光照、溫度、濕度和 CO2濃度 4個(gè)主要?dú)夂蛞蜃訛槟�擬和控制的主要對象，并以科學(xué)研究為用途。因此，各受控氣候要素并不一定為理想的植物生長發(fā)育環(huán)境，而更注重創(chuàng)造植物生長發(fā)育的各種極端氣候條件，如低溫、低濕、長日照、高光強(qiáng)等。從氣候資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，氣候環(huán)境的這些特征在我國西北地區(qū)普遍存在，因而成為氣候室技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)需要。另一方面，本氣候室在相對濕度下限、光照強(qiáng)度上限、溫度下限三個(gè)指標(biāo)段比常規(guī)的氣候室有更高的要求。據(jù)調(diào)研和文獻(xiàn)報(bào)道，普通氣候室的溫度范圍在 10 ～ 40℃，相對濕度范圍在 50% ～ 90%，光量子通量密度范圍在200 ～ 800μmol/m2·s，而本氣候室設(shè)計(jì)的溫度范圍是 -10 ～ 40℃、相對濕度下限為 30% ～ 90%、光量子通量密度為 200 ～ 1200μmol/m2·s。這一技術(shù)指標(biāo)為模擬干旱、低溫、高光強(qiáng)的氣候環(huán)境提供了可能。由于受控要素的變化范圍增大，控制難度亦隨之增大。例如，由于光照強(qiáng)度的增大，連帶出光源的輻射熱增多，這給溫度調(diào)節(jié)增加了難度。氣候室的技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示。
　　表 1 人工干旱環(huán)境氣候室技術(shù)指標(biāo)

　　1.2　氣候室布局與建設(shè)工藝
　　氣候室位于西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，共 2 層，一層為可準(zhǔn)確控制溫度、濕度、光照和CO2濃度人工智能氣候室，二層為溫、濕度在一定范圍內(nèi)可調(diào)控的一般溫室，此次重點(diǎn)介紹人工智能氣候室。
　　人工智能氣候室劃分為 6 個(gè)控制單體，每個(gè)單體可分別模擬溫度、濕度、光照和 CO2濃度 4 個(gè)環(huán)境因素。為了減少實(shí)驗(yàn)過程中開關(guān)門引起的環(huán)境因素波動(dòng)，在氣候室外設(shè)計(jì)了緩沖間。緩沖間里設(shè)置了 CO2氣源鋼瓶和減壓設(shè)備，并安裝有水池、實(shí)驗(yàn)臺等設(shè)施，氣候室現(xiàn)場控制箱采用暗藏式裝于墻壁。氣候室各單體在建筑框架內(nèi)，加裝了高密度聚氨酯彩鋼板整體組合箱體，箱體幾何尺寸為：4.0m×2.5m×2.0m, 有效容積為 20m3。箱體工藝按照國家《GMP》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制作，使得氣候室具有防火、防水、保溫、隔熱、隔音、無毒、無味、抗靜電等作用。在箱體的頂部設(shè)計(jì)有設(shè)備層，所有的制熱、制冷、加濕、通風(fēng)、光照及 CO2配送管路均安裝在設(shè)備層。
　　2　人工干旱環(huán)境氣候室各因子的調(diào)控
　　2.1　溫度的調(diào)控
　　溫度調(diào)控由兩個(gè)系統(tǒng)承擔(dān)，一是空調(diào)系統(tǒng)，二是氣流組織系統(tǒng)�？照{(diào)系統(tǒng)提供溫度升降的熱源和冷源，氣流組織系統(tǒng)則是把熱源或冷源合理的輸送到氣候室，從而提供設(shè)定的溫度環(huán)境。
　　2.1.1　空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)分析
　　氣候室溫度的變化來源于兩個(gè)方面。
　�。�1）溫度的年變化和日變化。作為人工環(huán)境氣候室必須克服這種變化，建立人工可控的溫度范圍和變化過程。但這種客觀存在是建立人工可控的溫度范圍和變化過程的本底條件，它是設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)必須考慮的因素。
