способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице и система для его реализации

Формула изобретения

1. Способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице, включающий разбиение вегетационного периода растений в теплице на равные промежутки времени, продолжительность которых на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения, вычисление для каждого промежутка времени оптимальной температуры и поддержание этой оптимальной температуры постоянной в течение всего промежутка времени, отличающийся тем, что измеряют влажность воздуха, температуру воздуха и освещенность в теплице с получением сигналов от датчиков воздуха, температуры и освещенности соответственно, измеряют возраст растений с получением сигнала от счетчика возраста растений, определяют продолжительность светового периода, при этом данные поступают в компьютерный задатчик, который вычисляет среднее значение ночной температуры, затем определяет одномерную оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру воздуха и далее определяет одномерную оптимальную по продуктивности освещенность, после чего в соответствии с определенными значениями температуры и освещенности изменяют уставки задатчиков.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают одномерную оптимальную по продуктивности температуру воздуха в теплице для дневного времени суток по формуле:



где a₂, a₁₂, a₂₂ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза;

а₂=0,1881;

а₁₂=0,0125;

а₂₂=-0,0215;

а₂₃=0,0014;

а₂₄=-0,0087;

а₂₅=0,0000;

а₂₆=0,0107;

E₁ - установившееся в результате функционирования системы и учитывающее действие солнечной радиации текущее значение освещенности, клк;

Т₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °С;

₁ - заданная оператором-техником длительность фотопериода или досвечивания, ч;

₂ - возраст растения, сут;

₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают одномерную оптимальную по продуктивности освещенность по формуле:



где a₁, a₁₁ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза;

a₁=1,9788;

а₁₁=-0,0141;

а₁₂=0,0125;

a₁₃=-0,0034;

a₁₄=-0,0046;

a₁₅=-0,0174;

a₁₆=-0,0147;

t₁ - установившееся в результате функционирования системы текущее значение температуры, °C;

T₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;

₁ - заданная оператором-техником длительность фотопериода или досвечивания, ч;

₂ - возраст растения, сут;

₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %.

4. Система автоматического управления температурно-световым режимом в теплице, содержащая контур управления температурой в теплице, включающий датчик температуры, выход которого связан с объектом регулирования через сравнивающий элемент с задатчиком, усилитель сигнала рассогласования температуры текущей и вычисленной, а также исполнительный механизм, поддерживающий в объекте вычисленную температуру, а также вычислительный блок, производящий расчеты оптимальной температуры, отличающаяся тем, что система содержит дополнительный контур управления освещенностью, состоящий из датчика освещенности, сравнивающего элемента, усилителя и исполнительного механизма и осуществляющий управление досвечивающей аппаратурой по значениям параметров освещенности определенным компьютерным задатчиком, включение и выключение осветительной аппаратуры осуществляется магнитным пускателем посредством сигнала от релейного механизма времени, задание длительности светового периода от которого также поступает на вход компьютерного задатчика, а также система снабжена датчиком влажности воздуха, счетчиком возраста растений, а вычислительный блок и задатчик объединены в компьютерный задатчик, который формирует сигналы в виде значений оптимальной температуры и оптимальной освещенности для двух контуров управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам и системам автоматического управления температурно-световым режимом в теплицах или других сооружениях защищенного грунта.

Известен способ автоматического управления температурным режимом в теплице [а.с. СССР № 1503711, МПК 4 A01G 9/26], в котором весь период выращивания растений делится на равные промежутки времени, продолжительность которых меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения. Для этого промежутка времени вычисляется оптимальная из условия равенства нулю производной энергозатрат на единицу продукции температура. В соответствие с этой температурой изменяется уставка задатчика температуры, обеспечивающая поддержание ее постоянства в течение выбранного промежутка времени.

Однако предложенный способ не позволяет решить актуальную задачу производства овощей в защищенном грунте, решением которой является повышение коэффициента полезного действия (КПД) механизма фотосинтеза растений. В условиях естественной облученности средние по густоте посадки используют лишь 1% приходящей энергии солнечного излучения, что значительно ниже теоретически возможного.

Считается, что повысить энергетический КПД фотосинтеза растений можно, согласовав основные факторы среды с облученностью. Это тем более важно в настоящий момент времени, при современной интенсификации тепличного овощеводства, которое предполагает загущенную посадку растений на 1 м² полезной площади (многоярусный способ выращивания), при которой на каждый квадратный метр высаживается до 10 растений, в то время как при традиционном способе посадки всего 3-4 растения. Это позволяет увеличить урожайность с 30 до 300 кг/м² . Такая плотность посадки требует обязательного досвечивания, а это должно приводить к очень большим энергетическим затратам. Однако прибыль от большого урожая покрывает затраты на досвечивание. Хотя иногда в условиях тотального дефицита энергоресурсов бывает желательно снизить затраты как на досвечивание, так и на обогрев защищенного грунта.

