Способ автоматического управления температурным режимом в теплице и система для его осуществления

 

Изобретение относится к методам и средствам обеспечения поддержания микроклимата в теплице. Техническим результатом изобретения является повышение точности поддержания температуры воздуха в теплице. Для этого отопительная система теплицы делится на две группы так, что мощность нагревателей первой группы непрерывно пересчитывается как разность между потерями через ограждение теплицы и мощностью потока солнечной радиации. Мощность нагревателей второй группы составляет 20-25% от максимальной мощности первой группы. Текущее значение последней зависит от изменений оптимальной и наружной температур, плотности потока солнечной радиации и коэффициента теплопотерь, возраста растений и продолжительности фотопериода. Это учитывается наличием соответствующего таймера вычислительного устройства, подключенного через аналого-цифровой преобразователь и усилитель мощности к соответствующему исполнительному элементу. Нагреватели второй группы управляются по отклонению и подключены через соответствующие исполнительный механизм и усилитель к входу сравнивающего устройства, с которым связан датчик внутренней температуры и выход блока вычисления оптимальной температуры. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам и устройствам автоматического управления температурным режимом в теплице, более конкретно, к тепличному промышленному выращиванию сельскохозяйственных культур путем обеспечения оптимального микроклимата в сооружениях закрытого и защищенного грунта.

Изобретение может быть использовано для оптимизации температурного режима как в пленочных, так и в ангарных и блочных теплицах.

Известна система комбинированного обогрева теплицы, включающая систему водяного и воздушного обогрева [1]. Промышленностью выпускались системы регулирования УТ-123Н, в которых предусмотрено общее управление всей системой обогрева. Доказано, что для создания высококачественной системы автоматического регулирования необходимо иметь раздельное управление трубной и калориферной системами обогрева, причем управление последней можно осуществлять как изменением мощности калориферов (изменением количества поступающей горячей воды), так и изменением частоты вращения двигателей вентиляторов [2]. Более близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для регулирования температуры воздуха в ангарных теплицах, оборудованных комбинированной системой обогрева. Устройство содержит систему подводящих и отводящих теплоноситель трубопроводов, трубные регистры, регулятор и регулирующий клапан, датчик температуры воздуха в теплице. Указанное устройство включает дополнительно группу отопительно-вентиляционных агрегатов с водяными калориферами. Мощность водяного обогрева изменяется за счет включения-отключения отдельных групп отопительно-вентиляционных агрегатов [3]. Более высокое качество управления температурой воздуха обеспечивается за счет использования дополнительного канала, имеющего лучшие динамические характеристики, чем основной. При этом работа отопительно-вентиляционных агрегатов приводит к интенсивному перемешиванию воздуха и выравниванию температурных полей по площади теплицы.

Главный недостаток устройства заключается в том, что оно поддерживает температуру постоянной, тогда как ее следует изменять в зависимости от изменяющихся внешних условий. При этом можно обеспечить максимальную прибыль от реализации или минимальные энергозатраты на единицу продукции.

Известен способ автоматического управления температурным режимом в теплице [4], в котором весь период выращивания растений делится на равные промежутки времени, продолжительность которых по крайней мере на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения. Для этого промежутка времени вычисляется оптимальная из условия равенства нулю производной от энергозатрат на единицу продукции температура. В соответствии с этой температурой изменяется уставка задатчика температуры, обеспечивающая поддержание ее постоянства в течение выбранного промежутка времени.

Переход с дневного задания температуры на ночное осуществляют изменением коэффициентов модели. Расчету оптимальной температуры предшествует оценка дискриминанта. Если он оказывается отрицательным, то оптимальная температура определяется из условия максимальной продуктивности. Кроме того, осуществляют проверку условия, при котором температура, естественно устанавливаемая в теплице без обогрева, должна быть меньше оптимальной температуры. Если это условие не выполняется, то систему переключают на летний режим, когда вместо обогрева работает вентиляция.

Целью изобретения является повышение точности поддержания температуры, устойчивости работы системы автоматического управления и качества переходных процессов в системе управления.

Сущность изобретения состоит в том, что во-первых, отопительное устройство делится на две группы (например, шатрового и калориферного обогрева) таким образом, что мощность нагревателей первой группы определяется разностью между потерями через ограждение и мощностью потока солнечной радиации, а мощность нагревателей второй группы составляет 20 - 25% от максимальной мощности первой группы; во-вторых, специализированное вычислительное устройство снабжается двумя цифровыми выходами, один из которых выдает оптимальную температуру, а второй - необходимую для ее поддержания мощность, причем первый выход подается на регулятор системы калориферного обогрева (системы меньшей мощности), а второй на регулятор системы шатрового обогрева (системы большей мощности) через соответствующие цифроаналоговые преобразователи. В-третьих, для управления вентилем группы нагревателей, относящихся к системе управления мощностью, с помощью шагового двигателя целесообразно дополнить вычислительное устройство блоком расчета угла поворота и специальным выходом этой величины, который подключается к шаговому двигателю. Кроме того, при использовании предлагаемого изобретения для обогрева теплиц, оборудованных электронагревателями, в качестве исполнительного элемента используется тиристорный регулятор с число-импульсным управлением, вход которого подсоединен к выходу блока измерения мощности вычислительного устройства.