　　（2）人工光源產(chǎn)生的輻射熱。為了滿足植物生長發(fā)育的光條件，氣候室設(shè)計(jì)了光和有效輻射為200 ～ 1000μmol/m2·s 的頂置光源，光源電功率達(dá)16.8kW。人工光源的光 - 電轉(zhuǎn)換效率約為 35%，大量的熱量以輻射熱和對流熱的形態(tài)進(jìn)入氣候室內(nèi)。
　　輻射熱被氣候室內(nèi)的地面、墻面、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料吸收并存儲，而后再慢慢釋放，這種輻射熱的吸收 - 存儲 - 釋放過程，形成了氣候室空調(diào)系統(tǒng)的滯后熱量負(fù)荷。對流熱是隨著氣流進(jìn)入氣候室內(nèi)，形成空調(diào)系統(tǒng)的即時(shí)熱量負(fù)荷。
　　2.1.2　空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　從氣候室熱負(fù)荷分析和氣候室的研制目標(biāo)可見：熱負(fù)荷變動(dòng)大、熱惰性差和高精度調(diào)控是氣候室空調(diào)系統(tǒng)必須解決的問題。通過試驗(yàn)和比較，空調(diào)系統(tǒng)方案采用了變負(fù)荷制冷的智能化技術(shù)方案，其核心是每個(gè)氣候室單體采用雙機(jī)組和數(shù)碼冷量調(diào)節(jié)技術(shù)。亦即根據(jù)熱負(fù)荷的大小，自動(dòng)切換機(jī)組運(yùn)行的數(shù)量；同時(shí)，在制冷循環(huán)中，對制冷壓縮機(jī)實(shí)施變冷煤控制。也就是說，控制系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)需要的制冷量或制熱量，由控制系統(tǒng)采集氣候室內(nèi)的溫度并與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，通過 PID（ProportionIntegration Differentiation 比率綜合鑒別）控制及模糊控制算法，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量和壓縮機(jī)冷煤量，從而精確控制輸入氣候室的能量，使得氣候室輸入的能量與氣侯室耗散的能量平衡，并減少“震蕩”，從而達(dá)到控制精確、溫度升降變化平穩(wěn)、節(jié)約能源之目的。經(jīng)實(shí)際測評，智能控制機(jī)組較普通控制機(jī)組可降低用電量 40%。智能控制機(jī)組與普通機(jī)組溫度控制波動(dòng)性比較和升溫速度比較示意如圖 1，實(shí)測能耗對比如圖 2 所示。
　　圖 1 智能控制機(jī)組與普通機(jī)組溫度控制波動(dòng)性比較示意圖

　　圖 2 智能控制機(jī)組與普通機(jī)組的能耗對比

　　2.1.3　氣流組織形式的設(shè)計(jì)
　　每個(gè)氣候室單體由一個(gè)箱體組成，并置于一個(gè)更大的建筑空間內(nèi)，氣候室空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)機(jī)組安裝在設(shè)備層內(nèi)并通過風(fēng)管與氣侯室箱體相連。氣流循環(huán)采用側(cè)送側(cè)回的循環(huán)方式。氣流自氣候室一側(cè)的多個(gè)散流器格柵水平吹出，經(jīng)氣候室擴(kuò)散后從氣候室另一側(cè)的回風(fēng)格柵返回，在氣候室內(nèi)形成水平單項(xiàng)氣流，從而使得氣流分布均勻，溫度場合理。氣候室采用頂置光源燈箱結(jié)構(gòu)，燈箱內(nèi)設(shè)計(jì)有燈具風(fēng)冷系統(tǒng)，將光源產(chǎn)生的輻射熱帶出氣候室外，從而減輕空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷。氣流組織示意圖如圖 3 所示。
　　圖 3 氣流組織示意圖

　　2.2　光照調(diào)控
　　人工氣候室光源的設(shè)計(jì)的 2 個(gè)原則：一是光源的光譜類同于太陽光的光譜；二是光源的光照強(qiáng)度大于所栽培植物生長發(fā)育所需的光飽和點(diǎn)。
　　圖 4 鈉燈和金鹵燈的光譜各波段組成圖

