RU2403705C1

RU2403705C1 - Способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице

Info

Publication number: RU2403705C1
Application number: RU2009124702/12A
Authority: RU
Inventors: Феликс Яковлевич Изаков (RU); Феликс Яковлевич Изаков; Светлана Александровна Попова (RU); Светлана Александровна Попова; Мария Александровна Супрун (RU); Мария Александровна Супрун; Игорь Николаевич Антонов (RU); Игорь Николаевич Антонов
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-11-20

Abstract

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам и системам автоматического управления температурно-световым режимом в теплицах или других сооружениях защищенного грунта. Способ включает 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. Далее 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, при этом эти данные поступают в компьютерный задатчик, который вычисляет среднее значение ночной температуры, далее определяет и устанавливает многомерную оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру воздуха в теплице. Изобретение позволяет значительно повысить эффективность использования световой энергии и увеличить продуктивность самих растений.

Description

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

Известен способ автоматического управления температурным режимом в теплице [а.с. №1503711 СССР, МПК 4 A01G 9/26. Способ автоматического управления температурным режимом в теплице / Ф.Я.Изаков, С.А.Попова (СССР). - №4288057/30-15; Заявлено 21.07.1987; Опубл. 30.08.1989, Бюл. №32], 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 соответствии 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 кг/м² 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. Кроме того, современные тепличные комбинаты начинают использовать три культурооборота вместо двух. Второй культурооборот основан на использовании светокультуры. При этом используется аппаратура досвечивания, которая способствует ускорению периода вегетации [Король В.Г., Семенов А.А. «О сроках выращивания огурца в зимних теплицах» // Гавриш №1, 2007].

Известен способ оптимизации факторов среды обитания при выращивании растений [а.с. №456595 СССР, МПК 4 A01G 9/26. Способ оптимизации факторов внешней среды при выращивании растений / В.Л.Корбут, А.В.Малиновский (СССР). Опубл. 1975, Бюл. №2], 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 (CO₂), 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 микроклиматом [а.с. №1323065 СССР, МПК A01K 31/00, G05D 27/00. Устройство для автоматического управления температурно-влажностным режимом в промышленных птичниках / В.А.Грабауров, Ф.Ф.Пащенко, Батищев, Савченко (СССР). - Заявлено 28.06.1985; Опубл. 15.07.1987, Бюл. №26], который нашел применение в устройстве для автоматического управления температурно-влажностным режимом в сельскохозяйственном помещении, а именно в птичнике. Согласно этому способу определяют многомерные оптимальные параметры микроклимата, жизненно важные для выращивания птицы. При этом используют математическую модель продуктивности птицы, параметрами которой являются возраст птицы, температура и влажность воздуха внутри птичника. Так как модель имеет экстремальный характер, а максимум продуктивности дрейфует с изменением возраста, то авторами было предложено определить производные от этой модели по параметрам влажности и температуры и решить систему из двух полученных уравнений с целью определения многомерных оптимальных параметров температуры и влажности, уравнения которых зависят только от параметра возраста птицы.

Многомерные оптимальные параметры обеспечивают автономность регулирования каждого из них независимо друг от друга, но при этом сохраняется их взаимное влияние на продуктивность птицы. Тогда как определение одномерных оптимальных параметров не исключает влияния каждого из них друг на друга.

Этот способ определения многомерных оптимальных параметров допустим к любым объектам автоматизации, особенно в случае важности нахождения оптимальных параметров микроклимата. Однако в описанном способе прослеживается следующие недостатки: он подходит только для управления микроклиматом в птичнике, так как в данном способе используется математическая модель продуктивности птицы, данный способ позволяет управлять лишь влажностью и температурой, в то время как для растений важнейшим параметром является освещенность, для управления которой необходимо специальное оборудование.

Известен также способ управления температурным режимом в теплице [а.с. №1438657 СССР, МПК 4 A01G 9/26. Способ автоматического управления температурным режимом в теплице / Ф.Я.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.

Рассмотренный способ имеет 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, облученность и длительность влияния светового фактора среды (досвечивания), в результате которого повышается продуктивность тепличных культур и сокращается период вегетации до начала плодоношения.

