Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on photosynthetic productvity and yield of hybrid japonica rice under rape-rice rotation mode
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摘要:目的
探索油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻光合生产力及产量的影响，为水旱轮作模式下水稻适宜的氮肥运筹方式提供理论和实践依据。
方法以杂交籼稻‘F优498’为试验材料，研究油菜季2种氮肥投入量(常规施氮：180 kg·hm−2，减量施氮：150 kg·hm−2)、水稻季150 kg·hm−2施氮量基础上3种氮肥运筹模式[M1—m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=2∶2∶6，M2—m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=3∶3∶4，M3—m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=4∶4∶2]对杂交稻光合特性、干物质积累与转运和产量的影响。
结果相对于常规施氮，油菜季减量施氮影响了杂交稻齐穗期光合特性但没有达到显著水平；水稻季M1、M2、M3处理杂交稻齐穗期和齐穗后15 d的光合生产力均增加；油菜季减量施氮和水稻季M3运筹模式杂交稻的光合速率增幅最大。油菜季减量施氮处理杂交稻齐穗期和成熟期茎鞘干物质质量、转化率和产量均增加；水稻季M1、M2、M3处理杂交稻齐穗期茎鞘干物质质量和产量增加；油菜季减量施氮和水稻季M3运筹方式干物质积累增幅最大。
结论油菜季减量施氮和水稻季M3运筹方式可增强杂交稻生育后期光合性能，提高杂交稻叶面积指数，增加杂交稻干物质积累与转运，从而提高杂交稻产量，为本研究最佳处理。
Abstract:ObjectiveTo explore the effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on hybrid japonica rice photosynthetic productivity and yield, and provide a theoretical and practical basis for suitable nitrogen fertilizer operation mode of rice under paddy-upland rotation.
MethodThe hybrid japonica rice ‘F you 498’ was used as experimental material to investigate the effects of two nitrogen fertilizer application amounts (conventional nitrogen fertilizer application of 180 kg·hm−2, reduced nitrogen fertilizer application of 150 kg·hm−2) in rape season and three nitrogen fertilizer management methods based on 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season on photosynthetic characteristics, material accumulation and transport and yield of hybrid rice. The concrete nitrogen fertilizer management methods were M1 (the mass ratio of base fertilizer, tiller fertilizer and panicle fertilizer was 2∶2∶6), M2 (the mass ratio of base fertilizer, tiller fertilizer and panicle fertilizer was 3∶3∶4) and M3 (the mass ratio of base fertilizer, tiller fertilizer and panicle fertilizer was 4∶4∶2).
ResultCompared to conventional nitrogen fertilizer application, reduced nitrogen fertilizer application affected photosynthetic characteristics of rice at full heading stage, but the effect was not significant. M1, M2 and M3 treatments increased photosynthetic productivity of rice at full heading stage and 15 days after full heading. The photosynthetic rate increased most in reduced nitrogen fertilizer application and M3 treatment. Reduced nitrogen fertilizer application increased rice stem-sheath dry mattar mass at full heading stage and maturity stage, conversion rate and yield. M1, M2 and M3 increased rice stem-sheath dry mattar mass at full heading stage and yield. The highest increase of dry matter accumulation was in reduced nitrogen fertilizer application and M3 treatment.
ConclusionReduced nitrogen fertilizer application in rape season and M3 management method in rice season can improve rice yield by enhancing photosynthetic performance at late growth stage, increasing leaf area index, and promoting dry matter accumulation and transportation. It is the best treatment in this study.