　　研究表明：植物進(jìn)行光合作用所需的譜線并不包括所有的太陽光譜線，其所需譜線主要分布在400~500nm 紫光區(qū)和 600~700nm 的紅光區(qū)，其他譜線對植物的光合作用貢獻(xiàn)不大。綜合比較國內(nèi)外各種植物型人工光源的光譜曲線，選定了荷蘭飛利浦農(nóng)藝鈉燈和金鹵燈，利用鈉燈和金鹵燈組合得到的光譜性能很好的滿足了植物光合作用對光照的要求，其光譜各波段的組成如圖 4 所示。假設(shè)最大光譜強(qiáng)度為 1，其它波段的光譜強(qiáng)度為占最大光譜強(qiáng)度的相對比例。
　　為了提供不同光照強(qiáng)度的光環(huán)境，將所有鈉燈和金鹵燈光源分為高、中、低 3 檔，并進(jìn)行組合交替排列，從而提供植物生長發(fā)育均衡的光照環(huán)境。
　　2.3　濕度的調(diào)控
　　濕度的調(diào)控分為加濕和除濕兩個(gè)功能相反的子系統(tǒng)。
　　2.3.1　加濕子系統(tǒng)
　　氣候室采用不銹鋼電加熱式加濕器。其工作原理是電加熱管浸沒在水中，當(dāng)電熱管通電后，電熱管產(chǎn)生熱量，從而使水變成水蒸氣。該加濕器內(nèi)置恒溫及預(yù)熱系統(tǒng)，以確�？焖龠_(dá)到所需的加濕量。電加熱管采用低功率高密度設(shè)計(jì)，采用特殊的阻垢技術(shù)處理，適用于各種水質(zhì)，大大延長了電熱管的壽命。為了保證加濕過程的可靠性，氣候室內(nèi)安裝有加濕器專用的供水和排水管路。濕度的控制過程是：
　　濕度傳感器采集氣候室的濕度參數(shù)，由計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)設(shè)定的濕度參數(shù)比較，通過 PID 及模糊控制算法，控制加濕器的工作狀態(tài)，從而精準(zhǔn)控制氣候室的濕度。
　　2.3.2　除濕子系統(tǒng)
　　除濕功能的現(xiàn)場執(zhí)行部件是空調(diào)制冷機(jī)組和電加熱器，其控制過程與加濕子系統(tǒng)相同。
　　2.4　CO2的調(diào)控
　　CO2的調(diào)控準(zhǔn)確的說應(yīng)該是 CO2的補(bǔ)償控制，因?yàn)樵跉夂蚴业募夹g(shù)指標(biāo)中，CO2的變化范圍是大氣本底至 1200mg/kg。CO2調(diào)控系統(tǒng)采用韓國KCD 公司生產(chǎn)的紅外線 CO2傳感器測量氣候室內(nèi)的 CO2濃度。CO2氣源采用液態(tài)鋼瓶存儲，經(jīng)過減壓后的 CO2氣體通過專用管道到達(dá)氣候室，并在此管道安裝 CO2氣體噴嘴和控制電磁閥。其控制過程為：紅外線 CO2傳感器測量氣候室內(nèi)的 CO2濃度，由計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)設(shè)定的 CO2濃度比較，通過 PID 及模糊控制算法，精確控制氣候室 CO2的濃度。如果氣候室內(nèi)的 CO2濃度高于大氣本底值，并且需要降低時(shí)，通過新風(fēng)換氣系統(tǒng)或植物生長吸收降低。
　　3　人工干旱環(huán)境氣候室自動(dòng)控制系統(tǒng)
　　自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了智能傳感技術(shù)、模糊控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等現(xiàn)代先進(jìn)的理論和技術(shù)，結(jié)合本氣候室對溫度、濕度、光照和 CO2精準(zhǔn)控制的需要，搭建了硬件環(huán)境并開發(fā)了自動(dòng)控制系統(tǒng)。限于篇幅僅對其物理結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)給予介紹。
　　3.1　自動(dòng)控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)
