JPH0394622A

JPH0394622A - ファジィ制御を利用した養液栽培制御装置

Info

Publication number: JPH0394622A
Application number: JP1230639A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Watake; 輪竹　宏昭; Ryuichi Nakada; 仲田　隆一
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-06
Filing date: 1989-09-06
Publication date: 1991-04-19

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）本発明は、ファジィ制御を利用した養液栽培制御装置に
関する。

（従来の技術）一般に、植物は二酸化炭素、窒素、カリウム等を栄養素
としており、二酸化炭素以外のものを根から吸収してい
る。したがって、養肢栽培を行う側は養液中に植物が必
要とする窒素、カリウム等の栄養素を過不足なく与えて
やらなければならず、養液中のイオン濃度管理が大変重
要となる。

そこで従来は、養液の導電率を測定しこの導電率に基づ
いて養液中に存在するイオンの量（濃度）を検出し、こ
の検出値に基づいてイオン原液の供給量を調整すること
によって、イオン濃度の管理を行っていた。

しかし、導電率の測定によって得られるイオン濃度は養
液中に存４ミするイオンの総童である。このため、数種
類のイオンが溶けている場合に各イオン個別の濃度を知
ることはできなかった。

一方、養岐にはカリウム（Ｋ），カルシウム（Ｃａ），
窒素（Ｎ）等の成分がＫ′″，　Ｃａ”ＮＯ３　−　，
　Ｎｔｌ４＋等のイオン形態で溶け込んでいるが、砧物
はとれらの栄養成分を常に同じ割合で吸収しているわけ
ではない。植物は栄養生長期や交配期等の栽培ステージ
、日射量、温度、湿度等の環境条件、さらには１日の時
間帯等の変化に伴って各イオンに対する吸収状態が可変
する。このため、養液の導電率の変化と養液中のイオン
濃度の割合の変化とは全く一致せず、ある時期には特定
のイオンが選択的に吸収され、そのイオン濃度が大幅に
低下することもあった。

（允明が解決しようとする課題）上述したように従来技術においては、養液の導電早を測
定し、この導電率から養液中のイオン濃度を検出して、
このイオン濃度の増減に応じて養液栽培容器へのイオン
原戚供給量を制御するたけであったため、実際の植物の
イオン吸収状態に合致した最適な制御を行い得す、養液
栽培を失敗するおそれがあった。

そこで本発明は、養液中のイオン濃度のみならず殖物の
イオン吸収状態が変化しうる環境条件専の情報をも考慮
して常に最適なイオン原肢供給量を制御でき、安定な養
液栽培を丈現できるファジィ制御を利用した養岐栽培制
御装置を提供しようとするものである。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明のファジィ制御を利用した養液栽培制御装置は、
養液栽培容器へイオン原液を供給する原渣供給手段と、
養液栽培容器内の養戚中のイオン濃度を検出するイオン
濃度検出手段と、畏液栽培容器内の水温，日射量，気温
，湿度等の状態に関する情報を検出する情報検出手段と
、この情報検出手段により検出された各種情報によりフ
ァジィルールを丈行して植物のイオン吸収度を推論する
ファジィ制御手段と、この制御手段により推論されたイ
オン吸収度とイオン濃度検出手段により検出された養液
中のイオン濃度とに基づいて原液供給手段によるイオン
原液供給量を制御する供給量制御手段とを備えたもので
ある。

そして供給量制御手段としては、ファジィ制御手段によ
り推論されたイオン吸収度を養液栽培容器内の養液中の
イオン必没量に変換する変換部と、イオン濃度検出手段
により検出された養液ψのイオン濃度を制御量とし、上
記イオン必要量を設定値としてフィードバック制御によ
りイオン原戒供給量を決定する制御部とを備えたものが
考えられる。

またイオン濃度検出手段としては、養液中のカリウム，
カルシウムおよび窒素の各イオン濃度をそれぞれ測定す
るイオンメータおよび養ｌ＆中の導電率を測定する導電
率計の少なくとも一方を用いたものが考えられる。

（作用）このような構成の本発明においては、養肢栽培容器内の
養液中のイオン濃度が検出されるとともに、養液栽培容
器内の水温，「１射量，気温，湿度等の状態に関する情
報が検出され、この検出された各種情報によりファジィ
ルールが実行されて埴物のイオン吸収度が推論される。

