Способ автоматического управления температурным режимом в теплице



Способ автоматического управления температурным режимом в теплице
Способ автоматического управления температурным режимом в теплице

 


Владельцы патента RU 2400968:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинский государственный агроинженерный университет" (RU)

Согласно предложенному способу время выращивания растений в теплице разбивают на отдельные промежутки времени, выбирают необходимую скорость развития растений и соответствующую ей среднесуточную температуру. В каждом из промежутков времени определяется время суток: день или ночь. Если система определила дневное время, то выполняется измерение освещенности, влажности воздуха внутри теплицы, возраста растений, продолжительности фотопериода, относительного времени дня. Рассчитывается средняя за прошедшую ночь температура и с ее учетом находится оптимальная по продуктивности температура. Если система определила ночное время, то рассчитывается средняя температура за прошедший день и рассчитывается ночная температура. Расчетные значения оптимальной по продуктивности и ночной температур корректируются в соответствии с допустимыми значениями. Изобретение обеспечивает повышение точности планирования времени начала плодоношения растений, с одной стороны, и обеспечение хорошо развитых и сильных растений к этому моменту путем интенсификации фотосинтеза, с другой. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам управления температурным режимом теплицы.

Известен способ регулирования факторов внешней среды при выращивании растений (RU 2233577 С1, МПК7 A01G 7/00, 2004). Способ включает в себя автоматическое изменение факторов окружающей среды в зависимости от фотосинтетической продуктивности растений и от накопления основных фотосинтезирующих пигментов. При достижении максимума в дневном ходе фотосинтеза уровни факторов внешней среды изменяют до оптимальных величин из условия обеспечения наибольшего накопления основных фотосинтезирующих пигментов. После этого уровни факторов внешней среды изменяют из условия обеспечения максимальной фотосинтетической продуктивности растений.

Этот способ имеет следующие недостатки:

- применение способа в тепличном производстве невозможно (или крайне невыгодно), т.к. не существует на сегодняшний день датчиков, способных определять как фотосинтетическую продуктивность, так и концентрацию фотосинтезирующих пигментов в промышленных условиях;

- способ предполагается использовать в системах экстремального регулирования, которые отличаются высокими энергозатратами в процессе эксплуатации, т.к. все время находятся в поиске оптимальных параметров.

Известен способ оптимизации факторов внешней среды при выращивании растений (А.с. СССР №456595, МПК A01G 7/00, 1975), который включает автоматическое регулирование факторов в соответствии с потребностями растений. Данный способ отличается тем, что с целью интенсификации фотосинтеза факторы внешней среды непрерывно изменяют в соответствии с изменяющейся во времени максимальной точкой критерия оптимальности фотосинтетической продуктивности растений в n-мерном пространстве регулируемых факторов.

Данный способ, также как и в предыдущем случае, имеет недостаток, связанный с высокими затратами энергии в процессе работы системы, использующей такой способ.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ автоматического управления температурным режимом теплицы (RU 2049380 С1, МПК7 A01G 9/26, 1995). Сущность способа заключается в том, что повышается точность оптимизации температурного режима и исключается работа при температурах, меньше допускаемой. Для этого дополнительно определяют возраст растения, продолжительность фотопериода, влажность воздуха в теплице, а также относительное время дня или ночи. Уточняют в соответствии с этими измерениями оптимальную по продуктивности температуру, а оптимальную по энергоемкости температуру сравнивают с минимально допустимой. Если оптимальная температура больше допустимой, то устанавливается оптимальная температура, а если оптимальная температура меньше допустимой, то устанавливается допустимая температура. Но если температура достигает по времени предельной продолжительности стояния, то устанавливается температура, оптимальная по продуктивности.

Предложенный способ имеет следующие недостатки:

1. Оптимальная по продуктивности (а также и по энергоемкости) температура уточняется в соответствии с относительным временем дня или ночи, однако коэффициенты модели фотосинтеза, связанные с относительным временем, равны нулю, поэтому фотосинтез, как и оптимальная температура, не зависят от относительного времени суток.

