СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ В ТЕПЛИЦЕ Российский патент 2010 года по МПК A01G9/26 

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:

T_ночн.=(24·T_cp-T₁·τ₁)/(24-τ₁),

где Т_ночн. - ночная температура, °С;

Т_ср - 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 = τ_зах-τ_восх,

где τ₁ - продолжительность фотопериода, ч;

τ_зах - время захода солнца, ч;

τ_восх - 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*_i=τ_восх - время восхода, аналогично если Н(τ*_j)=0 и Н(τ*_j-1)>0, H(τ*_j+1)<0, то τ*_j = τ_зах - 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-τ_восх)/τ₁τ,

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

τ* - текущее время, ч;

τ_восх - 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+a₁₁eτ₁+

a₁₂eτ₂+a₁₃eφ+a₁₄eτ+a₁₅t²+a₁₆tT₂+a₁₇tτ₁+a₁₈tτ₂+a₁₉tφ+a₂₀tτ+a₂₁T₂ ²+

a₂₂T₂τ₁+a₂₃T₂τ₂+a₂₄T₂φ+a₂₅T₂φ+a₂₆τ₁ ²+a₂₇τ₁τ₂+a₂₈τ₁φ+a₂₉τ₁τ+a₃₀τ₂ ²+

a₃₁τ₂φ+a₃₂τ₂τ+a₃₃φ²+a₃₄φτ+a₃₅τ²,

значения коэффициентов модели (а₀-а₃₅) 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 Т_{опт.дн.прод.} меньше или больше допустимой температуры (нижний или верхний предел соответственно), то устанавливается допустимая температура, если Т_{опт.дн.прод}. укладывается в диапазон - то устанавливается Т_{опт.дн.прод.}.

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

T_ночн.=(24·T_cp-T₁·τ₁)/(24-τ₁),

где Т_ночн. - ночная температура, °С;

Т₁ - средняя температура за прошедший день, °С;

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

Аналогично дневной температуре, если Т_ночн. меньше или больше допустимой температуры (нижний или верхний предел соответственно), то устанавливается также допустимая температура, если Т_ночн. 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.; Т_{воз.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: T_cp=22°С, T_{max_d}=30°С, T_{min_d}=20°С, T_{max_n}=20°С, T_min__n=15°С, ΔD1=21 день, ΔD2=7 дней, τ*1_i=6 часов, τ*1_j=24 часа, τ*2_i=6 часов, τ*2_j=22 часа, D₀=10 суток, τ_{2_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, Т_{опт.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 T_{воз.тепл.}=22.9°С.

2. Пусть введены следующие постоянные: T_cp=22°С, T_{max_d}=30°С, T_{min_d}=20°С, T_{max_n}=20°С, T_{min_n}=15°С, ΔD1=21 день, ΔD2=7 дней, τ*1_i=6 часов, τ*1_j=24 часа, τ*2_i=6 часов, τ*2_j=22 часа, D₀=13 суток, τ_{2_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 = τ_восх = 7.6 ч, аналогично Н(16.4)=0.0038≈0, Н(16)=0.055>0, Н(17)=-0.078<0, таким образом, τ*_j=τ_зах=16.4 ч, τ₁=τ_зах-τ_восх=16.4-7.6=8.8 ч, T_ночн.=(24·22-25·8.8)/(24-8.8)=20.3°С;

т.к. 20<20.3, то T_{воз.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.

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.

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:
Т_ночн.=(24·T_cp-T₁·τ₁)/(24-τ₁),
где Т_ночн. - ночная температура, °С;
T_cp - 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.