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保鲜环境温湿度调控是延长果蔬保鲜周期的有效方式之一[1-2]。然而，温度超调量过大可能会导致冷害[3]，环境湿度过高会加速微生物生长[4]，保鲜环境参数波动震荡也会影响果蔬保鲜效果[5]。因而，提高保鲜环境控制系统的控制性能对于保障果蔬储运品质有重要作用。我们前期开发了基于双限值的果蔬保鲜控制系统，该系统能实时调控保鲜环境参数，但存在环境参数超调量大、波动严重、抗干扰能力不强等问题。因此，有必要开展果蔬保鲜环境参数调控策略优化试验，提高系统控制性能。
国内外学者对环境参数的调控进行了一系列研究，王广海等[6]以双限值作为系统控制算法，控制系统温度、相对湿度、氧气和二氧化碳等环境参数。虽然双限值控制逻辑简单，但存在超调量大、环境参数频繁波动等问题[7]。Barros 等[8]设计了基于比例−积分−微分（Proportional-integral-derivative，PID）控制器的温度加热系统。传统PID控制结构易于实现，在工业中最为常用[9]，然而传统PID需要人为调整控制器参数，缺少自适应能力，鲁棒性较低[10]，难以实现环境参数的高质量控制。赵鑫鑫[11]设计了车厢温度模糊规则，应用于冷藏车箱温度控制。相较于传统PID，超调量有所降低，但仍存在自适应能力弱、抗干扰能力较差等问题。近年来，人工智能算法发展迅速，许多学者对自适应控制技术进行了研究。Aftab等[12]提出采用基于Lyapunov函数的人工神经网络对PID控制器的比例、积分和微分项进行在线整定，相较于传统PID取得较好的跟踪效果，但系统的每个控制参数都需使用一个独立的神经网路，计算量大且复杂。Salcedo等[13]设计了一种结合Smith预估器的状态反馈控制器，其控制性能和精度高于传统PID控制器，但需要建立控制对象动态行为的数学模型，该模型缺乏自适应能力，控制环境或对象发生变化时，控制精度将大幅下降。Silveira等[14]设计了LPPT控制算法用于制冷系统，通过2个具有自适应能力的非零开关量，实现降低系统能耗的同时具备较强的抗干扰能力，但与传统PID相比该系统温度有明显波动，稳态误差较大，无法保持恒定。
目前，针对果蔬保鲜环境参数智能调控方面研究较少，大多数冷藏、冷冻等控制系统仍采用传统双限值和PID控制技术[15]。因此，本文将根据传统果蔬保鲜环境控制系统超调量大、控制精度低、波动严重、鲁棒性差等现状，结合神经网络和PID控制，设计一种基于BP神经网络-PID（Back-propagation neural network-PID，BPNN-PID）的控制策略，使PID控制器具备自学习、自适应能力，确保果蔬保鲜环境控制系统在运行过程中处于优化状态，从而提高系统控制性能，为果蔬保鲜环境参数调控的实际应用提供一定参考。
1. 果蔬保鲜系统的基本组成
如图1所示，果蔬保鲜环境调控试验平台[6]由制冷系统、加湿系统和控制系统3个部分组成。制冷系统主要由变频器(型号为SC-650，由河南尚川电子科技有限公司生产)、变频压缩机(型号为DTH356LDPC9FQ，由上海日立电器有限公司生产)、直流蒸发风机(额定电压24 V、额定电流8 A)、冷凝风机(额定电压220 V，额定电流0.42 A)和制冷管路组成。果蔬保鲜环境控制系统通过变频器调节变频器压缩机工作频率改变压缩机的转速，再利用直流蒸发风机带动气流，穿过蒸发盘管形成冷空气，经开孔隔板(开孔率16.11%)[16]均匀流入保鲜室，降低货物温度后从回风道返回，实现果蔬保鲜环境温度控制。
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图 1 果蔬保鲜运输车箱体结构示意图1：冷凝器；2：冷凝风机；3：蒸发风机；4：回风道；5：保鲜室；6： 传感器盒；7：货物；8：支撑架；9：气流轨道；10：排水管；11：三通接头；12：积水槽；13：温度传感器；14：超声波雾化器；15：开孔隔板；16：加湿风机；17：蒸发器；18：补水箱；19：排水阀；20：变频器；21：变频压缩机；22：制冷管路；23：压力室；24：控制器；25：触摸屏；26：电子计算机Figure 1. Schematic diagram of the box structure of the transport vehicle for fruit and vegetable fresh-keeping1: Condenser; 2: Condensing fan; 3: Evaporating fan; 4: Return air duct; 5: Keep-freshing room; 6: Sensor box; 7: Cargo; 8: Support frame; 9: Air flow track; 10: Drain pipe; 11: Tee connector; 12: Standing water tank; 13: Temperature sensor; 14: Ultrasonic atomizer; 15: Open partition; 16: Humidifying fan; 17: Evaporator; 18: Water replenishment tank; 19: Drain valve; 20: Inverter; 21: Inverter compressor; 22: Refrigeration line; 23: Pressure chamber; 24: Controller; 25: Touch screen; 26: Electronic computer加湿系统主要由水槽、超声波雾化器(额定电压24 V、额定电流1 A)和加湿风机(额定电压24 V、额定电流0.55 A)组成。超声波雾化器置于液面下2~3 cm处，将液态水雾化形成微小雾粒，通过加湿风机吹进保鲜区，提高保鲜区环境相对湿度。
控制系统总体结构如图2所示，该系统以Cortex-M3架构的STM32F103C8T6微处理器为核心，配合数据采集模块、执行机构、触摸屏、PC电子计算机、电路保护装置等对果蔬保鲜环境进行控制。
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图 2 果蔬保鲜环境控制系统结构框架图Figure 2. Structural framework diagram of the environmental control system for fruit and vegetable fresh-keeping2. 控制系统硬件与软件设计
本研究将设计一款基于STM32F103C8T6的果蔬保鲜环境调控系统，该系统微处理器工作频率最高为72 MHz, 内置高达128 K字节的Flash存储器和20 K字节的SRAM, 具备足够的通用I/O端口[17]，满足系统开发需求。
2.1 硬件电路
2.1.1 电源电路
电源电路如图3所示，考虑到本系统的运行环境复杂，信息通讯频繁且运行时间长等一系列问题，电路设计需降低干扰源、阻断耦合以及提高敏感设备的阈值。系统器件需要的电压等级分别为24.0、5.0和3.3 V，其中24.0 V由外部开关电源提供，隔离5.0 V电源电路采用DC-DC电源隔离模块B0505S-1WR2，为系统提供信号电源，3.3 V的电源采用AMS1117-3.3电压转换芯片。
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图 3 果蔬保鲜环境控制系统的电源电路Figure 3. Power supply circuit of the environmental control system for fruit and vegetable fresh-keeping2.1.2 CAN总线驱动电路
