RU2586923C1

RU2586923C1 - Method of automatic control of light-temperature mode in greenhouse

Info

Publication number: RU2586923C1
Application number: RU2014147941/13A
Authority: RU
Inventors: Светлана Александровна Попова; Мария Александровна Супрун; Нина Михайловна Рычкова
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-10

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: invention relates to agricultural machinery, namely to methods of automatic control of light-temperature mode in greenhouses or other structures of protected ground. According to suggested method in definite time intervals there are measured: temperature, illumination, air humidity in the greenhouse, age of plants, photoperiod set for operation of extra-illuminating equipment. Average last-night temperature is calculated and with due allowance the computer computes and sets multidimensional optimal values of temperature and illumination. For pulse operation of extra-illuminating equipment taking into account the measured total radiation and overall illumination values the computer computes and sets the multidimensional optimal values of total radiation and time of illumination which identifies operating period of lighting equipment as well as time of dark period corresponding to equipment standby. If dark period exceeds one hour, the air temperature in the greenhouse is reduced up to optimum and calculated values set by computer according to measured readings. Due to pulse operation of extra-illuminating equipment it is possible to save energy.

EFFECT: method provides the effective use of light and heat energy, which increases plant productivity and reducing their vegetation period before fruiting.

2 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам автоматического управления свето-температурным режимом в теплицах или других сооружениях защищенного грунта.The invention relates to agricultural machinery, and in particular to methods for automatically controlling the light-temperature regime in greenhouses or other structures of protected soil.

Известен способ оптимизации факторов среды обитания при выращивании растений [а.с. СССР №456595, МПК 4 А01G 9/26. Способ оптимизации факторов внешней среды при выращивании растений, опубл. 1975, бюл. №2], в котором оптимизация фотосинтеза растений осуществляется с помощью регулирования облученности.A known method of optimizing environmental factors when growing plants [and.with. USSR No. 456595, IPC 4 A01G 9/26. A method of optimizing environmental factors when growing plants, publ. 1975, bull. No. 2], in which the optimization of plant photosynthesis is carried out by regulating the irradiation.

Этот способ оптимизации фотосинтеза и организации освещения в теплице содержит ряд недостатков:This method of optimizing photosynthesis and organizing lighting in a greenhouse contains a number of disadvantages:

1) оптимизируется лишь один параметр - освещенность без учета температуры;1) only one parameter is optimized - illumination without taking into account temperature;

2) способ реализуется с помощью очень громоздких измерительных приборов, которые удобны для изучения реакций растений на влияние факторов среды лишь на начальном этапе для определения требуемых математических моделей;2) the method is implemented using very cumbersome measuring instruments, which are convenient for studying plant reactions to the influence of environmental factors only at the initial stage to determine the required mathematical models;

3) никак не оптимизируется длительность работы досвечивающей аппаратуры;3) the duration of operation of the backlighting equipment is not optimized in any way;

4) экстремальная система склонна к колебательным режимам работы, что плохо сказывается на функциональных свойствах аппаратуры.4) the extreme system is prone to oscillatory modes of operation, which adversely affects the functional properties of the equipment.

Известен также способ управления световым режимом с помощью фитооблучателя, описанный в патенте РФ №2454066 [МПК 4 А01G 9/20. Светодиодный фитооблучатель, опубл. 27.06.2012, бюл. №18], позволяющий осуществлять импульсное включение и отключение фитооблучателя, система управления которого вынесена за пределы его корпуса. При этом способе компьютерный задатчик по программе на основе данных, полученных от датчика внешней освещенности, формирует управляющий сигнал и воздействует на группы светодиодов, корректируя интенсивность работы источника света в зависимости от внешнего освещения. Интенсивностью светового потока управляют при помощи включения и выключения необходимого количества светодиодов. Кроме того, компьютерный задатчик может формировать различные режимы управления светодиодами и при необходимости может реализовать режим импульсного включения источника света с управлением временем экспозиции и длительности темновых пауз, что позволяет снизить удельное энергопотребление.There is also a method of controlling the light mode using phytoradiator described in the patent of the Russian Federation No. 2454066 [IPC 4 A01G 9/20. LED phytoradiator, publ. 06/27/2012, bull. No. 18], which allows pulsed switching on and off of the phytoradiator, the control system of which is outside its enclosure. In this method, the computer master program based on the data received from the ambient light sensor, generates a control signal and acts on the group of LEDs, adjusting the intensity of the light source depending on external lighting. The intensity of the light flux is controlled by turning on and off the required number of LEDs. In addition, the computer master can generate various LED control modes and, if necessary, can implement a pulsed light source switching mode with control of exposure time and duration of dark pauses, which reduces specific energy consumption.

Данный способ имеет несколько недостатков. Неизвестно, какова должна быть темновая пауза и каков световой интервал в импульсном режиме работы этого устройства; неизвестно, каким образом должна осуществляться функция управления температурой, поскольку управление светом предполагает и управление температурой, что приводит к значительному и необоснованному перерасходу как и электроэнергии, так и тепловой энергии.This method has several disadvantages. It is not known what the dark pause should be and what is the light interval in the pulsed mode of operation of this device; it is not known how the temperature control function should be implemented, since light control also involves temperature control, which leads to a significant and unreasonable cost overrun of both electricity and thermal energy.

