Способ автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплице и система для его реализации
Владельцы патента RU 2403706:
Федеральное государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинский государственный агроинженерный университет" (RU)
Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам и системам автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплицах или других сооружениях защищенного грунта. Система автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплице, осуществляющая заявленный способ, содержит контур управления температурой в теплице, включающий датчик температуры, выход которого связан с объектом регулирования через сравнивающий элемент с задатчиком, усилитель сигнала рассогласования температуры текущей и вычисленной, а также исполнительный механизм, поддерживающий в объекте вычисленную температуру, и вычислительный блок, производящий расчеты оптимальной температуры. При этом система также содержит дополнительные контуры управления освещенностью и влажностью воздуха в теплице. Изобретение позволяет обеспечить автономность регулирования температуры, влажности воздуха внутри теплицы и работы досвечивающей аппаратуры независимо друг от друга, хотя при этом сохраняется их взаимное влияние на продуктивность растений. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам и системам автоматического управления температурно-световым режимом в теплицах или других сооружениях защищенного грунта.
Известен способ автоматического управления температурным режимом в теплице [а.с. №1503711 СССР, МПК 4 A01G 9/26. Способ автоматического управления температурным режимом в теплице / Ф.Я.Изаков, С.А.Попова. (СССР). - №4288057/30-15; Заявлено 21.07.1987; Опубл. 30.08.1989, Бюл. №32], в котором весь период выращивания растений делится на равные промежутки времени, продолжительность которых меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения. Для этого промежутка времени вычисляется оптимальная из условия равенства нулю производной энергозатрат на единицу продукции температура. В соответствии с этой температурой изменяется уставка задатчика температуры, обеспечивающая поддержание ее постоянства в течение выбранного промежутка времени.
Однако предложенный способ не позволяет решить актуальную задачу производства овощей в защищенном грунте, решением которой является повышение коэффициента полезного действия (КПД) механизма фотосинтеза растений. В условиях естественной облученности средние по густоте посадки используют лишь 1% приходящей энергии солнечного излучения, что значительно ниже теоретически возможного.
Считается, что повысить энергетический КПД фотосинтеза растений можно, согласовав основные факторы среды с облученностью. Это тем более важно в настоящий момент времени, при современной интенсификации тепличного овощеводства, которое предполагает загущенную посадку растений на 1 м2 полезной площади (многоярусный способ выращивания), при которой на каждый квадратный метр высаживается до 10 растений, в то время как при традиционном способе посадки всего 3-4 растения. Это позволяет увеличить урожайность с 30 кг/м2 до 300 кг/м2. Такая плотность посадки требует обязательного досвечивания, а это должно приводить к очень большим энергетическим затратам. Однако прибыль от большого урожая покрывает затраты на досвечивание. Хотя иногда в условиях тотального дефицита энергоресурсов бывает желательно снизить затраты как на досвечивание, так и на обогрев защищенного грунта. Кроме того, современные тепличные комбинаты начинают использовать три культурооборота вместо двух. Второй культурооборот основан на использовании светокультуры. При этом используется аппаратура досвечивания, которая способствует ускорению периода вегетации [Король В.Г., Семенов А.А. «О сроках выращивания огурца в зимних теплицах» // Гавриш №1, 2007].
Известен способ оптимизации факторов среды обитания при выращивании растений [а.с.№456595 СССР, МПК 4 A01G 9/26. Способ оптимизации факторов внешней среды при выращивании растений / В.Л.Корбут, А.В.Малиновский. (СССР). Опубл. 1975, Бюл. №2.], в котором оптимизация фотосинтеза растений осуществляется с помощью регулирования облученности. При этом способ автоматической оптимизации растений сводится к нахождению оптимальной точки на световой кривой фотосинтеза.