2. Отсутствует подробный алгоритм расчета относительного времени суток, т.к. нет информации о том, как определяется время захода и восхода солнца, через которые находится продолжительность фотопериода.

3. В рассматриваемом способе наряду с дневной температурой воздуха предлагается оптимизировать также и ночную, но если оптимизация дневной температуры основана на показателе интенсивности фотосинтеза (модель фотосинтеза), который косвенно соответствует продуктивности, то ночная температура основана на интенсивности дыхания, роль которого в жизнедеятельности растений до конца не выяснена, по крайней мере ее связь с продуктивностью.

4. В изобретении не учитывается тот факт, что среднесуточная температура воздуха влияет на скорость развития растений, что является важным фактором, способствующим поступлению тепличной продукции в требуемые сроки.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение необходимой скорости развития растений при одновременной интенсификации фотосинтеза.

Поставленная цель достигается путем использования комбинированного способа автоматического управления температурным режимом теплицы. В этом способе время выращивания растений в теплице разбивается на отдельные промежутки времени; в каждом из них измеряется освещенность, влажность воздуха внутри теплицы, возраст растений, продолжительность фотопериода, относительное времени дня; определяется по результатам измерений оптимальная по продуктивности температура; изменяется в соответствии с этой температурой уставка задатчика; проводится корректировка оптимальной по продуктивности температуры на соответствие допустимым значениям. При этом до разбиения времени выращивания растений в теплице выбирают необходимую скорость развития растений и соответствующую ей среднесуточную температуру; в каждом промежутке времени определяют время суток: день или ночь; если система определила дневное время, то дополнительно рассчитывается средняя за прошедшую ночь температура и с ее учетом находится оптимальная по продуктивности температура; если система определила ночное время, то рассчитывается средняя температура за прошедший день и рассчитывается ночная температура по следующей формуле:

Tночн.=(24·Tcp-T1·τ1)/(24-τ1),

где Тночн. - ночная температура, °С;

Тср - среднесуточная температура, соответствующая необходимой скорости роста растений, °С;

τ1 - продолжительность фотопериода, ч;

T1 - средняя температура за прошедший день, °С;

24 - количество часов в одних сутках, ч.

Расчетное значение ночной температуры проверяется на соответствие допустимым значениям: если расчетная ночная температура больше максимально допустимой ночной температуры, то устанавливается максимально допустимая ночная температура, если расчетная ночная температура меньше минимально допустимой ночной температуры, то устанавливается минимально допустимая ночная температура, если ночная температура попадает в требуемый диапазон, то устанавливается эта температура.

В результате проведенного патентного поиска отличительные признаки способа автоматического управления температурным режимом в теплице автором не выявлены и не следуют явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Способ осуществляется следующим образом.

Время роста и развития растений в теплице делится на равные промежутки времени. Их продолжительность зависит от постоянной времени самого быстродействующего возмущения или от инерционности системы обогрева теплицы. Кроме этого выбирается необходимый уровень скорости развития растений и соответствующая ему среднесуточная температура. В начале каждого такого промежутка времени определяется дневное или ночное время суток. Это можно сделать с помощью датчика освещенности: если его показание больше 0 - то дневное время суток, если равно нулю - то ночное. Далее если система определила дневное время, то происходит чтение показаний датчиков параметров микроклимата, влияющих на интенсивность фотосинтеза, освещенности, влажности воздуха, средней температуры за прошедшую ночь, а также расчет прочих факторов, влияющих на фотосинтез, таких как возраст растений, продолжительность светового дня (фотопериода), относительное время дня. Фотопериод рассчитывается по формуле

τ1 = τзахвосх,

где τ1 - продолжительность фотопериода, ч;

τзах - время захода солнца, ч;

τвосх - время восхода солнца, ч.