しかして、この推論されたイオン吸収度と検出された養
液中のイオン濃度とに基づいてイオン原液供給量が制御
される。

［実施例］以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する
。

第１図は全体構成図である。１は植物を養液栽培するた
めの容器であって、供給管２を通じて硝酸カリウム（　
Ｋ　Ｎ　Ｏ　］　）が、供給管３を通じて硝酸カルシウ
ム（Ｃａ（ＮＯ３）２　）がそれぞれイオン原液として
供給されるものとなっている。また容器１内には、養液
の水温Ｔｗを測定するための水温計４、養液中のカリウ
ムイオンＫ゛の濃度を測定するためのカリウムイオンメ
ータ５、養液中のカルシウムイオンＣａ２”の濃度を測
定するためのカルシウムイオンメータ６、養液中の硝酸
イオンＮＯ，一の濃度を測定するための硝酸イオンメー
タ７、養液の導電率ＰＣを測定するための導電率計８、
養液の水素イオン指数Ｉ’ｌｌを測定するためのペーハ
センサ９が設けられている。

１０はファジィ制御用のコンピュータである。

このコンピュータ１０には、前記水温計４の他に、容器
１周辺の気温ＴＡ，湿度Ｗおよび日射量Ｓをそれぞれｆ
ｉｔｌＪ定する温度計１１，湿度計１２および日射量計
１３と、現在の日付および時刻を計時する時計回路１４
とが接続されている。しかして、コンピュータ１０は、
上記水温計４にて測定された水温ＴＷ％温度計１１にて
測定された気温ＴＡ，湿度計１２にて測定された湿度Ｗ
，日射量計１３にて測定された日射量Ｓの各環境条件情
報や、時計回路１４にて計時された日付から推定される
栄養坐長期，交配期等の栽培ステージ情報、さらにはＩ
ｌ与刻に対応する時間帯情報に基づいて予め設定されて
いるファジィルールを実行することにより、容器１西で
栽培されている植物のカリウムイオン，カルシウムイオ
ンおよび硝酸イオンの各吸収度Ｋ”　（ｐ）　．　Ｃａ
”（ｐ）　．　ＮＯ３　−　（ｐ）を推論するものとな
っている。

１５は上記コンピュータ１０により推論された各イオン
吸収度Ｋ＋（ｐ〉，Ｃａ２＋（ｐ〉，ＮＯ３（ｐ）をそ
れぞれ予め設定された関数式に基づいてイオン必要ｆｆ
ｉＫ”　（ｑ）　．　Ｃａ”（ｑ）　．　ＮＯ３　−　
（ｑ）に変換するための吸収量／必要量変換部である。

１６は上記変換部１５にて得られた各イオン必要量Ｋ　
”　（ｑ）　．　Ｃａ”（ｑ）　．　　Ｎ　Ｏ　ｉ　−
　（ｑ）を設定値ＳＶとし、前記各イオンメータ５，６
、７、導電率計８、およびペーハセンサ９の測定値Ｋ＋
Ｃａ”，　　Ｎ　Ｏ　ｓ　−　，　ＥＣ，　ｐＨを制御
量ｐｖとしてＰＩＤ（比例・微分・積分）演算を行い、
イオン原岐の最適な供給量を決定するためのイオン原液
供給エ制御部であって、決定されたイオン原戚供給エに
応じて硝酸カリウム供給管２に設けられた調節弁１７あ
るいは硝酸カルシウム供給管３に設けられた調節弁１８
の開度を制御する。具体的には、例えばカリウムイオン
の必要ｆｆｉＫ”（ｑ）に比べてカリウムイオンメータ
５にて測定されたカリウムイオンＫ“の濃度が低ければ
調節弁１７の開度を大きくして硝酸カリウムの供給量を
増加させる。また、例えばカルシウムイオンの必要量Ｃ
ａ”（ｑ）に比べてカルシウムイオンメータ６にて測定
されたカルシウムイオンＣａ２＋の濃度が高ければ調節
弁１８の開度を小さくして硝酸カルシウムの供給量を減
少させる。また、例えば硝酸イオンの必９ＱＮＯｓ−（
Ｑ）に比べて硝酸イオンメータ７にて測定された硝酸イ
オンＮＯ３〜の濃度が低ければ調節弁１７．１８の開度
を大きくして硝酸カリウムおよび硝酸カルシウムの供給
量を増加させる。