Известен также способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице [патент РФ №2403705, МПК 4 А01G 9/26. Способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице; опубл. 20.11.2010, бюл. №32], выбранный за прототип, в котором весь период выращивания растений делится на равные промежутки времени, продолжительность которых меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения. В каждом из этих промежутков времени измеряют влажность воздуха внутри теплицы, определяют среднесуточную температуру предыдущей ночи и возраст растений. Далее по результатам измерений определяют и устанавливают многомерные оптимальные по критерию продуктивности дневную температуру воздуха внутри теплицы и освещенность по формулам, полученным из совместного решения системы уравнений, выведенных из уравнения продуктивности растений огурца сорта «Московский тепличный». Решение системы уравнений матричным способом позволяет определить многомерные оптимальные параметры температуры и освещенности. Причем оптимальную освещенность поддерживают постоянной в течение заданной длительности фотопериода. При этом вычисленные матричным способом многомерные значения оптимальных параметров температуры воздуха в теплице и освещенности не зависят друг от друга, что позволяет управлять параметрами температуры и освещенности автономно, не вводя их предварительно в компьютерный задатчик, как в случае определения одномерных параметров.There is also a method of automatically controlling the temperature and light conditions in a greenhouse [RF patent No. 2403705, IPC 4 A01G 9/26. A method for automatically controlling the temperature and light conditions in a greenhouse; publ. 11/20/2010, bull. No. 32], selected for the prototype, in which the entire period of growing plants is divided into equal time intervals, the duration of which is less than the time constant of the fastest disturbance. In each of these time periods, the air humidity inside the greenhouse is measured, the average daily temperature of the previous night and the age of the plants are determined. Further, according to the measurement results, multidimensional daytime air temperature inside the greenhouse and light conditions that are optimal according to the productivity criterion and illuminance are determined and established by the formulas obtained from a joint solution of the system of equations derived from the plant productivity equation of the Moscow Greenhouse cucumber. Solving the system of equations in a matrix way allows one to determine multidimensional optimal parameters of temperature and illumination. Moreover, the optimal illumination is kept constant for a given duration of the photoperiod. In this case, the multidimensional values of the optimal parameters of the air temperature in the greenhouse and the illumination calculated by the matrix method are independent of each other, which makes it possible to control the temperature and illumination parameters autonomously without first entering them into a computer controller, as in the case of determining one-dimensional parameters.

Однако данный способ не позволяет полностью решить актуальную задачу снижения энергозатрат на производство овощей защищенного грунта, так как этот способ требует обеспечения растений теплицы дополнительным искусственным освещением с помощью большого количества облучателей, функционирование которых потребует больших затрат энергии, и при этом не определена длительность включения этих облучателей.However, this method does not completely solve the urgent problem of reducing energy costs for the production of vegetables of protected soil, since this method requires providing the greenhouse plants with additional artificial lighting using a large number of irradiators, the operation of which will require large energy expenditures, and the duration of switching on these irradiators is not determined .

Задачей изобретения является повышение точности поддержания температуры и освещенности в культивационном помещении, а также повышение коэффициента полезного действия (КПД) механизма фотосинтеза растений за счет согласования таких факторов среды, как температура и освещенность, а также согласование длительности работы осветительной аппаратуры и периодичности ее включения в режим досвечивания, что создает тем самым импульсный режим. В результате будет повышена продуктивность тепличных культур, сокращен период вегетации растений до начала массового плодоношения, и тем самым получена экономия тепловой энергии, кроме того, снизятся затраты на электроэнергию для досвечивающей аппаратуры.The objective of the invention is to increase the accuracy of maintaining temperature and illumination in the cultivation room, as well as increasing the efficiency (COP) of the mechanism of plant photosynthesis by coordinating environmental factors such as temperature and illumination, as well as coordinating the duration of the lighting equipment and the frequency of its inclusion in the mode re-exposure, thereby creating a pulsed mode. As a result, the productivity of greenhouse crops will be increased, the period of plant vegetation before the start of mass fruiting will be reduced, and thereby thermal energy will be saved, in addition, the cost of electricity for illuminating equipment will be reduced.

Задача решается тем, что в предлагаемом способе автоматического управления свето-температурным режимом в теплице, включающем разбиение вегетационного периода растений на равные промежутки времени, измерение для каждого промежутка времени влажности воздуха, температуры воздуха и освещенности в теплице с получением сигналов от датчиков влажности воздуха, температуры и освещенности соответственно, измерение возраста растений с получением сигнала от счетчика возраста растений и счетчика, отмеряющего длительность заданного фотопериода, при этом эти данные поступают в компьютерный задатчик, который вычисляет среднее значение температуры предыдущей ночи в наступающее дневное время, а затем вычисляет и устанавливает оптимальные свето-температурные параметры воздуха внутри теплицы, такие как оптимальную многомерную и одномерную температуру дня и поддерживает одну из них постоянной в зависимости от сложившихся условий в течение всего промежутка времени, а также оптимальную многомерную и одномерную освещенность, и поддерживает одну из них с помощью досвечивающей аппаратуры, включенной на заданный агротехником фотопериод, в отличие от прототипа по окончании дневного периода вычисляют среднеарифметическую температуру дня и измеряют датчиком текущее значение суммарной суточной радиации, полученной от солнечного излучения и от осветителей, работающих в импульсном режиме, для дальнейшего сравнения его в течение дня со значением, вычисленным компьютерным задатчиком и обеспеченным досвечивающей аппаратурой многомерной оптимальной суммарной радиацией, по формулеThe problem is solved in that in the proposed method for automatically controlling the light-temperature regime in a greenhouse, including dividing the vegetative period of plants into equal time intervals, measuring for each time interval air humidity, air temperature and illumination in the greenhouse with receiving signals from air humidity and temperature sensors and illumination, respectively, measuring the age of plants with receiving a signal from a plant age counter and a counter measuring the duration of a given photoperiod , at the same time, these data are fed into a computer controller, which calculates the average temperature of the previous night in the coming daytime, and then calculates and sets the optimal light-temperature parameters of the air inside the greenhouse, such as the optimal multidimensional and one-dimensional temperature of the day and keeps one of them constant depending on the prevailing conditions over the entire period of time, as well as the optimal multidimensional and one-dimensional illumination, and supports one of them with the help of an illuminating lamp Atura included in the photoperiod set by the agricultural technician, in contrast to the prototype, at the end of the day period, calculate the arithmetic mean temperature of the day and measure the current value of the total daily radiation received from solar radiation and from illuminators operating in a pulsed mode with a sensor to further compare it during the day with the value calculated by the computer master and provided with the multivariate optimal total radiation radiation equipment, according to the formula

