JPH03155718A

JPH03155718A - 植物養液栽培装置

Info

Publication number: JPH03155718A
Application number: JP1295127A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Watake; 輪竹　宏昭
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-15
Filing date: 1989-11-15
Publication date: 1991-07-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、植物養液栽培装置に関する。

（従来の技術）野菜や果物などをほぼ一定の品質で多量に生産するため
に、近年、植物の生育に適した栄養成分、例えばに、Ｎ
、Ｃａ、Ｐ、Ｍｇなどを溶は込ませた養液により植物を
栽培する養液栽培技術が脚光を浴びてきている。

そして、このような養液栽培では、植物の生育ステージ
に合わせて養液中のに、Ｎ、Ｃａ、ＰＭｇなどの各種栄
養成分を変化させる必要があると共に、各生育ステージ
に適した成分組成に保てるように成分管理を行なわなけ
ればならない。

そこで最近では、イオン選択性電極を利用したイオンメ
ータが利用され、オンラインシステムで養液の各種成分
、例えばＫ”　、Ｃａ”、Ｎｏ。

などのイオン濃度の測定をオンラインで行うようにした
植物養液栽培装置が出現している。

第７図はこの様な養液栽培装置の一般的な構成を示すも
のであって、ハウス１内に栽培ベツド２を置き、植物の
生育に適した栄養成分、例えば窒素Ｎ１燐酸ｐ２ｏ、　
、カリウムにの３栄養素と共にマグネシウムＭｇ１マン
ガンＭ　ｎ　、カルシウムＣａその他を水に溶かし込ん
だ養液３を貯溜する養液タンク４から養液３をポンプ５
により配管６を通じて栽培ベツド２に供給し、この栽培
ベツド２に多数植え込まれている花や野菜などの植物７
を育てるようにしている。

そして、養液３の理想的な成分組成は、生育させる植物
の種類やその植物の生育ステージに応じて異なっており
、また−日のうちでも朝、昼、夜では養分吸収度が異な
り、さらに晴天の日と雨天の日とでも養分吸収度が異な
る。そのために、養液中の成分組成を常時把握しながら
不足している成分を欠かすことがないように補給するよ
うにしなければ植物の生長が遅くなったり、きれいな花
を咲かせることができなかったり、おいしい果実を結ん
だりすることができなかったりし、極端な場合には植物
から排出される老廃物で養液中の栄養成分が完全に置き
換わってしまっているのにまったく気付かず、植物が枯
れてきて初めて栄養素が消費し尽くされてしまったこと
が分かり、大きな損害を被ることも起き得る問題点があ
った。

そこで、従来では、養液タンク４にｐＨ計８、導電率（
Ｅ　Ｃ’）計９、’ｔｆｌ温計１０を設置して養液３の
成分管理を行うと共に、さらにイオン選択性電極を利用
したイオンメータ１１を設け、このイオンメータ１１で
養液の各成分をイオン濃度で測定して成分組成の状態を
オンラインで監視するようにしている。

この従来のイオンメータ１１は、例えばカリウムに十　
カルシウムＣａ”、硝酸ＮＯ３−の３成分Ｊｌｌｌ定を
一定の周期で間欠的に継続して行い、ある成分のイオン
濃度が所定値よりも低下したときにはそのイオン成分を
補給するために原液タンクから原液を養液タンク４に補
給し、成分不足を来さないようにするものである。

