СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СВЕТО-ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ В ТЕПЛИЦЕ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК A01G9/24 A01G9/26 

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

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, опубл. 1975, Бюл. №2.], в котором оптимизация фотосинтеза растений осуществляется с помощью регулирования облученности.

Этот способ оптимизации фотосинтеза и организации освещения в теплице содержит ряд недостатков:

1) оптимизируется лишь один параметр - освещенность без учета температуры;

2) способ реализуется с помощью очень громоздких измерительных приборов, которые удобны для изучения реакций растений на влияние факторов среды лишь на начальном этапе для определения требуемых математических моделей;

3) никак не оптимизируется длительность работы досвечивающей аппаратуры;

4) экстремальная система склонна к колебательным режимам работы, что плохо сказывается на функциональных свойствах аппаратуры.

Известен также способ управления световым режимом с помощью фитооблучателя, описанный в патенте РФ №2454066 [МПК 4 A01G 9/20. Светодиодный фитооблучатель, опубл. 27.06.2012, Бюл. №18], позволяющий осуществлять импульсное включение и отключение фитооблучателя, система управления которого вынесена за пределы его корпуса. При этом способе компьютерный задатчик по программе на основе данных, полученных от датчика внешней освещенности, формирует управляющий сигнал и воздействует на группы светодиодов корректируя интенсивность работы источника света в зависимости от внешнего освещения. Интенсивностью светового потока управляют при помощи включения и выключения необходимого количества светодиодов. Кроме того, компьютерный задатчик может формировать различные режимы управления светодиодами и при необходимости может реализовать режим импульсного включения источника света с управлением временем экспозиции и длительности темновых пауз, что позволяет снизить удельное энергопотребление.

Данный способ имеет несколько недостатков. Неизвестно какова должна быть темновая пауза и каков световой интервал в импульсном режиме работы этого устройства; неизвестно, каким образом должна осуществляться функция управления температурой, поскольку управление светом предполагает и управление температурой, что приводит к значительному и необоснованному перерасходу как и электроэнергии, так и тепловой энергии.

Известен также способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице [патент РФ №2403706, МПК 4 A01G 9/26. Способ автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплице и система для его реализации; опубл. 20.11.2010, Бюл. №32], выбранный за прототип, в котором весь период выращивания растений делится на равные промежутки времени, продолжительность которых меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения. В каждом из этих промежутков времени измеряют влажность воздуха внутри теплицы, определяют среднесуточную температуру предыдущей ночи и возраст растений. Далее по результатам измерений определяют и устанавливают многомерные оптимальные по критерию продуктивности дневную температуру воздуха внутри теплицы и освещенность по формулам, полученным из совместного решения системы уравнений, выведенных из уравнения продуктивности растений огурца сорта «Московский тепличный».

Решение системы уравнений матричным способом позволяет определить многомерные оптимальные параметры температуры и освещенности. Причем оптимальную освещенность поддерживают постоянной в течение заданной длительности фотопериода. При этом вычисленные матричным способом многомерные значения оптимальных параметров температуры воздуха в теплице и освещенности не зависят друг от друга, что позволяет управлять параметрами температуры и освещенности автономно, не вводя их предварительно в компьютерный задатчик как в случае определения одномерных параметров.

Известна также система [патент РФ №2403706, МПК 4 A01G 9/26. Способ автоматического управления свето-температурно-влажностным режимом в теплице и система для его реализации; опубл. 20.11.2010, Бюл. №32], выбранная за прототип, которая состоит из компьютерного задатчика, куда подается информация от датчиков контроля состояния внутреннего воздуха и где производится обработка информации и расчет необходимой для управления температуры воздуха в теплице, в соответствии с которой изменяется уставка задатчика, а именно датчика внутренней температуры, который измеряет и передает сигнал от объекта-теплицы элементу сравнения, где происходит сравнение двух значений температур; генератора тактовых импульсов, встроенного в компьютерный задатчик, по сигналу которого происходит сброс предыдущего расчета и начало нового; усилителя, передающего управляющий сигнал на исполнительный механизм, который должен поддерживать вычисленную температуру в течение дискретного промежутка времени.

