Система оптимизации технологических режимов выращивания растений в теплицах Советский патент 1988 года по МПК A01G9/26 

Г7

8

со

ел

О)

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Цель изобретения - повышение продуктивности тепличных сельскохозяйственных культур за счет повышения точности оптимизации технологических режимов их выращивания. Система оптимизации технологических режимов выращивания растений содержит теплицу (Т) 1, оптимизационную камеру (ОК) 2, устройства 3 и 4 регулирования технологических параметров Т 1 и ОК 2, блок 5 критерия физиологического состояния растений, блок 6 оптимизации. Датчики 7 неоптимизируемых параметров контролируют степень нолива, освещенность растений, количество и состав вносимого минерального питания. Условно все параметры делят на оптимизируемые и неоптимизируемые. Это деление зависит от вида культуры и особенностей системы регулирования. Основные принципы управления данной системой состоят в постоянном поддержании в ОК 2 всех важных для развития растений параметров, близких к соответствующим параметрам в Т 1, проведении автоматической оптимизации основных из этих параметров для растений в ОК 2 и по мере ее проведения установлении найденных значений параметров в Т1. 2 з. п. ф-лы, 3 ил. с € (Л

фиг. 1

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к средствам автоматизации сельскохозяйственного производства, и может быть использовано для оптимизации программы изменения заданий устройствам регулирования условий среды при выращивании сельскохозяйственных культур в условиях защищенного грунта.

Цель изобретения - повышение продук- тивпости тепличных сельскохозяйственных культур за счет повышения точности оптимизации технологических режимов их выращивания.

На фиг. 1 изображена блок-схема системы оптимизации; на фиг. 2 - блок- схема настраиваемого задатчика функции времени; на фиг. 3 - блок-схема настраиваемого устройства масштабирования.

(л1стема оптимизации технологических режимов выращивания растений в теплицах содержит теплицу 1, оптимизационную камеру 2 (фитотрон), устройства 3 и 4 ре- улирования технологических параметров теплицы и оптимизационной камеры, блок 5 критерия физиологического состояния рас- п ний, блок 6 оптимизации, датчики 7 неоптимизируемых параметров, датчик 8, фильтр ), первый 10 и второй 1 1 настраиваемые задатчики функции времени, первый 12 и второй 13 задатчики функции, настраи- n.icMoe устройство 14 масштабирования, ;;1датчик 1Г), блок 16 рассогласования, 1И рный, второй и третий сумматоры 17 19.

Блок-схема настраиваемого задатчика ((ункции времени (фиг. 2) содержит блок 20 воспроизведения функции, накапливающий сумматор 21, первый 22 и второй 23 па- раметризаторы функции, первый 24 и второй 2.Т входы, задатчик 26 времени, блок 27 м;1С111таби|К)вания. задатчик 28, блок 29 синхронизации и выход 30.

Изображенная на фиг. 3 блок-схема настраиваемою устройства мас1птабирова- пия содержит первый 31 и второй 32 блоки умножения, интегратор 33, блок 34 масштабирования, задатчик 35, накапливающий сумматор 36, блок 37 синхронизации, датчик 38 времени, первый 39, второй 40 и 1)етий 41 входы и выход 42.

Общий принцип, который лежит в основе уп)авления работой системы, состоит в том, чтобы, постоянно поддерживая в оптими- .(ациопной камере значения всех важных Д.1Я развития растений параметров близкими к значениям соответствующих параметров в теплице, проводить автоматическую опти.мизацик; основных из этих пара- мет)ов для растений в камере и по мере ее проведения устанав.чивать найденные значения параметров в теплице.

Разделение параметров на оптимизируе- , нео 1тимизируемые, а также отнесение каких-либо нараметров к контролируемым во.змущениям, зависит как от вида культуры, выращиваемой в теплице, так и от особенностей систем регулирования, исполь

0

5

0

5

0

5

0

5

зуемых для управления технологическими режимами теплицы. Примером такого разделения является следующее разделение. В качестве оптимизируемых параметров можно применять температуру воздуха, его влажность, концентрацию углекислого газа в атмосфере теплицы, температуру грунта или субстрата.