Известен способ оптимизации факторов среды обитания при выращивании растений [а.с. СССР № 456595, МПК 4 A01G 9/26], в котором оптимизация фотосинтеза растений осуществляется с помощью регулирования облученности. При этом способ автоматической оптимизации растений сводится к нахождению оптимальной точки на световой кривой фотосинтеза.

Обеспечивающая реализацию этого способа система автоматической оптимизации фотосинтеза растений состоит из ассимиляционной камеры, куда помещены растения, которые облучаются регулируемым источником излучения. Показателем интенсивности фотосинтеза растений является концентрация углекислого газа (СО₃), которую замеряют прибором «Инфралит-1». Используя информацию о фотосинтезе растений, судить о котором можно по скорости поглощения углекислого газа из объема ассимиляционной камеры, и на основе которой формируют целевую функцию управления с экстремумом в соответствии с принятым критерием. С помощью пускорегулирующего устройства ксеноновой лампы ДКСТВ-6000 управляют уровнем облученности растений, которую измеряют пиранометром Янушевского. Поиск максимума целевой функции осуществляет экстремальный регулятор ЭРБ-5, который впоследствии поддерживает полученное значение облученности. Система содержит вычислительный комплекс для обработки поступающей информации об интенсивности фотосинтеза и облученности растений и на ее основе вырабатывает управляющий сигнал, который поступает в экстремальный регулятор ЭРБ-5. Регулятор изменяет направление вращения электродвигателя, если система не находится в точке оптимума выбранного критерия, а двигатель через редуктор перемещает движок регулятора напряжения РНО, который медленно изменяет мощность дуговой ксеноновой лампы ДКСТВ-6000, меняя тем самым облученность растений.

В данном способе оптимизации факторов среды обитания при выращивании растений и системе, обеспечивающей его реализацию, можно обнаружить ряд недостатков. Во-первых, не учтено взаимодействие двух основных факторов микроклимата - температуры и освещенности. Если при изменении освещенности одновременно не менять температуру воздуха в теплице, делая при этом ряд последовательных шагов, то регулятор так и не найдет действительный максимум интенсивности фотосинтеза. Во-вторых, экстремальное регулирование - не самый быстродействующий и экономичный способ управления режимами микроклимата, так как регулятор должен сделать несколько шагов, чтобы определить максимум, а это снижает надежность системы, постоянно находящейся в режиме автоколебаний. В-третьих, система содержит громоздкие приборы определения CO₂-газообмена в ассимиляционной камере, такие приборы пригодны в научных лабораториях, где их будут обслуживать специалисты, в теплицах такие системы мало функциональны.

Известен также способ управления температурным режимом в теплице [а.с. СССР № 1438657, МПК 4 A01G 9/26. Способ автоматического управления температурным режимом в теплице / Ф.Л.Изаков, С.А.Попова. Е.В.Стрельникова и Л.В.Гребенкина (СССР). - № 3738938/30-15; заявлено 20.01.1984; опубл. 23.11.1988, Бюл. № 43], выбранный за прототип, в котором для повышения эффективности весь период выращивания растений делится на равные промежутки времени и для каждого вычисляется оптимальная из условия равенства нулю производной от экономического критерия температура. В соответствии с этой температурой изменяется уставка задатчика температуры.

Система [а.с. СССР № 1438657, МПК 4 A01G 9/26], обеспечивающая способ, выбранный за прототип, состоит из вычислительного блока, куда подается информация от датчиков контроля состояния внешней среды и где производится обработка информации и расчет необходимой для управления температуры воздуха в теплице, в соответствии с которой изменяется уставка задатчика; датчика внутренней температуры, который измеряет и передает сигнал от объекта элементу сравнения, где происходит сравнение двух значений температур; усилителя; генератора тактовых импульсов, по сигналу которого происходит сброс предыдущего расчета и начало нового; коммутатора, который передает управляющий сигнал на исполнительный механизм, который должен поддерживать вычисленную температуру в течение дискретного промежутка времени.

Рассмотренный способ и система, его реализующая, имеют ряд недостатков. Во-первых, до сих пор отсутствуют математические модели урожая как конечного продукта процесса вегетации растений, а значит этот способ трудно реализуем. Во-вторых, цены на тепличную продукцию и топливо в течение срока вегетации нельзя предсказать, они постоянно меняются и сильно влияют на вычисление оптимальной по предложенному критерию температуры. В-третьих, математическая модель урожая не содержит важных показателей фитомикроклимата: длительности действия светового фактора и влажности воздуха. В-четвертых, не предусмотрена возможность изменения естественной освещенности в пользу ее увеличения в случае пасмурных дней, тем более что современные тепличные комбинаты снабжены досвечивающими установками, работа которых может быть регламентирована каким-либо критерием.