Кроме того, система содержит контур, отвечающий за управление осветительной аппаратурой и включающий в себя датчик освещенности, сигнал от которого подается на другой элемент сравнения, где происходит сравнение двух величин: текущей освещенности и освещенности, вычисленной компьютерным задатчиком по информации, собранной датчиками контроля состояния внутреннего воздуха; усилитель, исполнительный механизм, изменяющий высоту подвеса облучателей; релейный механизм времени, отключающий их питание посредством магнитных пускателей.

Предложенный способ и приведенная система не позволяют полностью решить актуальную задачу снижения энергозатрат на производство овощей закрытого грунта, так как этот способ требует обеспечения растений теплицы дополнительным искусственным освещением, а значит вся площадь теплицы снабжается большим количеством ламп, функционирование которых приводит к значительным затратам энергии.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия (кпд) механизма фотосинтеза растений за счет согласования таких факторов среды, как температура и облученность, а также оптимизации длительности действия светового фактора и оптимизации количества осветительных устройств за счет изменения способа облучения растений, и, как следствие, экономия как основных средств, идущих на оснащение теплиц облучателями, так и электроэнергии, потребляемой этими устройствами, а также экономия рабочих часов на монтаж, обслуживание и ремонт досвечивающей аппаратуры.

Задача решается тем, что в предлагаемом способе автоматического управления свето-температурным режимом в теплице, включающем разбиение вегетационного периода растений на равные промежутки времени, продолжительность которых на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения, измерение для каждого промежутка времени влажности воздуха, температуры воздуха и освещенности в теплице с получением сигналов от датчиков влажности воздуха, температуры и освещенности соответственно; измерение возраста растений с получением сигнала от счетчика возраста растений и получением сигнала от счетчика, отмеряющего длительность заданного фотопериода; при этом данные поступают в компьютерный задатчик, который вычисляет среднее значение температуры предыдущей ночи в наступающее дневное время, а затем вычисляет и устанавливает оптимальные свето-температурные параметры воздуха внутри теплицы, такие как оптимальную по критерию продуктивности многомерную температуру и одномерную дневную температуру и поддерживает одну из них постоянной в зависимости от сложившихся условий в течение всего промежутка времени, а также оптимальную по критерию продуктивности многомерную освещенность и одномерную освещенность и поддерживает одну из них с помощью досвечивающей аппаратуры, включенной на заданный агротехником фотопериод, в отличие от прототипа измеряют датчиком суммарную суточную радиацию в течение дня, полученную от солнечного излучения и от перемещающегося светового пятна, организованного подвижными облучателями, сравнивают ее с вычисленной компьютерным задатчиком и обеспечивают посредством досвечивающей аппаратуры многомерную оптимальную суммарную радиацию, определяемую по формуле

,

где τ₂ - возраст растений, сут.;

P₁, Р₂ - многомерные приведенные коэффициенты суммарной интенсивности фотосинтеза, вычисляемые по формулам

где Δ - матрица основная (3×3) и равная

,

где Δ₁₁, Δ₂₁, Δ₃₁ - матрицы второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:

; ; ;

где d₁, d₂ … и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально.

После чего устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности паузу-ожидание для работы двигателя-редуктора, перемещающего облучатели вдоль рядков, определяемую по формуле

где τ₂ - возраст растений, сут.;

М₁, М₂ - многомерные приведенные коэффициенты суммарной интенсивности фотосинтеза, вычисляемые по формулам

где Δ, Δ₁₂, Δ₂₂, Δ₃₂ - матрицы основная (3×3) и второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:

; ; ;

где d₁, d₂ … и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально.

Далее устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности длину шага-перемещения для кран-балки, обеспечиваемую двигателем-редуктором и определяемую по формуле

,

где τ₂ - возраст растений, сут.;

N₁, N₂ - многомерные приведенные коэффициенты суммарной интенсивности фотосинтеза, вычисляемые по формулам

где Δ, Δ₁₃, Δ₂₃, Δ₃₃ - матрицы основная (3×3) и второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:

; ; ;

где d₁, d₂ … и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально.