控制器局域网总线(Controller area network，CAN)驱动电路如图4所示，ISO1050是一款将隔离通道和CAN收发器集成在一个封装内的隔离型CAN总线收发器。与隔离式电源一起使用，可防止数据总线或者其他电路上的噪音电流进入本地接地而产生的干扰或损坏敏感电路。为抵消电信号的反射，CAN总线输出两端增加了1个120 Ω的终端电阻。
2.1.3 RS485接口电路
RS485的通信电路如图5所示，MCU根据Modbus-RTU通讯协议，通过RS485收发器与从机进行异步通讯。SP3485芯片是3.3 V 低功耗半双工的收发器，将其RO及DI引脚分别与USART的RX和TX引脚相连，将RE和DE引脚直接用普通IO口来控制数据传输方向，采用轮询发送和中断接收的数据传输方式。A与B之间接120 Ω电阻避免信号发射问题。
2.1.4 中间继电器驱动电路
中间继电器驱动电路如图6所示，当NPN型三极管导通时，继电器吸合，并联在继电器两端的发光二极管被点亮，表明继电器正在工作。与线圈并联的续流二极管可以吸收线圈断电时产生的感应电动势，防止晶体管被击穿。继电器输出端串联1个保险丝，当电路出现温度异常时可以迅速切断电路。
2.1.5 数据采集模块
数据采集模块由温度传感器(型号：TH600NXC，供电：10~30 V，精度：±0.3 ℃，范围：−40~80 ℃，通讯方式：RS485)、相对湿度传感器(型号：TH600NXT，供电：10~30 V，精度：±3%，范围：0%~100%，通讯方式：RS485)组成。各传感器单独作为1个节点接入RS485总线，微处理器利用Modbus-RTU通讯协议定时采集数据，数据经过微处理器解析后得到实时的保鲜室环境参数。
2.2 软件设计
果蔬保鲜控制系统软件设计主要由硬件驱动程序、数据采集及处理模块、控制算法程序、历史数据存储模块和触摸屏驱动程序5个部分组成。
硬件驱动程序使控制系统及各执行器正常运行；数据采集及处理模块对箱内传感器信号进行采集和处理；控制算法程序将数学模型转换为机器语言，实现对果蔬保鲜环境参数的自动控制；历史数据存储模块使处理器将采集并处理后的环境数据以txt文件格式保存于SD卡中，方便用户后期对果蔬保鲜环境数据进行分析；触摸屏驱动程序使用户通过人机交互页面对果蔬保鲜系统下达控制指令、设置控制参数，并实时显示箱内环境参数。配合BPNN-PID控制算法得到基于BPNN-PID的果蔬保鲜环境控制策略，系统运行程序流程如图7所示。
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图 7 基于BPNN-PID的果蔬保鲜环境控制策略Figure 7. Environmental control strategy of fruit and vegetable fresh-keeping based on BPNN-PID3. 传统PID和BPNN-PID控制算法原理及实现
3.1 常规PID原理
常规PID控制系统，由PID控制器和被控对象组成[18]。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(k)与被控对象输出值y(k)构成控制偏差e(k)，通过对系统当前状态的监测和反馈，实现对系统行为的控制。
$$ e\left( k \right) = r\left( k \right) - y\left( k \right) ，$$ (1) 式中：k为采样序号；r(k) 为系统期望值；y(k) 为系统实际值；e(k) 为系统偏差。
PID控制算法的核心是3个参数：比例、积分和微分系数，它们分别控制着系统的响应速度、稳定性和抗干扰性能。其中，比例环节反应了控制系统的偏差信号e(k)，偏差一旦产生，控制器立即反应，以减小偏差。积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的误差度。微分环节主要反映偏差信号的变化趋势，并在偏差信号值过大之前，在系统中引用一个有效的早期修正信号，从而减小系统震荡。常规PID控制又分为位置式PID与增量式PID，两者的表达式分别为[19]：
$$ u(k) = {K_{\rm{P}}}e(k) + {K_{\rm{I}}}\displaystyle\sum\limits_{k = 0}^k {e(k) + {K_{\rm{D}}}[e(k) - e(k - 1)]} ，$$ (2) $$ \Delta u(k) ={K_{\rm{P}}}[e(k) - e(k - 1)] + {K_{\rm{I}}}e(k)+ $$ $$ {K_{\rm{D}}}[e(k) - 2e(k - 1) + e(k - 2)] ，$$ (3) 式中：u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；KP 为比例系数；KI为积分系数；KD为微分系数。
由位置式PID表达式可知，控制器每次输出都与过去的状态有关，导致计算机运算量过大。如MCU出现故障，输出会大幅度变化，这种情况在实际生产中是不允许的。而增量式PID只与过去2次的状态有关，大大增加了系统的容错率，因此本系统选择增量式PID作为控制器的基础。
3.2 BPNN-PID原理
3.2.1 BPNN-PID控制器设计
常规的果蔬保鲜环境温度PID控制器无法根据被控对象等因素自适应调整控制参数，在PID控制器的基础上增加BP神经网络，构成一个具有自适应能力的果蔬保鲜环境温度BPNN-PID控制器，如图8所示。
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图 8 果蔬保鲜环境温度BPNN-PID控制器C：外部偏置常量；r(k) ：系统期望值；y(k) ：系统实际值；e(k) ：系统偏差；u(k)：计算机输出值；KP：比例系数；KI ：积分系数；KD：微分系数Figure 8. Ambient temperature BPNN-PID controller for fruit and vegetable fresh-keepingC: External bias constant; r(k): System expected value; y(k): Actual value of the system; e(k): System deviation; u(k):Computer output; KP: Proportional coefficient; KI: Integration coefficient; KD: Differential coefficient3.2.2 BPNN-PID控制器自适应过程
本文设计的果蔬保鲜环境控制系统的BP神经网络输入层由目标温度、实际温度、温度误差和外部偏置常量共4个神经元组成[20]，由于控制参数的取值范围为0~1，并根据前期试验进行调试，确定当外部偏置常量C=1时控制效果最好。输出层由比例、积分、微分系数组成，共3个神经元，再经过调试后确定隐藏层一共5个神经元，最终建立的BP神经网络结构如图9所示。