Из отнесенных к неоптимизируемым параметрам важными являются степень полива, количество и состав вносимого минерального питания, освещеиность растений.

К контролируемым возмущениям следует отнести те параметры, изменения которых существеино влияют на выбор значений других параметров. Таковыми являются, в первую очередь, освсщеннск ть растений, концентрация углекислого газа в атмосфере теплицы.

Стабилизация неоптимизируемых параметров в оптимизационной камере на уровнях, близких к величинам соответствующих нараметров в теплице, осуществляется аналогично известной системе. Для этого параметры измеряются датчиками 7 в теплице, а сигналы датчиков являются задающими для устройств регулирования соответствую- П1.ИХ нараметров в оптимизационной камере.

Оптимизация каждого из параметров производится идентично согласно блок-схеме, изображенной па фиг. 1, где для простоты объяснения рассмотрен случай оптимизации одного из параметров при одном контролируемом возмуп1,ении.

Система работает следующим образом.

С помощью задатчика 12 функции оператор задает суточную программу изменения параметра в теплице и камере. Вид этой программы назначается при предположении, что контролируемое возмущение, измеряемое в теплице 1 датчиком 8, изменяется в течение суток по определенной зависимости. Эта зависимость, называемая базовой, задается онератором с по- задатчика 13 функции. Задатчиком 15 задается коэффициент усиления настраиваемого устройства 14 масштабирования. После включения системы на выходе третьего сумматора 19 образуется сигнал, равный сумме выходных сигналов настраиваемого задатчика 10 функции, который воснроизво- дит заданную суточную программу изменения параметра в теплице и камере в реальном времени, и выходного сигнала настраиваемого устройства 14 масштабирования. Блок 14 вырабатывает сигнал компенсации возмущ-ения. Возмущение измеряется в теплице датчиком 8, а из его величины в блоке 16 рассогласования вычитается выходиой сигнал настраиваемого задатчика 1 1 функции, который воспроизводит заданную базовую зависимость возмущения от времени. Образованный таким образом сигнал рассогласования возмущения

чений возмущения. Со временем на систему автоматической оптимизации ложится все меньшая и меньшая нагрузка: лишь внесение поправок в значения управляющих воздействий для нахождения более точного оптимума для конкретной вегетации растений.

Нестандартными устройствами, испольчерез настраиваемое устройство 14 масштабирования поступает на второй вход третьего сумматора 19. Выходной сигнал третьего сумматора 19, проходя через первый 17 и второй 18 сумматоры, является задающим сигналом устройств 4 и 3 регулирования технологического параметра соответственно оптимизационной камеры 2 и теплицы 1. В сумматоре 17 к задающему сигналу параметра в оптимизационной камере добавляется сигнал блока 6 опти- 10 времени и настраиваемое устройство масшта- мизации. Блок оптимизации осушествляет бирования. целенаправленное изменение параметра для достижения экстремума критерия физиологического состояния растений, формируемого

блоком 5. В сумматоре 18 к задающему j...-, - .-- - -.,.„

сигналу параметра в теплице добавляется функцию от одной реализации ее к другой сигнал блока 6 оптимизации отфильтрован- с помошью функционального приращения,

определяемого некоторой произвольной наблюдаемой функцией.

Сигнал реализации заданной начальной 20 функции поступает от внешнего задатчика на вход второго параметризатора 23, который находит параметры разложения сигнала по системе известных функций. Найзуемыми в систе.ме, являются два идентичных настраиваемых задатчика функции

Настраиваемый задатчик функции времени должен позволять запоминать и воспроизводить в реальном времени заданную функцию, а также изменять заданную

ный фильтром 9 от поисковых колебаний, сопровождающих поиск экстремального значения параметров в оптимизационной камере 2.