Q_∑M=К₁τ_∑+К₂E_∑+К₃τ₂+К₄,Q _{∑ M} = K ₁ τ _∑ + K ₂ E _∑ + K ₃ τ ₂ + K ₄ ,

где τ_∑ - суммарная длительность фотопериода или длительность работы световой аппаратуры за время всех световых экспликаций, ч;where τ _∑ is the total duration of the photoperiod or the duration of the lighting equipment during all light explications, h;

Е_∑ - суммарная освещенность теплицы, складывающаяся из естественной освещенности от солнца и освещенности от досвечивающей аппаратуры, текущее значение которой измеряется датчиком, клк;E _∑ - the total illumination of the greenhouse, consisting of natural illumination from the sun and illumination from the illumination equipment, the current value of which is measured by the sensor, CLK;

τ₂ - возраст растений, сут;τ ₂ - age of plants, days;

К₁÷К₄ - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности суммарного фотосинтеза, вычисляемые по формулам:To ₁ ÷ To ₄ - multidimensional reduced coefficients of intensity of total photosynthesis, calculated by the formulas:

где Δ - матрица, основная (3×3), равнаяwhere Δ is the matrix, the main (3 × 3), equal to

,

где Δ₁₁, Δ₂₁, Δ₃₁ - матрицы второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:where Δ ₁₁ , Δ ₂₁ , Δ ₃₁ are secondary matrices (2 × 2) composed of the coefficients of the total intensity of photosynthesis as follows:

;

где в₁, в₂… и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально.where in ₁ , in ₂ ... etc. - regression coefficients of the total intensity of photosynthesis, determined experimentally.

Далее нужно определить и установить многомерное оптимальное по критерию продуктивности время световой экспликации для работы досвечивающей аппаратуры по формулеNext, it is necessary to determine and establish a multidimensional optimal, according to the productivity criterion, light explication time for the operation of the illumination equipment according to the formula

τ_ПСМ=F₁τ_∑+F₂E_∑+F₃τ₂+F₄,τ _PSM = F ₁ τ _∑ + F ₂ E _∑ + F ₃ τ ₂ + F ₄ ,

где τ_∑ - суммарная длительность фотопериода или длительность работы досвечивающей аппаратуры за время всех экспликаций, час;where τ _∑ is the total duration of the photoperiod or duration of operation of the irradiation equipment during all explications, hour;

Е_∑ - суммарная освещенность теплицы, складывающаяся из естественной освещенности от солнца и освещенности досвечивающей аппаратуры, текущее значение которой измеряется датчиком, клк;E _∑ - the total illumination of the greenhouse, consisting of the natural illumination from the sun and the illumination of the illumination equipment, the current value of which is measured by the sensor, CLK;

τ₂ - возраст растений, сут;τ ₂ - age of plants, days;

F₁÷F₄ - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности суммарного фотосинтеза, вычисляемые по формулам:F ₁ ÷ F ₄ - multidimensional reduced coefficients of intensity of total photosynthesis, calculated by the formulas:

где Δ, Δ₁₂, Δ₂₂, Δ₃₂ - матрицы, основная (3×3) и второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:where Δ, Δ ₁₂ , Δ ₂₂ , Δ ₃₂ are matrices, the main (3 × 3) and secondary (2 × 2), composed of the coefficients of the total intensity of photosynthesis as follows:

;

где в₁, в₂ … и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально.where in ₁ , in ₂ ... etc. - regression coefficients of the total intensity of photosynthesis, determined experimentally.

На следующем этапе определяют и устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности темновую паузу в работе досвечивающей аппаратуры для активизации фотосинтетического аппарата растений по формулеAt the next stage, a multidimensional dark pause in the operation of the illuminating equipment for activating the photosynthetic apparatus of plants according to the formula

τ_ПТМ=S₁τ_∑+S₂E_∑+S₃τ₂+S₄,τ _PTM = S ₁ τ _∑ + S ₂ E _∑ + S ₃ τ ₂ + S ₄ ,

где τ_∑ - суммарная длительность фотопериода или длительность работы световой аппаратуры за время всех экспликаций, ч;where τ _∑ is the total duration of the photoperiod or the duration of the lighting equipment during all explications, h;

E_∑ - суммарная освещенность теплицы, складывающаяся из естественной освещенности от солнца и освещенности досвечивающей аппаратуры, текущее значение которой измеряется датчиком, клк;E _∑ - the total illumination of the greenhouse, consisting of the natural illumination from the sun and the illumination of the illumination equipment, the current value of which is measured by the sensor, CLK;

τ₂ - возраст растений, сут.;τ ₂ - age of plants, days .;

S₁÷S₄ - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности суммарного фотосинтеза, вычисляемые по формулам:S ₁ ÷ S ₄ - multidimensional reduced coefficients of intensity of total photosynthesis, calculated by the formulas:

где Δ, Δ₁₃, Δ₂₃, Δ₃₃ - матрицы, основная (3×3) и второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:where Δ, Δ ₁₃ , Δ ₂₃ , Δ ₃₃ are matrices, the main (3 × 3) and secondary (2 × 2), composed of the coefficients of the total intensity of photosynthesis as follows:

;

в₁, в₂ … и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально.in ₁ , in ₂ ... etc. - regression coefficients of the total intensity of photosynthesis, determined experimentally.