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图 9 BP神经网络结构x1：目标温度；x2：实际温度；x3：温度误差；x4：外部偏置常量；l：输入层神经元序号；m隐含层神经元序号；n：输出层神经元序号；KP ：比例系数；KI：积分系数；KD：微分系数Figure 9. BP neural network structurex1: Target temperature; x2: Actual temperature; x3: Temperature error; x4: External bias constant; l: Input layer neuron number; m: Hidden layer neuron number; n: Output layer neuron number; KP: Proportional coefficient; KI: Integration coefficient; KD: Differential coefficient1)误差正向传播：根据图9所示的神经网络结构图可得，输入层的输出
$O_l^{(1)} $ 为$$ O_{l}^{(1)}=x_{l}, \;l=1,2,3,4 \; ,$$ (4) 式中：l为输入层神经元序号；xl为输入层第l个输入。
隐含层的输入和输出分别为
$$ \left\{\begin{array}{l}{\rm{n e t}}_m^{(2)}(k)=\displaystyle\sum_{l=0}^4 w_{l m}^{(2)} O_l^{(1)} \\ O_m^{(2)}(k)=f\left[ { {\rm{net}} }_m^{(2)}(k)\right]\end{array}, \;m=1,2,3,4,5\; ,\right. $$ (5) 式中：m为隐含层神经元序号；
${\rm{net}}_m^{(2)} $ 为隐含层第m个神经元输入；${w_{lm}^{(2)}}$ 为隐含层权值系数；$O_m^{(2)} $ 为隐含层第m个神经元输出。输出层的输入和输出分别为
$$ \left\{\begin{array}{l}{\rm{n e t}}_n^{(3)}(k)=\displaystyle\sum_{m=0}^5 w_{m n}^{(3)} O_m^{(2)} \\ O_n^{(3)}(k)=g\left[{\rm{n e t}}_n^{(3)}(k)\right]\end{array},\;n=1,2,3\right. ,$$ (6) 式中：n为输出层神经元序号；
${\rm{net}}_n^{(3)} $ 为输出层第n个神经元输入；${w_{mn}^{(3)}}$ 为输出层权值系数；$O_n^{(3)} $ 为输出层第n个神经元输出。隐含层的激活函数
$ f(x) $ 采用正负对称的Sigmoid函数，输出层激活函数$ g(x) $ 采用非负的Sigmoid函数。$$ f(x)=\dfrac{{\text{e}}^{x}-{\text{e}}^{-x}}{{\text{e}}^{x}+{\text{e}}^{-x}}\text{，}g(x)=\dfrac{1}{1+{\text{e}}^{-x}} 。$$ (7) 2)误差反向传播：本系统设计所用的神经网络的输出性能指标函数为
$$ E(k)=\dfrac{1}{2}\left[r(k)-y(k)\right]^{2}。 $$ (8) 引入学习效率η和惯性系数α，根据式(4)~(8)通过梯度下降法，得到输出层和隐藏层的权重更新和误差项，经调试取η=0.1，α=0.25，系统控制效果最佳。
$$ \left\{\begin{array}{l}\Delta w_{m n}^{(3)}(k)=0.1 \Delta w_{m n}^{(3)}(k-1)+0.25 \delta_n^{(3)} O_n^{(2)}(k) \\ \delta_n^{(3)}=\operatorname{sgn}\left[\dfrac{\partial \operatorname{yout}(k)}{\partial u(k)}\right] e(k) \dfrac{\partial u(k)}{\partial O_l^{(3)}(k)} g^{\prime}\left[{\rm{n e t}}_n^{(3)}(k)\right]\end{array}\right., $$ (9) 式中：
$ \delta_{n}^{(3)} $ 为输出层神经元误差项。$$ \left\{\begin{array}{l}\Delta w_{l m}^{(2)}(k)=0.1 \Delta w_{l m}^{(2)}(k-1)+0.25 \delta_m^{(2)} O_l^{(1)}(k) \\ \delta_m^{(2)}=f^{\prime}\left[{\rm{n e t}}_m^{(2)}(k)\right] \displaystyle\sum_{n=1}^3 \delta_n^{(3)} w_{m n}^{(3)}(k)\end{array}\right., $$ (10) 式中：
$ \delta_{m}^{(2)} $ 为隐藏层神经元误差项。由于
$\dfrac{\partial {\rm{y o u t}}(k)}{\partial u(k)}$ 无法直接计算，用$\operatorname{sgn}\left[\dfrac{\partial {\rm{yout}}(k)}{\partial u(k)}\right]$ 代替[21]。以上为果蔬保鲜环境BPNN训练1次的全部过程。4. 试验与结果分析
研究发现，果蔬保鲜环境温度与相对湿度存在较强的耦合关系[22]，且环境温度对厚表皮类果蔬品质的影响更为明显[23]。因此本研究在温度控制方面采用BPNN-PID控制算法，实现对温度的精准控制；湿度方面搭配双限值控制算法，组成BPNN-PID控制策略，可满足果蔬保鲜的基本环境要求。
本研究通过自主搭建的果蔬保鲜系统，采用常规PID和BPNN-PID 2种不同控制策略进行果蔬保鲜试验，分析果蔬保鲜系统在不同控制策略下环境参数的超调量、稳定时间和稳态误差。根据试凑法[24]确定常规PID控制器控制参数KP=0.8、KI=0.75、KD=0.5，果蔬保鲜环境BPNN-PID控制系统的隐含层、输出层的初始权重均为−0.5~0.5的随机值，根据前期试验，学习率η=0.1、惯性系数α=0.25时控制性能最优。
试验材料采用赣南脐橙，总质量40 kg，购于水果批发市场，果实新鲜，无病虫害，无机械损伤。脐橙采用塑料筐装放，塑料筐呈网状结构，尺寸规格(长×宽×高)为600 mm×425 mm×350 mm。脐橙以每框20 kg装箱，共2框放置保鲜室，外界环境温度(26±1) ℃，保鲜室初始温度(26±1) ℃，据相关文献[25]，脐橙适宜的保鲜参数为：温度为6 ℃，相对湿度为80%~90%。因此设置果蔬保鲜环境目标温度为6 ℃、目标湿度为80%~90%。为分析果蔬保鲜系统在不同控制策略下的抗干扰能力，在实载试验中，待果蔬保鲜系统运行稳定(240 min)后，对系统施加干扰(模拟实际取货时打开箱门5 min)，每5 min记录1次数据，运行时间为6 h。
试验完成后计算系统的超调量、稳态误差和稳定时间。超调量计算公式如下：
$$ \sigma = {T_{{\rm{max}}}}(t) - {T_{{\rm{out}}}}(\infty ) ，$$ (11) 稳态误差计算公式如下：
$$ {e_{{\rm{ss}}}} = {T_{{\rm{out}}}}(t) - {T_{{\rm{out}}}}(\infty ) ，$$ (12) 稳定时间评判公式如下：