なお、上記変換部１５および制御部１６は供給量制御手
段として機能する。

第２図は上記ファジィ制御用コンピュータ１０の機能ブ
ロック図である。同図において２０は知識ベースの記憶
部であって、条件部（ｉｆ部）と結論部（ｔｈｅｎ部）
とからなる複数のファジィルールを記憶するルールデー
タベース２１と、任意に設定された複数のメンバシップ
関数を記憶する関数データベース２２とが形或されてい
る。情報人力部２３は、制御対象システムに関する情報
として水温計４からの水温データＴＷ％温度計１１から
の気温データＴＡ，湿度計１２からの湿度データＷ１日
射量計１３からの日射量データＳ１時計同路１４からの
日付・時刻データＤＴをそれぞれ一定周期で取込むもの
である。ＩＦ部呼出し部２４は、上記情報入力部２３の
情報取込みに応動してルールデータベース２１に構築さ
れているファジィルールの条件部を順次呼出すもので、
呼び出された条件部はＩＦ部メンバシップ関数呼出し部
２５に与えられる。ＩＦ部メンバシップ関数呼出し部２
５は、条件部に対応するメンバシップ関数を関数データ
ベース２２から呼出してピーク値決定部２６に与える。

ピーク値決定部２６は、メンバシップ関数と前記情報人
力部２３で取込んだ情報とに基づいて、該当ファジィル
ールの結論部に対応するメンバシップ関数のピーク値を
決定する。

ＴＨＥＮ部呼出し部２７は、上記ピーク値決定部２６の
処理完了に応動して前記ファジィルールの結論部を順次
呼出すもので、呼び出された結論部はＴＨＥＮ部メンバ
シップ関数呼出し部２８に与えられる。ＴＨＥＮ部メン
バシップ関数呼出し部２８は、結論部に対応するメンバ
ンップ関数を関数データベース２２から呼出してメンバ
シップ関数変更部２９に与える。メンバシップ関数女更
部２つは、メンバシップ関数を前記ピーク値決定部２６
にて決定された同一ルールのピーク値に基いて変央する
。メンバシップ関数合成部３０は、上記メンバシップ関
数変更部２つにて順次処理された各ファジィルールに対
応するメンバシップ関数を合成する。重心演算部３１は
、上記メンバシップ関数合成部３０により合成された各
メンバシップ関数の重心を算出する。吸収度出力部３２
は、上記重心廣算部３１により決定された重心値に対応
する植物のカリウムイオン吸収度Ｋ”（ｐ）　　カルシ
ウムイオン吸収度Ｃａ”（ｐ）および硝酸イオン眼収度
ＮＯ３−（＋））を前記吸収度／必要量変換部１５に出
力するものとなっている。

次に本丈施例の作用効果について説明する。

容器１を用いて養液栽培が行われている状態において、
容器１内の養液の水ｉＲ　Ｔ　ｗは水瓜計４にてｄｌｌ
ｊ定され、ファジィ制御用コンピュータ１０に与えられ
ており、養７夜中のカリウムイオンＫ゛カルシウムイオ
ンＣａ’゜，硝酸イオンＮＯ，　はそれぞれイオンメー
タ５，６．７にて測定されて、イオン供給量制御部１６
に与えられている。また養液中の導電ｆＥｃおよび水素
イオン指数ｐｌ＋もそれぞれ導電率＝１８およびベーハ
センサ９にて測定されており、測定値は上記イオン供給
量制御部１６に与えられている。一方、容器１周辺の気
７Ｍ　Ｔ　Ａ　，混度Ｗおよび日射量Ｓがそれぞれ温度
計１１．温度計１２および日ｌ１．ｔ　ｉ計１３にて測
定されており、各測定値は上記コンピュータ１０に与え
られている。また、時計回路１４にて計時されている現
在の日付および時刻データＤＴも上記コンピュータ１０
に与えられている。

しかしてコンピュータ１０においては、情報人力部２３
により上記水温ＴＷ，気温ＴＡ％混度Ｗ１日射ＭＳの各
環境条件情報や、日付から推定される栄養生長期，交配
期等の栽培ステージ情報、Ｉｌ！ｊ刻に対応する口６７
間帯情報が人力されると、ルールデータベース１１に予
め設定されている各ファジィルールが順次実行されて、
容器１内で栽培されている植物のカリウムイオン，カル
シウムイオンおよび硝酸イオンの各吸収度Ｋ”　（ｐ）
　，　Ｃａ”（ｐ）　，Ｎ　Ｏ　３　−　（ｐ）が推論
される。

