Régulation climatique en AEC — température, humidité, capteurs, réponse et couplage

Deux expériences dans le navigateur

Le panneau ci-dessus exécute la réponse au refroidissement : modifiez la constante de temps de l'actionneur, la chaleur sensible de l'éclairage et la capacité de refroidissement. Les préréglages 0/300/900/1800 secondes maintiennent les autres entrées à leur référence publiée. La température et la commande/le refroidissement délivré sont tracés séparément. Aucune installation de Python n'est requise ; les commandes de reproduction locale ci-dessous sont facultatives.

Le panneau de régulation couplée exécute à la fois le tout-ou-rien et le PI pour chaque changement de paramètre. Six diagrammes en barres distincts comparent les dépassements de plage, le chevauchement des commandes de refroidissement/déshumidificateur, la chaleur de refroidissement, l'extraction d'eau et la variation des actionneurs. Chaque diagramme a ses propres unités et échelle. A/B enregistre une paire complète de résultats de contrôleur, de sorte que la comparaison des contrôleurs et le changement de conditions restent distincts. Les métriques complètes, les séries numériques, les téléchargements et les conditions partagées sont disponibles dans les deux laboratoires.

La réponse au refroidissement conserve le modèle original de 12 heures, le pas d'Euler de 10 secondes pour la pièce et la mise à jour exacte de l'actionneur du premier ordre par moyenne d'intervalle. L'éclairage commute à 2 et 8 heures ; la température initiale/de consigne est de 24 °C, l'extérieur à 22 °C, la chaleur de base 800 W, la capacité thermique 12 MJ/K, l'UA 300 W/K et les gains PI fixes 0,6 et 0,0004. Tous les échantillons originaux sont tracés, y compris la commande finale maintenue. La plage d'évaluation reste 23–25 °C. L'erreur et le temps hors plage utilisent les débuts d'intervalle ; les extrema incluent les points terminaux. Le modèle exclut l'humidité et le retard des capteurs.

La régulation couplée conserve 24 heures avec des pas explicites de 60 secondes, l'éclairage de 08 à 24 h, un état initial de 24 °C/HR 70 %, 300 m³, 12 MJ/K, une UA de 450 W/K et une ventilation de 0,05 m³/s. La température extérieure est de 21 ± 6 °C et l'HR de 60 % ; la transpiration en présence/absence de lumière est fixée à 2/0,35 kg/h. Les seuils tout-ou-rien restent à 23,5/24,5 °C et HR 65/75 % ; les cibles du PI restent à 24 °C/HR 70 % avec les gains fixes originaux et l'intégration conditionnelle. Les dépassements utilisent les états mis à jour par rapport à 23–25 °C et HR 60–80 %. La variation totale additionne les changements absolus de commande, et non le nombre de commutations. La métrique de chevauchement originale compte les commandes positives de refroidissement et de déshumidificateur même si la réchauffe intérieure est réglée sur zéro.

Le modèle couplé plafonne l'eau par rapport à la saturation à la température précédente avant de mettre à jour la température ; il ne rééquilibre pas la condensation après le refroidissement et ne restitue pas la chaleur de condensation. Le refroidissement est purement sensible ; le séchage est un puits de masse prescrit avec réchauffe séparée. Il n'y a pas de modèle de batterie froide, de retard d'actionneur, de dynamique de capteur ni de couplage CO₂. Les deux laboratoires sont des expériences synthétiques distinctes, non interchangeables. Le kWh thermique n'est pas de l'électricité, et les bornes/préréglages sont des hypothèses pédagogiques et non des réglages de culture ou un dimensionnement d'équipement. Les noyaux, configurations, archives ZIP et résultats de référence originaux sont conservés.

cooling: experiment.py · cooling_kernel.py · config.json

coupled: experiment.py · coupled_kernel.py · config.json

Régulation de la température et de l'humidité en AEC — pourquoi refroidissement, séchage et ventilation interagissent

La température et l'HR peuvent avoir des cibles distinctes, mais les actionneurs affectent rarement une seule grandeur. Une batterie froide retire de la chaleur sensible et peut condenser de l'eau en dessous du point de rosée. Certains déshumidificateurs collectent de l'eau tout en restituant de la chaleur sensible à l'intérieur. La ventilation transporte ensemble température, vapeur et CO₂ selon les conditions extérieures. Des commutateurs de température et d'humidité indépendants peuvent donc se contrarier mutuellement.