Время восхода и захода солнца можно определить по выражению для высоты стояния солнца

где λ - географическая широта теплицы;

δ - склонение солнца относительно экватора;

τ* - текущее время, меняется от 0 до 24 часов, ч;

D* - порядковый номер дня года, начиная с 1-го января.

Если высота стояния солнца в текущий i-й момент времени равна нулю, т.е. H(τ*i)=0 и при этом в предыдущий (i-1)-й и последующий (i+1)-й моменты времени она соответственно меньше и больше нуля, т.е. Н(τ*i-1)<0, H(τ*i+1)>0, то τ*iвосх - время восхода, аналогично если Н(τ*j)=0 и Н(τ*j-1)>0, H(τ*j+1)<0, то τ*j = τзах - время захода солнца.

Если же используются лампы досвечивания, то продолжительность светового дня определяется как разность между временем их включения и отключения.

Относительное время дня τ определяется по выражению

τ=(τ*+24·n-τвосх)/τ1τ,

где n - количество переходов через 24.00 (00.00) в течение соответствующего периода;

τ* - текущее время, ч;

τвосх - время восхода солнца (или включения искусственного облучения), ч;

τ1 - продолжительность фотопериода, ч.

После этого находится температура, обеспечивающая максимальный фотосинтез для текущих значений переменных по следующей формуле:

где е - освещенность, клк;

φ - влажность воздуха, %;

T2 - средняя за прошедшую ночь температура,°С;

τ2 - возраст растений, сут.;

τ1 - продолжительность фотопериода, ч;

τ - относительное время дня, отн. ед.;

а2, а9, a15, а16, а17, a18, а19, а20 - коэффициенты динамической модели фотосинтеза растений огурца сорта Московский тепличный, общий вид которой представлен ниже.

Ф=a0+a1e+a2t+a3T2+a4τ1+a5τ2+a6φ+a7τ+a8e2+a9eT+a10eT2+a111+

a122+a13eφ+a14eτ+a15t2+a16tT2+a171+a182+a19tφ+a20tτ+a21T22+

a22T2τ1+a23T2τ2+a24T2φ+a25T2φ+a26τ12+a27τ1τ2+a28τ1φ+a29τ1τ+a30τ22+

a31τ2φ+a32τ2τ+a33φ2+a34φτ+a35τ2,

значения коэффициентов модели (а035) представлены в таблице.

Коэффициент Числовое значение Коэффициент Числовое значение
а0 -25.974 а18 6.438·10-4
а1 0.533 а19 3.678·10-3
a2 0.433 а20 0.221
а3 1.044 а21 -0.019
а4 1.071 а22 -3.554·10-3
a5 0.962 а23 2.076·10-3
а6 -0.099 а24 -1.111·10-3
а7 -9.086 а25 -0.131
a8 -4.465·10-3 а26 -0.018
а9 5.291·10-3 а27 0.014
а10 1.437·10-3 а28 -5.861·10-3
а11 -5.84·10-3 а29 -0.374
a12 -5.518·10-3 а30 -0.012
a13 -1.041·10-4 а31 -0.01
a14 -0.154 а32 -0.031
a15 -0.018 а33 1.625·10-3
a16 5.609·10-4 а34 0.221
a17 -4.043·10-3 а35 -2.707

В случае, если Топт.дн.прод. меньше или больше допустимой температуры (нижний или верхний предел соответственно), то устанавливается допустимая температура, если Топт.дн.прод. укладывается в диапазон - то устанавливается Топт.дн.прод..

Если же система определила ночное время, то рассчитывается средняя температура за прошедший день и, далее, ночная температура определяется по следующей формуле:

Tночн.=(24·Tcp-T1·τ1)/(24-τ1),

где Тночн. - ночная температура, °С;

Т1 - средняя температура за прошедший день, °С;

Tcp - среднесуточная температура, соответствующая необходимой скорости роста растений, °С;

Аналогично дневной температуре, если Тночн. меньше или больше допустимой температуры (нижний или верхний предел соответственно), то устанавливается также допустимая температура, если Тночн. укладывается в диапазон - то она же и устанавливается.