今、ルールデータベース１１に次表に示す３つのファジ
ィルールの，■，■が格納されているものとする。

ここで、例えば晴天の午前中に上記各ファジィルール■
，■，■が順次実行されると、カリウムＫ，カルシウム
ｅａおよび硝酸ＮＯ３の吸収度が共に高く、特に硝酸Ｎ
Ｏ，の吸収度は極めて高いと推論される。この推論は植
物の栄養素に対する吸収状態に合致している。このとき
、イオン原液供給量制御部１６においては各イオンメー
タ５．６，７にて測定された各イオン濃度が吸収度／必
要量粂換部１５にて得られた各イオン必要量を満たすよ
うに調節弁１７．１８の開度をＪＩ：に大とする操作信
号ＭＶＩ，ＭＶ２が出力される。この粘果、容器１に対
する硝酸カリウムおよび硝酸ナトリウムの供給量が増加
し、養液中の各イオン濃度が高められる。したがって、
植物は養液中の栄養素を必要なだけ吸収できるようにな
り、安定な養液栽培を実現できる。

一方、例えば雨天の午後で気温が低い時期に上記各ファ
ジィルール■．■，■が順次実行されると、カリウムＫ
，カルシウムＣａおよび硝酸ＮＯ３の吸収度が共に低い
と推論される。この推論はやはり植物の栄養素に対する
吸収状態に合致している。このとき、イオン原戚供給量
制御部１６においては各イオンメータ５，６．７にて測
定された各イオン濃度が吸収度／必要量変換部１５にて
得られた各イオン必要量を不足しない程度に調節弁１７
．１８の開度を共に小とする操作信号ＭＶＩ，Ｍ　Ｖ　
２が出力される。この結果、容器１に対する硝酸カリウ
ムおよび硝酸ナトリウムの供給量は減少し、養液中の各
イオン濃度が抑制される。したがって、イオン原岐の無
駄な供給を防止することができ、効率の良い養液栽培を
実現できる。

なお、前記実施例ではイオンメータ５，６．７を用いて
各イオン濃度を個別に検出し、この各イオン濃度とファ
ジィ推論により推論された各イオン吸収度に対応する各
イオン必要量とに基づいてイオン原液供給量を制御する
場合を示したが、導電率計８にてｉｌＰＪ定された養液
の導電率により養液中の総イオン濃度を検出し、この総
イオン濃度と各イオン必要量とに基づいてイオン原液供
給量を制御するようにしてもよい。

［発明の効果］以上詳述したように、本発明によれば、養液中のイオン
濃度のみならず植物のイオン吸収状態が変化しうる環境
条件等の情報をも考慮して植物の栄養素に対する吸収状
態に合致したイオン原液供給量を決定でき、安定でかつ
効率の良い五戒栽培を実現できるファジィ制御を利用し
た養戚栽培制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体構或図、第２図はファジィ制御用
コンピュータの機能ブロック図である。１・・・養岐栽培用容器、２，３・・・イオン原液供給
管、４・・・水温計、５，６．７・・・イオンメータ、
８・・・導電率計、９・・・ペーハセンサ、１０・・・
ファジィ制御用コンピュータ、１１・・・温度計、１２
・・・湿度計、１３・・・日射量計、１４・・・峙計回
路、１５・・・吸収度／必要量変換部、１６・・・イオ
ン原液供給量制御部、１７．１８・・・調節弁。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）養液栽培容器へイオン原液を供給する原液供給手
段と、前記養液栽培容器内の養液中のイオン濃度を検出
するイオン濃度検出手段と、前記養液栽培容器内の水温
、日射量、気温、湿度等の状態に関する情報を検出する
情報検出手段と、この情報検出手段により検出された各
種情報によりファジィルールを実行して植物のイオン吸
収度を推論するファジィ制御手段と、この制御手段によ
り推論されたイオン吸収度と前記イオン濃度検出手段に
より検出された養液中のイオン濃度とに基づいて前記原
液供給手段によるイオン原液供給量を制御する供給量制
御手段とを具備したことを特徴とするファジィ制御を利
用した養液栽培制御装置。
（２）前記供給量制御手段は、前記ファジィ制御手段に
より推論されたイオン吸収度を前記養液栽培容器内の養
液中のイオン必要量に変換する変換部と、前記イオン濃
度検出手段により検出された養液中のイオン濃度を制御
量とし上記イオン必要量を設定値としてフィードバック
制御によりイオン原液供給量を決定する制御部とを備え
たことを特徴とする請求項１記載のファジィ制御を利用
した養液栽培制御装置。
（３）前記イオン濃度検出手段は、養液中のカリウム、
カルシウムおよび窒素の各イオン濃度をそれぞれ測定す
るイオンメータおよび養液中の導電率を測定する導電率
計の少なくとも一方を用いたことを特徴とする請求項１
記載のファジィ制御を利用した養液栽培制御装置。