Diagram 1 · Use the button to switch views

Schéma : Duskcoil. Un schéma au niveau des responsabilités, indépendant d'un agencement d'équipement particulier.

Séparer les états des commandes

Le laboratoire de bilan thermique stocke la température de la pièce T ; le laboratoire de bilan hydrique stocke la masse de vapeur m_v. L'HR reste dérivée plutôt que de devenir un état conservé supplémentaire.

Le guide CVC du DOE américain distingue le contrôle sensible et latent et décrit les interactions de surrefroidissement/réchauffe. Oklahoma State University Extension traite de même la ventilation des serres comme faisant partie à la fois de la gestion de la température et de l'humidité.

La supervision évite les conflits accidentels

Un refroidissement piloté par l'humidité suivi d'un chauffage à basse température peut faire fonctionner refroidissement et chauffage simultanément. Ce n'est pas automatiquement erroné — une réchauffe délibérée peut réduire l'humidité — mais l'intention, la durée autorisée et le coût énergétique doivent distinguer un mode conçu délibérément de contrôleurs qui s'annulent mutuellement.

Un superviseur minimal rend les priorités explicites :

1. Défaillances de capteurs, condensation et contraintes de protection des équipements
2. Limites strictes de température et d'humidité absolue
3. Bandes cibles normales et hystérésis
4. Conditions autorisant ou interdisant un fonctionnement simultané
5. Limites de puissance et effets secondaires tels que la perte de CO₂ par ventilation

Conditions d'acceptation pour la comparaison de contrôleurs

Les comparaisons tout-ou-rien, à base de règles et PI doivent partager la météo, la transpiration prescrite, le programme d'éclairage LED et l'état initial. Fixez la capacité des actionneurs, le temps minimal de marche/arrêt, le retard, la saturation, ainsi que la comptabilité de la puissance ou de l'eau collectée. Rapportez séparément le temps hors des plages de température et d'HR, la condensation, le nombre de commutations, le temps de chauffage et refroidissement simultanés et l'énergie. Une seule erreur moyenne est insuffisante.

Rejetez les exécutions qui écrêtent silencieusement les capteurs, qui maintiennent des valeurs manquantes sans le déclarer, ou qui ne donnent qu'à un seul contrôleur la météo future. Rejetez également les exécutions qui violent les vérifications de résidu énergétique ou hydrique sous-jacentes.

Ceci est un point d'entrée pour la conception de contrôle, non des réglages spécifiques à une culture ni des recommandations d'équipement. La prochaine implémentation ne devrait coupler que les états thermique et hydrique dans une seule simulation, tout en conservant le CO₂ comme contrainte surveillée séparée.

Références

• Grid-interactive Efficient Buildings: HVAC (U.S. DOE)
• The Hobby Greenhouse (Oklahoma State University Extension)
• Assessing the Risk of Disease in Greenhouses (Penn State Extension)

Capteurs de température et d'humidité — emplacement, réponse et étalonnage

Quelle température le contrôleur voit-il ?

Le laboratoire de réponse au refroidissement a séparé la commande de refroidissement du refroidissement délivré. Son contrôleur recevait néanmoins toujours directement la température actuelle du modèle. Se rapprocher d'une installation réelle nécessite de séparer également l'environnement physique, la lecture du capteur et la valeur transmise au contrôle.

Considérez un échelon idéal de température de l'air de 24 °C à 26 °C et un système de mesure modélisé par une constante de temps du premier ordre de 60 secondes. Après 30 secondes, sa lecture est de 24,787 °C. Comparer cette lecture à 25 °C manque un dépassement déjà présent dans l'entrée. Il s'agit d'un calcul analytique illustratif, et non de données d'installation ni d'une spécification produit.

Cet article est un guide de conception de mesure. Il ne relance pas le laboratoire en boucle fermée précédent et ne classe pas de produits ; son seuil d'exemple n'est pas une recommandation de culture.