При этом оптимальную освещенность поддерживают постоянной в течение вычисленной оптимальной световой экспликации посредством досвечивающей аппаратуры, которая прерывается сигналом от компьютерного задатчика, выключающим досвечивающую аппаратуру на период вычисленной темновой паузы, после окончания которой и после обработки сигналов датчиков наступает новая световая экспликация, это продолжается до тех пор, пока не окончится заданный агротехником суммарный фотопериод, который складывается из световых отрезков, или по достижении вычисленного компьютерным задатчиком многомерной суммарной радиации, после чего наступает ночной период, при котором в теплице устанавливается одномерная оптимальная ночная температура, вычисленная компьютерным задатчиком по формулеIn this case, the optimal illumination is kept constant during the calculated optimal light explication by means of a lighting device that is interrupted by a signal from a computer setter that turns off the lighting equipment for a period of a calculated dark pause, after which a new light explication occurs after processing of the sensor signals, this continues until until the total photoperiod set by the agricultural technician, which consists of light segments, or upon reaching calculated by the computer master of the multidimensional total radiation, after which the night period begins, at which the one-dimensional optimal night temperature is calculated in the greenhouse, calculated by the computer master according to the formula

где E_1С - среднеарифметическая освещенность предыдущего дня, клк;where E _1C is the arithmetic mean illumination of the previous day, CLK;

T_1С - среднеарифметическая температура предыдущего дня, °C;T _1C - arithmetic mean temperature of the previous day, ° C;

τ₁ - заданная оператором-техником длительность фотопериода (или досвечивания), час;τ ₁ - the duration of the photoperiod (or exposure) specified by the operator-technician, hours;

τ₂ - возраст растения, сутки;τ ₂ - plant age, day;

φ₂ - текущее значение влажности воздуха в теплице ночью, %;φ ₂ - the current value of the humidity in the greenhouse at night,%;

а₃, а₁₃, а₂₃ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза: а₃=0,659; а₁₃=-0,003; a₂₃=0,0014; а₃₃=-0,018; а₃₄=-0,012; а₃₅=-0,002; а₃₆=0,006.a ₃ , a ₁₃ , a ₂₃ , etc. - coefficients of the mathematical model of photosynthesis intensity: a ₃ = 0.659; a ₁₃ = -0.003; a ₂₃ = 0.0014; a ₃₃ = -0.018; a ₃₄ = -0.012; a ₃₅ = -0.002; ₃₆ = 0.006.

Кроме того, способ автоматического управления свето-температурным режимом в теплице позволяет, в случае если темновая пауза в работе досвечивающей аппаратуры будет иметь длительность один час и более, устанавливать в теплице одномерную оптимальную ночную температуру, вычисленную компьютерным задатчиком в промежутках между световыми экспликациями, при этом система обогрева должна будет изменять температуру в теплице постепенно, а перед наступлением начала световой экспликации также постепенно устанавливать вычисленную компьютерным задатчиком многомерную оптимальную температуру воздуха.In addition, the method of automatically controlling the light-temperature regime in the greenhouse allows, if the dark pause in the operation of the lighting equipment will last one hour or more, to set the one-dimensional optimal night temperature calculated by the computer setter in the intervals between light explications in the greenhouse, while the heating system will have to change the temperature in the greenhouse gradually, and before the onset of light explication, it will also gradually establish the calculated computer setter multidimensional optimum air temperature.

Предыдущие исследования, проведенные в институте биологии в Карелии [Попова С.А. Энергосберегающая система автоматического управления температурным режимом в теплице: Дис. к.т.н - ЧГАУ, 1995], показали, что при максимальной освещенности растений в 30 клк максимум фотосинтеза достигается уже через 2 часа, а через 6 часов снижается почти в два, а иногда и в три раза. Именно на этих данных основано утверждение, что следует весь период фотосинтеза разбить на свето-темновые интервалы, длительность которых целесообразно определять с помощью вычислителей по измеряемым показателям фотосинтеза отдельного растения в различные фазы и при различных условиях жизни.Previous studies conducted at the Institute of Biology in Karelia [Popova S.A. Energy-saving system of automatic temperature control in a greenhouse: Dis. Ph.D. - ChSAU, 1995], showed that with a maximum illumination of plants of 30 klx, the maximum of photosynthesis is reached after 2 hours, and after 6 hours it decreases by almost two, and sometimes three times. It is on these data that the assertion is based that the entire period of photosynthesis should be divided into light-dark intervals, the duration of which should be determined using calculators from the measured parameters of photosynthesis of an individual plant in different phases and under different living conditions.

Для этих целей подойдет, например, газоанализатор «Инфралит-1» или камера-«клипса» для одного листа растения, размещенного в непосредственной близости от осветительного прибора. Эксперимент следует проводить для различного уровня освещенности в пределах от 10 до 35 клк. Периодически, включая и отключая осветители при различных уровнях освещенности, фиксируют при какой длительности темновой паузы и какой длительности светового интервала (экспликации) будет максимальным параметр поглощения СО₂ для организации фотосинтеза растения. Свето-температурный режим при этом следует выдерживать оптимальным, т.е. освещенность, температура дня и ночи должны быть оптимальными для жизнедеятельности растений. Проведенные с использованием методик планирования эксперимента исследования позволят получить такие же успешные результаты, какие были получены и использованы в математической модели огурца сорта «Московский тепличный», в Карельском институте биологии.For these purposes, for example, an Infralit-1 gas analyzer or a “clip” camera for one leaf of a plant located in the immediate vicinity of a lighting device is suitable. The experiment should be carried out for various levels of illumination in the range from 10 to 35 cells. Periodically, including disabling the illuminators at different light levels, is fixed at a duration of the dark interval and a duration of the light period (explication) will be the maximum CO ₂ absorption parameter for organizing photosynthetic plants. In this case, the light-temperature regime should be kept optimal, i.e. Illumination, temperature of day and night should be optimal for plant life. Studies carried out using experimental design techniques will allow you to obtain the same successful results that were obtained and used in the mathematical model of cucumber varieties "Moscow Greenhouse" at the Karelian Institute of Biology.

Данные о проведенных исследованиях должны обрабатываться, а результаты помещаться в вычислительный блок, который и будет формировать впоследствии задания для работы осветительной аппаратуры. Кроме того, в компьютерный задатчик заносят данные о суммарной радиации Q_∑, которую должно получить растение за сутки для своего успешного роста. Осветительная аппаратура отключится на ночной период после достижения оптимального значения параметра Q_∑ в течение дня.Data on the conducted research should be processed, and the results should be placed in a computing unit, which will subsequently form tasks for the operation of lighting equipment. In addition, data on the total radiation Q _∑ , which the plant must receive per day for its successful growth, are entered into the computer master. Lighting equipment will turn off for the night period after reaching the optimal value of the parameter Q _∑ during the day.