Для решения задачи система автоматического управления свето-температурным режимом в теплице, содержащая датчик влажности и счетчик возраста растений, имеющая контур управления внутренней температурой в теплице, включающий датчик внутренней температуры, выход которого связан с объектом регулирования через элемент сравнения с компьютерным задатчиком, усилитель сигнала рассогласования температуры текущей и вычисленной, исполнительный механизм, поддерживающий в объекте вычисленную температуру; имеющая контур управления освещенностью, состоящий из датчика освещенности, элемента сравнения, усилителя, исполнительного механизма и осуществляющий управление досвечивающей аппаратурой по значениям параметров освещенности, определенных компьютерным задатчиком, магнитного пускателя для включения и выключения досвечивающей аппаратуры, получающего сигнал от релейного механизма времени, а также компьютерный задатчик, производящий расчеты и формирование сигналов в виде многомерных оптимальных значений температуры воздуха и освещенности, в отличие от прототипа предлагаемая система содержит еще один контур управления двигателем-редуктором, включающий дополнительный релейный механизм времени, который через магнитный пускатель периодически подключает двигатель-редуктор к питанию, перемещающий кран-балку с облучателями с определенной скоростью, полученной как совокупность времени паузы между шагами кран-балки и времени для совершения оптимальной длины шага-перемещения последней, вычисленных и сформированных компьютерным задатчиком в качестве задания. Кроме того, система содержит датчик суммарной суточной радиации, выход которого связан с двумя релейными механизмами времени через коммутатор-переключатель и усилитель. Причем на усилитель поступает сигал рассогласования от элемента сравнения между сигналом датчика суммарной суточной радиации и вычисленным и сформированным компьютерным задатчиком его значением.

В теплице используют нестационарные облучатели, размещенные по всей площади теплицы, а подвижные, которые могут перемещаться не только по вертикали, но и по горизонтали, что позволяет сократить их количество, например, для теплицы площадью в один га с 900 шт. до 150 шт. светодиодных облучателей.

Для обеспечения необходимой освещенности, позволяющей осуществить оптимальный фотосинтез, необходимо перемещать вдоль рядков посадок растений подвешенные вертикально на тросах облучатели, выполненные в виде цилиндров с набором из светодиодных элементов. Эти тросы позволяют изменять высоту подвеса облучателей и погружать их по мере роста растений вглубь посадки, что позволяет обеспечить комфортный доступ к свету всем ярусам растений. Кроме того, такой способ позволяет изменить технологию посадки растений, сделав их более загущенными, и обеспечить большую урожайность овощей с квадратного метра [Савенко Л.М. ГУСП Совхоз "Алексеевский". - Уфа: ООО "Издательство "Диалог", 2008].

Но для того чтобы уменьшить количество облучателей на всей площади теплицы, нужно сделать их подвижными, то есть позволить им перемещаться не только по высоте, но и по горизонтали вдоль рядков растении. Для обеспечения горизонтального перемещения облучатели по нескольку штук подвешивают к кран-балке, которая по направляющим перемещается с помощью двигателя-редуктора на некоторую длину шага-перемещения и останавливается, делая паузу-ожидание, затем опять включается двигатель-редуктор и осветительная установка опять изменяет свое местоположение в пространстве. При этом облучатели на светодиодах непрерывно испускают свет нужного спектра, а световое пятно, образованное ими, будет постепенно перемещаться вдоль посадок с некоторой скоростью, достаточной для обеспечения активного фотосинтеза. При достижении кран-балки противоположной стенки теплицы установка начинает перемещаться в противоположную сторону, по-прежнему делая паузы в своем движении. Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала достаточно организовать технические дорожки между рядками, где не будет осветителей, а ширина дорожек вполне обеспечит комфортный доступ естественной освещенности к растениям с противоположной стороны от облучателей.