Расчет значения оптимальной температуры с целью снижения энергозатрат производится по критерию удельной энергоемкости по приведенному ниже алгоритму, разработанному на основе математических моделей CO₂-газообмена, полученных в ходе эксперимента в камере искусственного микроклимата.

В общем виде математические модели CO₂-газообмена записываются следующим образом: для интенсивности фотосинтеза (1) для интенсивности темнового дыхания: (2) где A₀, A₁,..., B₀, B₂,... - коэффициенты регрессии математической модели интенсивности видимого фотосинтеза и темнового дыхания; Ф, D - интенсивность видимого фотосинтеза и темного дыхания, мг CO₂/дм²·ч; E₁ - текущее значение освещенности в теплице, клк; E₂ - среднеарифметическое значение освещенности за истекший день, клк; t₁ - текущее значение температуры воздуха внутри теплицы днем, ^oC;
t₂ - текущее значение температуры воздуха внутри теплицы ночью ^oC;
T₁ - среднеарифметическое значение температуры воздуха внутри теплицы за истекщий день, ^oC;
T₂ - среднеарифметическое значение температуры воздуха внутри теплицы за истекшую ночь, ^oC;
₁ - влажность воздуха в теплице, %;
₁ - возраст растения, сут.;
₂ - продолжительность светового дня, ч.

Определение оптимальной температуры воздуха в теплице для дневного режима производится следующим образом:
а) определяется температура воздуха в теплице, оптимальная по критерию максимальной продуктивности

б) определяется коэффициент теплопередачи через внешнее ограждение теплицы:
K = K_стK_ссK_вK_инф, (4)
где K_ст - коэффициент теплопередачи через различные виды ограждающих конструкций теплиц, Вт/(м²·^oC);
K_сс, K_в, K_инф - коэффициенты, учитывающие увеличение теплопотерь: K_сс - от расположения ограждений относительно сторон света (для наружных ограждений, обращенных на север, восток, северо-восток и северо-запад, K_сс = 1,10; для ограждений, обращенных на запад и юго-восток, K_сс - 1,05; для ограждений, обращенных на юг, K_сс = 1,0); K_инф - от инфильтрации, в зависимости от вида ограждения принимается в пределах 1,05...1,4; K_в - от скорости ветра и влажности, определяемый по формуле
K_в = 0,775 + 0,1015V + 0,023₂ + 0,003₂v, (5)
где v - скорость ветра, м/с;
в) определяется естественная температура теплицы;

где T_н - текущее значение температуры наружного воздуха, ^oC;
Q - плотность потока солнечной радиации, Вт/(м²·^oC);
F - инвентарная площадь теплицы (площадь почвы), м²;
F - суммарная площадь внешнего ограждения теплицы, м².

Примечание. В ночной период производится отключение датчиков уровня освещенности растений и плотности потока солнечной радиации, так как в этот период T_ест = T_н;
г) сравнивается полученное значение T_ест со значением температуры, оптимальной по критерию максимальной продуктивности T^пр_опт :
если T_ест > T^пр_опт , то выдается команда перехода на летний режим работы, когда вместо обогрева работает вентиляция;
если T_ест < T^пр_опт , то производится вычисление значения оценочного показателя - дискриминанта:

д) производится выбор критерия оптимизации:
если D < 0, то в теплице поддерживается температура оптимальная по критерию максимальной продуктивности T^пр_опт ;
если D = 0, то в этом случае поддерживается предыдущее значение оптимальной температуры;
если D > 0, то производится определение температуры воздуха в теплице, оптимальной по критерию удельной энергоемкости:
Система, реализующая данный способ автоматического управления температурным режимом, включает в себя объект управления 3 в виде теплицы с нагревательными элементами первой 1 и второй 2 групп системы обогрева, первый 4 и второй 6 исполнительные элементы, усилительные элементы 5 и 7, а также вычислительное устройство 9. Регулирование нагревательных элементов первой группы организовано следующим образом: нагревательные элементы первой группы 1 через исполнительный элемент 4, функционально-усилительный 5 и цифроаналоговый (ЦАП) 24 подключены к блоку расчета мощности 10 вычислительного устройства 9. Управление нагревательными элементами второй группы 2 через исполнительный элемент 6 и усилитель 7, подключены к выходу сравнивающего элемента 8, на входе которого подаются сигналы от датчика температуры воздуха в теплице 12 и подключенного через ЦАП 24 блока расчета оптимального значения температуры 11 того же вычислительного устройства 9, которое помимо указанного блока 11 и упомянутого выше блока расчета мощности 10 содержит блок расчета коэффициента теплопотерь 20, блок ввода данных 21, таймер возраста растений и продолжительности светового дня 15 и блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 22, преобразующих в цифровой аналоговые сигналы от датчиков температуры воздуха в теплице 12, наружного воздуха 13, уровня освещенности растений 14, влажности воздуха в теплице 16 и наружного воздуха 25, скорости ветра 18, плотности потока солнечной радиации 19, а также реле освещенности 17.

