Система газации растений в теплицах Советский патент 1988 года по МПК A01G9/18 

(Л

N

4 N3

00

N3

Изобретение относится к сельскохозяйственным системам автоматического управления параметрами микроклимата теплиц и может быть использовано для автоматической газации растений углекислотой (углекислот- ной подкормки).

Целью изобретения является повышение точности работы системы газации растений в теплицах.

На чертеже представлена блок-схема системы газации растений в теплицах.

Система газации растений в теплицах содержит задатчик 1 времени начала газации, задатчик 2 конечной концентрации, задатчик 3 времени конца газации, теплицу 4, газоанализатор 5, аналоге цифровой преобразователь (АЦП) 6, программный блок 7 управления газацией, таймер 8, элементы 9- 12 сравнения, исполнительное устройство 13 подачи газа в теплицу, блок 14 датчиков внешних параметров, блок 15 осреднения параметров, блок 16 коррекции управления и задатчик 17 стадии развития растений, АЦП 18 освещенности. Блок 7 выполнен в виде счетно-решающего блока, а блок 13 - в виде исполнительного механизма 19 подачи газа в теплицу, триггера 20 и элементов 21 И 22. Блок 14 содержит датчик 23 скорости ветра, датчик 24 освещенности, АЦП 25. Блоки 15 и 16 выполнень в виде счетно- решающих блоков.

Автоматизированная система газации растений, например, углекислым газом работает следующим образом.

На задатчиках 1-3 устанавливают соот ветственно время начала газации, желаемый (заданный) уровень концентрации углекислоты в теплице Сз и время конца газации, а на четвертом .задатчике 17 - стадию развития растений в внде числа, равного отношению суммарной площади листьев растений в теплице к площади ее основания. Сигнал на выходе таймера 8 постоянно нарастает и в момент начала газации становится равным сигналу с выхода задатчи- ка 1. При этом на выходе э.темента 9 сравнения появляется импульс, поступающий на первый вход устройства 13, в результате чего включается подача COz в теплицу на полную мощность (включаются, например, все генераторы СО2). Практически это происходит следующим образом. Импульс с выхода элемента 9 сравнения поступает на первый вход элемента ИЛИ 21, количество элементов ИЛИ в которой равно количеству генераторов СО-2 (16 генераторов). Этот импульс поступает на все первые входы элементов ИЛИ, которые объединены, в тате чего на 16-ти выходах элемента ИЛИ 21 появляются импульсы, поступающие на входы 16-ти элементарных триггерных ячеек триггера 20, которые перебрасываются в состояние «1, включая 16 генераторов С02 исполнительного механизма 19.

0

5

0

5

0

В теплице начинается переходный процесс повыщения концентрации углекислоты. Одновременно с включением устройства 13 на полную мощность импульс с выхода элемента 9 сравнения включает блок 6 по второму выходу, который начинает запускаться от внутреннего генератора через равные промежутки времени. При этом сигнал с выхода газоанализатора 5 преобразуется з цифровой код, который поступает на третий вход блока 7. Такнм образом, в блок 7 поступают измеренные значения концентрации СОг на переходном процессе, вызванном включением газации (т. е. поступают реализации разгонной характеристики объекта). Блок 7 с помощью счетно-решающего блока 18 определяют по разгонной характеристике объекта коэффициент передачи /Со и постоянные времени теплицы, а также, используя сигналы с выходов первого 1 и второго 2 задатчи- ков, определяет момент времени /„, в который следует отключить подачу COz в теплицу с тем, чтобы концентрация углекислоты в ней достигала заданного уровня с нулевой скоростью изменения, и, кроме того, определяет момент времени tn, в который концентрация COz достигает желаемого уровня. Моменты времени („ и IK (в виде цифровых кодов) поступают соответственно с первого и второго выходов блока 7 на первые входы третьего 11 и четвертого 12 элементов сравнения. В блоке 7 вычисляется также управ- . 1яющее воздействие /У, которое достаточно чрило.жить к системе, чтобы стабилизировать концентрацию СОд в теплице на заданном уровне (если в течение газации коэффициент передачи /Со не изменяется). Это воздействие вычисляется по формуле

35

Ко

(1)

5

Величины и и /Со поступают (в цифровом виде) с третьего выхода блока 7 на шестой вход блока 16.