Работа досвечивающей аппаратуры должна быть организована с помощью системы автоматического управления свето-температурным режимом, в которую входит компьютерный задатчик, необходимый для расчета оптимальных параметров: суммарной радиации, получаемой растениями за период, равный одним суткам, и достаточной для активизации фотосинтеза растений; суммарной освещенности, которая складывается из естественной от солнца и искусственной, созданной досвечивающей аппаратурой; температуры воздуха, которая должна быть установлена в теплице системой обогрева и длины шага-перемещения кран-балки и времени паузы-ожидания в работе двигателя-редуктора, перемещающего кран-балку с облучателями вдоль рядков. Кроме того, система содержит датчики, измеряющие освещенность над посадками и внутри них; датчик влажности; датчик температуры; счетчик возраста растений и счетчик, встроенный в компьютерный задатчик, фиксирующий длительность работы двигателя-редуктора, перемещающего вдоль рядков кран-балку с облучателями.

Для заявляемого способа и системы автоматического управления свето-температурным режимом в теплице используется критерий максимальной продуктивности, то есть приравнивают к нулю частные производные от интенсивности суммарного фотосинтеза по таким параметрам, как суммарная активная суточная радиация Q_Σ, длительность паузы в работе двигателя-редуктора τ_П и длина шага-перемещения кран-балки между остановками L_Ш. Таким образом, имеем

При этом модель интенсивности суммарного фотосинтеза Ф_Σ должна быть получена путем активного эксперимента в виде уравнения регрессии второго порядка следующего типа:

где Q_Σ - суммарная суточная радиация, Вт/м²;

τ_П - длительность паузы-ожидания в работе двигателя-редуктора, ч;

L_Ш - длина шага-перемещения кран-балки, м;

τ₂ - возраст растений, сут.;

d₀, d₁ … и т.д. - коэффициенты регрессии, определяемые математически после обработки экспериментальных данных.

При этом параметр Ф_Σ будет считаться суммарным, так как световое пятно от подвижных облучателей постоянно перемещается и освещенность зафиксированной точки будет меняться от максимальной к минимальной и, наоборот, по мере того, отдаляется кран-балка с облучателями или приближается к этой точке.

Продифференцировав модель (2), получаем систему уравнений

решая которую можно определить оптимальные параметры работы механизмов, обслуживающих досвечивающую аппаратуру: многомерную оптимальную суммарную радиацию Q_ΣM, многомерную оптимальную паузу-ожидание двигателя-редуктора τ_ПМ, многомерный оптимальный шаг-перемещение кран-балки с облучателями L_ШМ.

Эксперимент следует проводить в специальной теплице или в оборудованном специальной техникой ограниченном пространстве обычной теплицы. Измерять интенсивность фотосинтеза удобно с помощью камеры-"клипсы", перемещая источник света с различными уровнями освещенности и скоростями мимо исследуемого растения. Скоростными показателями будут являться длина шага-перемещения L_Ш и время паузы-ожидания τ_П. Кроме того, организация различного уровня освещенности во время исследований может обеспечить различные значения суммарной суточной радиации Q_Σ, необходимые для экспериментального анализа. Сам эксперимент проводят по специально разработанному плану. Температурно-влажностный режим при этом следует выдерживать оптимальным для соответствующей культуры, то есть должны быть оптимальными температура и влажность во время всего эксперимента, что значительно сократит количество опытов.

Данные о проведенных исследованиях должны помещаться в компьютерный задатчик, который и будет формировать задания для работы досвечивающей аппаратуры. Кроме того, в компьютерный задатчик заносят данные о суммарной радиации Q_Σ, которую должно получить растение за сутки для своего успешного роста. Досвечивающая аппаратура отключится на ночной период после достижения оптимального значения этого параметра.

Задания для досвечивающей аппаратуры будут вычислены по уравнениям:

для параметра многомерной оптимальной суммарной радиации

для параметра многомерной оптимальной паузы-ожидания двигателя-редуктора

для параметра многомерного оптимального шага-перемещения кран-балки

где P₁, P₂, М₁, М₂, N₁, N₂ - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности суммарного фотосинтеза;

τ₂ - возраст растений, сут.