Сущность изобретения состоит в следующем. В предлагаемом способе автоматического управления температурно-световым режимом время выращивания растений в теплице разбивается на равные промежутки времени, продолжительность которых по крайней мере 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. В отличие от прототипа измеряют не внешние параметры микроклимата, а в каждом из этих промежутков времени измеряют влажность воздуха внутри теплицы, определяют среднесуточную температуру предыдущей ночи и возраст растений. По результатам измерений определяют многомерную оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру, которую поддерживают постоянной в течение выбранного промежутка времени, сравнивая ее с результатами измерения текущего значения температуры воздуха внутри теплицы. Кроме того, определяют многомерную оптимальную по критерию продуктивности освещенность в теплице. В случае, когда реальная освещенность в теплице ниже расчетной, должна быть включена досвечивающая аппаратура на длительность заданного фотопериода (времени досвечивания).

Критерий продуктивности получен с использованием математической модели роста огурца сорта «Московский тепличный» для ограниченного экспериментом возраста (чтобы использовать модель для управления фитомикроклиматом параметр τ₂ необходимо изменять в пределах от 1 до 26 суток, в дальнейшем для взрослых растений необходимо зафиксировать параметр τ₂ на отметке 26 суток) [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 CO₂-газообмена (Ф), полученная в ходе эксперимента в камере искусственного микроклимата, записывается следующим образом:

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

E₁ - текущее значение освещенности;

T₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;

τ₂ - возраст растения, сутки;

φ₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %;

τ₁ - длительность фотопериода (длительность действия светового фактора), час;

a₀, a₁, a₂ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза.

В заявленном способе автоматического управления температурно-световым режимом в теплице используют критерий максимальной продуктивности, то есть приравнивают к нулю частные производные от интенсивности фотосинтеза и решают систему из двух уравнений:

где

- частная производная от интенсивности фотосинтеза по освещенности,

- частная производная от интенсивности фотосинтеза по дневной температуре воздуха в теплице;

и определяют многомерные значения температуры воздуха в теплице и освещенности, при которых имеет место максимум интенсивности фотосинтеза, косвенного показателя продуктивности.

Решение системы уравнений матричным способом позволяет определить многомерные оптимальные параметры температуры t_21M, освещенности E_21M и длительности фотопериода τ_21M. В результате преобразований многомерную оптимальную дневную температуру воздуха в теплице вычисляют по формуле:

где T₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;

τ₂ - возраст растения, сутки;

φ₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %.

A₁, А₂, A₃, А₄, А₅ - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности фотосинтеза, которые принимают следующие значения:

A₁=-0,127	A₄=-0,492
A₂=-0,302	А₅=86,25
А₃=-0,738

Многомерную оптимальную освещенность в теплице вычисляют по формуле:

где Т₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;

τ₂ - возраст растения, сутки;

B₁, В₂, В₃, В₄, В₅ - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности фотосинтеза, которые принимают следующие значения:

B₁=-0,002979	B₄=0,116
B₂=-0,299	В₅=29,631
B₃=-0,215

Причем оптимальную освещенность поддерживают постоянной в течение заданной длительности фотопериода.

При этом вычисленные матричным способом многомерные значения оптимальных параметров температуры воздуха в теплице t_21M и освещенности E_21M не зависят друг от друга, хотя их взаимное влияние на фотосинтетическую активность растений огромно, что позволяет управлять параметрами температуры и освещенности автономно, не вводя их предварительно в компьютерный задатчик, как в случае определения одномерных параметров.

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

Однако, если один из регулируемых параметров температурно-светового режима становится неуправляемым вследствие влияния наружных условий окружающей среды или превышает вычисленную многомерную оптимальную величину, то значение оставшихся под управлением системы параметров устанавливаются уже в зависимости от величины неуправляемого. В этом случае будут вычислены одномерные значения оптимальных величин.

Одномерную оптимальную температуру в теплице t_21O вычисляют по формуле:

где а₂, a₁₂, а₂₂ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза;

а₂=0,1881	а₂₄=-0,0087
а₁₂=0,0125	а₂₅=0,0000
а₂₂=-0,0215	а₂₆=0,0107
а₂₃=0,0014

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

Т₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;

τ₁ - заданная оператором-техником длительность фотопериода (или досвечивания), час;

τ₂ - возраст растения, сутки;

Одномерная оптимальная по продуктивности температура воздуха в теплице для дневного времени суток может быть установлена в случае отключения осветительной аппаратуры или при достаточном уровне естественной освещенности.