そして、このイオンメータ１１の各周期ごとのイオン濃
度測定に当たっては、測定対象となる各成分イオンが所
定の高濃度で存在する高濃度校正液と各成分イオンが所
定の低濃度で存在する低濃度校正液とをそれぞれ高濃度
校正液タンク１３と低濃度校正液タンク１４から取り込
み、それらの各イオン成分に対するイオン選択性電極の
示す電圧値を測定して各成分イオンごとの検量線を求め
、続いてサンプリングポンプ１５により養液タンク４か
らサンプリングタンク１６に取り出されているサンプリ
ング養液をイオンメータ１１中に取り込み、その養液中
に溶は込んでいる各成分イオンごとの電圧値をイオン選
択性電極の出力電圧から読み取り、前記検量線を参照し
て当該養液中の各成分のイオン濃度を求め、測定値とし
て表示窓１１ａ〜ｌｌｃに表示すると共に、プリンタ１
２によってプリントアウトする構成としていた。尚、１
７は測定終了した校正液やサンプリング養液の排液タン
クである。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このような従来の植物養液栽培装置では
、養液中の各成分ｌ農度を正確にＪＰＩ定して濃度調整
を行うことができるが、次のような問題点があった。

つまり、栽培対象とする植物はその生育ステージにより
、また−日のうちでも昼と夜とでは必要とする成分が異
なり、また各成分ごとの吸収度もこれらの環境条件によ
って異なってくる（橋本康、輪竹宏昭池、生物環境調節
、１９８８年　Ｖｏ１２６、Ｎｏ、３を参照）。

したがって、栽培対象となる植物の生長ステージと現実
の環境条件とにより養液中の成分濃度の最適値は変動す
るものであり、−律には決定することができないもので
ある。

ところが、従来の植物養液栽培装置では目標とする成分
濃度になるように養液の各成分濃度を調整することは正
確に行えるが、成分濃度の目標値側の変更は行えず、常
に一定０成分濃度となるように調整することしかできな
いために、植物の生育ステージに対応して変化する理想
的な成分濃度に常に養液成分濃度を調整することができ
ず、露地栽培のように天然の味を得る点で十分とはいえ
ない問題点があった。

この発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされた
もので、植物の生育ステージに応じて、また環境条件の
変化に応じて常に理想的な成分濃度に養液成分濃度を調
整しながら植物栽培のできる植物養液栽培装置を提供す
ることを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）この発明の植物養液栽培装置は、栽培対象植物の生育ス
テージに応じて最適な養液成分濃度を記憶している養液
成分濃度記憶手段と、気温、日照度、時刻などの環境の
変化に応じて前記栽培対象植物の消費する養液成分の変
化度合を記憶している変動要素記憶手段と、前記養液成
分濃度記憶手段からの栽培対象植物の該当生育ステージ
における最適養液成分濃度と前記変動要素記憶手段から
の現在時刻における環境条件に見合った養液成分の変化
度合情報とを加味して現在時刻における最適養液成分濃
度を割り出す最適養液成分濃度演算手段と、この最適養
液成分濃度演算手段が与える最適養液成分濃度情報に基
づいて実養液成分濃度を調整する養液濃度調整手段とを
備えたものである。

そして、この発明では、前記最適養液成分濃度演算手段
による最適養液成分濃度の演算にフィードフォワード制
御手法を用いることができ、またファジィ制御手法を用
いることもできる。

（作用）この発明の植物養液栽培装置では、最適養液成分濃度演
算手段により、養液成分濃度記憶手段の記憶している植
物の生育ステージに対応した最適養液成分濃度を引き出
し、さらに変動要素記憶手段から現在の環境条件に対応
して必要な養液成分濃度の変化度合を引き出す。そして
、これらの情報から栽培対象植物の現在の生育ステージ
における環境条件に見合った最適な養液成分濃度を割り
出し、養液濃度調整手段に与える。

そこで養液濃度調整手段は、最適養液成分濃度演算手段
からの最適養液成分濃度情報に基づいて実際の養液成分
濃度を調整し、常に植物の生育ステージに応じて必要と
する養液成分濃度を保ち、しかも環境条件に応じて変化
する成分濃度変化にも対応する養液濃度成分調整をする
ことができる。

（実施例）以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説する。

第１図はこの発明の一実施例を示しており、養液成分濃
度をフィードフォワード制御により最適なものに調整す
る場合の構成を示している。

第１図において、２１は栽培ベツドであり、この栽培ベ
ツド２１に野菜や花の幼植物２２が植え込まれ、養液原
液タンクから成分調整弁のような成分調整装置２３を介
して含有成分濃度のことなる複数種の養液原液が所定の
比率で供給されるようになっている。