Целью изобретения является повышение точности поддержания температуры и освещенности в культивационном помещении и устойчивости работы системы, а также повышение КПД механизма фотосинтеза растений за счет согласования таких факторов среды, как температура и облученность, в результате которого повышается продуктивность тепличных культур и сокращается период вегетации до начала плодоношения.

Сущность изобретения состоит в следующем. В предлагаемом способе время выращивания растений в теплице разбивается на равные промежутки времени, продолжительность которых по крайней мере на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения. В отличие от прототипа измеряют не внешние параметры микроклимата, а в каждом из этих промежутков времени измеряются освещенность, влажность воздуха внутри теплицы, возраст растений, определяется средняя температура предыдущей ночи и продолжительность светового периода. По результатам измерений определяют одномерную оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру, которую поддерживают постоянной в течение выбранного промежутка времени. Одномерная оптимальная температура определяется из условия равенства нулю производной от интенсивности фотосинтеза по температуре. В дополнение к этой функции должна быть вычислена одномерная оптимальная по продуктивности освещенность из условия равенства нулю производной от интенсивности фотосинтеза по освещенности. В случае, когда реальная освещенность в теплице ниже расчетной, должна быть включена аппаратура досвечивания на период установленный агротехником.

Критерий продуктивности получен с использованием математической модели роста огурца сорта «Московский тепличный» [Попова С.А. Энергосберегающая система автоматического управления температурным режимом в теплице: Дис. канд. техн. наук 05.13.06. Челябинск, 1995]. В общем виде математическая модель СО₃-газообмена, полученная в ходе эксперимента в камере искусственного микроклимата, записывается следующим образом:

где t₁ - текущее значение дневной температуры воздуха в культивационном помещении, °С;

E₁ - текущее значение освещенности;

T₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °С;

₁ - длительность фотопериода, час;

₂ - возраст растения, сутки;

₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %;

а₀, a₁, а₂ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза.

Для заявляемого способа и системы автоматического управления температурно-световым режимом в теплице используется критерий максимальной продуктивности, то есть приравнивают к нулю частные производные от интенсивности фотосинтеза

и определяют одномерные значения температуры и освещенности, при которых имеет место максимум интенсивности фотосинтеза, косвенного показателя продуктивности.

Одномерную оптимальную дневную температуру t₂₁ вычисляют по формуле:

где a₂, a ₁₂, a₂₂ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза;

а ₂=0,1881;

а₁₂=0,0125;

а₂₂=-0,0215;

а₂₃=0,0014;

а₂₄ =-0,0087;

а₂₅=0,0000;

а₂₆-0,0107;

E₁ - установившееся в результате функционирования системы и учитывающее действие солнечной радиации, текущее значение освещенности, клк;

Т₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °С;

₁ - заданная оператором-техником длительность фотопериода или досвечивания, час;

₂ - возраст растения, сутки;

₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %.

Одномерную оптимальную освещенность в теплице Е₂₁ вычисляют по формуле:

где а₁, а ₁₁ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза;

а₁=1,9788;

а₁₁=-0,0141;

а₁₂ =0,0125;

а₁₃=-0,0034;

а₁₄=-0,0046;

а₁₅ =-0,0174;

а₁₆=-0,0147;

t₁ - установившееся в результате функционирования системы, текущее значение температуры, °С;

T₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °С;

₁ - заданная оператором-техником длительность фотопериода (или досвечивания), час;

₂ - возраст растения, сутки;

₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %.

В соответствии с определенными таким способом значениями температуры и освещенности изменяют уставки задатчиков.

Система автоматического управления температурно-световым режимом в теплице, реализующая данный способ, содержит контур управления внутренней температурой в теплице, включающий датчик внутренней температуры, выход которого связан с объектом регулирования через элемент сравнения с задатчиком, усилитель сигнала рассогласования температуры текущей и вычисленной, а также исполнительный механизм, поддерживающий в объекте вычисленную температуру, а также вычислительный блок, производящий расчеты оптимальной температуры. В отличие от прототипа система содержит дополнительный контур управления освещенностью, состоящий из датчика освещенности, сравнивающего элемента, усилителя и исполнительного механизма и осуществляющий управление досвечивающей аппаратурой по значениям параметров освещенности определенным компьютерным задатчиком, включение и выключение осветительной аппаратуры осуществляется магнитным пускателем посредством сигнала от релейного механизма времени, задание длительности светового периода от которого также поступает на вход компьютерного задатчика, а также система снабжена датчиком влажности воздуха, счетчиком возраста растений, а вычислительный блок и задатчик объединены в компьютерный задатчик, который формирует сигналы в виде значений оптимальной температуры и оптимальной освещенности для двух контуров управления.