Многомерные приведенные коэффициенты интенсивности суммарного фотосинтеза должны быть получены через решение системы уравнений (3) матричным способом [Пискунов В.И. Курс математического анализа. - М. Наука, 1976.] и равны соотношениям, которые, в свою очередь, имеют матрицы более низкого уровня, составленные, в свою очередь, из коэффициентов регрессии уравнения (2). Уравнения многомерных приведенных коэффициентов представлены в таблице.

где Δ, Δ₁₁ … Δ_ij матрица основная (3×3) и второстепенные матрицы (2×2), вырезанные из основной и составленные при этом по определенным правилам из коэффициентов уравнения (2).

Так, основная матрица Δ (3 строки и 3 столбца) будет иметь следующий вид:

Вырезанная из Δ матрица Δ₁₁ будет равна оставшейся после исключения первой строки и первого столбца, поэтому матрица получит индекс 11 (одиннадцать), например

Все прочие матрицы Δ_ij составляются аналогично вышеизложенным методом, при этом номер i соответствует номеру строки, а номер j соответствует номеру столбца, исключенными из основной матрицы Δ. Остальные столбцы и строки входят в новую матрицу (2×2). Решают матрицы по правилам математики и получают многомерные оптимальные значения суммарной радиации Q_ΣM, паузы-ожидания двигателя-редуктора τ_ПМ, шага-перемещения кран-балки L_ШМ.

На сегодняшний момент времени существуют специальные программы для решения сложных математических выражений.

В соответствии с определенными таким способом многомерными значениями Q_ΣM, τ_ПМ, L_ШМ, а также многомерными значениями освещенности и температуры воздуха (патент №2403705), изменяют задания для работы системы.

На чертеже представлена схема системы автоматического управления свето-температурным режимом в теплице по критерию продуктивности, включающая контур управления внутренней температурой воздуха, реализующий предлагаемый способ, состоящий из датчика температуры 5, элемента сравнения 1, усилителя 2, исполнительного механизма 3 и регулирующего органа 4, поддерживающий вычисленную компьютерным задатчиком 12 температуру в теплице до наступления момента нового вычисления; контур управления освещенностью, состоящий из датчика 9 суммарной освещенности и датчика 15 суммарной суточной радиации, элементов сравнения 6 и 16, усилителей 7 и 21, исполнительного механизма 8 и двигателя-редуктора 20, релейных механизмов времени 10 и 18, магнитных пускателей 11 и 19, осуществляющий регулирование досвечивающей аппаратурой по значениям параметров, обеспечивающих освещенность, определенную компьютерным задатчиком 12 до наступления момента нового вычисления, коммутатора-переключателя 17, а также датчика 13 влажности и счетчика 14 возраста растений.

Способ осуществляется следующим образом. В компьютерный задатчик 12, который должен вырабатывать для системы автоматического управления (САУ) задание оптимальных по критерию продуктивности значений температуры и освещенности, суммарной радиации в теплице, времени паузы-ожидания и шага-перемещения кран-балки, поступают сигналы от датчиков температуры 5, освещенности 9, датчика 13 влажности воздуха в теплице и счетчика 14 возраста растений.

Далее компьютерный задатчик 12 по формулам, приведенным в прототипе (патент №2403706), рассчитывает многомерные оптимальные по продуктивности значения температуры воздуха t_21M, освещенности Е_21М. Полученные оптимальные значения температуры и освещенности сравниваются с показаниями датчиков температуры 5 и освещенности 9.

Последующие вычислительные операции происходят при изменении какого-либо параметра, входящего в уравнения оптимизирующих факторов, например, при изменении возраста растений, который фиксируется счетчиком 14 возраста растений, или при поступлении сигнала генератора тактовых импульсов, встроенного в компьютерный задатчик 12.

Если один из управляемых параметров (текущие значения температуры воздуха или освещенности в теплице) по величине превысят значения многомерного оптимального по критерию продуктивности параметра температуры или значения многомерного оптимального по критерию продуктивности параметра освещенности, то в этом случае вычисляются одномерные оптимальные по критерию продуктивности значения температуры воздуха в теплицы и освещенности.