Для оптимизации роста растений температура ночного периода также должна поддерживаться на уровне значений, определенных по модели фотосинтеза Ф, с помощью компьютерного задатчика. При этомTo optimize plant growth, the temperature of the night period should also be maintained at the level determined by the photosynthesis model F using a computer controller. Wherein

где t₁ - текущее значение дневной температуры в культивационном помещении, °С;where t ₁ - the current value of the daily temperature in the cultivation room, ° C;

E₁ - текущее значение освещенности;E ₁ - the current value of illumination;

Т₂ - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;T ₂ - arithmetic mean temperature of the previous night, ° C;

τ₂ - возраст растения, сутки;τ ₂ - plant age, day;

φ₁ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %;φ ₁ - the current value of the humidity in the greenhouse,%;

τ₁ - длительность фотопериода (длительность действия светового фактора), ч;τ ₁ - the duration of the photoperiod (the duration of the light factor), h;

а₀ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза.and ₀ , etc. - coefficients of a mathematical model of photosynthesis intensity.

Эта температура должна быть получена путем дифференцирования математической модели фотосинтеза Ф и в дальнейшем будет считаться одномерной оптимальной t_22O. Таким образом, имеем уравнениеThis temperature must be obtained by differentiating the mathematical model F photosynthesis and hereinafter will be considered optimum dimensional t _22O. Thus, we have the equation

из которого следует, чтоfrom which it follows that

где E_1C - среднеарифметическая освещенность предыдущего дня, клк;where E _1C is the arithmetic mean illumination of the previous day, clk;

T_1C - среднеарифметическая температура предыдущего дня, °C;T _1C - arithmetic mean temperature of the previous day, ° C;

τ₂ - возраст растения, сутки;τ ₂ - plant age, day;

φ₂ - текущее значение влажности воздуха в теплице ночью, %.φ ₂ - the current value of the humidity in the greenhouse at night,%.

а₃, a₁₃, а₂₃ и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза из таблицы:a ₃ , a ₁₃ , a ₂₃ , etc. - the coefficients of the mathematical model of photosynthesis intensity from the table:

В результате проведенных экспериментов с осветительной аппаратурой должна быть выведена математическая модель следующего видаAs a result of experiments with lighting equipment, a mathematical model of the following form should be derived

где Ф_∑ - суммарное значение интенсивности фотосинтеза за световой период τ₁, спецаппаратурой, (мг СO₂)/сут·м²;where Ф _∑ is the total value of photosynthesis intensity for the light period τ ₁ , with special equipment, (mg СО ₂ ) / day · m ² ;

Q_∑ - суммарная суточная радиация для оптимального фотосинтеза, складывающаяся на отдельных отрезках времени за период τ₁, от искусственного и от естественного освещения, измеряется спецаппаратурой, Вт/м²;Q _Σ - total daily radiation for optimal photosynthesis, down to individual time intervals during the period τ _1, of the artificial and natural lighting, special equipment is measured in W / m ^2;

τ_ПС - пауза световая, временной интервал действия досвечивающей аппаратуры (экспликация), ч;τ _PS - light pause, time interval of operation of the illumination equipment (explication), h;

τ_ПТ - пауза темновая, временной интервал темновой фазы (отдых растений), при Е_ест>Е_21М не учитывается как пауза, ч;τ _PT - the pause is dark, the time interval of the dark phase (rest of plants), when E _eats > E _{21M is} not taken into account as a pause, h;

τ_∑ - суммарная длительность фотопериода или длительность работы досвечивающей аппаратуры за время всех световых экспликаций, ч;τ _∑ is the total duration of the photoperiod or the duration of operation of the irradiation equipment during all light explications, h;

Е_∑ - суммарная освещенность теплицы, складывающаяся из естественной освещенности от солнца и освещенности от облучателей, текущее значение, измеряется датчиком, клк;E _∑ - the total illumination of the greenhouse, consisting of natural light from the sun and light from the irradiators, the current value is measured by the sensor, CLK;

τ₂ - возраст растений, сут;τ ₂ - age of plants, days;

в₀, в₁, … в₆₆ - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые математически после обработки экспериментальных данных. _0, _1, ... ₆₆ - of photosynthesis intensity ratios total regression, defined mathematically after treatment of experimental data.

Продифференцировав модель Ф_∑ (4) по переменным τ_ПС, τ_ПТ, Q_∑, получаем системы уравнений (5 и 6):Differentiating the model Ф _∑ (4) with respect to the variables τ _PS , τ _PT , Q _∑ , we obtain the system of equations (5 and 6):

по которым можно определить оптимальные многомерные параметры работы досвечивающей аппаратуры:by which it is possible to determine the optimal multidimensional operating parameters of the illumination equipment:

где Q_∑М - многомерная оптимальная суммарная радиация, Вт/м²;where Q _{∑ М} - multidimensional optimal total radiation, W / m ² ;

τ_ПСМ - многомерная оптимальная длительность световой экспликации (пауза света), длительность работы облучателей, ч;τ _PSM - multidimensional optimal duration of light explication (pause of light), the duration of the irradiators, h;

τ_ПТМ - многомерная оптимальная пауза темноты, промежуток времени отключенного состояния облучателей между световыми экспликациями, ч;τ _PTM - multidimensional optimal pause of darkness, time period of the disconnected state of irradiators between light explications, h;

K₁÷К₄, F₁÷F₄, S₁÷S₄ - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности суммарного фотосинтеза, получаемые из соотношений, содержащих матрицы различного типа, составленных из коэффициентов регрессии уравнения (4) вычисляемые по уравнениям из нижеприведенной таблице.

K ₁ ÷ K ₄ , F ₁ ÷ F ₄ , S ₁ ÷ S ₄ - multidimensional reduced coefficients of the intensity of total photosynthesis, obtained from relations containing matrices of various types, composed of regression coefficients of equation (4) calculated by the equations from the table below.