Обеспечивающая реализацию этого способа система автоматической оптимизации фотосинтеза растений состоит из ассимиляционной камеры, куда помещены растения, которые облучаются регулируемым источником излучения. Показателем интенсивности фотосинтеза растений является концентрация углекислого газа (CO2), которую замеряют прибором «Инфралит-1». Используя информацию о фотосинтезе растений, судить о котором можно по скорости поглощения углекислого газа из объема ассимиляционной камеры, и на основе которой формируют целевую функцию управления с экстремумом в соответствии с принятым критерием. С помощью пускорегулирующего устройства ксеноновой лампы ДКСТВ-6000 управляют уровнем облученности растений, которую измеряют пиранометром Янушевского. Поиск максимума целевой функции осуществляет экстремальный регулятор ЭРБ-5, который впоследствии поддерживает полученное значение облученности. Система содержит вычислительный комплекс для обработки поступающей информации об интенсивности фотосинтеза и облученности растений и на ее основе вырабатывает управляющий сигнал, который поступает в экстремальный регулятор ЭРБ-5. Регулятор изменяет направление вращения электродвигателя, если система не находится в точке оптимума выбранного критерия, а двигатель через редуктор перемещает движок регулятора напряжения РНО, который медленно изменяет мощность дуговой ксеноновой лампы ДКСТВ-6000, меняя тем самым облученность растений.
В данном способе оптимизации факторов среды обитания при выращивании растений и системе, обеспечивающей его реализацию, можно обнаружить ряд недостатков. Во-первых, не учтено взаимодействие двух основных факторов микроклимата - температуры и освещенности. Если при изменении освещенности одновременно не менять температуру воздуха в теплице, делая при этом ряд последовательных шагов, то регулятор так и не найдет действительный максимум интенсивности фотосинтеза. Во-вторых, экстремальное регулирование не самый быстродействующий и экономичный способ управления режимами микроклимата, так как регулятор должен сделать несколько шагов, чтобы определить максимум, а это снижает надежность системы, постоянно находящейся в режиме автоколебаний. В-третьих, система содержит громоздкие приборы определения CO2-газообмена в ассимиляционной камере, такие приборы пригодны в научных лабораториях, где их будут обслуживать специалисты, в теплицах такие системы мало функциональны.
Известен также способ управления микроклиматом [а.с. №1323065 СССР, МПК А01К 31/00, G05D 27/00. Устройство для автоматического управления температурно-влажностным режимом в промышленных птичниках / В.А.Грабауров, Ф.Ф.Пащенко, Батищев, Савченко (СССР). - Заявлено 28.06.1985; Опубл. 15.07.1987, Бюл. №26], который нашел применение в устройстве для автоматического управления температурно-влажностным режимом в сельскохозяйственном помещении, а именно в птичнике. Согласно этому способу определяют многомерные оптимальные параметры микроклимата, жизненно важные для выращивания птицы. При этом используют математическую модель продуктивности птицы, параметрами которой являются возраст птицы, температура и влажность воздуха внутри птичника. Так как модель имеет экстремальный характер, а максимум продуктивности дрейфует с изменением возраста, то авторами было предложено определить производные от этой модели по параметрам влажности и температуры и решить систему из двух полученных уравнений с целью получения многомерных оптимальных параметров температуры и влажности, уравнения которых зависят только от параметра возраста птицы.
Многомерные оптимальные параметры обеспечивают автономность регулирования каждого из них независимо друг от друга, но при этом сохраняется их взаимное влияние на продуктивность птицы. Тогда как определение одномерных оптимальных параметров не исключает влияния каждого из них друг на друга.
Этот способ определения многомерных оптимальных параметров допустим к любым объектам автоматизации, особенно в случае важности нахождения оптимальных параметров микроклимата. Однако в описанном способе прослеживаются следующие недостатки: он подходит только для управления микроклиматом в птичнике, так как в данном способе используется математическая модель продуктивности птицы, данный способ позволяет управлять лишь влажностью и температурой, в то время как для растений важнейшим параметром является освещенность, для управления которой необходимо специальное оборудование.