Способ может быть реализован с помощью любой системы автоматического управления температурным режимом теплицы (или микроклимата теплицы), удовлетворяющей следующим требованиям:

- система построена на основе программируемого логического контроллера;

- в состав системы входят датчики, измеряющие параметры микроклимата, влияющие на фотосинтез (освещенности и влажности воздуха в теплице);

- система позволяет изменять устанавливаемую (поддерживаемую) в теплице температуру воздуха;

- необходимо устройство регистрации дневной температуры.

В этом случае (т.е. если система удовлетворяет требованиям) способ может быть реализован в виде программного кода, написанного с использованием блок-схемы (фиг.1 и фиг.2), в которой дополнительно используются следующие обозначения: D - количество дней, прошедшее с начала включения системы в работу (начальное значение равно 0), сут.; Твоз.тепл. - устанавливаемая температура воздуха в теплице, °С.

Устройством, реализующим предлагаемый способ, может быть программируемый логический контроллер, входящий в состав системы автоматического управления, или персональный компьютер, работающий под управлением операционной системы Windows (технология ОРС). В последнем случае дополнительно требуется специализированное программное обеспечение: ОРС сервер (поставляется производителем контроллера) и ОРС клиент (программа, реализующая предлагаемый способ).

Примеры реализации способа (с использованием переменных блок-схемы).

1. Пусть введены следующие постоянные: Tcp=22°С, Tmax_d=30°С, Tmin_d=20°С, Tmax_n=20°С, Tmin_n=15°С, ΔD1=21 день, ΔD2=7 дней, τ*1i=6 часов, τ*1j=24 часа, τ*2i=6 часов, τ*2j=22 часа, D0=10 суток, τ2_ini=5 суток, λ=55°;

и переменные имеют следующие значения: D=15 суток, τ*=13.5 часа, е=14 клк, T2=18°С, φ=75%;

тогда τ1=24-6=18 часов, τ=(13.5+24·0-6)/18=0.42, τ2=15+5=20 суток, Топт.дн.прод.=-(0.433+5.291·10-3·14+5.609·10-4·18-4.043·10-3·18+6.438·10-4·20+3.678·10-3·75+0.221·0.42)/2·(-0.018)=22.9°С; т.к. 20<22.9<30, то Tвоз.тепл.=22.9°С.

2. Пусть введены следующие постоянные: Tcp=22°С, Tmax_d=30°С, Tmin_d=20°С, Tmax_n=20°С, Tmin_n=15°С, ΔD1=21 день, ΔD2=7 дней, τ*1i=6 часов, τ*1j=24 часа, τ*2i=6 часов, τ*2j=22 часа, D0=13 суток, τ2_ini=5 суток, λ=55°;

и переменные имеют следующие значения: D=35 суток, τ*=3.5 часа, е=0 клк, Т1=25°С, φ=75%;

тогда D*=D0+D=48 суток, δ=-arcsin[sin(2·π·23.45/360)·cos(2π·48/365)]=-0.273 рад, Н(7.6)=sin(55)·sin(-0.273)+cos(55)·cos(-0.273)·cos(π·(12-7.6)/12)=0.0038≈0, Н(7)=-0.078<0, Н(8)=0.055>0, таким образом τ*i = τвосх = 7.6 ч, аналогично Н(16.4)=0.0038≈0, Н(16)=0.055>0, Н(17)=-0.078<0, таким образом, τ*jзах=16.4 ч, τ1захвосх=16.4-7.6=8.8 ч, Tночн.=(24·22-25·8.8)/(24-8.8)=20.3°С;

т.к. 20<20.3, то Tвоз.тепл.=20°С.

Технико-экономический эффект достигается за счет повышения точности планирования времени начала плодоношения растений, с одной стороны, и обеспечения хорошо развитых и сильных растений к этому моменту путем интенсификации фотосинтеза, с другой.