Совокупность признаков заявляемого способа и системы для его реализации не известны и не следуют явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

На чертеже представлена схема системы автоматического управления температурно-световым режимом в теплице по критерию продуктивности. Система контура автоматической оптимизации температуры воздуха, реализующая данный способ, состоящая из датчика 5, сравнивающего элемента 1, усилителя 2, исполнительного механизма 3 и регулирующего органа 4, поддерживает вычисленную компьютерным задатчиком 12 температуру до наступления момента нового вычисления.

Система контура автоматической оптимизации освещенности, состоящая из датчика 9, сравнивающего элемента 6, усилителя 7, исполнительного механизма 8, релейного механизма 10 и магнитного пускателя 11, осуществляет регулирование досвечивающей аппаратурой по значениям параметров освещенности определенным компьютерным задатчиком 12.

Способ осуществляется следующим образом. Сигналы от датчиков температуры 5, освещенности 9, влажности воздуха 13 и счетчика возраста растений 14 поступают в компьютерный задатчик 12, где по формулам (3) и (4) происходит расчет оптимальных по продуктивности температуры и освещенности. Сначала определяют оптимальную дневную температуру t₂₁ из учета заданных агротехниками начальных параметров режима работы досвечивающей аппаратуры E₁ и ₁. Внутри теплицы поднимается температура, соответствующая дневному периоду. Затем вычисляют оптимальную освещенность E ₂₁ с учетом установившейся внутри теплицы дневной температуры воздуха. После чего в работу вступает осветительная аппаратура. Порядок включения программы заложен в алгоритм компьютерного задатчика. Последующие вычислительные операции происходят по факту изменения какого-либо параметра, входящего в уравнение (3) или (4). Например, при изменении возраста ₂ или влажности ₂. Расчет оптимальных значений производится на промежуток времени, длительность которого на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения (например 0,1 мин).

Система, отвечающая за контур автоматической оптимизации освещенности по заявленному способу, работает следующим образом. По данным датчиков 5, 13, 14 и установленной вручную длительности фотопериода, что соответствует длительности работы досвечивающей аппаратуры, осуществляемой при помощи релейного механизма 10, компьютерный задатчик 12 вырабатывает выходной сигнал E₂₁ по уравнению (4), являющемуся заданием для системы оптимизации освещенности. На элементе сравнения 6 происходит сравнение задания E₂₁ с сигналом датчика освещенности 9, который учитывает еще и естественную освещенность (поступающую от солнца), значение рассогласования двух сигналов усиливается элементом 7, и затем происходит включение исполнительного механизма осветительной аппаратуры, который изменяет высоту подвески ламп, что приводит к изменению текущего значения освещенности. В свою очередь, это изменение отслеживает датчик освещенности 9. После окончания установленного техниками времени досвечивания срабатывает релейный механизм 10 и отключает магнитные пускатели досвечивающей аппаратуры 11. Так как загущенные требующие досвечивания посадки высаживают многоярусным способом, досвечивающая аппаратура опускается между растениями. Датчик освещенности по этой причине так же должен быть расположен между растениями, так как нижние ярусы посадок сильно страдают от нехватки света.

Работа системы, отвечающей за канал автоматической оптимизации температуры, осуществляется следующим образом. Компьютерный задатчик по данным датчиков 13 и 14, значениям предварительного светового режима Е₁ и ₁, установленного техниками, и значению средней температуры предшествующей ночи вырабатывает по уравнению (3) задающий сигнал t₂₁, поданный на элемент сравнения 1. Другой сигнал на сравнивающее устройство поступает от датчика 5 температуры воздуха в теплице, который учитывает изменение температуры вследствие включения досвечивающей аппаратуры или влияние внешних условий среды. Сигнал рассогласования, полученный на выходе устройства 1, преобразуется в соответствии с необходимым законом управления и усиливается устройством 2, после чего поступает на исполнительный механизм 3, который приводит в движение регулирующий орган 4, изменяющий подачу теплоносителя в системе трубного обогрева теплицы.

Совместное использование способа и системы значительно повышает эффективность использования световой энергии солнца и облучательной установки культивируемыми растениями, а значит, позволяет сократить длительность периода вегетации до начала плодоношения, увеличить продуктивность самих растений, а также повысить товарные качества плодов и содержание в них сахаров и витаминов.