Известен также способ управления температурным режимом в теплице [а.с. №1438657 СССР, МПК 4 A01G 9/26. Способ автоматического управления температурным режимом в теплице / Ф.Я.Изаков, С.А.Попова, Е.В.Стрельникова и Л.В.Гребенкина (СССР). - №3738938/30-15; Заявлено 20.01.1984; Опубл. 23.11.1988, Бюл. №43], принятый за прототип, в котором для повышения эффективности весь период выращивания растений делится на равные промежутки времени и для каждого вычисляется оптимальная из условия равенства нулю производной от экономического критерия температура. В соответствии с этой температурой изменяется уставка задатчика температуры.
Система [а.с. №1438657 СССР, МПК 4 A01G 9/26.], обеспечивающая способ, выбранный в качестве прототипа, состоит из вычислительного блока, куда подается информация от датчиков контроля состояния внешней среды и где производится обработка информации и расчет необходимой для управления температуры воздуха в теплице, в соответствии с которой изменяется уставка задатчика; датчика внутренней температуры, который измеряет и передает сигнал от объекта элементу сравнения, где происходит сравнение двух значений температур; усилителя; генератора тактовых импульсов, по сигналу которого происходит сброс предыдущего расчета и начало нового; коммутатора, который передает управляющий сигнал на исполнительный механизм, который должен поддерживать вычисленную температуру в течение дискретного промежутка времени.
Рассмотренный способ и система, его реализующая, имеют ряд недостатков. Во-первых, до сих пор отсутствуют математические модели урожая как конечного продукта процесса вегетации растений, а значит этот способ трудно реализуем. Во-вторых, цены на тепличную продукцию и топливо в течение срока вегетации нельзя предсказать, они постоянно меняются и сильно влияют на вычисление оптимальной по предложенному критерию температуры. В-третьих, математическая модель урожая не содержит важных показателей фитомикроклимата: длительности действия светового фактора и влажности воздуха. В-четвертых, не предусмотрена возможность изменения естественной освещенности в пользу ее увеличения в случае пасмурных дней, тем более что современные тепличные комбинаты снабжены досвечивающими установками, работа которых может быть регламентирована каким-либо критерием. А также отсутствует возможность управления влажностью воздуха в теплице.
Целью изобретения является повышение точности поддержания освещенности, температуры и влажности воздуха в культивационном помещении и устойчивости работы системы, а также повышение КПД механизма фотосинтеза растений за счет согласования таких факторов среды, как облученность, температура и влажность воздуха, в результате которого повышается продуктивность тепличных культур, улучшается качество плодов, а также сокращается период вегетации до начала плодоношения, что позволяет выращивать тепличные культуры в три оборота.
Сущность изобретения состоит в следующем. В предлагаемом способе автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом теплицы время выращивания растений в теплице разбивают на равные промежутки времени, продолжительность которых по крайней мере на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения, вычисление для каждого промежутка времени оптимальной температуры и поддержание этой оптимальной температуры постоянной в течение всего промежутка времени. В отличие от прототипа измеряют не внешние параметры микроклимата, а в каждом из этих промежутков времени определяют среднесуточную температуру предыдущей ночи и возраст растений, а также устанавливают длительность фотопериода. По результатам измерений определяют многомерную оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру, которую сравнивают с результатами измерения текущего значения температуры. В дополнение к этой функции должны быть вычислены многомерные оптимальные по продуктивности значения освещенности и влажности воздуха, которые сравнивают с текущими измерениями в теплице. Если реальная освещенность в теплице ниже расчетной, должна быть включена аппаратура досвечивания на период, установленный агротехником. А если реальная влажность воздуха в теплице ниже расчетной, должна быть включена увлажняющая установка.