где Δ, Δ₁₁ … Δ_ij - матрица основная (3×3) и второстепенные матрицы (2×2), вырезанные из основной и составленные из коэффициентов уравнения (4).where Δ, Δ ₁₁ ... Δ _ij is the main matrix (3 × 3) and secondary matrices (2 × 2), cut out from the main one and made up from the coefficients of equation (4).

Так, основная матрица Δ (3 строки и 3 столбца) будет иметь следующий видSo, the main matrix Δ (3 rows and 3 columns) will have the following form

Вырезанная из Δ матрица Δ₁₁ будет равна оставшейся после откидывания первой строки и первого столбца, поэтому название у матрицы одиннадцать, например:The matrix Δ ₁₁ cut out from Δ will be equal to the remaining after folding the first row and the first column, therefore the name of the matrix is eleven, for example:

Все прочие матрицы Δ_ij составляются аналогично, при этом номер i соответствует номеру строки, а номер j соответствует номеру столбца, отброшенным из матрицы Δ. Остальные столбцы и строки входят в новую матрицу (2×2). Решают матрицы по правилам математики [Пискунов В.И. Курс математического анализа. М., Наука, 1976], и получают многомерные оптимальные значения суммарной радиации Q_∑M, световых экспликаций для досвечивающей аппаратуры τ_ПСМ, интервалов темновой паузы τ_ПТМ.All other matrices Δ _{ij are} compiled similarly, with the number i corresponding to the row number and the number j corresponding to the column number dropped from the matrix Δ. The remaining columns and rows are included in the new matrix (2 × 2). Matrices are solved according to the rules of mathematics [Piskunov V.I. Course of mathematical analysis. Moscow, Nauka, 1976], and they obtain multidimensional optimal values of the total radiation Q _{∑ M} , light explications for the transmission equipment τ _PSM , dark pause intervals τ _PTM .

На сегодняшний момент времени существуют специальные программы для решения сложных математических выражений.To date, there are special programs for solving complex mathematical expressions.

В случае с периодом фотосинтеза τ₁ поступают, как и в патенте №2403705, его просто задают, так как математически период фотосинтеза сильно коррелирует с уровнем освещенности и получить максимум Ф по этому параметру нет возможности. Количественно оптимум не определен, но по экспериментальным исследованиям выявлено, что в течение слишком длинного фотопериода растение постепенно снижает интенсивность фотосинтеза, поэтому будем считать оптимальным 12 часов непрерывного светового периода, отсюда название параметра τ_Σ - суммарный фотопериод, он складывается из отрезков работы досвечивающей аппаратуры и солнечного облучения при условии, что Е_ест>Е_21М.In the case of the photosynthesis period, τ _{1 is} received, as in patent No. 2403705, it is simply set, since mathematically the period of photosynthesis strongly correlates with the level of illumination and it is not possible to obtain a maximum of Ф by this parameter. Quantitatively, the optimum is not defined, but experimental studies revealed that for too long photoperiod plant gradually reduces the rate of photosynthesis, so we assume the optimum 12:00 continuous light period, hence the name of the parameter τ _Σ - total photoperiod, it is made up of work pieces dosvechivayuschey equipment and solar exposure, provided that E _eats > E _21M .

Суммарная освещенность E_∑ также может меняться, так как в дневной период к искусственному освещению добавляется естественное, и поэтому изменение этого параметра будет изменять длительность пауз в работе осветительной аппаратуры.The total illumination E _∑ can also vary, since in the daytime natural light is added to artificial lighting, and therefore a change in this parameter will change the duration of pauses in the operation of lighting equipment.

Кроме того, изменение длительности суммарного фотопериода τ_Σ может изменить величину суточной суммарной радиации Q_Σ, полученной за световые периоды от солнца и искусственных источников излучения.In addition, a change in the duration of the total photoperiod τ _Σ can change the value of the daily total radiation Q _Σ obtained during light periods from the sun and artificial radiation sources.

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, влажности воздуха в теплице и счетчика возраста растений, а также данные о длительности работы досвечивающей аппаратуры (задаются агротехником). Среднее значение ночной температуры компьютерный задатчик вычисляет после окончания ночи. Далее компьютерный задатчик по формулам из прототипа рассчитывает многомерные оптимальные по продуктивности значения температуры τ_21М и освещенности Е_21М, которые сравниваются с показаниями датчиков температуры и освещенности.The method is as follows. The computer controller, which should generate for the automatic control system (ACS) the task of optimal values of the air temperature in the greenhouse and light for the productivity criterion, receives signals from temperature, light, air humidity in the greenhouse and plant age counter, as well as data on the duration of work lighting equipment (set by an agricultural technician). The average value of the night temperature is calculated by the computer controller after the end of the night. Next, the computer controller using the formulas from the prototype calculates multidimensional temperature-optimal values of productivity τ _21M and illuminance E _21M , which are compared with the readings of temperature and light sensors.

Последующие вычислительные операции происходят при изменении какого-либо параметра, входящего в уравнения, 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 один из управляемых параметров (текущие значения температуры t₁ или освещенности Е₁) по величине превысит значения многомерных оптимальных величин t_21M или Е_21М, то в этом случае вычисляются одномерные оптимальные по критерию продуктивности значения температуры внутри теплицы t₂₁₀ и освещенности Е₂₁₀ формулам из прототипа. По специальному алгоритму компьютерный задатчик осуществляет переход на управление температурно-световым режимом по формулам из прототипа, которые содержат параметр текущего значения вышедшего из-под контроля САУ фактора температурно-светового режима. Сам фактор фиксируется в неизменном состоянии в данном промежутке времени.Subsequent computational operations occur when a parameter that is included in the equations changes, for example, when the humidity or age of plants changes, which are recorded by a moisture sensor and a plant age counter. The calculation of the optimal values is performed for a period of time, the duration of which is an order of magnitude less than the time constant of the fastest perturbation (for example, 0.1 min). If one of the controlled parameters (current values of temperature t ₁ or illumination E ₁ ) exceeds the values of multidimensional optimal values t _21M or E _21M in magnitude, then in this case the one-dimensional temperature values inside the greenhouse t ₂₁₀ and illuminance E ₂₁₀ are optimized by the productivity criterion from the prototype. According to a special algorithm, the computer controller makes the transition to controlling the temperature and light mode according to the formulas from the prototype, which contain the parameter of the current value of the temperature and light mode factor that has gone out of control of the automatic control system. The factor itself is fixed in an unchanged state in a given period of time.