Способ автоматического управления температурным режимом теплицы, включающий разбиение времени выращивания растений в теплице на отдельные промежутки времени, измерение в каждом из этих промежутков освещенности, влажности воздуха внутри теплицы, возраста растений, продолжительности фотопериода, относительного времени дня, определение по результатам измерений оптимальной по продуктивности температуры, изменение в соответствии с этой температурой уставки задатчика, корректировку оптимальной по продуктивности температуры в соответствии с допустимыми значениями, отличающийся тем, что до разбиения времени выращивания растений в теплице выбирают необходимую скорость развития растений и соответствующую ей среднесуточную температуру, в каждом промежутке времени определяют время суток: день или ночь; если система определила дневное время, то дополнительно рассчитывается средняя за прошедшую ночь температура и с ее учетом находится оптимальная по продуктивности температура, если система определила ночное время, то рассчитывается средняя температура за прошедший день и рассчитывается ночная температура по следующей формуле:
Тночн.=(24·Tcp-T1·τ1)/(24-τ1),
где Тночн. - ночная температура, °С;
Tcp - среднесуточная температура, соответствующая необходимой скорости роста растений, °С;
τ1 - продолжительность фотопериода, ч;
T1 - средняя температура за прошедший день, °С;
24 - количество часов в одних сутках, ч;
затем расчетные значения оптимальной по продуктивности и ночной температур проверяются на соответствие допустимым значениям: если расчетная температура больше максимально допустимой температуры, то устанавливается максимально допустимая температура, если расчетная температура меньше минимально допустимой температуры, то устанавливается минимально допустимая температура, если расчетная температура попадает в требуемый диапазон, то устанавливается эта температура.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к климатическим камерам для выращивания растений. .

Изобретение относится к светотехнике, в частности к способам искусственного светоимпульсного освещения растений. .

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, более конкретно к устройствам, связанным с управлением микроклиматом в теплицах. .
Изобретение относится к выращиванию растений при искусственном освещении. .

Изобретение относится к методам и средствам обеспечения поддержания микроклимата в теплице. .

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к средствам выращивания растений в закрытом грунте. .

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к средствам автоматизации процессов в сооружениях защищенного грунта. .

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к устройствам для регулирования микроклимата в теплицах блочного типа. .

Теплица // 2080053
Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к сооружениям защищенного грунта, к теплицам с искусственным облучением. .

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

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам и системам автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплицах или других сооружениях защищенного грунта

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

Изобретение относится к средствам автоматизации садоводства, а именно к вегетативному размножению садовых культур методом зеленого черенкования

Изобретение относится к средствам освещения растений при выращивании в защищенной среде. Устройство содержит: компьютер (1) с интерфейсом (2), управляющее устройство (3), блок (4) энегроснабжения, по меньшей мере, одну лампу (7), вентилятор (5) для охлаждения светодиодных элементов и подачи CO2 или азота (N) из резервуара (6), присоединенного через соответствующую магистраль (8). Причем лампа (7) состоит из стойки (17) с трубчатым соединением (29) и подставки (15) с прикрепленным к ней плафоном (14), в центре верхней поверхности (21) которого имеется отверстие (22). На боковых поверхностях симметрично расположены светодиодные элементы (13) со светодиодами (12) и теплообменниками, светодиодный драйвер (27), вентиляционные отверстия (19) и соединительная панель (25). При этом управляющее устройство (3) состоит из: модуля (9) для создания базовой последовательности прямоугольных импульсов с предварительно заданной частотой и регулирования их продолжительности, то есть соотношения сигнал/пауза; модуля (10) для определения числа импульсов, соответствующих отдельным цветам, и их положения в промежутки времени Tfs и Tfp для фотосинтетического и фитопрофилактического спектров, а также базовой частоты fo излучения; и модуля (11) для ручного выбора режима и ввода данных. Изобретение обеспечивает улучшение роста и урожайности растений путем обеспечения дополнительного освещения с его регулированием в теплицах. 6 з.п. ф-лы, 16 ил.