　　控制系統(tǒng)由兩層物理結(jié)構(gòu)組成。第一層為每個(gè)氣候室單體均安裝獨(dú)立的帶有液晶觸摸屏的計(jì)算機(jī)控制單元，包括控制計(jì)算機(jī)、彩色高亮度 TFT 液晶觸摸屏、溫濕度傳感器及其通訊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)電路和控制軟件組成，承擔(dān)氣候室單體所有參數(shù)和設(shè)備的控制（即手動(dòng)模式）。第二層由工控計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)組成，承擔(dān)系統(tǒng)各控制要素的優(yōu)化控制計(jì)算和測量數(shù)據(jù)的管理（即自動(dòng)模式）。兩層之間通過工業(yè)現(xiàn)場總線進(jìn)行連接。自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。
　　圖 5 自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　3.2　自動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
　�。�1）物理拓?fù)涞膬蓪咏Y(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。第一層可以脫離第二層獨(dú)立工作。同時(shí)，第一層的各獨(dú)立計(jì)算機(jī)控制單元之間以及與上位機(jī)之間采用分布式結(jié)構(gòu)，這可避免某一控制單元損壞而影響其他單元的正常工作，既可以通過上位機(jī)對氣候室實(shí)施調(diào)控，也可通過現(xiàn)場的控制單元直接對該氣候室單元實(shí)施操作。這種兩層物理結(jié)構(gòu)保證了氣候室運(yùn)行的可靠性。
　�。�2）軟件的算法和控制技術(shù)先進(jìn)。軟件系統(tǒng)采用多點(diǎn)采樣、反饋控制、離散 PID 與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的模糊控制算法，特別是解決了制冷與制熱、加濕與去濕的控制及溫度與濕度間的去偶等問題。先進(jìn)的智能傳感技術(shù)、變頻控制技術(shù)，對溫度、濕度、光照可進(jìn)行精準(zhǔn)控制和過程記錄。
　　（3）圖形化人機(jī)交互界面使用方便。在液晶觸摸屏實(shí)時(shí)顯示氣候室的溫度、濕度光照等實(shí)時(shí)數(shù)值、歷史數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)定數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，菜單結(jié)構(gòu)操作方便。管理計(jì)算機(jī)采用Windows XP圖形界面，實(shí)時(shí)顯示、記錄、保存氣候室的運(yùn)行數(shù)據(jù)，打印運(yùn)行報(bào)告。
　　（4）系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程管理接口，可接入局域網(wǎng)和Internet 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理功能。管理系統(tǒng)提供用戶管理功能，非法用戶無法對系統(tǒng)進(jìn)行操作。通過手機(jī)無線信號提供了設(shè)備非正常運(yùn)行的報(bào)警功能。
　　4　氣候室運(yùn)行與精度評估
　　經(jīng)過一年的運(yùn)行，氣候室進(jìn)行了恒溫、恒濕環(huán)境下原油在土壤中的運(yùn)移過程實(shí)驗(yàn)，黑麥草在不同光照、恒溫、恒濕環(huán)境條件下的生長發(fā)育過程實(shí)驗(yàn)，玉米根系在不同光照、溫度和濕度環(huán)境條件下的生長發(fā)育過程實(shí)驗(yàn)等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)核對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為氣候室各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，并能滿足實(shí)驗(yàn)研究的需要。
　　溫度濕度的調(diào)控精度評估是在已經(jīng)完成的不同實(shí)驗(yàn)中任意截取一天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算其平均偏差和相對偏差，從而評估溫度、濕度的調(diào)控精度，結(jié)果如表 2。