Что касается досвечивающей аппаратуры, то для применения предлагаемого способа более всего подходит или светодиодные фитооблучатели, или плазменные лампы, которые производит фирма LG.As for the illumination equipment, either LED phyto-irradiators or plasma lamps, which are manufactured by LG, are most suitable for applying the proposed method.

Кроме того, компьютерный задатчик после сравнения двух значений измеренной естественной освещенности и вычисленной по формуле из прототипа начинает вычислять значения многомерных параметров работы осветительного оборудования Q_∑М, τ_ПСМ, τ_ПТМ по формулам (7, 8, 9), если естественная освещенность ниже рассчитанной Е_21М. При этом вычисленный параметр Q_∑М (суммарная суточная активная радиация) укажет, какую оптимальную для фотосинтеза радиацию должны получить растения за период τ₁ (задается агрономом) работы досвечивающей аппаратуры. Параметры τ_ПСМ и τ_ПТМ укажут, на какое время будут периодически включаться и выключаться лампы досвечивающей аппаратуры, чтобы активизировать сам процесс фотосинтеза, ведь кванты света именно в темноте наилучшим образом включаются в обмен веществ растений. При этом будет присутствовать еще и естественная освещенность, но в зимний период ее недостаточно для фотосинтеза, и поэтому даже понижение уровня облученности на какое-то время даст возможность растениям снять давление света на фотосинтетический аппарат. После получения полной дозы Q_∑M растениями досвечивающую аппаратуру можно отключить даже до истечения срока τ_1, так как Q_∑M будет тем самым оптимальным значением, превышать которое не имеет смысла, иначе произойдет необоснованный перерасход энергии. Ночью температура воздуха будет ниже дневной, но ненамного, ее также предварительно вычисляет компьютерный задатчик по формуле (3) и по результатам данных, собранных компьютерным задатчиком за дневной период, но она будет уже одномерным оптимальным параметром t₂₂₀.Moreover, a computer dial after comparing the two measured values and the calculated natural illumination of the formula begins to compute the values of the prototype multi-dimensional parameters of the lighting equipment _ΣM Q, τ _PSM, τ _PTM by the formulas (7, 8, 9), if the natural illumination below the calculated E _21M . In this case, the calculated parameter Q _{∑ М} (total daily active radiation) will indicate what optimal radiation should be received for photosynthesis by plants for the period τ ₁ (set by the agronomist) of the operation of the lighting equipment. The parameters τ and τ _PSM _PTM will indicate at what time will be periodically switched on and off lamps dosvechivayuschey equipment to activate the process of photosynthesis itself, because the rays of light in the dark is best included in the plant metabolism. At the same time, natural illumination will also be present, but in winter it is not enough for photosynthesis, and therefore even lowering the level of irradiation for some time will enable plants to relieve light pressure on the photosynthetic apparatus. After receiving the full dose of Q _{∑ M by} plants, the irradiation equipment can be turned off even before the expiration of τ _1, since Q _{∑ M} will be the optimal value, which does not make sense, otherwise there will be an unreasonable waste of energy. At night, the air temperature will be lower than the daytime, but not by much, it is also pre-calculated by the computer controller according to formula (3) and according to the results of data collected by the computer controller for the day period, but it will already be the one-dimensional optimal parameter t ₂₂₀ .

Если вычисленное компьютерным задатчиком значение темновой паузы τ_ПТМ превышает по времени один час, а Е_ест<4-5 клк, то возникает необходимость перейти на обогрев теплицы по уравнению t₂₂₀ и в момент темнового интервала постепенно снижать на несколько градусов температуру воздуха, что позволяет экономить предприятию киловатты мощностей системы обогрева. При этом активный фотосинтез растений не пострадает. Когда время темновой паузы будет заканчиваться, перед включением досвечивающей аппаратуры на определенный компьютерным задатчиком интервал, равный τ_ПСМ, температура воздуха должна быть постепенно возвращена системой к значению τ_21М (оптимальной для дня).If the value of the dark pause τ _PTM calculated by the computer controller exceeds one hour in time, and E _eats <4-5 klx, then there is a need to switch to heating the greenhouse according to equation t ₂₂₀ and gradually reduce the air temperature by a few degrees at the time of the dark interval, which allows save kilowatts of heating system capacity to the enterprise. In this case, the active photosynthesis of plants will not be affected. When the time of a dark pause ends, before turning on the illumination equipment for an interval defined by a computer master, equal to τ _PSM , the air temperature should be gradually returned by the system to a value of _21M (optimal for the day).

Таким образом, работая циклично два канала управления теплом и светом будут обеспечивать экономию и тепловой, и электрической энергии, поддерживая между тем высокий уровень фотосинтеза растений.Thus, by working cyclically, the two heat and light control channels will save both thermal and electric energy, while maintaining a high level of plant photosynthesis.

Применение изложенного способа автоматического управления свето-температурный режимом в теплице значительно повышает эффективность использования растениями световой энергии солнца и мощностей досвечивающей аппаратуры. Кроме того, способ позволяет сократить длительность периода вегетации растений до начала плодоношения, что важно для культивации светокультуры в зимних условиях, увеличить продуктивность самих растений, а также повысить товарные качества плодов и содержание в них сахаров и витаминов. Предложенный способ позволяет обеспечить автономность регулирования температуры внутри теплицы и работы досвечивающей аппаратуры независимо друг от друга, хотя при этом сохраняется их взаимное влияние на жизнедеятельность и продуктивность растений. Он позволяет максимально интенсифицировать процесс фотосинтеза растений за счет эффективного использования световых и темновых пауз в работе досвечивающей аппаратуры, а также экономить потребляемую электроэнергию.The application of the above method of automatic control of the light-temperature regime in the greenhouse significantly increases the efficiency of the plants using the solar light energy and the power of the illumination equipment. In addition, the method allows to reduce the duration of the period of plant vegetation before fruiting, which is important for the cultivation of light culture in winter conditions, to increase the productivity of the plants themselves, as well as to increase the commercial quality of the fruits and the content of sugars and vitamins in them. The proposed method allows for the autonomy of temperature control inside the greenhouse and the operation of the lighting equipment independently of each other, although their mutual influence on the vital activity and productivity of plants is preserved. It allows to intensify the process of plant photosynthesis as much as possible due to the efficient use of light and dark pauses in the operation of the illumination equipment, as well as to save energy consumption.