0 И.мпульс с выхода первого устройства 9 сравнения включает также блок 14 по первому входу, конкретнее АЦП 25, который начинает запускаться от внутреннего генератора, преобразуя каждый раз сигнал с выхода датчика 23 скорости ветра в цифровой код. По окончании каждого преобразования на втором выходе преобразователя 25 появляется импульс готовности, запускающий АЦП 26, который преобразует сигнал с выхода датчика 24 освещенности в цифровой код. Импульс готовности преобразователя 26 поступает на первый вход блока 15 (по одному проводу), запуская каждый раз счетно- решающий блок 27, который вычисляет по рекуррентным формулам средние значения скорости ветра и освещенности, импользуя

5 данные, поступающие на его входы от преобразователей 25 и 26. Таким образом, каждый раз по окончании работы блока 27 на выходе блока 15 будут осредненные зна0

чения величин внешних параметров за время, прошедшее после начала газации.

При достижении текущим временем момента времени переключения управления /я сигнал с выхода таймера 8 становится рав- с ным сигналу на первом выходе блока 7, в результате чего на выходе третьего элемента 11 сравнения появляется сигнал, который поступает на четвертый вход блока 7 и на второй вход блока 15, запрещая дальнейшую работу этих блоков. При этом сигналы на выходах блоков 7 и 15 (величины /„, t, и. Ко и осредненные значения внешних параметров соответственно) сохраняются. Сигнал с выхода третьего элемента 11

ра и освещенности; С - текущее значение концентрации углекислоты в теплице. Переменные, необходимые для этих вычислений (У и /, Уо и /о. С, Сз, и и Ко, РГ, поступают на входы блока 16 соответственно с выхода блока 14, блока 15, АЦП 6, второго датчика 2, блока 7 и четвертого задатчика 17, а постоянные (К и /С) предусмотрены в блоке 16.

Сигнал, пропорциональный U, в виде цифрового кода поступает с выхода блока 16 на четвертый вход устройства 13, в результате чего в теплицу подается такое количество газа, которое достаточно для поддерсравнения поступает также на третий вход .5 концентрации углекислоты на за- ID данном уровне. Это осуществляется следующим образом. Число N в виде кода, количество единиц в котором равно N (например, если , то код 0000001111111111),

устройства 13 и отключает подачу СО в теплицу. Это происходит следующим об- рааом. Импульс с выхода третьего элемента 11 сравнения поступает на первые входы всех 16-ти элементов ИЛИ 22,

поступает на второй вход схемы элемен 1,Г.. ° U-fSoSor fl al ra-TpS

ВХОД схемы элементов ИЛИ 22. В результате

30

являются импульсы, поступающие на входы 16-ти элементарных триггерных ячеек триггера 20, которые перебрасываются в состояние «О, отключая все генераторы СОа исполнительного механизма 19.

В момент времени if. концентрация углекислоты в теплице достигает заданного уровня с нулевой скоростью изменения, а сигналы на входах четвертого элемента 12 сравнения становятся равными, при этом на его выходе, появляется сигнал, включающий в работу блок 16, который начинает запускаться каждый раз с приходом импульса готовности от блока 14 (запускается счетно-решающий блок 28 блока 16 импульсом готовности с второго выхода АЦП 26, 35 приходящим на блок 28 по одному проводу). После каждого запуска блок 16 определяет необходимое управляющее воз действие U для поддержания концентрации углекислоты в теплице на заданном уровне с учетом изменений внешних параметров, а также в зависимости от отклонения текущего значения концентрации СОг от ее заданного значения. Управляющее воздействие U определяется с помощью счетно-решающего блока 28 путем вычисления его, например, по фор- . муле

прохода этих кодов соответственно на S- и -входы триггера 20 в нем перебрасываются в «1 N (десять) элементарных 25 триггерных ячеек, а (шесть) ячеек - в состояние «О, обеспечивая включение необходимого количества генераторов С02 исполнительного механизма 19.

При изменении внешних параметров, которые определяются блоком 14 (скорость ветра, освещенность), а также при отклонении текущего значения концентрации COz от заданного значения, что может произойти из- за изменения неопределяемых параметров (например, состав минерального питания), управление U корректируется, например, по формуле (2) и, тем самым, обеспечивается стабилизация концентрации углекислоты в геплице на желаемом уровне.