$$ \dfrac{{|{T_{{\rm{out}}}}(t) - {T_{{\rm{out}}}}(\infty )|}}{{|{T_{{\rm{out}}}}(0 + ) - {T_{{\rm{out}}}}(\infty )|}} \leqslant \Delta ，$$ (13) 式中：σ为超调量；ess为稳态误差；Tmax(t)为环境参数最大值；Tout(t)为环境参数瞬态值；Tout(0+)为环境参数初始值；Tout(∞)为环境参数稳态值；Δ为稳定时间评判系数，取2%[26]。
4.1 空载试验与结果分析
4.1.1 空载常规PID控制策略试验
空载状态下，果蔬保鲜环境系统采用常规PID控制策略的控制响应曲线如图10所示，环境温度的超调量为3.5 ℃、稳定时间为100 min、稳态误差为±0.2 ℃；相对湿度的超调量为9.5%、稳定时间为100 min。
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图 10 基于常规PID控制策略的空载保鲜环境参数变化曲线Figure 10. Variation curve of no-load fresh-keeping environment parameters based on conventional PID control strategy从该试验结果可以看出，以STM32F103C8T6微处理器为核心的控制系统利用RS485通讯方式可实时采集箱内环境参数；利用CAN总线可实时调节变频压缩机频率从而控制系统制冷量；通过继电器驱动电路控制环境相对湿度。系统按照设定的控制流程执行，实现了果蔬保鲜环境参数的自动控制。因此，本文设计的控制系统软硬件满足果蔬保鲜要求。
4.1.2 空载BPNN-PID控制策略试验
空载状态下，果蔬保鲜环境系统采用BPNN-PID控制策略的控制响应曲线如图11、12所示，果蔬保鲜环境系统在运行过程中通过自学习、自适应能力动态调整控制参数，最终收敛于KP=0.588，KI=0.666，KD=0.617，环境温度的超调量为2.5 ℃、稳定时间为70 min、稳态误差为±0.1 ℃；相对湿度的超调量为4.3%、稳定时间为70 min。
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图 11 基于BPNN-PID控制策略的空载保鲜环境参数变化曲线Figure 11. Variation curve of no-load fresh-keeping environment parameters based on BPNN-PID control strategy空载试验中，与常规PID控制策略相比，基于BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜系统环境温度超调量减小了1 ℃、稳态误差减小了0.1 ℃、稳定时间缩短了30 min；环境相对湿度超调量减小了5.2%、稳定时间缩短了30 min。由此可知，采用BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜系统控制性能均有明显提升。
4.2 实载试验与结果分析
4.2.1 实载常规PID控制策略试验
由图13可知，实载状态下，果蔬保鲜环境温度控制采用常规PID控制算法，相对湿度控制采用双限值控制算法时，温度的超调量为3.8 ℃、稳定时间为105 min、稳态误差为±0.5 ℃；相对湿度的超调量为5%、稳定时间为80 min。
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图 13 基于常规PID控制策略的实载保鲜环境参数变化曲线Figure 13. Variation curves of real-load fresh-keeping environment parameters based on conventional PID control strategy与双限值控制策略相比，温、湿度控制精度有所提高，温、湿度波动减小，但仍存在超调量较大、稳定时间慢等问题。针对干扰，箱内环境温、湿度经过105 min的上下波动才重新恢复稳定。因此常规PID控制策略缺少动态调节能力，存在抗干扰能力不强、适应性较弱等缺陷，系统控制性能仍有提升空间。
4.2.2 实载BPNN-PID控制策略试验
由图14、15可知，实载状态下，果蔬保鲜环境温度控制采用BPNN-PID控制算法，相对湿度控制采用双限值控制算法时，果蔬保鲜环境系统控制参数最终收敛于KP=0.717，KI=0.682，KD=0.656，温度超调量为1.7 ℃，稳定时间为80 min，稳态误差为±0.2 ℃，相对湿度超调量为2.8%、稳定时间为55 min。
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图 14 基于BPNN-PID控制策略的实载保鲜环境参数变化曲线Figure 14. Variation curves of real-load fresh-keeping environment parameters based on BPNN-PID control strategy实载试验中，与常规PID控制策略相比，基于BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜系统环境温度超调量减小了2.1 ℃、稳态误差减小了0.3 ℃、稳定时间缩短了25 min；环境相对湿度超调量减小了2.2%、稳定时间缩短了25 min。BPNN-PID控制策略在超调量、稳定时间、稳态误差和控制精度等方面都有了较大的提升。针对干扰，BPNN-PID控制策略有效地抑制了保鲜室内环境参数的剧烈波动，经过80 min的动态调节后，最终收敛于目标参数。因此BPNN-PID控制策略的抗干扰能力更强、鲁棒性优异、自适应性好，具有良好的动态调节能力，其控制性能明显优于常规PID控制策略的，能够更有效地完成果蔬保鲜环境的控制工作。
5. 结 论
本研究根据果蔬保鲜运输的温、湿度控制要求，以STM32为核心处理器，设计了果蔬保鲜环境控制系统硬件和软件，并通过试验对比常规PID和BPNN-PID 2种控制策略的环境参数调控效果，研究结果对于果蔬保鲜环境参数调控有重要意义。经研究获得以下结论：
1)所开发的控制系统能准确采集保鲜室各环境参数，并根据控制策略准确控制相应的执行机构，实现保鲜环境参数的实时控制。
2)基于BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜环境控制系统具有响应速度快、超调量小、控制精度高、抗干扰能力强等优点，系统控制性能明显提升。
3)保鲜环境温、湿度调控过程中，温度和相对湿度具有较强的耦合关系，其中温度占主导地位，相对湿度的波动趋势与温度基本一致，随着系统温度控制性能的提高，相对湿度的控制性能有了明显的改善。
值得注意的是，加湿器性能、果蔬生理特性、堆码方式等因素也可能会对研究结果产生一定的影响，这些因素将在后续研究中进行探讨。
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图 1 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻干物质积累的影响