Таким образом, в течение суток теплица управляется сигналом, определяемым суточной программой изменения параметра, корректируемым в зависимости от величины контролируемого возмущения и в зависиденные параметры разложения пересылаются в накапливающий сумматор 21 и явмости от текущего значения сигнала ляются параметрами начальной функции,

35

блока 6 оптимизации. При этом вид функций, заложенных в блоках 10 и 11, а также коэффициент усиления блока 14 не меняются. Их уточнение производится для новых последующих суток.

Уточнение суточной программы изменения параметра производится в настраиваемом задатчике 10 функции времени. Для этого функцию, воспроизведенную блоком 10 в течение прощедших суток, суммируют покоординатно со взвешенной функцией, образованной сигналом фильтра 9 в течение прошедших суток. Уточненная таким образом функция используется как программа изменения параметра для новых суток.

Уточнение базовой функции возмусцений производится в настраиваемом задатчике 11 функции времени. Для этого функцию, воспроизведенную блоком 11, в течение прошедших суток, суммируют покоординатно со взвешенной функцией, образованной сигналом блока 16 рассогласования в течение прощедших суток. Уточненная таким обра- зом функция используется в качестве базовой функции возмущений для новых суток.

Уточнение коэффициента компенсации возмущений производится в настраиваемом

по которым блок 20 воспроизведения функции вычисляет для определенного момента времени задаваемого блоком 29 синхронизации, соединенного с задатчиком 26

,- времени, значения функции согласно принятому способу ее аппроксимации. Настройка устройства производится в процессе работы системы на основе сигнала реализации функции, поступающего на вход 24. Этот сигнал масштабируется в блоке 27 с коэффициентом задатчика 28 и подается на вход первого параметризатора 22. Первый пара- метризатор находит параметры разложения функции, определяемой поданным на него сигналом, по той же системе функций, что и во втором параметризаторе. Пара40 метры этого разложения суммируются в момент времени, задаваемый блоком 29 синхронизации с соответствующими параметра- ми запомнениыми в накапливающем сумматоре 21. Таким образом, последуюпхее воспроизведение функции блоком 20 осуществляется по новым параметрам, запомненным в накапливающем сумматоре 21. Параметризаторы 22 и 23 могут быть выполнены на основе Фурье-преобразования, осуществляющего разложения исходной

, , ,,функции на гармонические составляющие

устройстве 14 масштабирования. Для этого50 с ограниченным числом гармоник. В этом

ежесуточно коэффициент усиления уст- g 30 воспроизведения функции

ройства 14 изменяется на величину,пропор-осуществляет суммирование соответствуюциональную коэффициенту взаимной корре- гармоник с весовыми коэффициентами

ляции выходных сигналов блоков 9 и 16.найденными с помощью Фурье-преобразоваВ результате интеративнои процедуры

в блоке 10 происходит постоянное накоп-

ление информации об оптимальных суточ-Настраиваемое устройство мас1птабироных программах изменения технологическогования (фи1. 3) должно масштабировать вход

параметра для определенных базовых зна-ной сигнал с заданным коэффициентом усичений возмущения. Со временем на систему автоматической оптимизации ложится все меньшая и меньшая нагрузка: лишь внесение поправок в значения управляющих воздействий для нахождения более точного оптимума для конкретной вегетации растений.

Нестандартными устройствами, испольвремени и настраиваемое устройство масшта- бирования.

времени и настраиваемое устройство масшта- бирования.

зуемыми в систе.ме, являются два идентичных настраиваемых задатчика функции

времени и настраиваемое устройство масшта- бирования.

j...-, - .-- - -.,.„

Настраиваемый задатчик функции времени должен позволять запоминать и воспроизводить в реальном времени заданную функцию, а также изменять заданную

денные параметры разложения пересылаются в накапливающий сумматор 21 и являются параметрами начальной функции,

- ляются параметрами начальной функции,

5

по которым блок 20 воспроизведения функции вычисляет для определенного момента времени задаваемого блоком 29 синхронизации, соединенного с задатчиком 26