Donner un but à chaque emplacement de mesure

Une seule moyenne des lectures de zone de culture, d'air soufflé et d'air repris supprime l'information sur l'endroit où un changement s'est produit. Définissez la grandeur et l'emplacement d'intérêt avant de choisir une règle d'agrégation. Le plan d'investigation suivant est une proposition éditoriale, et non une exigence universelle de nombre de capteurs.

Le guide de conception de Sensirion identifie l'emplacement représentatif, l'échange d'air du boîtier et les influences thermiques comme des préoccupations au niveau du système. La précision autonome d'un capteur n'établit pas sa précision une fois installé.

Pour une enquête, enregistrez l'éclairage, le fonctionnement des ventilateurs et le stade de croissance de la culture, puis comparez les positions dans des conditions de fonctionnement correspondantes. Si un capteur portable se déplace entre les positions, conservez un point de référence fixe : un changement à l'échelle de la pièce pendant l'enquête peut sinon ressembler à une différence spatiale. Échanger deux instruments entre positions peut aider, mais les conditions peuvent changer pendant l'échange. Combinez les permutations avec la colocalisation pour cerner la cause.

Séparer le temps de réponse de l'intervalle d'enregistrement

Lire une valeur chaque seconde n'établit pas une réponse physique d'une seconde. La température et l'HR peuvent aussi répondre différemment. Vérifiez la définition et la configuration installée ; le guide de conception traite de la réponse en termes d'atteinte d'environ 63 % d'un échelon.

Pour cet exemple uniquement, soit T la température cible, T_m la température mesurée et \tau_s la constante de temps de mesure :

Avec un équilibre initial à 24 °C, une entrée constante de 26 °C et \tau_s=60 secondes, la solution est T_m(t)=26-2\exp(-t/60).

La lecture atteint le seuil illustratif de 25 °C après environ 41,6 secondes. L'enregistrement discret peut retarder la détection jusqu'à l'échantillon suivant. Ce modèle commence à répondre immédiatement ; il diffère d'un temps mort pur, pendant lequel aucune réponse ne se produit.

Enregistrez le code Python suivant, utilisant uniquement la bibliothèque standard, sous le nom sensor_example.py et exécutez python3 sensor_example.py pour reproduire le tableau et le temps de franchissement du seuil. Il ne lit ni n'écrit aucun fichier externe.

from math import exp, log

initial, final, tau = 24.0, 26.0, 60.0
for seconds in (30, 60, 180):
    measured = final + (initial - final) * exp(-seconds / tau)
    print(f"{seconds:3d} s: {measured:.3f} C, gap {final-measured:.3f} C")
threshold = 25.0
crossing = -tau * log((final - threshold) / (final - initial))
print(f"threshold crossing: {crossing:.1f} s")

Une pièce réelle n'a pas besoin de changer en échelon, et un système de mesure installé n'a pas besoin d'avoir une seule constante de temps. Lors de l'étude de la réponse à partir de journaux, tenez compte de la dynamique de l'instrument de référence et de l'alignement des horodatages. L'intervalle entre une commande de refroidissement et une lecture modifiée combine les effets de l'actionneur, du transport d'air et de la mesure ; cet intervalle seul ne peut pas identifier chaque contribution.

Conserver la valeur avant et après filtrage

Si le contrôle applique une moyenne mobile ou un autre filtre, enregistrez à la fois la sortie brute de l'instrument acquise et l'entrée de contrôle traitée. La sortie acquise peut déjà inclure un traitement interne. Conservez également les réglages du filtre.

Pour prolonger le laboratoire précédent, utilisez T_m-T_{sp} comme erreur du PI tout en conservant la véritable température T du modèle pour l'évaluation. Comptez séparément le temps hors de la bande pour la température mesurée et la température réelle. Le calcul ici n'a pas de boucle de rétroaction, il ne fait donc aucune affirmation numérique sur l'oscillation résultante ou un dépassement supplémentaire.