M0：水稻季不施氮；M1、M2、M3：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，基肥、分蘖肥、穗肥质量比分别为2∶2∶6、3∶3∶4、4∶4∶2；各图中相同生育期不同柱子上的不同小写字母表示差异显著(P<0.05，LSD法)
Figure 1. Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on dry matter accumulation of hybrid japonica rice
M0: No nitrogen fertilizer application in rice season; M1, M2, M3: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, the mass ratios of base fertilizer, tiller fertilizer and panicle fertilizer were 2∶2∶6, 3∶3∶4 and 4∶4∶2, respectively; Different lowercase letters on the different columns at the same growth stage in each figure indicate significant differences (P<0.05, LSD method)
表 1 油菜收获后水稻田土壤理化性质1)
Table 1 Physical and chemical properties of paddy soil after harvesting rape
氮肥投入
Nitrogen fertilizer application有机质/(g·kg−1)
Organic matter全氮/(g·kg−1)
Total nitrogen碱解氮/(mg·kg−1)
Available nitrogen速效磷/(mg·kg−1)
Available phosphorus速效钾/(mg·kg−1)
Available potassiumpH 常规施氮
Conventional nitrogen
fertilizer application29.39a 1.87a 128.47a 26.20a 65.86a 6.19a 减量施氮
Reduced nitrogen
fertilizer application27.03b 1.65b 117.36b 25.03b 61.32b 6.15a 1)同列数据后的不同小写字母表示差异显著(P<0.05，LSD法)
1) Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0.05, LSD method)
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表 2 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻叶面积指数及光合势的影响1)
Table 2 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on leaf area index and photosynthetic potential of hybrid jayonica rice
氮肥投入
Nitrogen fertilizer application氮肥运筹
Nitrogen management拔节期
Jointing stage齐穗期
Full heading stage拔节期至齐穗期
Jointing stage to full heading stage叶面积指数
Leaf area index叶面积指数
Leaf area index高效叶面积指数
High effective leaf
area index高效叶面积率/%
High effective leaf
area ratio光合势/
(×104m2·d·hm−2)
Photosynthetic potential常规施氮
Conventional nitrogen fertilizer applicationM0 4.20c 5.63c 3.63c 63.94b 164.83d M1 5.54ab 6.69b 4.15bc 61.24c 224.05c M2 5.28b 7.45a 4.89ab 65.78a 227.35b M3 5.65a 7.76a 5.14a 66.50a 233.87a 平均值 Average 5.17 6.88 4.46 64.37 212.53 减量施氮
Reduced nitrogen fertilizer applicationM0 4.32c 5.99c 3.59b 58.05d 169.60d M1 5.32ab 6.79b 4.39b 64.39c 214.68c M2 5.47b 8.41a 5.68a 68.96a 239.58b M3 6.72a 8.72a 5.95a 68.04b 250.94a 平均值 Average 5.46 7.47 4.91 64.86 218.71 P N 0.350 5 0.098 9 0.151 8 0.833 8 0.566 7 M 0.050 6 0.018 1 0.027 5 0.026 6 0.037 2 N×M 0.000 1 0.049 6 0.025 6 0.000 1 0.000 1 1)M0：水稻季不施氮；M1：水稻季施氮量为150 kg·hm−2 ，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=2∶2∶6；M2：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=3∶3∶4；M3：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=4∶4∶2；N：油菜季施氮处理；M：水稻季氮肥运筹方式；油菜季相同施氮量同列数据后的不同小写字母表示水稻季不同氮肥运筹方式间差异显著(P<0.05，LSD法)
1) M0: No nitrogen fertilizer application in rice season; M1: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶ m (tiller fertilizer)∶ m (panicle fertilizer)=2∶2∶6; M2: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=3∶3∶4; M3: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=4∶4∶2; N: Nitrogen fertilizer application treatment in rape season; M: Nitrogen fertilizer management method in rice season; Different lowercase letters in the same column and nitrogen fertilizer application treatment in rape season indicate significant differences among different nitrogen fertilizer management methods in rice season (P< 0.05, LSD method)