- времени, значения функции согласно принятому способу ее аппроксимации. Настройка устройства производится в процессе работы системы на основе сигнала реализации функции, поступающего на вход 24. Этот сигнал масштабируется в блоке 27 с коэффициентом задатчика 28 и подается на вход первого параметризатора 22. Первый пара- метризатор находит параметры разложения функции, определяемой поданным на него сигналом, по той же системе функций, что и во втором параметризаторе. Пара0 метры этого разложения суммируются в момент времени, задаваемый блоком 29 синхронизации с соответствующими параметра- ми запомнениыми в накапливающем сумматоре 21. Таким образом, последуюпхее воспроизведение функции блоком 20 осуществляется по новым параметрам, запомненным в накапливающем сумматоре 21. Параметризаторы 22 и 23 могут быть выполнены на основе Фурье-преобразования, осуществляющего разложения исходной

ления, а также изменять этот коэффициент усиления в определенные моменты времени с помощью нриращення, пропорционального коэффициенту взаимной корреля ции входного сигнала и некоторого наблюдаемого сигнала.

Входной сигнал поступает на первый вход 39 устройства, соединенный с первыми входами первого и второго блоков умножения. Выходом 42 устройства являетиспользование ее для оптимизации продуктивности растений в технической системе.

Формула изобретения

. Система оптимизации технологических режимов выращивания растений в теплицах, содержащая устройства регулирования технологических параметров теплицы, устройства регулирования технологических парамется выход второго блока умножения. На вто- .|Q ров оптимизационной камеры, где вырароИ вход второго блока умножения подается сигнал, определяющий коэффициент усиления устройства. Этот сигнал образуется в накапливающем сумматоре 36. Начальное значение его устанавливается с помощью

щиваются растения тех же культуры, сорта и возраста, что и в теплице, блок критерия физиологического состояния растений, соединенный выходом с входом блока оптимизации, а также датчики неопзадатчика, соединенного с третьим входом 41 15 тимизируемых параметров теплицы, выходы устройства. Второй вход 40 первого блокакоторых соединены с задающими входами

умножения является вторым входом устройства, на который поступает сигнал.

устройства регулирования соответствующих параметров оптимизационной камеры, отличающаяся тем, что, с целью повыщения продуктивности тепличных сельскохозяйственных культур за счет повыщения точности оптимизации технологических режимов их выращивания, в систему для каждого оптимизируемого технологического режима теплицы введены фильтр, первый и второй

используемый для настройки устройства. Сигнал произведения входного сигнала

20

устройства регулирования соответствующих параметров оптимизационной камеры, отличающаяся тем, что, с целью повыщения продуктивности тепличных сельскохозяйственных культур за счет повыщения точности оптимизации технологических режимов их выращивания, в систему для каждого оптимизируемого технологического режима теплицы введены фильтр, первый и второй

и настроечного интегрируется интегратором 33 на протяжении времени,заданного блоком 37 синхронизации. Выходной сигнал интегратора 33 масштабируется в блоке 34 коэффициентом задатчика 35 и определяет

приращение коэффициента усиления уст- 25 настраиваемые задатчики функции времени, ройства, ранее запомненного в накапливаю-первый и второй задатчики функции, датчик,

щем сумматоре. Изменение коэффициентанастраиваемое устройство масщтабироваусиления устройства производится периодически после определения величины взаимной корреляции сигналов, поступаюп1их на первый и второй входы устройства.ЗО

Конструктивно блоки могут быть выполнены на элементах вычислительной техники, реализующих описанные алгоритмы. Вся система может быть также реализована на вычислительном комплексе, включающем, например, на нижнем уровне управляющую 35 рым входом первого настраиваемого задат- вычислительную мащину , а на верх-чика функции времени, выход которого соенем уровне - типа СМ-4.