　　表 2 溫度、濕度調(diào)控精度統(tǒng)計(jì)表

　　圖 6 給出了設(shè)定溫度、濕度變化情況下一天內(nèi)96 個(gè)測點(diǎn)設(shè)定溫度、濕度與實(shí)測溫度、濕度的散點(diǎn)圖。其中圖 6（a） 和圖 6（b） 分別為相對濕度設(shè)定值變化和恒定情況下設(shè)定值和實(shí)測值的散點(diǎn)圖，圖 6（c）和圖 6（d） 分別為溫度設(shè)定值變化和恒定情況下設(shè)定值和實(shí)測值的散點(diǎn)圖。
　　圖 6 溫度、濕度調(diào)控精度比較

　　通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，不論在變溫還是恒溫情況下，溫度調(diào)控都有較高的精度，與設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)比較高出有 50%。而對濕度調(diào)控來說，模擬低濕度環(huán)境比模擬高濕度環(huán)境要困難一些，也表現(xiàn)在調(diào)控精度上低濕度不如高濕度的高，但不論在那種情況下，依然在設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。
　　光因素的調(diào)控精度可從兩個(gè)方面說明，一是光波的構(gòu)成，二是照射到植物體上的光量子通量密度的大小。前者通過選擇鈉燈和金鹵燈的光源組合，已經(jīng)滿足了植物進(jìn)行光合作用對光的波長的要求。后者通過采用 Li-6400 植物光合儀測量，所設(shè)計(jì)安裝的三組光源其光量子通量密度分別為180 ～ 300μmol/m2·s、300 ～ 800μmol/m2·s 和800 ～ 1150μmol/m2·s，符合技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。
　　應(yīng)該說明的是光量子通量密度測量值與測量截面距光源的距離成顯著正相關(guān)，也就是說，在同一組光源條件下，植物距離光源越近，光量子通量密度值越高。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，合理利用氣候室的空間位置和光源組合，并借助光合儀實(shí)測校準(zhǔn)便可得到所設(shè)計(jì)的光照參數(shù)。
　　CO2的調(diào)控相對簡單，當(dāng)氣候室中 CO2的濃度低于大氣本底時(shí)，CO2調(diào)控系統(tǒng)便開始工作，打開CO2氣瓶的噴嘴和控制電磁閥。如果氣候室內(nèi)的CO2濃度高于大氣本底值，通過新風(fēng)換氣系統(tǒng)可迅速降低到設(shè)定值。
　　5　結(jié)語
　�。�1）本氣候室以模擬干旱氣候環(huán)境為目標(biāo)，其技術(shù)指標(biāo)的選定、技術(shù)方案的設(shè)計(jì)及其建設(shè)滿足了模擬干旱氣候環(huán)境的特點(diǎn)和要求。實(shí)現(xiàn)了：（1）溫度、濕度和 CO2等參數(shù)的程序控制，滿足了恒定或漸變的要求（；2）配置符合植物生長發(fā)育的光源，光源譜線與太陽光譜線相似（；3）配置有新風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)，氣流組織、制熱、制冷方式合理，節(jié)能效果好（；4）具有網(wǎng)絡(luò)化分層管理及遠(yuǎn)程管理功能，并具有手機(jī)無線信號提供設(shè)備非正常運(yùn)行的報(bào)警功能。
　�。�2）將現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用到人工氣候室的研制，大大提高了人工氣候室的科技水平，諸如自動(dòng)控制理論與技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等。這意味著學(xué)科交叉和先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的綜合運(yùn)用是提高科研實(shí)驗(yàn)平臺科技水平的重要途徑。