なおこの実施例では、栽培ベツド２１に対する養液の供
給は、成分調整装置２３から直接行われるようになって
いるが、他の実施例として、成分調整装置２３からの養
液を一旦養液タンクに貯溜し、そこから循環ポンプによ
り栽培ベツド２１に供給し、再び栽培ベツド２１から養
液タンクに戻すという循環作用により行うようにしても
よい。

栽培ベツド２１に供給される養液の成分濃度を調べるた
めに、栽培ベツド２１の養液に対して各種イオン濃度セ
ンサ、例えばカリウムイオンに′″カルシウムイオンＣ
ａ、硝酸イオンＮＯ３−の３ＰＩｉ類のイオンそれぞれ
に対するイオン濃度センサ２４　ａ、２４　ｂ、２４　
ｃが設けられ、また生育条件を調べるための各種センサ
として、水温計２５、導電率計２６、ｐＨ計２７が栽培
ベツド２１に設けられ、また外部環境条件を調べるため
に気温計２８、湿度計２９、日照計３０が備えられてい
る。

３１は制御用コンピュータであり、植物の生育ステージ
や気温、湿度、日照度などの外部環境条件情報を取り入
れて養液の成分濃度に必要な補正値を演算する部分であ
る。したがって、この制御用コンピュータ３１は、水温
計２５、気温計２８、湿度計２９、日照置針３０からの
外部環境条件情報を入力し、内部にこれらの外部環境条
件との対応で変化する各種成分イオン濃度の最適値を記
憶し、入力される環境条件から各種成分イオン濃度の補
正値を演算して出力する補正値演算部３２ａ。

３２ｂ、３２ｃと、導電率の補正値を演算して出力する
導電率補正値演算部３３およびｐＨ補正値を演算して出
力するｐＨ補正値演算部３４とを備えており、これらか
らの補正値ＦＦＶが成分調整装置２３に与えられるよう
になっている。

３５はコントローラであり、あらかじめ与えられている
養液成分濃度ＳＶに対して栽培ベツド２１のイオン濃度
センサ２４　ａ、２４　ｂ、２４　ｃから得られる実際
の養液成分イオン濃度ＰＶとを比較し、実際の養液成分
イオン濃度Ｐ■が目標養液成分イオン濃度ＳＶに対して
許容範囲を越えて開離している場合に、目標成分イオン
濃度に戻すために必要な養液原液の追加供給量ＭＶを演
算し、成分調整装置２３に出力する部分である。

尚、目標成分イオン濃度Ｓ■は、コントローラ３５に直
接設定できるようにしてもよいが、制御用コンピュータ
３１から与えるようにすることもできる。

次に、上記の構成の植物養液栽培装置の動作について説
明する。− コントローラ２３は、栽培ベツド２１中の養液に対して
各種イオン濃度センサ２４ａ、２４ｂ２４ｃからの情報
と導電率計２５、ｐＨ計２６からの情報ＰＶを基にして
養液の状態を調べ、目標値Ｓｖと比較して不足している
ような成分に対してはその不足を補うのに必要な養液原
液の追加供給ｆｉＭＶを演算し、また導電率が上昇して
いるような場合には水不足を補うのに必要な追加供給量
を演算し、さらにｐＨ゛が大きく変動しているような場
合にも目標とする値に復帰するために必要な水分供給、
または養液原液供給量を演算し、これらを操作ｉＭＶと
して成分調整装置２３に出力する。

これと同時に、制御用コンピュータ３１は、フィードフ
ォワード制御によりコントローラ３５からの操作量ＭＶ
に対する補正ｌ１ｌａＦＦ■を演算して成分調整装置２
３に与えることになるが、その動作手順が第２図のフロ
ーチャートに示されている。