Критерий продуктивности получен с использованием математической модели роста огурца сорта «Московский тепличный» для ограниченного экспериментом возраста (чтобы использовать модель для управления фитомикроклиматом, параметр τ2 необходимо изменять в пределах от 1 до 26 суток, в дальнейшем для взрослых растений необходимо зафиксировать параметр τ2 на отметке 26 суток) [Попова С.А. Энергосберегающая система автоматического управления температурным режимом в теплице: Дис. канд. техн. наук 05.13.06. Челябинск, 1995]. В общем виде математическая модель CO2-газообмена, полученная в ходе эксперимента в камере искусственного микроклимата, записывается следующим образом:
где t1 - текущее значение дневной температуры в культивационном помещении, °C;
E1 - текущее значение освещенности;
Т2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ1 - длительность фотопериода (длительность действия светового фактора), час;
τ2 - возраст растения, сутки;
φ1 - текущее значение влажности воздуха в теплице, %;
a0, a1, a2 и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза.
Для заявляемого способа и системы автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплице используется критерий максимальной продуктивности, то есть приравнивают к нулю частные производные от интенсивности фотосинтеза
где 
- частная производная от интенсивности фотосинтеза по освещенности,
- частная производная от интенсивности фотосинтеза по дневной температуре воздуха в теплице;
- частная производная от интенсивности фотосинтеза по влажности воздуха в теплице;
и определяют многомерные значения освещенности, температуры и влажности воздуха, при которых имеет место максимум интенсивности фотосинтеза, косвенного показателя продуктивности.
Решение системы уравнений матричным способом позволяет определить многомерные оптимальные параметры температуры t21M, освещенности E21M и длительности фотопериода τ21M. В результате преобразований многомерную оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру воздуха в теплице вычисляют по формуле
где Т2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ1 - длительность фотопериода (длительность действия светового фактора), час;
τ2 - возраст растения, сутки;
А1, А2, А3, А4 - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности фотосинтеза, которые принимают следующие значения:
| А1=-0,14 | А3=-0,172 |
| А2=-0,215 | А4=41,309 |
Многомерную оптимальную освещенность в теплице вычисляют по формуле
где Т2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ1 - длительность фотопериода (длительность действия светового фактора), час;
τ2 - возраст растения, сутки;
φ1 - текущее значение влажности воздуха в теплице, %;
В1, В2, В3, В4 - многомерные приведенные коэффициенты, которые принимают следующие значения:
| B1=0,46 | B3=-0,85 |
| В2=-0,59 | B4=28,75 |
Многомерную оптимальную влажность воздуха в теплице вычисляют по формуле
где Т2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ1 - длительность фотопериода (длительность действия светового фактора), час;
τ2 - возраст растения, сутки;
φ1 - текущее значение влажности воздуха в теплице, %;
С1, С2, C3, С4 - многомерные приведенные коэффициенты, которые принимают следующие значения:
| C1=-1,224 | С3=0,113 |
| С2=0,641 | С4=115,246 |
При этом вычисленные матричным способом многомерные значения оптимальных параметров освещенности E21M, температуры t21M и влажности воздуха φ21M не зависят друг от друга, хотя их взаимное влияние на фотосинтетическую активность растений огромно, что позволяет управлять параметрами освещенности, температуры и влажности воздуха автономно, не вводя их предварительно в компьютерный задатчик, как в случае определения одномерных параметров.
Однако если один из регулируемых параметров свето-температурно-влажностного режима становится неуправляемым вследствие влияния наружных условий окружающей среды или превышает вычисленную оптимальную величину, то значения оставшихся под управлением системы параметров устанавливаются уже в зависимости от величины неуправляемого. В этом случае будут вычислены одномерные значения оптимальных величин.