Система автоматического управления работает следующим образом. Блок 11 вычислительного устройства 9 в соответствии с приведенным выше алгоритмом определяет значение оптимальной температуры воздуха в теплице, получая в зависимости от времени суток, определяемого реле освещенности 17, цифровую информацию от блока ввода данных 21 (коэффициенты регрессии математических моделей, параметры теплицы и т.д.), АЦП-22, к которому подводятся аналоговые сигналы от упомянутых датчиков, от таймера 15 и от блока расчета коэффициента теплопотерь через внешнее ограждение теплицы 20.

По сигналам блока расчета оптимального значения температуры 11, блока расчета коэффициента теплопотерь 20, таймера продолжительности светового дня и возраста растений 15, АЦП 22 блок 10 рассчитывает значение мощности, которое через ЦАП 23 и усилитель 5 реализуется исполнительным элементом 4, управляющим первой группой нагревательных элементов 1.

Кроме того, вычисленное оптимальное значение температуры воздуха в теплице через первый ЦАП 24 подается в качестве задания на сравнивающий элемент 8, в котором производится сравнение заданного значения оптимальной температуры воздуха с ее текущим значением в теплице. По результатам сравнения сигнал рассогласования через усилитель 7 поступает на исполнительный элемент 6, который управляет нагревательными элементами второй группы.

В случае, если значение естественной температуры окажется больше значения температуры, оптимальной по критерию максимальной продуктивности (см. п. 3), то система автоматически переходит на режим работы вентиляции (на схеме не показана), а система обогрева и сам обогрев отключаются.

Переключение с дневного на ночной режим работы осуществляется с помощью реле освещенности 17, которое вместо коэффициентов регрессии математической модели интенсивности фотосинтеза подключает от блока ввода данных 21 к блоку расчета оптимальной температуры 11 коэффициенты регрессии математической модели интенсивности темнового дыхания, значения которых вводятся при запуске системы. Одновременно с этим в блоке расчета оптимальной температуры 11 происходит усреднение освещенности и дневной температуры воздуха теплицы, а в блоке 15 рассчитывается продолжительность светового дня, происходит фиксация времени перехода на другой режим работы (день/ночь). Одновременно с этим от вычислительного устройства 9 отключаются датчики уровня освещенности растений 14 и плотности потока солнечной радиации 19.

Переключение с ночного режима на дневной происходит аналогично.

Основную мощность, необходимую для обогрева теплицы, обеспечивают нагревательные элементы первой группы, управляемые по возмущению.

Вычислительное устройство 9 подсчитывает и реализует такую мощность, которая необходима для поддержания текущего значения оптимальной температуры воздуха в теплице. Если бы такие расчеты можно было выполнить с достаточной точностью, то группа нагревателей, управляемая по отклонению, была бы ненужной. Однако непредвиденные открывания и закрывания дверей, разрывы пленки или разрушение стекла, появление на нем пыли, изменение объема зеленой массы растений и другие причины вызывают необходимость их компенсации путем применения дополнительных нагревательных элементов первой группы, управляемых по отклонению.

Описанная выше структурно-функциональная схема, представленная на фиг. 1, носит общий характер и применима для любого способа обогрева. Однако в теплицах, имеющих системы обогрева, использующие тот или иной вид энергии, возможны некоторые видоизменения.

Так, при использовании предлагаемой системы в теплицах с электрообогревом, где в качестве исполнительного блока 4 используется тиристорный регулятор, первый блок преобразования 5 будет состоять из цифроаналогового преобразователя 23 и преобразователя напряжение - число импульсов 26 (фиг. 2).

При использовании предлагаемой системы в ангарных теплицах с комбинированным обогревом, где в качестве исполнительного блока 4, управляющего клапаном расхода теплоносителя, применен шаговый двигатель, первый блок преобразования 5 будет выполнять функции расчета величины перемещения регулирующего органа и преобразования типа код - величина перемещения (фиг. 3), определяя тем самым величину перемещения клапана системы обогрева теплицы.