植物はその生育ステージに応じて必要とする栄養成分の
比率が変動し、当然に養液からの各種成分の消費量も異
なってくる。また、［１中の日照度が大きい時と夜間の
日照度が０の時とでも各種成分の消費量、および水分そ
のものの消費量が異なって（る。したがって、養液成分
比率をコントローラ３５側で生育ステージに関係なく一
定比に決めておくと、当然に消費量の大きい成分のイオ
ン濃度が低下してくることになり、あらかじめ消費を見
越して多めに混合しておくことが植物の必要に十分に答
えられることになり、良い生長を期待することができる
ことになる。

また、立派な実をつけさせるためには、生育ステージの
ある段階で水分を控えてスト１ノスを植物に与え、その
東十分な水分を植物に与えるようにすることが望ましい
植物もある。

このようなことから、制御用コンピュータ３１では、そ
の各補正値演算部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ３３，３４に
生育ステージに対応した補正値や外部環境条件に対応し
た補正値のデータをあらかじめ記憶させておき、各計測
計２８．２９．３０からの外部環境条件情報を取り込み
（ステップＳ１）、各補正値演算部で成分吸収度の補正
値データを参照し、さらに導電率、ｐＨの補正値データ
を参照してこれらの諸パラメータの補正値を演算しくス
テップＳ２．Ｓ３）、これを成分調整装置２３にフィー
ドフォワード補正値ＦＦＶとして出力する（ステップＳ
４）。

成分調整装置２３は、前記コントローラ３５からの成分
調整指令値Ｍ　Ｖに対してこの制御用コントローラ３１
からの補正値ＦＦＶを加算し、その加算結果に基づいて
必要な養液原液の追加供給を行い、栽培ベツド２１には
植物の生育ステージに応じ、また外部環境条件に応じた
最適な成分イオン濃度を有する養液が備えられることに
なる。

なお、この成分濃度調整は、異なる混合比で各種栄養成
分が混合されている複数種の養液原液を所定の比率で混
合して栽培ベツド２１に供給することにより行われる。

この第１実施例において、制御用コンピュータ３１から
の補正値ＦＦＶをコントローラ３５からの操作量ＭＶに
加算して成分調整装置２３に与えるようにしているが、
前記補正値ＦＦＶをコントローラ３５に与え、コントロ
ーラ３５の中で目標値Ｓｖに補正をかけ、この目標値に
達するような操作量ＭＶを成分調整装置２３に出力する
ようにしてもよい。

第３図はこの発明の他の実施例を示しており、ＡＩを用
いたファジィ制御により最適養液成分濃度調整を行う構
成を示しているが、第１図に示した実施例と共通する構
成要素については同一の符号を付して示しである。

この実施例の特徴は、養液成分の吸収度を外部環境条件
情報に基づいて知識ベースを基に推論し、ファジィ制御
するところにある。したがって、制御用コンピュータ３
６にはＡ１機能が備えられている。

この制御用コンピュータ３６に対して、栽培ベツド２１
中の養液の各種成分イオン濃度測定値が各イオンセンサ
２４ａ、２４ｂ、２４ｃから入力され、また水温、導電
率、ｐＨもそれぞれの計測計２５．２６．２７から入力
されるようになっている。また、外部環境条件情報とし
て気温計２８、湿度計２９、日照置針３０からの計測情
報が入力されるようになっている。

３７〜３９は制御用コンピュータ３６の内部を分かりや
すくするために模式的に描かれた知識ベースであり、３
７ａ〜３７ｃはそれぞれカリウム成分、カルシウム成分
、硝酸成分などのイオン成分の吸収度に関する知識ベー
スであり、３８は導電率に関する知識ベース、３９はｐ
Ｈに対する知識ベースである。

この制御用コンピュータ３６により外部環境条件に見合
った成分吸収度が各種成分に対して推論され、その推論
結果が成分吸収度として吸収度／必要量演算装置４０に
出力され、ここで各種成分の必要量が求められ、コント
ローラ３５に目標値Ｓｖとして与えられるようになって
いる。