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表 3 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻光合特性的影响
Table 3 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on photosynthetic traits of hybrid japonica rice
氮肥投入
Nitrogen fertilizer
application氮肥运筹
Nitrogen fertilizer
management齐穗期 Full heading stage 齐穗后15 d 15 days after full heading 光合速率/
(μmol·m−2·s−1)
Photosynthetic rate气孔导度/
(mol·m−2·s−1)
Stomatal conductance蒸腾速率/
(mmol·m−2·s−1)
Transpiration rate光合速率/
(μmol·m−2·s−1)
Photosynthetic rate气孔导度/
(mol·m−2·s−1)
Stomatal conductance蒸腾速率/
(mmol·m−2·s−1)
Transpiration rate常规施氮
Conventional nitrogen fertilizer applicationM0 12.85d 0.137 6a 6.95c 9.05d 0.044 9a 3.32b M1 20.98c 0.165 9a 7.04bc 15.77c 0.046 4a 3.37ab M2 22.72b 0.172 1a 7.34b 16.95b 0.053 5a 3.43ab M3 29.41a 0.182 3a 7.70a 20.97a 0.055 4a 3.46a 平均值 Average 21.49 0.164 4 7.24 15.68 0.050 0 3.29 减量施氮
Reduced nitrogen fertilizer applicationM0 11.78d 0.131 7b 6.37b 8.25d 0.041 7b 3.42b M1 19.41c 0.134 1b 6.43b 17.33c 0.050 2ab 3.59a M2 20.60b 0.178 5ab 7.11a 19.08b 0.057 7a 3.62a M3 24.61a 0.204 5a 7.31a 25.77a 0.059 1a 3.67a 平均值 Average 19.10 0.162 2 6.81 17.61 0.052 1 3.57 P N 0.063 8 0.862 3 0.204 5 0.193 3 0.714 4 0.106 8 M 0.004 2 0.116 2 0.047 2 0.010 8 0.600 2 0.873 7 N×M 0.000 1 0.513 3 0.000 2 0.000 1 0.038 8 0.002 1 1)M0：水稻季不施氮；M1：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=2∶2∶6；M2：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=3∶3∶4；M3：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=4∶4∶2；N：油菜季施氮处理；M：水稻季氮肥运筹方式；油菜季相同施氮量同列数据后的不同小写字母表示水稻季不同氮肥运筹方式间差异显著(P<0.05，LSD法)
1) M0: No nitrogen fertilizer application in rice season; M1: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=2∶2∶6; M2: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=3∶3∶4; M3: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=4∶4∶2; N: Nitrogen fertilizer application treatment in rape season; M: Nitrogen fertilizer management method in rice season; Different lowercase letters in the same column and nitrogen fertilizer application amount in rape season indicate significant differences among different nitrogen fertilizer management methods in rice season (P<0.05, LSD method)
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表 4 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻物质积累转运的影响
Table 4 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on accumulation and transport of hybrid japonica rice
氮肥投入
Nitrogen fertilizer
application氮肥运筹
Nitrogen fertilizer management齐穗期茎鞘干物质质量/
(kg·hm−2)
Stem-sheath dry matter mass
of full heading stage成熟期茎鞘干物质质量/
(kg·hm−2)
Stem-sheath dry matter
mass mass of
maturity stage茎鞘物质输出率/%
Export rate of
stem-sheath matter茎鞘物质转化率/%
Conversion rate of
stem-sheath matter常规施氮
Conventional nitrogen fertilizer applicationM0 5 340.46d 4 034.71d 24.45ab 19.71ab M1 5 378.51c 4 166.68c 22.53b 13.48b M2 6 575.03b 4 556.74b 30.73ab 22.30a M3 7 001.52a 4 702.05a 32.84a 23.76a 平均值 Average 6 073.88 4 365.05 27.64 19.81 减量施氮
Reduced nitrogen