В момент времени конца газации на выходе второго элемента 10 сравнения появляется сигнал, который поступает на второй вход блока 14, останавливая его работу (включая АЦПВ 25), а также поступает на третий вход АЦП 6 и выключает его. Этот же сигнал поступает на второй вход устройства 13, прекращая подачу газа, аналогично тому, как это делается сигналом с выхода третьего элемента 11 сравнения, описанным путем. Газация прекращается.

40

Ki( Vo)+K2 Р(/-/о) + +(С, -С}/Ко,(2)

Эффект повышения точности регулироа затем вычисляется необходимое количест-вания предлагаемой системой по сравнению

во N работающих генераторов COz по фор- с известной поясним на примере их работы мулев условиях изменения скорости ветра и освещенности.

N 16-и/(3)Пусть заданное значение концентрации

СО2 в теплице, которое выставлено на

где Ki К2 - коэффициенты, учитывающие 55 втором задатчике 2 равно ,125%, а влияние изменения скорости ветра и освещенности соответственно; Р - стадия развития растений; Vo и /о - средние, У и / - текущие значения, соответственно скорости веткоэффициент передачи объекта, вычисленный в блоке 7, равен ,25. Тогда на третьем выходе блока 7 ,5, что соответствует включению генераторов СО.

ра и освещенности; С - текущее значение концентрации углекислоты в теплице. Переменные, необходимые для этих вычислений (У и /, Уо и /о. С, Сз, и и Ко, РГ, поступают на входы блока 16 соответственно с выхода блока 14, блока 15, АЦП 6, второго датчика 2, блока 7 и четвертого задатчика 17, а постоянные (К и /С) предусмотрены в блоке 16.

Сигнал, пропорциональный U, в виде цифрового кода поступает с выхода блока 16 на четвертый вход устройства 13, в результате чего в теплицу подается такое количество газа, которое достаточно для поддерщим образом. Число N в виде кода, количество единиц в котором равно N (например, если , то код 0000001111111111),

поступает на второй вход схемы элемен U-fSoSor fl al ra-TpS

ВХОД схемы элементов ИЛИ 22. В результате

0

5

прохода этих кодов соответственно на S- и -входы триггера 20 в нем перебрасываются в «1 N (десять) элементарных 5 триггерных ячеек, а (шесть) ячеек - в состояние «О, обеспечивая включение необходимого количества генераторов С02 исполнительного механизма 19.

При изменении внешних параметров, которые определяются блоком 14 (скорость ветра, освещенность), а также при отклонении текущего значения концентрации COz от заданного значения, что может произойти из- за изменения неопределяемых параметров (например, состав минерального питания), управление U корректируется, например, по формуле (2) и, тем самым, обеспечивается стабилизация концентрации углекислоты в геплице на желаемом уровне.

В момент времени конца газации на выходе второго элемента 10 сравнения появляется сигнал, который поступает на второй вход блока 14, останавливая его работу (включая АЦПВ 25), а также поступает на третий вход АЦП 6 и выключает его. Этот же сигнал поступает на второй вход устройства 13, прекращая подачу газа, аналогично тому, как это делается сигналом с выхода третьего элемента 11 сравнения, описанным путем. Газация прекращается.

Эффект повышения точности регулиро0

вания предлагаемой системой по сравнению

втором задатчике 2 равно ,125%, а

коэффициент передачи объекта, вычисленный в блоке 7, равен ,25. Тогда на третьем выходе блока 7 ,5, что соответствует включению генераторов СО.

Такое количество генераторов работает в теплице в течение всего времени газации по прототипу. Предположим, что после 2 ч газации скорость ветра увеличилась на 2 м/с (т. е. V-1/0 2 м/с), а освеш,ен- ность увеличилась на 10000 лк (т. е. /-/о 10000), в результате чего коэффициент передачи объекта уменьшился до ,2. Тогда концентрация СО в теплице, газируемой с помощью известной системы, после 2 ч газации

С Ко -и 0,%,

т. е. ошибка регулирования по прототипу составит 2%.

В блоке 16 предлагаемой системы при таком изменении ветра и освещенности управляющее воздействие корректируется в соответствии с формулой (2) ,625, а коли- четсво работающих генераторов COz составляет . Тогда концентрация углекислоты в теплице, газируемой с помощью предлагаемой системы, после 2 ч газации

C /Co-f/ 0,125%,

т. е. также равна заданной, в чем и проявляется эффект повышения точности регули рования.