Далее компьютерный задатчик 12 по формулам (5 и 6) рассчитывает многомерные оптимальные по продуктивности значения паузы-ожидания τ_ПМ и длины шага-перемещения кран-балки L_ШМ.

Полученные оптимальные значения времени паузы-ожидания и длины шага-перемещения кран-балки с облучателями, перемещаемой двигателем-редуктором 20, управляемым релейным механизмом времени 18 и магнитным пускателем 19, являются заданиями для кран-балки, которая движется вдоль рядков с определенной скоростью, обеспечивая тем самым скольжение светового пятна по растениям, организуя их максимальный фотосинтез.

Далее компьютерный задатчик 12 по формуле (7) рассчитывает многомерную оптимальную по продуктивности суммарную радиацию Q_ΣM, достаточную для осуществления максимального фотосинтеза растений. Полученное оптимальное значение сравнивается с показанием соответствующего датчика 15 суммарной суточной радиации. Сигнал, превышающий задание, через коммутатор-переключатель 17 отключает релейные механизмы времени 10 и 18, наступает ночной отдых до прихода следующих суток.

Расчет оптимальных значений производится на промежуток времени, длительность которого на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения (например, 0,1 мин).

Система, отвечающая за контур автоматической оптимизации освещенности по заявляемому способу, работает следующим образом. По данным счетчика 14 возраста растений, датчика 13 текущей влажности, значению средней температуры предыдущей ночи и установленной вручную длительности фотопериода, что соответствует длительности работы досвечивающей аппаратуры, включаемой в работу при помощи релейного механизма времени 10 и магнитного пускателя 11, компьютерный задатчик 12 вычисляет многомерное оптимальное значение освещенности по уравнению (патент №2403706) и формирует сигнал, являющийся заданием для системы оптимизации освещенности. На элементе сравнения 6 происходит сравнение задания оптимального многомерного значения освещенности Е_21М сигналом датчика 9 суммарной освещенности, который учитывает еще и естественную освещенность (поступающую от солнца), значение рассогласования двух сигналов усиливается усилителем 7, и затем происходит включение исполнительного механизма 8 досвечивающей аппаратуры, который изменяет высоту подвеса облучателей, что приводит к изменению текущего значения освещенности. В свою очередь, это изменение отслеживает датчик 9 суммарной освещенности. После окончания установленного техниками времени досвечивания и срабатывания коммутатора-переключателя 17 срабатывает релейный механизм времени 10 и отключает магнитный пускатель 11 досвечивающей аппаратуры. Так как загущенные требующие досвечивания посадки высаживают многоярусным способом, досвечивающая аппаратура опускается между растениями. Датчик 9 суммарной освещенности по этой причине также должен быть расположен между растениями, так как нижние ярусы посадок сильно страдают от нехватки света.

Кроме того, компьютерный задатчик 12 по уравнению (4) вырабатывает сигнал Q_ΣM, являющийся заданием для системы контроля над работой досвечивающей аппаратуры. На элементе сравнения 16 происходит сравнение с сигналом датчика 15 суммарной суточной радиации, который должен учитывать всю радиацию, поступающую к растениям и от естественного и от искусственных источников света за весь период работы контура управления освещенностью. Значения рассогласования двух сигналов усиливается усилителем 21 и происходит переключение коммутатора-переключателя 17, который в случае отрицательной разницы должен отключить питание сети для досвечивающей аппаратуры, так как оптимум фотосинтеза прошел и дальнейшие затраты электроэнергии приведут к ее перерасходу. Заблокировать сигнал отключения может лишь введенный агротехником параметр фотопериода τ₁ до тех пор, пока время его действия не прекратится, коммутатор-переключатель в работу по отключению электропитания сети не вступает. Если значение рассогласования двух сигналов на элементе сравнения 16 положительно, то есть суммарной суточной радиации недостаточно, то коммутатор-переключатель 17 замыкает цепи электропитания сети для досвечивающей аппаратуры, и даже сигнал об окончании фотопериода от параметра τ₁ не сможет заблокировать это действие. После подключения сети релейный механизм времени 10 включает облучатели через магнитный пускатель 11. Кроме того, компьютерный задатчик 12 по уравнению (5) вырабатывает сигнал многомерного оптимального значения паузы-ожидания τ_ПМ и по уравнению (6) вырабатывает сигнал многомерного оптимального значения шага-перемещения L_ШМ, которые являются заданиями для двигателя-редуктора 20 кран-балки с подвешенными к нему облучателями. По сигналу L_ШМ от компьютерного задатчика 12, релейный механизм времени 18 подключает через магнитный пускатель 19 двигатель-редуктор 20, который начинает перемещение кран-балки с облучателями от одной стенки теплицы к другой. Движение длится недолго и равно длине шага-перемещения L_ШМ, затем двигатель-редуктор 20 отключается и наступает пауза-ожидание, равная τ_ПМ, после окончания которой двигатель-редуктор 20 перемещает кран-балку еще на один шаг, равный L_ШМ и т.д. до момента достижения противоположной стенки теплицы, после чего происходит реверс движения кран-балки в противоположную сторону.