Dans une installation réelle, la température réelle n'est pas directement disponible. Des mesures de référence indépendantes comportent elles aussi une incertitude ; documentez l'instrument de référence, la position et les informations d'étalonnage lors du rapport d'une comparaison.

Traiter la température et l'HR comme une paire

L'humidité relative exprime la pression de vapeur par rapport à la pression de vapeur saturante à la température concernée. Pour les calculs de VPD, utilisez une température et une HR représentant le même air et alignez leurs horodatages. Combiner la température d'une étagère avec l'HR de l'air soufflé ne mesure pas le VPD de cette étagère.

Une sonde d'humidité chauffée nécessite de distinguer la zone de détection chauffée de l'air ambiant. La note de Vaisala sur les sondes chauffées décrit l'utilisation d'une mesure de température ambiante supplémentaire pour obtenir l'HR ambiante. Suivez la spécification de sortie de l'instrument choisi plutôt que de traiter toute sortie de sonde chauffée comme la température et l'HR de la zone de culture.

Lors de la fourniture de valeurs au laboratoire VPD, distinguez un calcul de température de l'air d'un calcul feuille-air utilisant la température foliaire. Sans mesure de température foliaire, n'étiquetez pas le résultat basé sur l'air comme une condition foliaire mesurée.

Séparer étalonnage, ajustement et enquêtes d'emplacement

La note d'étalonnage de Vaisala distingue la comparaison à une référence de l'ajustement d'un instrument. Un accord en un point ne vérifie pas toute la plage de fonctionnement. Choisissez les points de comparaison et les limites d'acceptation en tenant compte de la plage de fonctionnement et de l'incertitude de référence.

Enregistrez l'identifiant de l'instrument, la lecture avant ajustement, la lecture de référence, les conditions de stabilisation et la date. Si un ajustement a lieu, ajoutez les changements de réglage et la comparaison ultérieure. Écarter l'écart d'origine rend les journaux de culture antérieurs plus difficiles à évaluer.

L'accord entre deux instruments n'exclut pas un biais partagé. L'étalonnage n'établit pas non plus que la position installée représente la zone de culture. Effectuez la comparaison d'instruments et l'enquête d'emplacement comme des tâches distinctes.

Définir l'enregistrement transmis au contrôle

Les champs suivants constituent une proposition de conception d'enregistrement, et non un jeu de données mesuré.

Maintenir la dernière lecture pendant une panne de communication peut produire un affichage plat rassurant. Transmettez l'âge et la validité de l'échantillon avec la valeur. Définissez la limite de donnée périmée et l'action de contrôle qui en résulte pour l'équipement et la culture réels, puis vérifiez ce comportement lors de la mise en service.

Avant la prochaine expérience, étudiez les différences d'instruments par colocalisation, les différences spatiales par une enquête d'emplacement, et la latence de l'acquisition à l'entrée de contrôle. Ensemble, ces enregistrements permettent de décider s'il faut modifier le contrôleur ou améliorer le processus de mesure.

Laboratoire de réponse au refroidissement — séparer la commande PI du refroidissement délivré

Une capacité de refroidissement égale ne signifie pas une réponse égale

La comparaison de régulation couplée précédente supposait qu'un changement de commande modifiait immédiatement la capacité de refroidissement et de séchage. Cette expérience isole le refroidissement sensible et laisse la capacité délivrée suivre la commande progressivement. C'est un modèle synthétique de pièce, non une installation de culture mesurée.

Sur les mêmes 12 heures, l'augmentation de la constante de temps de l'actionneur de zéro à 900 secondes change l'erreur de température absolue intégrée de 2,287 à 4,351 K·h et la température minimale de 23,419 à 23,044 °C. Les deux cas restent dans la plage choisie de 23–25 °C. Une simple vérification binaire de réussite/échec de bande masque donc une différence substantielle de réponse.

Diagram 2 · Use the button to switch views

Figure : Duskcoil, générée à partir de la simulation Python distribuée. La trace rouge à 1800 secondes est un cas de stress. La bande est une hypothèse expérimentale, non une recommandation de culture.