fertilizer applicationM0 5 604.60d 4 286.55c 23.54ab 18.46bc M1 5 637.07c 4 357.23d 22.70ab 14.38c M2 7 452.83b 4 865.72b 34.71a 27.92a M3 7 540.67a 4 953.19a 34.31a 26.65ab 平均值 Average 6 558.79 4 740.25 28.15 21.85 P N 0.045 3 0.001 9 0.100 6 0.008 4 M 0.005 8 0.027 2 0.005 4 0.023 8 N×M 0.000 1 0.000 1 0.000 3 0.000 1 1)M0：水稻季不施氮；M1：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=2∶2∶6；M2：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=3∶3∶4；M3：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=4∶4∶2；N：油菜季施氮处理；M：水稻季氮肥运筹方式；油菜季相同施氮量同列数据后的不同小写字母表示水稻季不同氮肥运筹方式间差异显著(P<0.05，LSD法)
1) M0: No nitrogen fertilizer application in rice season; M1: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=2∶2∶6; M2: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=3∶3∶4; M3: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=4∶4∶2; N: Nitrogen fertilizer application treatment in rape season; M: Nitrogen fertilizer management method in rice season; Different lowercase letters in the same column and nitrogen fertilizer application amount in rape season indicate significant differences among different nitrogen fertilizer management methods in rice season (P<0.05, LSD method)
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表 5 油菜季氮肥投入与水稻季氮肥运筹对杂交籼稻产量及产量构成的影响
Table 5 Effects of nitrogen fertilizer application in rape season and nitrogen fertilizer management in rice season on yield and yield component of hybrid japonica rice
氮肥投入
Nitrogen fertilizer application氮肥运筹
Nitrogen fertilizer management有效穗数/(×104·hm−2)
Number of
effective spike每穗粒数
Number of seeds
per panicle结实率/%
Seed setting rate千粒质量/g
1000-grain weight实收产量/(t·hm−2)
Yield常规施氮
Conventional nitrogen
fertilizer applicationM0 133.21c 199.62b 89.86b 30.70c 6.62c M1 153.86ab 203.66b 90.86ab 31.19bc 8.98b M2 152.82b 207.63b 91.51a 31.78ab 9.05b M3 160.74a 218.68a 91.58a 32.16a 9.67a 平均值 Average 150.15 207.39 90.95 31.46 8.58 减量施氮
Reduced nitrogen
fertilizer applicationM0 128.71b 205.71a 89.92b 30.25c 6.54c M1 153.72a 211.63a 90.83ab 31.61ab 8.99b M2 149.64a 218.64a 90.94ab 31.33b 9.26ab M3 155.88a 226.36a 92.27a 32.25a 9.70a 平均值 Average 146.99 215.58 90.99 31.36 8.62 P N 0.335 9 0.293 7 0.885 8 0.776 7 0.286 1 M 0.024 5 0.129 5 0.054 4 0.129 2 0.002 0 N×M 0.082 3 0.239 2 0.584 0 0.095 6 0.000 1 1)M0：水稻季不施氮；M1：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=2∶2∶6；M2：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=3∶3∶4；M3：水稻季施氮量为150 kg·hm−2，m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=4∶4∶2；N：油菜季施氮处理；M：水稻季氮肥运筹方式；油菜季相同施氮量同列数据后的不同小写字母表示水稻季不同氮肥运筹方式间差异显著(P<0.05，LSD法)
1) M0: No nitrogen fertilizer application in rice season; M1; Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=2∶2∶6; M2: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=3∶3∶4; M3: Applying 150 kg·hm−2 nitrogen fertilizer in rice season, m (base fertilizer)∶m (tiller fertilizer)∶m (panicle fertilizer)=4∶4∶2; N: Nitrogen fertilizer application treatment in rape season; M: Nitrogen fertilizer management method in rice season; Different lowercase letters in the same column and nitrogen fertilizer application amount in rape season indicate significant differences among different nitrogen fertilizer management methods in rice season (P<0.05, LSD method)
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