コントローラ３５はこの目標値Ｓｖに対して養液の実際
の成分濃度ｐｖと比較し、追加供給の必要な成分があれ
ばそれについての追加供給操作量ＭＶを成分調整装置２
３に与えるものである。

成分調整装置２３は、操作ｉ１ＭＶに応じて必要な成分
の追加供給操作を行うものである。

第４図は制御用コンピュータ３６の詳しい構成を示して
おり、外部環境条件情報や養液成分イオン濃度情報、ｐ
Ｈ情報、導電率情報を入力する入力制御部４１と、これ
らに入力情報から栽培している植物の外部環境条件の変
動に応じた各種栄養成分の吸収度の変動を学習していく
吸収パターン学習部４２とを備えている。この吸収パタ
ーンの学習結果を知識ベースとして記憶する記憶部４３
と、この記憶部４３の知識ベースを基にして得られる外
部環境条件により変動する植物の各種成分吸収度を推論
、する推論部４４と、この推論部４４の推論結果から現
在置かれている外部環境条件に対応する植物の各種成分
の吸収度を出力する出力制御部４５とを備えている。

次に、上記の第２実施例の植物養液栽培装置の動作につ
いて説明する。

制御用コンピュータ３６はあらかじめ大体の目安として
記憶部４３に標準的な外部環境条件の下での各種成分の
吸収度を記憶させておく。立ち上げ当初は、この吸収度
を吸収度／必要量演算部４０に出力して標準的な成分イ
オン濃度になるように養液成分を調整する。

そして、装置の稼動後には第５図のフローチャートに示
すように、周期的に外部環境条件の計測計２８〜３０か
ら気温、湿度、日照度情報を取り入れ（ステップ５１１
）、また各イオン濃度センサ２４ａ〜２４ｃおよび各計
測計２５〜２７から養液の成分イオン濃度情報、および
導電率、ｐＨ情報を取り入れ（ステップ５１２）、吸収
パターン学習部４２において、計測した外部環境条件の
変動で各種養液成分の吸収度がどのように変化するかを
学習して行き、得られた学習結果を記憶部４３の各種成
分ごとの知識ベース３７ａ〜３７ｃおよび導電率、ｐＨ
知識ベース３８．３９に蓄積していく　（ステップＳ１
３．３１４）。

そして、この学習による知識の蓄積と共に、養液成分の
濃度調整動作が同じくこの制御用コンピュータ３６のフ
ァジィ制御処理により実行される。

第６図のフローチャートに示すように、人力制御部４１
を通して制御用コンピュータ３６は外部環境条件情報デ
ータとして、気温情報、湿度情報、日照度情報を取り入
れ（ステップ５２１）、次に推論部４４が記憶部４３の
知識ベースを参照して新たに人力された外部環境条件パ
ターンに対応する各種成分の吸収度を推論する（ステッ
プＳ２２゜８２３）。

この推論動作について、詳しく説明すると、第１実施例
でも説明したように、植物はその生育ステージの違いに
より、また−日のうちでも日中と夜間とでは各成分の吸
収度が異なり、さらに晴天と雨天とでも各成分吸収度が
大きく異なる。さらに、良い実を実らせるためには生育
ステージのある時期において水分を控え目にしてストレ
スを植物に与えることも必要であり、これらの複雑な情
報が記憶部４３に知識ベースとして記憶されているので
ある。

そこで、例えば、次のようなルールに基づいて推論部４
４が推論し、対応する条件に対する成分ごとの吸収度の
大小を知識ベースから見出だしくステップ８２３）、こ
れを吸収度／必要ｍ演算部４０に出力するのである（ス
テップ５２４）。