Кроме того, управляющее воздействие в предлагаемой системе изменяется также и в случае отклонения текущего значения концентрации от его заданного значения, что повышает точность ее работы. Корректировка управляющего воздействия по этому отклонению производится с учетом величины коэффициента (формула 2), которая вычисляется в блоке 7 и используется в блоке 16, что также приводит к выигрышу в точности. Иными словами, совместная работа блоков 7 и 16 дает больший эффект повышения точности, чем суммарный эффект от их работы по отдельности (без использования Ко при корректировке управляющего воздействия).

Формула изобретения

Система газации растений в теплицах, содержащая четыре элемента сравнения, программный блок управления газацией, первый вход которого подключен к задатчику времени начала газации, выход которого соединен с первым входом первого элемента сравнения, задатчик времени конца газации, который подключен к первому входу второго элемента сравнения, а первые входы третьего и четвертого элементов сравнения соединены соответственно с первым выходом программного блока управления газацией, второй вход которого подключен к задатчику конечной концентрации, а третий вход - к выходу аналого-цифрового преобразователя, при этом первый вход последнего связан с выходом газоанализатора, вход которого сообщен с теплицей, а вторые входы первого, второго, третьего, четвертого элементов сравнения подключены к выходу таймера, выход первого элемента сравнения соединен

со вторым входом аналого-цифрового преобразователя и первым входом первого элемента ИЛИ устройства подачи газа, выход второго элемента сравнения подключен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя и первому входу второго элемента ИЛИ устройства подачи газа, выход третьего элемента сравнения соединен со вторым входом второго элемента ИЛИ устройства подачи газа и четвертым входом программного блока управления газацией, выходы первого и

5 второго элементов ИЛИ устройства подачи газа подключены к входам триггера устройства подачи газа, выход которого соединен с входом наполнительного механизма устройства подачи газа, выход которого подключен к входу теплицы, отличающаяся тем,

0 что, с целью повышения точности работы системы газации растений в теплицах, в нее введены блок датчиков внешних параметров, блок осреднения параметров, блок коррекции управления и задатчик стадии развития рас;. тений, причем блок датчиков внешних пара- метров выполнен в виде датчика скорости ветра и датчика освещенности, выходы которых соответственно подключены к первым входам аналого-цифрового преобразователя скорости ветра и аналого-цифрового преоб0 разователя освещенности, второй и третий входы аналого-цифрового преобразователя скорости ветра соединены соответственно с выходами первого и второго элементов сравнения, а первый вход подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразо5 вателя освещенности, первый вход которого соединен с первым входом блока коррекции управления и первым входом блока определения параметров, второй выход подключен к второму входу блока коррекции управления и второму входу блока осреднения параметров, третий вход которого соединен со вторым выходом аналого-цифрового преобразователя скорости ветра, который подключен к второму входу блока коррекции управления, третий вход последнего сое динен с выходом задатчика стадии развития растений, четвертый вход подключен к выходу блока соединения параметров, а пятый вход соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, шестой вход подключен к выходу задатчика конечной концентрации,

0 седьмой вход соединен с третьим выходом программного блока управления газацией, восьмой вход подключен к выходу четвертого элемента сравнения, первый выход блока коррекции управления соединен с третьим входом элемента ИЛИ исполнительного уст5 ройства, а второй выход подключен к второму входу первого элемента ИЛИ устройства подачи газа, четвертый вход блока осреднения параметров соединен с выходом четвертого элемента сравнения.

0

Изобретение относится к сельскохозяйственным системам автоматического управления параметрами микроклимата теплиц и может быть использовано для автоматической газации растений углекислотой (углекис- лотная подкормка). Целью изобретения является повышение точности работы системы газации растений в теплицах. С помощью задатчиков 1 и 3, элементов сравнения 9 и 10 производятся включение и отключение устройства подачи газа 13 в теплицу 4 по времени, которое отсчитывает таймер 8. В момент начала газации в теплице начинается переходный процесс повышения концентрации, которая фиксируется газоанализатором 5, и данные передаются через аналого- цифровой преобразователь 6 в блок 7, который обеспечивает определение параметро теплицы 4 и оптимальный вывод концентрации на уровень, установленный на задат- чике 2. 1 ил.