С развитием и расщирением овощеводства закрытого грунта в СССР становится все более актуальной задача управления микроклиматом в теплицах. В настоящее время, несмотря на оборудование теплиц автоматикой и внедрение в тепличных комплексах автоматизированного управления, урожайность в теплицах продолжания, задатчик, блок рассогласования, первый, второй и третий сумматоры, причем выход блока оптимизации соединен с первым входом первого сумматора непосредственно, а с первыми входами второго сумматора, настраиваемого устройства масштабирования и первого настраиваемого задатчика функции времени - через фильтр, выход первого задатчика функции соединен с втодинен с первым входом третьего сумматора, к второму входу которого подключен выход настраиваемого устройства масштабирования, с вторым входом которого соединен выход задатчика, а с третьим входом - выход блока рассогласования, к первому входу которого подключен выход датчика, а к второму - выход второго настраиваемого задатчика функции времени, с перет существенно зависеть от умения опера- дз вым входом которого соединен выход блоторов-агрономов задать правильные значения параметров среды в теплице.

Одним из практических методов повышения эффективности тепличного овощеводства является управление внешней средой раска рассогласования, с вторым - выход второго задатчика функции, выход третьего сумматора соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров, выходы которых соединены с задаюшими входами усттений с применением методов оптимизации. 50 ройств регулирования параметров соответственно в оптимизационной камере и теплице.

На основе лабораторных экспериметов, проводимых с растениями в фитотронах, показано, что оптимизация технологических режимов выращивания растений может существенно повысить (в 2-2,5 раза) фотосинтез - основное условие урожая.55

Таким образом, реализуется возможность организации аппаратной обратной связи растение - режим выращивания растения и

использование ее для оптимизации продуктивности растений в технической системе.

Формула изобретения

. Система оптимизации технологических режимов выращивания растений в теплицах, содержащая устройства регулирования технологических параметров теплицы, устройства регулирования технологических параметров оптимизационной камеры, где выращиваются растения тех же культуры, сорта и возраста, что и в теплице, блок критерия физиологического состояния растений, соединенный выходом с входом блока оптимизации, а также датчики неоп тимизируемых параметров теплицы, выходы которых соединены с задающими входами

устройства регулирования соответствующих параметров оптимизационной камеры, отличающаяся тем, что, с целью повыщения продуктивности тепличных сельскохозяйственных культур за счет повыщения точности оптимизации технологических режимов их выращивания, в систему для каждого оптимизируемого технологического режима теплицы введены фильтр, первый и второй

настраиваемые задатчики функции времени, первый и второй задатчики функции, датчик,

настраиваемое устройство масщтабироварым входом первого настраиваемого задат- чика функции времени, выход которого соения, задатчик, блок рассогласования, первый, второй и третий сумматоры, причем выход блока оптимизации соединен с первым входом первого сумматора непосредственно, а с первыми входами второго сумматора, настраиваемого устройства масштабирования и первого настраиваемого задатчика функции времени - через фильтр, выход первого задатчика функции соединен с втодинен с первым входом третьего сумматора, к второму входу которого подключен выход настраиваемого устройства масштабирования, с вторым входом которого соединен выход задатчика, а с третьим входом - выход блока рассогласования, к первому входу которого подключен выход датчика, а к второму - выход второго настраиваемого задатчика функции времени, с перка рассогласования, с вторым - выход второго задатчика функции, выход третьего сумматора соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров, выходы которых соединены с задаюшими входами устройств регулирования параметров соответственно в оптимизационной камере и теплице.

функции, выход которого является выходом системы, второй параметризатор функции, первый вход которого является вторым входом системы, а выход соединен с вторым входом накапливающего сумматора, задат- чик, соединенный выходом с вторым входом блока масштабирования, задатчик времени, соединенный через блок синхронизации с третьим входом накапливающего сумматора и с вторыми входами первого и второго пара- метризатора функции и блока воспроизведения функции.

ненные первый блок умножения, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами системы, интегратор, блок масштабирования, накапливающий сумматор и второй блок умножения, второй вход которого соединен с первым входом системы, а выход является выходом системы, задатчик, соединенный выходом с вторым входом блока масштабирования, и задатчик времени, соединенный через блок синхронизации с вторыми входами интегратора и накапливающего сумматора, при этом третий вход накапливающего сумматора является третьим входом системы.

.j