В этом случае первый блок преобразования 5 будет состоять из блока расчета величины перемещения регулирующих органов, состоящего из генератора импульсов 27, реверсивного двоичного счетчика 28, сравнивающего устройства 29, преобразователя "код - величина перемещения", состоящего из логического устройства 30 и фазочувствительного усилителя 31.

При этом генератор импульсов 27 предназначен для питания шагового двигателя (первого исполнительного блока), реверсивный двоичный счетчик 28 - для фиксации его угла поворота, сравнивающее устройство 29 - для сравнения расчетного значения мощности (угла поворота) с его фактическим значением, а фазочувствительный усилитель 31 - для изменения направления вращения шагового двигателя (открывания или закрывания клапанов). Логическое устройство 30 включает счет и подачу импульсов в случае несоответствия значений мощности (угла поворота), рассчитанных вычислителем и записанных на счетчике.

В качестве схемы блока преобразования и совмещенного с ним исполнительного блока для управления электронагревом может быть использована схема, известная, например, из статьи: Беспалов И.Н. Бошерницан В.А., Кравченко В.В. Регулятор мощности трехфазных нагревателей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1987. N 1. В качестве схемы управления шаговым двигателем удобно применить схему, описанную в книге: Бабиков М.А., Косинский А.В. Элементы и устройства автоматики. М.: Высшая школа, 1975.

Источники информации
1. Драганов Б. Х. , Есин В.В., Зуев В.П. Применение теплоты в сельском хозяйстве. - Киев: Вища школа, 1990.

2. Рысс А. А. Автоматизация технологических процессов в защищенном грунте. - М.: Россельхозиздат, 1983.

3. Изаков Ф.Я., Рысс А.А., Малкиель Г.И. Плавное регулирование мощности калориферов. - М. и Э. - 1989, N 1.

4. Авторское свидетельство СССР N 1503711, 1989, БИ N 32.

Формула изобретения

1. Способ автоматического управления температурным режимом в теплице, включающий измерение текущих значений температуры и влажности наружного воздуха, скорости ветра, плотности потока солнечной радиации, уровня освещенности и температуры воздуха в теплице, определение на основе измеренных значений текущей величины коэффициента теплопотерь через ограждение теплицы и с его учетом вычисление оптимального значения температуры воздуха в теплице, сравнение последнего с текущим значением этого параметра и регулирование по результату сравнения мощности нагревателей системы обогрева теплицы, отличающийся тем, что измеряют текущее значение влажности воздуха в теплице, фиксируют возраст растений и текущее время суток, в зависимости от которых корректируют оптимальное значение температуры воздуха в теплице, при этом нагреватели системы обогрева теплицы разделяют на две группы, мощность которых устанавливают в соотношении (4 - 5) : 1, причем излучаемую мощность нагревательных элементов первой группы определяют как разность между мощностью потерь через ограждение и мощностью потока солнечной радиации, а регулирование излучаемой мощности нагревательных элементов второй группы осуществляют по результату сравнения текущего значения температуры воздуха в теплице с оптимальным значением этого параметра.

2. Система автоматического управления температурным режимом в теплице, содержащая реле освещенности, первичные преобразователи температуры и влажности наружного воздуха, уровня освещенности, скорости ветра, плотности потока солнечной радиации и температуры воздуха в теплице, выход последнего из которых связан с первым входом сравнивающего устройства, вычислительное устройство, включающее блок ввода данных и блоки расчета коэффициента теплопотерь через ограждение теплицы и оптимального значения температуры воздуха в теплице, и первую группу нагревателей, подключенную через первый исполнительный элемент к выходу первого усилителя, отличающаяся тем, что она снабжена первичным измерительным преобразователем влажности воздуха в теплице, вторым усилителем, исполнительным элементом и группой нагревателей, подключенных через соединенные последовательно второй исполнительный элемент и усилитель к выходу сравнивающего устройства, второй вход которого связан с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, а в вычислительное устройство введен таймер возраста растений, блок расчета мощности нагревателей и первый аналого-цифровой нагреватель, вход которого соединен с объединенным выходом всех первичных измерительных преобразователей, а выход связан с первым входом блоков расчета коэффициента теплопотерь через ограждение теплицы и оптимального значения температуры воздуха в теплице, при этом первый выход блока ввода данных и таймер возраста растений объединены между собой и подключены к второму входу блоков расчета коэффициента теплопотерь через ограждение теплицы и оптимального значения температуры воздуха в теплице, причем второй вход последнего подключен также к выходу блока расчета коэффициента теплопотерь через ограждение теплицы, первый и второй выходы соединены соответственно с входом второго цифроаналогового преобразователя и с первым входом блока расчета мощности нагревателей, второй вход которого подключен к второму выходу таймера возраста растений, а выход соединен через второй аналого-цифровой преобразователь с входом первого усилителя, при этом второй выход блока ввода данных связан с входом таймера возраста растений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3