Работа системы, отвечающей за контур управления температурой, осуществляется следующим образом. Компьютерный задатчик 12 по данным счетчика 14 возраста растений, датчика 13 текущей влажности, значению средней температуры предыдущей ночи и установленной вручную длительности фотопериода, что соответствует длительности работы досвечивающей аппаратуры, вырабатывает по уравнению (патент №2403706) задающий сигнал, соответствующий многомерной оптимальной по критерию продуктивности температуре t_21М в теплице, поданный на элемент сравнения 1. Другой сигнал на элемент сравнения 1 поступает от датчика 5 температуры воздуха в теплице, который, кроме того, учитывает изменение температуры вследствие включения досвечивающей аппаратуры или влияния внешних условий среды. Сигнал рассогласования, полученный на выходе элемента сравнения 1, усиливается усилителем 2, после чего поступает на исполнительный механизм 3, который приводит в движение регулирующий орган 4, изменяющий подачу теплоносителя в системе трубного обогрева теплицы.

Совместное использование способа и системы позволяет более точно поддерживать необходимую освещенность в теплице, сократив количество облучателей как потребителей энергии, уменьшить длительность периода вегетации и увеличить продуктивность самих растений, а также повысить товарные качества плодов. Кроме того, их совместное применение позволяет эффективно выращивать светокультуру, сократив ее вегетационный период до плодоношения, несмотря на то, что она возделывается в самый темный зимний период времени.

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к системам и 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. Компьютерный задатчик вычисляет и устанавливает многомерные оптимальные значения температуры и освещенности. Кроме того, для работы досвечивающей аппаратуры компьютерный задатчик вычисляет по формулам многомерные оптимальные значения суммарной радиации, паузы-ожидания для двигателя-редуктора и шага-перемещения для кран-балки с облучателями. Система автоматического управления свето-температурным режимом в теплице, осуществляющая заявляемый способ, содержит контуры управления температурой и освещенностью. Компьютерный задатчик формирует задающие сигналы для работы оборудования на основе вычисленных многомерных оптимальных значений по показаниям датчиков контроля внутренней среды. Кроме того, система содержит дополнительные контуры, управляющие включением досвечивающей аппаратуры, размещенной на кран-балке, и ее перемещением вдоль рядков посадок в течение всего заданного светового периода. Движение кран-балки осуществляется двигателем-редуктором, который периодически включается в работу и отключается, перемещая кран-балку с определенной скоростью. Параметры движения кран-балки также вычисляются компьютерным задатчиком. Использование способа и системы позволит более точно поддерживать необходимую освещенность в теплице, сократив при этом количество облучателей как потребителей энергии, уменьшить длительность периода вегетации и увеличить продуктивность растений. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ автоматического управления свето-температурным режимом в теплице, включающий разбиение вегетационного периода растений на равные промежутки времени, продолжительность которых на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения, измерение для каждого промежутка времени влажности воздуха, температуры воздуха и освещенности в теплице с получением сигналов от датчиков влажности воздуха, температуры и освещенности соответственно, измерение возраста растений с получением сигнала от счетчика возраста растений и счетчика, отмеряющего длительность заданного фотопериода, при этом эти данные поступают в компьютерный задатчик, который вычисляет среднее значение ночной температуры, а затем вычисляет и устанавливает оптимальные свето-температурные параметры воздуха внутри теплицы, такие как оптимальную по критерию продуктивности многомерную температуру и одномерную дневную температуру, и поддерживает одну из них постоянной в зависимости от сложившихся условий в течение всего промежутка времени, а также оптимальную по критерию продуктивности многомерную освещенность и одномерную освещенность и поддерживает одну из них с помощью досвечивающей аппаратуры, включенной на заданный агротехником фотопериод, отличающийся тем, что измеряют датчиком-счетчиком суммарную суточную радиацию в течение дня, полученную от солнечного излучения и от перемещающегося светового пятна, организованного подвижными облучателями, сравнивают ее с вычисленной компьютерным задатчиком и обеспечивают посредством досвечивающей аппаратуры многомерную оптимальную суммарную радиацию, определяемую по формуле
Q_∑M=P₁τ₂+P₂,
где τ₂ - возраст растений, сут.;
P₁, P₂ - многомерные приведенные коэффициенты суммарной интенсивности фотосинтеза, вычисляемые по формулам