（以下余白）ファジィ制御ルール例吸収度／必要量演算部４０では、この制御用コンピュー
タ３６からの吸収度の大小の情報を受けて、「吸収魔人
」であれば所定の成分濃度に対して例えば「１０％濃度
上昇」させるべく、コントローラ３５に与える目標値を
それまでの値よりも上昇させる。また、「吸収度極大」
の出力に対しては「２０％濃度上昇」させ、逆に「吸収
度小」であれば所定の成分濃度に対して「１０％濃度低
下」、「吸収度極小」であれば「２０％濃度低下」とい
うように成分濃度制御を行う。さらに、導電率制御、ｐ
Ｈ制御に関しても同様にして行う。

このようにして、この第２実施例の植物養液栽培装置で
は、知識学習から養液中の各種成分濃度の調整を植物の
生育ステージ、天候その他の外部環境条件の変化に対応
して吸収魔人、吸収度小といったあいまい情報を基にし
て養液成分４度のファジィ制御を行うことができるので
ある。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、植物の生育ステージや
外部環境条件の変動に応じて絶えず変動する植物の成分
吸収度に対して、外部環境条件情報を取り入れてフィー
ドフォワード制御やファジィ制御により養液成分濃度を
常にその生育ステージや外部環境条件に応じた最適なも
のに調整することができ、植物の養液栽培を効果的に行
うことができ、収量の増大を期待することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のブロック図、第２図は上
記実施例における制御用コンピュータのフィードフォワ
ード制御動作を示すフローチャート、第３図はこの発明
の他の実施例のブロック図、第４図は上記実施例におけ
る制御用コンピュータの詳しいシステム構成を示すブロ
ック図、第５図は上記実施例の制御用コンピュータの学
習動作を示すフローチャート、第６図は上記の制御用コ
ンピュータのファジィ制御動作を示すフローチャート、
第７図は一般的な植物養液栽培装置の全体図である。２１・・・栽培ベツド　　　　２２・・・植物２３・・
・成分調整装置２４ａ、２４ｂ、２４ｃ・・・イオン濃度センサ２５・
・・水温計　　　　　　２６・・・導電率計２７・・・
ｐＨ計　　　　　　２８・・・気温計２９・・・湿度計
　　　　　　３０・・・日照度肝３１・・・制御用コン
ピュータ３２　ａ、　　３２　ｂ、　　３２　Ｃ・・・成分濃度
補正値演算部３３・・・導電率補正値演算部３４・・・ｐＨ補正値演算部　３５・・・コントローラ
３６・・・制御用コンピュータ３７　ａ　、　　３　？　ｂ　、　３７　ｃ　・・・成
分吸収度知識ベース３８・・・導電率知識ベース　３９
・・・ｐＨ知識ベース４０・・・吸収度／必要量演算部４１・・・入力制御部４２・・・吸収パターン学習部４３・・・記憶部　　　　　　４４・・・推論部４５・
・・出力制御部

Claims

【特許請求の範囲】

（１）栽培対象植物の生育ステージに応じて最適な養液
成分濃度を記憶している養液成分濃度記憶手段と、気温、日照度、時刻などの環境の変化に応じて前記栽培
対象植物の消費する養液成分の変化度合を記憶している
変動要素記憶手段と、前記養液成分濃度記憶手段からの栽培対象植物の該当生
育ステージにおける最適養液成分濃度と前記変動要素記
憶手段からの現在時刻における環境条件に見合った養液
成分の変化度合情報とを加味して現在時刻における最適
養液成分濃度を割り出す最適養液成分濃度演算手段と、この最適養液成分濃度演算手段が与える最適養液成分濃
度情報に基づいて実養液成分濃度を調整する養液濃度調
整手段とを備えて成る植物養液栽培装置。
（２）前記最適養液成分濃度演算手段が、前記養液濃度
調整手段に対してフィードフオワード制御情報を与える
ことを特徴とする請求項１の植物養液栽培装置。
（３）前記最適養液成分濃度演算手段が、前記養液濃度
調整手段に対してファジィ制御情報を与えることを特徴
とする請求項１の植物養液栽培装置。