Une expérience délibérément plus restreinte

Ceci est une expérience distincte pour isoler la réponse de l'actionneur, plutôt qu'une reprise à un seul paramètre du modèle couplé précédent. Elle exclut l'humidité, la transpiration, la réchauffe du déshumidificateur et le CO₂. Tous les cas utilisent un air extérieur à 22 °C, une chaleur de fond de 800 W et une chaleur sensible supplémentaire de 8 000 W liée à l'éclairage entre les heures 2 et 8. Ces 8 000 W ne constituent pas une estimation de la demande électrique de l'éclairage.

Le projet de séparation sensible/latente du DOE décrit une technologie qui traite séparément les charges de température et d'humidité. Ce modèle de pièce ne reproduit pas cet équipement ; le contrôle de l'humidité et de l'électricité nécessitent des modèles et une évaluation supplémentaires.

Attribuer des variables distinctes à la commande et à la sortie délivrée

Définissez l'erreur de sorte qu'une température supérieure à la consigne augmente le refroidissement. La sortie du PI écrêtée entre 0 et 1 est la commande u. Le refroidissement délivré, en fraction de la capacité maximale, est a.

C'est un retard du premier ordre. Sous une commande constante, une constante de temps couvre environ 63,2 % du changement demandé. Une constante de temps de 900 secondes ne signifie pas que rien ne se passe pendant 900 secondes : ce serait un temps mort. La sortie délivrée commence à zéro ; seul le cas à constante de temps nulle suit la commande instantanément.

La pièce utilise un bilan de chaleur sensible :

Le code maintient la commande pour chaque intervalle de dix secondes et calcule analytiquement le point final et la moyenne d'intervalle de l'actionneur. La température de la pièce utilise la méthode d'Euler explicite avec le refroidissement moyenné sur l'intervalle. Cela évite de compter le taux de refroidissement au point final comme s'il avait été délivré tout au long de l'intervalle.

Le contrôleur PI utilise une intégration conditionnelle : il gèle l'intégrale lorsque la commande non contrainte dépasse sa limite supérieure et que l'erreur la pousserait davantage vers la saturation, mais autorise l'intégration qui libère la saturation. MathWorks distingue cette méthode du suivi de la sortie réelle de l'actionneur. Seule l'intégration conditionnelle est implémentée ici ; elle ne compense pas elle-même la dynamique de l'actionneur.

Comparer les métriques sur le même intervalle

L'erreur absolue intégrée accumule |T-T_{sp}|, de sorte que les écarts chauds et froids ne peuvent pas s'annuler. La durée hors bande et l'erreur utilisent la température au début de chaque intervalle : ce sont des approximations de dix secondes. Les minima et maxima incluent tous les points terminaux de la grille, y compris l'état initial et final.

À l'extinction de l'éclairage, l'apport de chaleur sensible chute immédiatement tandis que le refroidissement délivré décroît progressivement. Comparez la sortie restante du panneau inférieur après la diminution de la commande avec l'excursion froide du panneau supérieur. Une augmentation de la chaleur de refroidissement ne peut pas être directement interprétée comme une augmentation d'électricité ou de coût : il n'y a pas de modèle de COP, de pompe ou de ventilateur pour le refroidissement.

Exécuter, puis modifier une condition

Extrayez l'archive ZIP reproductible dans un répertoire vide. Le calcul et les tests ne nécessitent que la bibliothèque standard de Python ; la validation a utilisé Python 3.12.

python3 reproduce.py
python3 -m unittest -v
python3 experiment.py config.json --tau 900 --csv trace-local.csv
python3 experiment.py config.json --tau 1800

reproduce.py vérifie les empreintes des fichiers distribués et recalcule les cas sauvegardés à 0, 300 et 900 secondes. L'export CSV refuse d'écraser un fichier existant. La dernière ligne du CSV porte la commande maintenue précédente ; elle ne représente pas une nouvelle mise à jour de contrôle au point terminal.

Téléchargements individuels : configuration, source du calcul, résultats de référence, résultat à 1800 secondes, CSV à 900 secondes, et manifeste.