Способ энергосберегающего импульсного облучения растений включает воздействие на растения потоком оптического излучения, который получают включением групп светодиодов с различным спектором излучения, регулируют параметры импульсов, регулируют фазовый угол импульсов в каждой группе светодиодов. Импульсы потока оптического излучения формируют независимо от групп светодиодов. Измеряют потребляемую светодиодами электрическую энергию, показатель продуктивности облучаемых растений, определяют величину энергоемкости процесса облучения как отношение мощности к продуктивности. Регулируют параметры импульсов таким образом, чтобы величина энергоемкости принимала минимальное значение. Устройство для реализации данного способа содержит корпус, группы светодиодов с различным спектром излучения, преобразователь напряжения, блок управления, формирователи импульсов, регуляторы параметров импульсов, в состав которых включены задатчики периодичности, амплитуды и продолжительности, датчик продуктивности облучаемых растений и вычислитель. Формирователи импульсов и регуляторы параметров импульсов, в составе которых дополнительно содержатся задатчики фазового угла, включены в каждую группу светодиодов. Использование данной группы изобретений обеспечивает энергосбережение при импульсном облучении растений и расширение возможностей регулирования параметров импульсного облучения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

Фитотрон // 2557572
Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к климатическим камерам для выращивания растений. Фитотрон содержит рабочую камеру с расположенными в нижней и верхней частях вентиляционными отверстиями, размещенные в рабочей камере температурный датчик, выполненные с вентиляционными пазами и окнами стеллажи для помещения контейнеров с растениями, установленную над контейнерами подсветку, включающую панели со светодиодами, и систему управления подсветкой. Светодиоды размещены группами из светодиодов с различными спектральными диапазонами, например 400-500, 500-600, и 600-700 нм. Фитотрон снабжен воздухоохлаждающей установкой с блоком выключения. Панели изготовлены из теплопроводного материала и выполнены с вентиляционными отверстиями, которые сообщены с воздухоохлаждающей установкой посредством вентиляционных каналов. Температурный датчик размещен в месте расположения контейнеров с растениями и соединен с системой управления воздухоохлаждающей установкой. Температурный датчик размещен в месте расположения контейнеров с растениями и соединен с системой управления воздухоохлаждающей установкой. Такое выполнение позволит стабилизировать температуру в месте расположения контейнеров с растениями в независимости от температуры наружного пространства и интенсивности излучения светодиодов; стабилизировать охлаждение и необходимый температурный режим работы светодиодов и тем самым обеспечить их высокую долговечность. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам автоматического управления свето-температурным режимом в теплицах или других сооружениях защищенного грунта. Согласно предложенному способу в определенные промежутки времени производят измерение температуры, освещенности, влажности воздуха в теплице, возраста растений, задают длительность фотопериода для работы досвечивающей аппаратуры. Рассчитывают среднюю за прошедшую ночь температуру, и с ее учетом компьютерный задатчик вычисляет и устанавливает многомерные оптимальные значения температуры и освещенности. Для импульсной работы досвечивающей аппаратуры по измеренным датчиками суммарной радиации и суммарной освещенности значениям компьютерный задатчик вычисляет и устанавливает многомерные оптимальные значения суммарной радиации и времени световой экспликации, на которую осветительное оборудование будет включено, и времени темновой паузы, на которую оборудование будет выключено. Если время темновой паузы будет превышать один час, уменьшают температуру воздуха в теплице до значений оптимальных и вычисленных компьютерным задатчиком по измеренным показаниям датчиков. За счет импульсной работы досвечивающей аппаратуры появляется возможность экономить электроэнергию. Способ обеспечивает эффективное использование световой и тепловой энергии, что позволит увеличить продуктивность растений и уменьшить их срок вегетации до начала плодоношения. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Наверх