где Δ - матрица основная (3×3) и равная

где Δ₁₁, Δ₂₁, Δ₃₁ - матрицы второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:

где d₁, d₂ … и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально;
далее устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности паузу-ожидание для работы двигателя-редуктора, перемещающего кран-балку с облучателями вдоль рядков, определяемую по формуле
τ_ПМ=M₁τ₂+M₂,
где τ₂ - возраст растений, сут.;
M₁, M₂ - многомерные приведенные коэффициенты суммарной интенсивности фотосинтеза, вычисляемые по формулам


где Δ, Δ₁₂, Δ₂₂, Δ₃₂ матрицы основная (3×3) и второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:

где d₁, d₂ … и т.д. коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально;
кроме того, устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности длину шага-перемещения для кран-балки, обеспечиваемую двигателем-редуктором и определяемую по формуле
L_ШМ=N₁τ₂+N₂,
где τ₂ - возраст растений, сут.;
N₁, N₂ - многомерные приведенные коэффициенты суммарной интенсивности фотосинтеза, вычисляемые по формулам


где Δ, Δ₁₃, Δ₂₃, Δ₃₃ - матрицы основная (3×3) и второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:

где d₁, d₂ … и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально.

2. Система автоматического управления свето-температурным режимом в теплице, содержащая датчик влажности и счетчик возраста растений; контур управления внутренней температурой в теплице, включающий датчик температуры, выход которого связан с объектом регулирования через элемент сравнения с задатчиком, усилитель сигнала рассогласования между температурой текущей и вычисленной, исполнительный механизм, поддерживающий в объекте вычисленную температуру; контур управления освещенностью, состоящий из датчика освещенности, элемента сравнения, усилителя, исполнительного механизма, осуществляющего управление досвечивающей аппаратурой по значениям параметров освещенности, определенным компьютерным задатчиком, магнитного пускателя, установленного для включения и выключения досвечивающей аппаратуры и получающего сигнал от релейного механизма времени; а также компьютерный задатчик, производящий расчеты и формирование сигналов в виде многомерных оптимальных значений температуры воздуха и освещенности, отличающаяся тем, что система содержит дополнительный контур управления двигателем-редуктором кран-балки, включающий дополнительный релейный механизм времени, который через магнитный пускатель периодически подключает к питанию двигатель-редуктор, перемещающий кран-балку с облучателями с определенной скоростью, полученной как совокупность времени паузы между шагами кран-балки и времени для совершения оптимальной длины шага-перемещения последней, вычисленных и сформированных компьютерным задатчиком в качестве задания, кроме того, система содержит датчик суммарной суточной радиации, выход которого связан с релейными механизмами времени через коммутатор-переключатель и усилитель, получающий сигнал рассогласования от элемента сравнения между сигналом датчика и вычисленным и сформированным компьютерным задатчиком значением оптимальной суточной суммарной радиации.