Claims

1. A method for automatically controlling the light-temperature regime in a greenhouse, including dividing the vegetative period of plants into equal time intervals, measuring for each time interval air humidity, air temperature and illumination in the greenhouse with receiving signals from air humidity, temperature and light sensors, respectively, measuring age of plants with receiving a signal from a counter of the age of plants and a counter measuring the duration of a given photoperiod, while these data are sent to a computer a black dial, which calculates the average temperature of the previous night in the coming daytime, and then calculates and sets the optimal light-temperature parameters of the air inside the greenhouse, such as the optimal multidimensional and one-dimensional temperature of the day, and keeps one of them constant depending on the prevailing conditions in during the entire period of time, as well as the optimal multidimensional and one-dimensional illumination, and supports one of them with the help of illuminating equipment, included on a given agricultural A photoperiod, characterized in that the arithmetic mean temperature of the day is calculated at the end of the day period and the current value of the total daily radiation received from solar radiation and from illuminators operating in a pulsed mode is measured by a sensor for further comparison during the day with the value calculated by the computer and provided by the irradiation equipment with multidimensional optimal total radiation according to the formula
Q_ΣM= K_oneτ_Σ+ K₂E_Σ+ K₃τ₂+ K_four,
where τ_Σ - the total duration of the photoperiod or the duration of the lighting equipment during all light explications, h;
E_Σ - the total illumination of the greenhouse, consisting of natural light from the sun and light from the irradiation equipment, the current value of which is measured by the sensor, CLK;
τ₂ - age of plants, days;
K_one÷ K_four - multidimensional reduced coefficients of intensity of total photosynthesis, calculated by the formulas:

where Δ is the matrix, the main (3 × 3), equal to

where Δ_eleven, Δ₂₁, Δ₃₁ - secondary matrices (2 × 2), composed of the coefficients of the total intensity of photosynthesis as follows:

where in_one, at₂… etc. - regression coefficients of the total intensity of photosynthesis, determined experimentally;
then determine and establish multidimensional optimal, according to the productivity criterion, light explication time for the operation of the illumination equipment according to the formula
τ_PSM= F_oneτ_Σ+ F₂E_Σ+ F₃τ₂+ F_four,
where τ_∑ - the total duration of the photoperiod or the duration of operation of the backlighting equipment during all explications, hour;
E_Σ - the total illumination of the greenhouse, consisting of the natural illumination from the sun and the illumination of the illumination equipment, the current value of which is measured by the sensor, CLK;
τ₂ - age of plants, days;
F_one÷ F_four - multidimensional reduced coefficients of intensity of total photosynthesis, calculated by the formulas:

where Δ, Δ₁₂, Δ₂₂, Δ₃₂ - matrices, the main (3 × 3) and secondary (2 × 2), composed of the coefficients of the total intensity of photosynthesis as follows:

where in_one, at₂… etc. - regression coefficients of the total intensity of photosynthesis, determined experimentally;
Then, a multidimensional dark pause in the operation of the irradiation equipment for activating the photosynthetic apparatus of plants according to the formula
τ_PTM= S_oneτ_Σ+ S₂E_Σ+ S₃τ₂+ S_four,
where τ_Σ - the total duration of the photoperiod or the duration of the lighting equipment during all explications, h;
E_Σ - the total illumination of the greenhouse, consisting of the natural illumination from the sun and the illumination of the illumination equipment, the current value of which is measured by the sensor, CLK;
τ₂ - age of plants, days;
S_one÷ S_four - multidimensional reduced coefficients of intensity of total photosynthesis, calculated by the formulas:

where Δ, Δ₁₃, Δ₂₃, Δ₃₃ - matrices, the main (3 × 3) and secondary (2 × 2), composed of the coefficients of the total intensity of photosynthesis as follows:

at_one, at₂… etc. - regression coefficients of the total intensity of photosynthesis, determined experimentally;
while the optimal illumination is kept constant during the calculated optimal light explication by means of illumination equipment, which is interrupted by a signal from a computer setter, turning off the illumination equipment for a period of the calculated dark pause, after which a new light explication occurs and after processing of the sensor signals, this continues until until the total photoperiod set by the agricultural technician, which consists of light segments, or upon reaching calculated by the computer setter of multidimensional total radiation, after which there comes a night period at which the one-dimensional optimal night temperature is established in the greenhouse, calculated by the computer setter according to the formula

where e_1C - arithmetic mean illumination of the previous day, CLK;
T_1C - arithmetic mean temperature of the previous day, ° C;
τ_one - the duration of the photoperiod (or exposure) specified by the operator-technician, hour;
τ₂ - plant age, day;
φ₂ - the current value of the humidity in the greenhouse at night,%;
a₃, a₁₃,a₂₃ etc. - coefficients of the mathematical model of photosynthesis intensity: a₃= 0.659; a₁₃= -0.003; a₂₃= 0.0014; a₃₃= -0.018; a₃₄= -0.012; a₃₅= -0.002; a₃₆= 0.006.

2. A method for automatically controlling the light-temperature regime in a greenhouse according to claim 1, characterized in that if a dark pause in the operation of the irradiation equipment lasts one hour or more, the greenhouse sets the one-dimensional optimal night temperature calculated by the computer controller in between between light explications, while the heating system should change the temperature in the greenhouse gradually, and before the onset of light explication also gradually install the calculated computer The multidimensional optimum air temperature is the primary setpoint.