Одномерную оптимальную температуру воздуха в теплице t21O вычисляют по формуле:
где а2, a12, а22 и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза;
| а2=0,1881; | а24=-0,0087; |
| а12=0,0125; | а25=0,0000; |
| а22=-0,0215; | а26=0,0107; |
| а23=0,0014; |
E1 - установившееся в результате функционирования системы и учитывающее действие солнечной радиации текущее значение освещенности, клк;
Т2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ1 - заданная оператором-техником длительность фотопериода (или досвечивания), час;
τ2 - возраст растения, сутки;
φ1 - текущее значение влажности воздуха в теплице, %.
Одномерная оптимальная по продуктивности температура воздуха в теплице для дневного времени суток может быть установлена при достаточном уровне естественной освещенности и влажности воздуха в теплице.
Одномерную оптимальную освещенность в теплице E21O вычисляют по формуле
где a1, a11 и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза;
| a1=1,9788; | а14=-0,0046; |
| а11=-0,0141; | а15=-0,0174; |
| а12=0,0125; | a16=-0,0147; |
| а13=-0,0034; |
t1 - установившееся в результате функционирования системы текущее значение температуры, °C;
Т2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ1 - заданная оператором-техником длительность фотопериода (или досвечивания), час;
τ2 - возраст растения, сутки;
φ1 - текущее значение влажности воздуха в теплице, %.
Одномерная оптимальная по продуктивности освещенность в теплице может быть установлена при достаточной температуре и влажности воздуха в теплице.
Одномерную оптимальную влажность воздуха в теплице φ21O вычисляют по формуле
где а6, а16 и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза;
| а6=0,2291; | а46=-0,0050; |
| а16=-0,0147; | а56=-0,0100; |
| а26=0,0107; | а66=-0,0011; |
| а36=0,0055; |
t1 - установившееся в результате функционирования системы текущее значение температуры, °C;
Т2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
E1 - установившееся в результате функционирования системы и учитывающее действие солнечной радиации текущее значение освещенности, клк;
τ2 - возраст растения, сутки;
φ1 - текущее значение влажности воздуха в теплице, %.
Одномерная оптимальная по продуктивности влажность воздуха в теплице может быть установлена при достаточном уровне естественной освещенности и температуры воздуха в теплице.
В соответствии с определенными таким способом многомерными значениями освещенности, температуры и влажности воздуха в теплице изменяют уставки задатчиков.
Система автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплице, реализующая данный способ, содержит контур управления внутренней температурой в теплице, включающий датчик внутренней температуры, выход которого связан с объектом регулирования через элемент сравнения с задатчиком, усилитель сигнала рассогласования температуры текущей и вычисленной, а также исполнительный механизм, поддерживающий в объекте вычисленную температуру, а также вычислительный блок, производящий расчеты оптимальной температуры. В отличие от прототипа предлагаемая система содержит дополнительный контур управления освещенностью, состоящий из датчика освещенности, сравнивающего элемента, усилителя и исполнительного механизма и осуществляющий управление досвечивающей аппаратурой по значениям параметров освещенности определенным компьютерным задатчиком, включение и выключение осветительной аппаратуры осуществляется магнитным пускателем посредством сигнала от релейного механизма времени, задание длительности светового периода от которого также поступает на вход компьютерного задатчика, кроме того предлагаемая система содержит еще один контур управления влажностью воздуха внутри теплицы, снабженный дополнительным набором элементов: регулирующий орган (форсунка распылителя), исполнительный механизм (электроклапан на водоводе), усилитель сигнала рассогласования, датчик внутренней влажности воздуха и элемент сравнения. Также система снабжена счетчиком возраста растений, а вычислительный блок и задатчики объединены в компьютерный задатчик, который формирует сигналы в виде многомерных значений оптимальной температуры воздуха, оптимальной освещенности и оптимальной влажности воздуха в теплице для всех трех контуров управления. Кроме того, при необходимости, компьютерный задатчик по специальному алгоритму может вести расчет тех же одномерных оптимальных величин.
Совокупность признаков заявляемого способа и системы для его реализации не известны и не следуют явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
На чертеже представлена схема системы автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплице по критерию продуктивности. Система контура автоматической оптимизации температуры воздуха, реализующая данный способ, состоящая из датчика 5, сравнивающего элемента 1, усилителя 2, исполнительного механизма 3 и регулирующего органа 4, поддерживает вычисленную компьютерным задатчиком 12 температуру до наступления момента нового вычисления.
Система контура автоматической оптимизации освещенности, состоящая из датчика 9, сравнивающего элемента 6, усилителя 7, исполнительного механизма 8, релейного механизма 10 и магнитного пускателя 11, осуществляет регулирование досвечивающей аппаратурой по значениям параметров освещенности определенным компьютерным задатчиком 12.
Система контура автоматической оптимизации влажности воздуха в теплице, состоящая из датчика 13, сравнивающего элемента 15, усилителя 16, исполнительного механизма 17 и регулирующего органа 18, поддерживает вычисленную компьютерным задатчиком 12 влажность воздуха внутри теплицы до наступления момента нового вычисления.
Способ осуществляется следующим образом. В компьютерный задатчик, который должен вырабатывать для САУ задание оптимальных по критерию продуктивности значений освещенности, температуры и влажности воздуха в теплице, поступают сигналы от датчиков температуры 5, освещенности 9 и влажности воздуха в теплице 13 и счетчика возраста растений 14. Среднее значение ночной температуры компьютерный задатчик вычисляет после окончания ночи. Далее компьютерный задатчик по формулам (3), (4) и (5) рассчитывает многомерные оптимальные по продуктивности значения температуры воздуха t21M, освещенности E21M и влажности воздуха φ21M. Полученные оптимальные значения температуры и освещенности сравниваются с показаниями датчиков температуры 5, освещенности 9 и влажности воздуха 13.
Последующие вычислительные операции происходят при изменении какого-либо параметра, входящего в уравнения (3), (4) и (5), например, при изменении возраста растений, который фиксируется счетчиком возраста растений 14.
Расчет оптимальных значений производится на промежуток времени, длительность которого на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения (например, 0,1 мин).
Если управляемые параметры (текущие значения температуры воздуха t1, освещенности E1 или влажности воздуха φ1) по величине превысят значения многомерных оптимальных величин t21M, E21M или φ21M, то в этом случае вычисляются одномерные оптимальные по критерию продуктивности значения температуры воздуха внутри теплицы t21O, освещенности E21O и влажности воздуха φ21O. По специальному алгоритму компьютерный задатчик осуществляет переход на управление температурно-световым режимом по формулам (6), (7) или (8), которые содержат параметр текущего значения вышедшего из-под контроля САУ фактора свето-температурно-влажностного режима. Сам фактор фиксируется в неизменном состоянии в данном промежутке времени. При этом использует либо одно уравнение, либо группу из двух в любых комбинациях, в зависимости от того, какой из параметров фиксируется.
Система, отвечающая за контур автоматической оптимизации освещенности по заявленному способу, работает следующим образом. По данным счетчика возраста растений 14, значению средней температуры предыдущей ночи и установленной вручную длительности фотопериода, что соответствует длительности работы досвечивающей аппаратуры, осуществляемой при помощи релейного механизма 10, компьютерный задатчик 12 вырабатывает по уравнению (4) сигнал E21M, являющийся заданием для системы оптимизации освещенности. На элементе сравнения 6 происходит сравнение задания Е21М с сигналом датчика освещенности 9, который учитывает еще и естественную освещенность (поступающую от солнца), значение рассогласования двух сигналов усиливается элементом 7 и затем происходит включение исполнительного механизма осветительной аппаратуры, который изменяет высоту подвески ламп, что приводит к изменению текущего значения освещенности. В свою очередь, это изменение отслеживает датчик освещенности 9. После окончания установленного техниками времени досвечивания срабатывает релейный механизм 10 и отключает магнитные пускатели досвечивающей аппаратуры 11. Так как загущенные требующие досвечивания посадки высаживают многоярусным способом, досвечивающая аппаратура опускается между растениями. Датчик освещенности по этой причине так же должен быть расположен между растениями, так как нижние ярусы посадок сильно страдают от нехватки света.
Работа системы, отвечающей за канал автоматической оптимизации температуры, осуществляется следующим образом. Компьютерный задатчик по данным счетчика возраста растений 14, значению средней температуры предыдущей ночи и установленной вручную длительности фотопериода, что соответствует длительности работы досвечивающей аппаратуры, вырабатывает по уравнению (3) задающий сигнал, поданный на элемент сравнения 1. Другой сигнал на сравнивающее устройство поступает от датчика 5 температуры воздуха в теплице, который, кроме того, учитывает изменение температуры вследствие включения досвечивающей аппаратуры или влияние внешних условий среды. Сигнал рассогласования, полученный на выходе устройства 1, преобразуется в соответствии с необходимым законом управления и усиливается устройством 2, после чего поступает на исполнительный механизм 3, который приводит в движение регулирующий орган 4, изменяющий подачу теплоносителя в системе трубного обогрева теплицы.
Работа системы, отвечающей за канал автоматической оптимизации влажности, осуществляется следующим образом. Компьютерный задатчик по данным счетчика возраста растений 14, значению средней температуры предыдущей ночи и установленной вручную длительности фотопериода, что соответствует длительности работы досвечивающей аппаратуры, вырабатывает по уравнению (5) задающий сигнал φ21M, который подается на сравнивающий элемент 15. Другой сигнал на сравнивающее устройство поступает от датчика текущей влажности воздуха в теплице 13, который учитывает изменение влажности вследствие включения досвечивающей аппаратуры или влияние внешних условий среды (инфильтрация внешнего воздуха через щели). Сигнал рассогласования, полученный на выходе, подается на сравнивающий элемент 15, преобразуется в соответствии с необходимым законом регулирования и усиливается посредством усилителя 16, после чего поступает на исполнительный механизм 17, который открывает регулирующий орган 18 (форсунку), и происходит разбрызгивание влаги в виде тумана.
Изучение данных функционирования системы увлажнения воздуха позволило выявить некоторые трудности удержания необходимой влажности на постоянном уровне. Параметр влажности довольно часто выходит из-под контроля. Например, непосредственно после распыления влажность резко повышается и затем плавно падает, после чего опять включается аппаратура разбрызгивания влаги.
Поэтому в случае выхода из-под контроля какого-либо параметра САУ может перейти по специальному алгоритму к управлению остальными параметрами по уравнениям (6), (7) или (8).
Совместное использование способа и системы позволяет более точно поддерживать необходимую влажность воздуха в теплице, а также значительно повысить эффективность использования световой энергии солнца и облучательной установки культивируемыми растениями, а значит, позволяет сократить длительность периода вегетации до начала плодоношения, увеличить продуктивность самих растений, а также повысить товарные качества плодов и содержание в них сахаров и витаминов, кроме того, позволяет эффективно использовать светокультуру, которая возделывается в самый темный зимний период выращивания. И наконец, использование способа и системы позволяет обеспечить автономность регулирования температуры и влажности воздуха внутри теплицы, а также работы досвечивающей аппаратуры независимо друг от друга, при этом сохраняется их взаимное влияние на продуктивность растений.
1. Способ автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплице, включающий разбиение вегетационного периода растений в теплице на равные промежутки времени, продолжительность которых на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения, вычисление для каждого промежутка времени оптимальной температуры и поддержание этой оптимальной температуры постоянной в течение всего промежутка времени, отличающийся тем, что измеряют влажность воздуха, температуру воздуха и освещенность в теплице с получением сигналов от датчиков воздуха, температуры и освещенности соответственно, измеряют возраст растений с получением сигнала от счетчика возраста растений, а также устанавливают длительность фотопериода, при этом данные поступают в компьютерный задатчик, который вычисляет среднее значение ночной температуры, а затем определяет и устанавливает многомерную оптимальную по критерию продуктивности дневную температуру воздуха в теплице по формуле:
где T2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ1 - длительность фотопериода, ч;
τ2 - возраст растения, сутки;
A1, A2, A3, A4 - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности фотосинтеза, которые принимают следующие значения:
A1=-0,14
A2=-0,215
A3=-0,172
А4=41,309,
далее определяют и устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности освещенность по формуле:
где T2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ1 - длительность фотопериода, ч;
τ2 - возраст растения, сутки;
φ1 - текущее значение влажности воздуха в теплице, %,
B1, B2, B3, B4 - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности фотосинтеза, которые принимают следующие значения:
B1=0,46
B2=-0,59
B3=-0,85
B4=28,75,
далее определяют и устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности влажность воздуха в теплице по формуле:
где T2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
τ1 - длительность фотопериода, ч;
τ2 - возраст растения, сутки;
φ1 - текущее значение влажности воздуха в теплице, %,
C1, C2, C3, C4 - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности фотосинтеза, которые принимают следующие значения:
C1=-1,224
C2=0,641
C3=0,113
C4=115,246,
но в случае если температура, освещенность и влажность в теплице превысят один из многомерных оптимальных по критерию продуктивности параметров, то компьютерный задатчик определяет и устанавливает одномерные оптимальные по критерию продуктивности температуру воздуха, освещенность и влажность в теплице для дневного времени суток по следующим формулам:
где a1, a2, a6 и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза, которые принимают следующие значения:
a2=0,1881
a12=0,0125
a22=-0,0215
а23=-0,0014
a24=-0,0087
a25=0,0000
а26=0,0107
и
a1=1,9788
а11=-0,0141
a12=0,0125
a13=-0,0034
a14=-0,0046
a15=-0,0174
a16=-0,0147
и
а6=0,2291
a16=-0,0147
а26=0,0107
a36=0,0055
а46=-0,0050
а56=-0,0100
a66=-0,0011
E1 - установившееся в результате функционирования системы и учитывающее действие солнечной радиации, текущее значение освещенности, клк;
t1 - установившееся в результате функционирования системы, текущее значение температуры, °C;
T2 - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °С;
φ1 - текущее значение влажности воздуха в теплице, %;
τ1 - заданная оператором-техником длительность фотопериода, ч;
τ2 - возраст растения, сутки.
2. Система автоматического управления свето-температурном влажностным режимом в теплице, содержащая контур управления внутренней температурой в теплице, включающий датчик температуры, выход которого связан с объектом регулирования через сравнивающий элемент с задатчиком, усилитель сигнала рассогласования температуры текущей и вычисленной, а также исполнительный механизм, поддерживающий в объекте вычисленную температуру, и вычислительный блок, производящий расчеты оптимальной температуры, отличающаяся тем, что система содержит дополнительные контуры управления освещенностью и влажностью воздуха в теплице; контур управления освещенностью содержит датчик освещенности, сравнивающий элемент, усилитель, исполнительный механизм с возможностью осуществления управления досвечивающей аппаратурой по значениям параметров освещенности, определенным компьютерным задатчиком, для включения и выключения осветительной аппаратуры установлен магнитный пускатель, получающий сигнал от релейного механизма времени; контур управления влажностью воздуха в теплице содержит датчик влажности воздуха, сравнивающий элемент, усилитель, исполнительный механизм и регулирующий орган с возможностью осуществления управления установкой увлажнения по значениям параметров влажности, определенным компьютерным задатчиком; система снабжена счетчиком возраста растений, а вычислительный блок и задатчик объединены в компьютерный задатчик, который формирует сигналы в виде многомерных оптимальных значений температуры воздуха, освещенности и влажности воздуха для трех контуров управления.