Essayez d'abord 1800 secondes sans changer les gains. Cela passe 3,650 heures hors bande. Cela signifie l'échec du critère d'acceptation choisi, non une divergence ou une défaillance d'équipement démontrée. Revenez ensuite à 900 secondes et changez dt_s à 5 pour examiner les effets de discrétisation. Changer toutes les conditions en même temps masque la cause de l'amélioration.

L'exactitude numérique et l'adéquation à une installation sont des vérifications différentes

Dix tests couvrent la réponse analytique du premier ordre, la subdivision d'intervalle, les bornes de l'actionneur, le gel/relâchement de l'intégrale, la solution connue à chaleur constante, le résidu du bilan thermique, les sorties de référence, les entrées invalides, la convergence au demi-pas et le dépassement de bande du cas de stress. Sur les trois cas standard, réduire de moitié le pas de dix à cinq secondes change les extrema, l'erreur absolue et la chaleur de refroidissement de moins de 0,03 °C, 0,03 K·h et 0,03 kWh respectivement. La convergence numérique n'établit pas que les paramètres synthétiques représentent une installation réelle.

Pour une installation réelle, recueillez des historiques de commandes et des mesures permettant d'estimer le refroidissement délivré, puis séparez les données d'identification et de validation. Le retard des capteurs, les temps de marche minimaux, le fonctionnement par étages, le temps mort et le couplage avec l'humidité sont d'autres extensions. Les consignes de culture, le risque de maladie et les pourcentages d'économie d'énergie ne sont pas des sorties de cette expérience.

Poursuivre la lecture

Capteurs de température et d'humidité examine l'emplacement, la réponse de mesure et l'étalonnage avant de transmettre les lectures au contrôle.

Laboratoire de régulation couplée — comparer tout-ou-rien et PI sous perturbations identiques

Commencer par le résultat

Sur les mêmes 24 heures synthétiques, le PI réduit la variation totale des actionneurs de 34,0 à 2,853 et l'extraction de refroidissement de 182,233 à 178,854 kWh. Mais le dépassement de température augmente de 7,95 à 10,02 h, et le chauffage et refroidissement simultanés du déshumidificateur augmentent de 9,37 à 14,65 h. Cette exécution n'établit pas la supériorité du PI.

Diagram 3 · Use the button to switch views

Schéma : Duskcoil. Frontière de système partagée pour la comparaison des contrôleurs.

Conditions partagées

Les bilans thermique et hydrique sont combinés avec seulement deux états : la température de la pièce T et la masse de vapeur m_v. La météo, les LED, la transpiration prescrite, l'état initial, le pas de 60 secondes, le refroidissement de 14 kW et le séchage de 2,5 kg/h sont identiques. Le déshumidificateur synthétique restitue 1,8 kW de chaleur sensible à l'intérieur. Le CO₂ reste séparé.

Les commutateurs à hystérésis se situent autour de 24 ± 0,5 °C et 65/75 % HR. Les sorties du PI saturent entre 0 et 1 et utilisent un anti-emballement conditionnel. Les gains sont synthétiques, et non des réglages d'équipement ajustés.

Comme l'explique le guide du DOE, le contrôle sensible et latent peut impliquer un surrefroidissement et une réchauffe. Une énergie plus faible ne tranche pas à elle seule la conception lorsque les dépassements ou le fonctionnement simultané augmentent.

Exécuter et vérifier

Extrayez le ZIP :

python3 experiment.py config.json > result.json
python3 -m unittest -v

Voir config.json, expected.json, et experiment.py. Huit tests couvrent les deux contrôleurs, le déterminisme, les résidus d'énergie/d'eau et les entrées invalides.

Avant d'ajuster les gains, fixez les bandes d'acceptation, les poids des métriques, les limites de fonctionnement simultané, la conversion électrique et les retards d'actionneur. Un déploiement réel doit séparer les données d'identification et de validation. Cet article ne fournit ni réglages de culture, ni économies réelles d'équipement, ni garantie de supériorité du PI.

Le complément de réponse au refroidissement sépare la commande du refroidissement délivré et ne fait varier que la constante de temps de l'actionneur.

Références

• Grid-interactive Efficient Buildings: HVAC (U.S. DOE)
• The Hobby Greenhouse (Oklahoma State University Extension)