Одномерную оптимальную освещенность в теплице E_21O вычисляют по формуле:

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

а₁=1,9788	а₁₄=-0,0046
а₁₁=-0,0141	а₁₅=-0,0174
а₁₂=0,0125	а₁₆=-0,0147
а₁₃=-0,0034

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

τ₂ - возраст растения, сутки;

Совокупность признаков заявляемого способа не известна и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Способ осуществляется следующим образом. В компьютерный задатчик, который должен вырабатывать для системы автоматического управления (САУ) задание оптимальных по критерию продуктивности значений температуры воздуха в теплице и освещенности, поступают сигналы от датчиков температуры, освещенности и влажности воздуха в теплице и счетчика возраста растений и данные о длительности работы досвечивающей аппаратуры (задаются агротехником). Среднее значение ночной температуры компьютерный задатчик вычисляет после окончания ночи. Далее компьютерный задатчик по формулам (3) и (4) рассчитывает многомерные оптимальные по продуктивности значения температуры t_21M и освещенности E_21M. Полученные оптимальные значения температуры и освещенности сравниваются с показаниями датчиков температуры и освещенности.

Последующие вычислительные операции происходят при изменении какого-либо параметра, входящего в уравнения (3) и (4), например, при изменении влажности или возраста растений, которые фиксируются датчиком влажности и счетчиком возраста растений.

Расчет оптимальных значений производится на промежуток времени, длительность которого на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения (например, 0,1 мин).

Если из управляемых параметров (текущие значения температуры t₁ или освещенности E₁) по величине превысят значения многомерных оптимальных величин t_21M или E_21M, то в этом случае вычисляются одномерные оптимальные по критерию продуктивности значения температуры внутри теплицы t_21O и освещенности E_21O. По специальному алгоритму компьютерный задатчик осуществляет переход на управление температурно-световым режимом по формулам (6) или (7), которые содержат параметр текущего значения вышедшего из-под контроля САУ фактора температурно-светового режима. Сам фактор фиксируется в неизменном состоянии в данном промежутке времени.

Использование данного способа автоматического управления температурно-световым режимом в теплице значительно повышает эффективность использования световой энергии солнца и облучательной установки культивируемыми растениями, а значит, позволяет сократить длительность периода вегетации до начала плодоношения, что важно для культивации светокультуры, увеличить продуктивность самих растений, а также повысить товарные качества плодов и содержание в них сахаров и витаминов, позволяет обеспечить автономность регулирования температуры внутри теплицы и работы досвечивающей аппаратуры независимо друг от друга, хотя при этом сохраняется их взаимное влияние на продуктивность растений.

Claims

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, при этом эти данные поступают в компьютерный задатчик, который вычисляет среднее значение ночной температуры, а затем определяет и устанавливает многомерную оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру воздуха внутри теплице по формуле:

где Т₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °С;
τ₁ - длительность фотопериода, ч;
τ₂ - возраст растения, сутки;
φ₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %;
A₁, A₂, A₃, A₄, A₅ - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности фотосинтеза, которые принимают следующие значения:
A₁=-0,127
A₂=-0,302
A₃=-0,738
A₄=-0,492
A₅=86,25,
далее определяют и устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности освещенность по формуле:

где T₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ₁ - длительность фотопериода, ч;
τ₂ - возраст растения, сутки;
φ₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %,
B₁, B₂, B₃, B₄, B₅ - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности фотосинтеза, которые принимают следующие значения:
B₁=-0,002979
B₂=-0,299
B₃=-0,215
B₄=0,116
B₅=29,631,
причем оптимальную освещенность поддерживают постоянной в течение заданной длительности фотопериода,
но в случае если температура и освещенность в теплице превысят многомерную оптимальную по критерию продуктивности температуру воздуха и освещенность, то компьютерный задатчик определяет и устанавливает одномерные оптимальные по критерию продуктивности температуру воздуха в теплице для дневного времени суток или освещенности по следующим формулам:

где a₁, a₂, a₁₁, a₁₂, a₂₂ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза, которые принимают следующие значения:
a₂=0,1881
a₁₂=0,0125
a₂₂=-0,0215
a₂₃=0,0014
a₂₄=-0,0087
a₂₅=0
a₂₆=0,0107
и
a₁=1,9788
a₁₁=-0,0141
a₁₂=0,0125
a₁₃=-0,0034
a₁₄=-0,0046
a₁₅=-0,0174
a₁₆=-0,0147
E₁ - установившееся в результате функционирования системы и учитывающее действие солнечной радиации, текущее значение освещенности, клк;
t₁ - установившееся в результате функционирования системы, текущее значение температуры, °C;
T₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ₁ - заданная оператором-техником длительность фотопериода, ч;
τ₂ - возраст растения, сутки;
φ₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %.