СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ В ТЕПЛИЦЕ Российский патент 1995 года по МПК A01G9/26 

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам автоматического управления температурным режимом в теплице, более конкретно к тепличному промышленному выращиванию сельскохозяйственных культур путем обеспечения микроклимата в сооружениях закрытого и защищенного грунта. Преимущественно изобретение может использоваться в пленочных теплицах, но оно может найти применение при оптимизации температурного режима в ангарных и блочных теплицах.

Известен способ автоматического управления темпеpатуpным режимом в теплице, в котором для повышения эффективности 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 экономического критерия температура. В соответствии с этой температурой изменяется уставка задатчика температуры, обеспечивающая поддержание постоянства температуры в течение выбранного промежутка времени.

Однако способ обладает большими энергозатратами и не очень надежен.

Известен также способ автоматического управления температурным режимом в теплице. В предложенном способе, принятом за прототип, вместо оценки по максимуму прибыли используется оценка по минимуму удельных энергозатрат. Вместо параметров модели продуктивности в вычислительное устройство вводят параметры моделей интенсивности фотосинтеза и темнового дыхания. Вместо вычисления удельной энергоемкости и поиска экстремума определяют температуру, при которой этот экстремум обеспечивается, из условия равенства нулю производной от удельной энергоемкости. Уставку задатчика изменяют в соответствии с определенной таким путем температурой. 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 условий 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.

Однако способ имеет ряд недостатков. Во-первых, он не учитывает возраст растений, продолжительность фотопериода, влажность воздуха в теплице. Это снижает точность определения оптимальной температуры. Во-вторых, в ряде случаев определяемая предложенным способом температура оказывается ниже допустимой (t_опт < t_доп), в результате чего это ведет либо к гибели растений, либо к ухудшению их потребительских качеств. Более того, даже при допустимой температуре растение может погибнуть, если эта температура длится достаточно долго. Иными словами, ограничения должны быть не только по допустимой температуре, но и по ее длительности стояния.

В-третьих, в последнее время получены более точные математические модели продуктивности, на базе которых получены уточненные выражения для определения оптимальных температур.

Для интенсивности фотосинтеза получена модель
lgФ A₀+A₁+E+A₂t_в+A₃T₂+A₄τ_фп+
+ A₅ τ_в+А₆ϕ+А₇τ_с+А₁₁Е²+А₂₂t²_в+
+А₃₃Т₂²+А₄₄ τ_фп²+А₅₅ τ_в²+А₆₆ ϕ²+А₇₇ τ_с² +
+ А₁₂Et_в+А₁₃ЕТ₂+А₁₄Еτ_фп+А₁₅Е τ_в+
+А₁₆Е ϕ+А₁₇Еτ_c+ А₂₃t_вТ₂+А₂₄t_в τ_фп+
+А₂₅t_в τ_в+А₂₆t_в ϕ +А₂₇t_в τ_с+А₃₄T₂ τ_фп +
+ А₃₅T₂ τ_в+А₃₆Т₂ ϕ+А₃₇Т₂ τ_с+А₄₅ τ_фп τ_в+
+А₄₆τ_фп ϕ +А₄₇ τ_фпτ_c+A₅₆ τ_в ϕ+А₅₇ τ_в τ_с+
+ А₆₇ ϕ τ_с, где Е освещенность, клк;
t_в температура в помещении, ^оС;
Т₂ средняя температура предыдущей ночи;
τ_фп продолжительность фотопериода, ч;
τ_в возраст растения, сут.

ϕ влажность воздуха в помещении,
τ_с относительное время дня.

Аналогичная модель получена для интенсивности темнового дыхания Д. Только в этой модели вместо текущей освещенности фигуpиpует средняя освещенность предыдущего дня, вместо средней температуры предыдущей ночи средняя температура дня, а вместо относительного времени дня относительное время ночи.

Относительное время дня
τ_c= а относительное время ночи
τ_c= где τ текущее время;
τ_восх время восхода солнца;
τ_зах время захода солнца;
n число переходов через 24.00 (0 или 1).

Численные значения коэффициентов модели для огурца сорта "Московский" приведены в таблице.

Задача изобретения заключается в том, что необходимо повышать точность оптимизации температурного режима и исключить работу при температурах, меньших допустимой.

Для этого в способе автоматического управления температурным режимом в теплице, включающем разбиение периода выращивания растений на равные промежутки времени, измерение в каждом из этих промежутков освещенности, плотности потока солнечной радиации, наружной температуры, скорости ветра и влажности наружного воздуха, определение по результатам этих измерений оптимальной по продуктивности и естественной температуры, сравнение этих температур и при превышении первой над второй включение системы обогрева и поддержание ею температуры, оптимальной по продуктивности, в противном случае включение системы вентиляции, корректировку математической модели продуктивности (интенсивности фотосинтеза или темнового дыхания) и ее коэффициентов при переходах "день-ночь" и "ночь-день", определение величины и знака дискриминанта, характеризующего наличие минимума энергоемкости и, в случае его положительности, определение оптимальной по энергоемкости температуры, а также изменение в соответствии с этой температурой уставки задатчика, дополнительно определяют возраст растения, продолжительность фотопериода, влажность воздуха в теплице, а также относительное время дня и ночи, уточняют в соответствии с этими измерениями оптимальную как по продуктивности, так и по энергоемкости температуру, а полученную оптимальную температуру сравнивают с минимально допустимой, причем, если оптимальная температура больше допустимой, то устанавливается оптимальная температура, а если оптимальная температура меньше допустимой, то устанавливается допустимая температура, при достижении продолжительности стояния которой предельной величины устанавливается температура, оптимальная по продуктивности.

Известно устройство для автоматического управления температурно-влажным режимом в промышленных птичниках, в котором учитывается возраст птицы. Однако на продуктивность влияет не только возраст в сутках, но и время суток, которое в существующих системах не учитывается.

В изобретении указанные недостатки устраняются, во-первых, тем, что указанные выше факторы (возраст растений, продолжительность фотопериода, влажность воздуха в теплице) включаются в математическую модель и учитываются при расчете оптимальной температуры; во-вторых, тем, что в случае, когда оптимальная температура меньше допустимой, система поддерживает допустимую температуру, и в-третьих, тем, что допустимая температура поддерживается в течение времени τ_доп, а затем повышается до оптимальной по продуктивности.

Таким образом, заявляемый способ отличается тем, что используются более точные математические модели фотосинтеза Ф и темнового дыхания Д, а, следовательно, и более точные модели температуры, оптимальной по продуктивности
t_опт=
В связи с уточнением математической модели оптимальная по энергоемкости температура
t_оптэ= + где
t_ест= t_н+
D + Δ
Δ
t_н наружная температура, ^оС;
Q поток солнечной радиации, Вт/м²;
К коэффициент теплоотдачи, Вт/м² х х ^оС.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего данный способ.

Устройство содержит релейный 1 и сравнивающий 2 элементы, усилитель 3, исполнительный механизм 4, регулирующий орган 5 и датчик 6 температуры воздуха в теплице, а также устройство 7 для расчета оптимальной по энергоемкости температуры.

Устройство для расчета оптимальной по энергоемкости температуры включает в себя блок 8 расчета оптимальной по продуктивности температуры, блок 9 расчета естественной температуры, блок 10 определения дискриминанта, компараторы 11 и 12, сумматор 13, блок 14 расчета коэффициента теплопотерь, переключатель 15 режимов, интеграторы освещенности 16 и дневной температуры 17, генератор 18 тактовых импульсов, счетчик 19 импульсов, усреднители освещенности 20 и дневной температуры 21, устройство 22 памяти и блок 23 ввода данных. Устройство оснащено также датчиками влажности наружного воздуха 24, солнечной радиации 25, освещенности 26, реле 27 освещенности, датчиками 28 скорости ветра и наружной температуры 29. Кроме того, дополнительно в систему включаются датчики возраста (таймер) 30 и влажности воздуха внутри помещения 31. В состав устройства для расчета оптимальной температуры вводятся дополнительные блоки 32 определения длительности фотопериода, блок 33 сравнения оптимальной температуры с допустимой и блок 34 сравнения продолжительности стояния допустимой температуры с допустимой продолжительностью, а также блок 35 расчета относительного времени дня и ночи.

Способ осуществляют следующим образом.

Вегетационный период выращивания растений делят на равные, предварительно вычисленные по длительности, промежутки времени. При этом исходят из условия, что длительность их должна быть на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения. Затем для каждого промежутка времени определяется оптимальная температура, которая в этот промежуток должна поддерживаться постоянной. После определения продолжительности промежутка времени генератор 18 тактовых импульсов (ГТИ) настраивают на этот промежуток.

Генератор выдает импульсы через указанные равные промежутки времени, в течение которых происходит обработка информации, получаемой от датчиков 6, 24, 25, 26, 28, 29, 30 и 31. Сигналы от датчика 26 освещенности, датчика возраста (таймера) 30, датчика влажности воздуха внутри помещения 31 поступают в блок 8 расчета оптимальной по продуктивности температуры. Сюда же поступает сигнал от блока определения длительности фотопериода 32 (который в свою очередь определяется с помощью таймера 30 путем фиксирования времени восхода и захода реле освещенности 27) и блока расчета относительного времени 35 (получающего информацию от таймера 30 и блока определения длительности фотопериода 32). Сигналы от датчика влажности наружного воздуха 24 и датчика скорости ветра 28 поступают на блок 14 определения коэффициента теплопотерь, результаты работы которого вместе с сигналами датчиков солнечной радиации 25 и наружной температуры 29 поступают на блок 9 измерения естественной температуры в теплице. Результаты вычислений и выхода блоков 8 и 9 поступают на компаратор 11. Если естественная температура окажется больше оптимальной, то автоматически включается система вентиляции, а система управления обогревом и сам обогрев отключаются с помощью релейного элемента 1. Если естественная температура оказывается меньше оптимальной, то результат определения естественной температуры с блока 9 и сигнал с блока 8 расчета оптимальной по продуктивности температуры поступают на блок 10 определения дискриминанта, куда предварительно вводятся с помощью блока 23 ввода данных коэффициенты модели продуктивности (с этого же блока в блок расчета тепловых потерь 14). С первого выхода блока 10 сигнал подается на компаратор 12, а со второго выхода блока 10 и выхода блока 9 на сумматор 13, подсчитывающий оптимальную по энергоемкости температуру. При положительном дискриминанте сигнал на сравнивающий элемент 2 подается от сумматора 13, в противном случае от блока 8. Коммутация осуществляется переключателем 15, управляемым компараторами 11 и 12. Таким образом, для каждого дискретного промежутка времени вычислительный блок 7 определяет оптимальную температуру. Кроме того, с помощью блока 37 оптимальная температура сравнивается с допустимой, вводимой с блока 23. Если оптимальная температура окажется больше допустимой, то на переключатель 15 подается оптимальная температура, если меньше, то допустимая. Блок 23 фиксирует продолжительность стояния допустимой температуры и если она окажется больше заданной (заданная выдается от блока 23), то вместо допустимой на переключатель 15 подается температура, оптимальная по продуктивности.

Система автоматической оптимизации, состоящая из датчика 6 внутренней температуры, вычислительного блока 7, сравнивающего элемента 2, усилителя 3, исполнительного механизма 4 и регулирующего органа 5, поддерживает эту температуру в течение выбранного промежутка времени, по окончании которого генератор 18 тактовых импульсов сбрасывает результат предыдущего расчета и начинает новый. Генератор тактовых импульсов 18 одновременно управляет работой блоков 13, 8, 9 и 10. Роль генератора тактовых импульсов может выполнять и таймер 30, что существенно удешевляет систему.

Переключение с дневного на ночной режим осуществляется реле 27 освещенности, которое вместо коэффициентов дневной модели подключает от устройства 23 ввода данных к блоку 10 расчета дискриминанта и блоку 8 расчета оптимальной по продуктивности температуры коэффициенты ночной модели, значения которых вводятся при наладке. Одновременно к вычислительному устройству 8 подключается устройство 22, получающее сигналы от усреднителя 20 освещенности и усреднителя 21 дневной температуры, которые в течение дневного периода выдают частные от деления сигналов от интеграторов 16 и 17 на показания счетчика 19 импульсов, работающего от генератора 18 тактовых импульсов и реле 27 освещенности.

Одновременно от вычислительного устройства отключается блок 14 вычисления коэффициента тепловых потерь с датчиками 24 и 28, а также датчики солнечной радиации 25 и освещенности 26. Датчик 29 наружной температуры подключен к вычислительному устройству постоянно. Переключение с ночного режима на дневной происходит аналогично.

Предлагаемый способ реализует, например, устройство для расчета оптимальной температуры, состоящее из следующих элементов: центрального процессора; двух постоянных запоминающих устройств ПЗУ; оперативного запоминающего устройства ОЗУ; дешифратора адреса памяти; дешифратора адресов ввода и вывода; таймера с кварцевым генератором и устройства управления; органов управления; индикаторов; устройства управления датчиками; устройства прерывания.

В качестве центрального процессора может быть использован процессор типа К1801ВМ1; в качестве постоянных запоминающих устройств микросхемы К573РФ4 и К573РФ5, оперативное запоминающее устройство на микросхеме К573РУ10.

Объем программы, записанной в ПЗУ, составит 10 кбайтов, объем памяти ОЗУ 2 кбайта.

В качестве таймера и одновременно датчика возраста используется БИС типа К512ВИ1. Тактовая частота, определяющая время, задается кварцевым генератором.

Все датчики выполняются в виде автономных модулей, которые располагаются в соответствующих точках теплицы и выполняют функцию преобразования контролируемых параметров среды в электрический сигнал постоянного тока с напряжением в диапазоне 0.10 В.

Автономные модули получают электропитание команды управления и выдают информационные сигналы в единый канал связи и питания коаксиальный кабель.

Для питания схем датчиков предназначен модуль питания датчиков, вырабатывающий частоту 20 кГц.

Для управления модулями датчиков предложен модуль контроллера, работающий на частоте 250.375 кГц.

В качестве датчика температуры используется термометр сопротивления, в качестве датчиков влажности внутреннего воздуха гигрометр конструкции АФИ; в качестве датчика влажности наружного воздуха система, состоящая из диэлектрической пластины и двух электродов из металлов с различной работой выхода.

Для измерения скорости ветра потребовалась комбинация тахометрического устройства по авт.св. N 1140047 и оптоэлектронного по авт.св. N 857882.

Датчик освещенности арсенид-галиевый фотоэлемент, датчик солнечной радиации батареи элементов Пельтье.

Все датчики снабжены нормирующими преобразователями на операционных усилителях К551УД1 или К140УД6.

Впрочем, вместо аппаратного решения возможно чисто программное.

Пример реализации способа (при оптимизации температурного режима выращивания огурца сорта "Московский тепличный").

а) Пусть датчики показывают следующие значения измеряемых величин
Е=21,1 клк; ϕ=80% τ_в=22 сут. τ_фп 15 ч; Т_н 30,5^оС.

Тогда температура, оптимальная по продуктивности
t_опт 31,1^оС.

Если при этом параметры окружающей среды
t_н-2,5^оС; V 15 м/с; В 80% Q 215 Вт/м², то естественная температура в теплице 22,5^оС.

Дискриминант
D + -156,2 Поскольку D < 0, оптимума по энергоемкости не существует и система работает при 31,3^оС.

б) Предположим влажность В 60% Тогда
t_опт 13,2^оС
Пусть далее скорость ветра 5 м/с.

При этом естественная температура возрастает до
t_ест 42,3^оС. Т.к. t_ест > t_опт, то включается вентиляция.

Пусть влажность в теплице 80% продолжительность фотопериода τ_фп 9 ч. Тогда t_опт 30,6^оС.

Пусть t_н -27,5^оС; V 15 м/с; В 80% Естественная температура снизилась до t_ест -2,5^оC.

D 99,2 > 0. Поэтому t_оптэ 24,4^оС, которая и устанавливается.

Как видим, оптимальная по энергоемкости температура на 6^оС ниже, чем оптимальная по продуктивности, что дает большую экономию теплоты.

в) Пусть Е=10,5 клк; В 80% τ_в 14 сут. τ_фп 15 ч; T_н=19,5^оС
Тогда t_опт 18,9^оС.

При t_н -27,5^оС; V=15 м/с; В 80% t_ест=-15,3^оС.

Поскольку D 117,7 > 0, то t_оптэ 12,6^оС.

Т. к. t_оптэ < t_доп 14^оС, то устанавливается температура 14^оС. Если в течение трех суток температура не повысится, то система переключится на t_опт 18,9^оС.

Использование: изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам автоматического управления температурным режимом в теплице. Сущность изобретения: изобретение повышает точность оптимизации температурного режима и исключает работу при температурах, меньших 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. 1 ил. 1 табл.

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ В ТЕПЛИЦЕ, включающий разбиение периода выращивания растений на равные промежутки времени, измерение в каждом из этих промежутков освещенности, плотности потока солнечной радиации, наружной температуры, скорости ветра и влажности наружного воздуха, определение по результатам этих измерений оптимальной по продуктивности и естественной температуры воздуха в теплице, сравнение этих температур и при повышении первой над второй включение системы обогрева и поддержание ею температуры, оптимальной по продуктивности, в противном случае включение системы вентиляции, корректировку математической модели и ее коэффициентов при переходах день-ночь и ночь-день, определение по алгоритму модели процессов в теплице величины и знака дискриминанта, характеризующего наличие минимума энергоемкости, и в случае его положительности определение оптимальной по энергоемкости температуры, а также изменение в соответствии с этой температурой уставки задатчика, отличающийся тем, что дополнительно определяют возраст растения, продолжительность фотопериода, влажность воздуха в теплице, а также относительное время дня и ночи, упомянутые величины дискриминанта определяют из выражения

где t_опт температура, оптимальная по продуктивности;
t_ест температура воздуха в теплице, которая устанавливается при отсутствии дополнительного обогрева;
A₂₂ коэффициент регрессии модели продуктивности при квадрате температуры в теплице;
а оптимальную по энергоемкости температуру t_oпт.э из выражения

и в соответствии с этим корректируют оптимальную по продуктивности температуру, а оптимальную по энергоемкости температуру сравнивают с минимально допустимой температурой воздуха в теплице, причем если оптимальная температура больше минимально допустимой температуры воздуха в теплице, то устанавливают оптимальную температуру, а если оптимальная температура меньше допустимой, то устанавливают допустимую температуру, а при достижении последней заданного максимального срока ее стояния устанавливают температуру, оптимальную по продуктивности.