Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом Советский патент 1991 года по МПК A01G9/18 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к растениеводству в сооружениях защищенного грунта.

Целью изобретения является повышение производительности и расширение экс- плуатационных возможностей системы.

На чертеже представлена блок-схема автоматизированной системы подкормки тепличных растений углекислым газом.

Автоматизированная система подкорм- ки тепличных растений углекислым газом содержит датчик 1 положения форточек в ограждающих конструкциях теплицы (ДПФ), датчик 2 температуры воздуха в теплице (ДТТ), датчик 3 освещенности расте- ний (ДО), теплицу 4 (Т), задатчик 5 фазы роста растений (ЗДФ), датчик 6 температуры воздуха вне теплицы (ДТВ), блок 7 задания констант оптимизации (БЗО), блок 8 определения оптимальной концентрации углекислого газа в воздухе теплицы (BOOK), задатчик 9 коэффициента листовой поверхности растений (ЗДК), датчик 10 скорости ветра (ДВ), блок 11 идентификации параметров (БИП), блок 12 задания констант идентификации (БЗИ), задатчик 13 макси- мальной концентрации углекислого газа в воздухе теплицы (ЗДМК), блок 14 ограничения концентрации углекислого газа (БОК), блок 15 задания константуправления (БЗУ), задатчик 16 времени начала подкормки (3ДН), таймер 17 (ТМ), программный блок 18 управления концентрацией углекислого газа в воздухе теплицы (ПБУК), задатчик 19 времени окончания подкормки (ЗДО), первый 20, второй 21, третий 22 и четвертый 23 элементы сравнения (ЭС), формирователь импульсов 24 (ФИ), первую 25 и вторую 26 схемы ИЛИ (ИЛИ), схему 27 НЕ (НЕ), третью схему 28 ИЛИ (ИЛИЗ), триггер 29, схему 30 И (И), исполнительный механизм 31 (ИМ).

Первый, второй и третий входы блока 8 определения оптимальной концентрации подключены соответственно к выходу эа- датчика 5 фазы роста растений, выходу датчика 2 температуры воздуха в теплице и к выходу датчика 3 освещенности, а четвертый и пятый его входы соединены с выходом третьей схемы 28 ИЛИ и с выходом блока 7 задания констант оптимизации соответственно. Выход блока 8 подключен к первому входу блока 14 ограничения концентрации, второй вход которого соединен с выходом задатчика 13 максимальной концентрации, а выход подключен к первому входу программного блока 18 управления концентра- цией. Второй и третий входы последнего соединены соответственно с выходом блока 11 идентификации параметров и с выходом блока 15 задания констант управления, а четвертый и пятый входы - соответственно

с выходом триггера 29 и таймера 17. Первый и второй выходы блока 18 подключены к первым входам третьего 22 и четвертого 23 элементов сравнения соответственно, а вторые входы всех элементов сравнения соединены с выходом таймера 17. Первый вход первого 20 элемента сравнения подключен к выходу задатчика 16 времени начала подкормки, а выход соединен с входом формирователя импульсов 24 и с первым входом первой схемы 25 ИЛИ, Первый вход второго 21 элемента сравнения подключен к выходу задатчика 19 времени окончания подкормки, а выход соединен с входом схемы 27 НЕ и с вторым входом первой схемы 25 ИЛИ. Выход третьего 22 элемента сравнения пдключен к первому входу второй 26 схемы ИЛИ, второй вход которой объединен с вторым входом третьей схемы 28 ИЛИ и присоединен к выходу формирователя импульсов 24, а выход подключен к С входу триггера 29, R вход которого соединен с выходом первой 25 схемы ИЛИ, а выход подключен к входу исполнительного механизма 31 подачи газа, выход которого сообщен с теплицей 4. Выход четвертого 23 элемента сравнения подключен к первому входу схемы 30 И, второй вход которого соединен с выходом схемы 27 НЕ, а выход подключен к первому входу третьей схемы 28 ИЛИ, выход которой соединен с первым входом блока 11 идентификации параметров. Второй вход последнего подключен к выходу задатчика 9 коэффициента листовой поверхности, третий - седьмой входы - соответственно к выходам датчиков 2 температуры воздуха в теплице, освещенности 3, положения форточек 1, температуры воздуха вне теплицы 6 и скорости ветра 10, а восьмой вход соединен с выходом блока 12 задания констант идентификации.

Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом построена на известных элементах. Таймер, элементы сравнения, блок ограничения концентрации и формирователь импульсов реализованы на цифровых микросхемах серии К155. Блок определения оптимальной концентрации, блок идентификации параметров и программный блок управления концентрацией являются счетно-решающими блоками, выполненными на больших интегральных схемах микропроцессорного комплекта серии КР580. В качестве датчиков используются приборы с цифровым выходом. Исполнительным механизмом подачи газа является электромагнитный клапан (в случае подкормки с помощью генераторов углекислого газа) или привод вентилятора подачи отходящих газов котельной при их использовании для подкормки.

Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом работает следующим образом.

На задатчиках 16 и 19 устанавливают соответственно время начала и время окончания подкормки, а на задатчике 13 - максимальный уровень концентрации углекислого газа в воздухе теплицы, выше которого поднимать концентрацию не следует при любых условиях. На задатчике 9 выставляют коэффициент листовой поверхности растений в виде числа, равного отношению суммарной площади листьев растений к площади основания теплицы. На задатчике 5 выставляют фазу роста растений в виде числа в диапазоне от О до 1, пропорционального времени жизни растений, полагая его равным 1 для цветущих и плодоносящих растений.

До начала подкормки на выходе первого 20 элемента сравнения присутствует потенциал 1, который, проходя через первую схему 25 ИЛИ на вход R триггера 29, обнуляет его выход, в результате чего на вход исполнительного механизма 31 поступает потенциал О, и подачи углекислого газа в теплицу нет. На выходах остальных элементов сравнения до начала подкормки наблюдается нулевой потенциал.

Сигнал на выходе таймера 17 постоянно нарастает и в момент времени начала подкормки сравнивается с сигналом на выходе задатчика 16. При этом на выходе первого 20 элемента сравнения сигнал становится равным О. Перепад уровней сигналов на выходе первого 20 элемента сравнения воспринимается формирователем импульсов 24, на выходе которого формируется импульс по срезу входного сигнала. Этот импульс проходит через вторую схему 26 ИЛИ на счетный вход ( С вход)триггера 29 и перебрасывает его в состояние 1 (на R входе триггера 29 нулевой потенциал), в результате чего исполнительный механизм 31 включается, подавая в теплицу 4 углекислый газ.

Импульс с выхода формирователя 24 поступает также через третью схему 28 ИЛИ на четвертый вход блока 8 определения оптимальной концентрации углекислого газа в воздухе теплицы и на первый вход блока 11 идентификации параметров и запускает эти блоки в работу.

Блоком 8 вычисляется оптимальный уровень концентрации углекислоты для произрастающих в теплице растений по следующей линеаризованной зависимости: Соп Ф-(КОО+К01-(К02-ТТ)+КОЗ(К04-Е), (1) где Con оптимальный уровень концентрации углекислого газа в воздухе теплицы;

Ф - фаза роста растений;

ТТ - температура воздуха в теплице; Е - освещенность растений; КОО...К04 - константы (коэффициенты) оптимизации, установленные в блоке 7 5задания констант оптимизации и отражающие следующие количественные соотношения:

коэффициент КОО - оптимальный уровень концентрации углекислого газа при оп- 0 тимальном значении температуры воздуха в теплице и оптимальной освещенности растений, млн ;

коэффициент К01 определяет, на сколько необходимо уменьшить концентрацию 5 углекислого газа при увеличении температуры воздуха в Чеплице на 1°С выше оптимальной, млн /°С;

коэффициент К02 - оптимальная температура воздуха в теплице,°С; 0коэффициент КОЗ определяет на сколько следует уменьшить концентрацию углекислого газа при повышении освещенности растений выше оптимальной, млн /лк;

коэффициент К04 - оптимальная осве- 5 щенность растений, лк.

Для культуры огурца эти коэффициенты оцениваются следующими значениями:

К00 1300млн 1; К01 - 100млн 1/°С; К02 30°С; КОЗ 0,025 млн 1/лк; К04 70000 лк. 0Для других культур они также могут

быть определены на основании изучения зависимостей интенсивности фотосинтеза от температуры воздуха и освещенности растений.

5Данные, необходимые для вычисления

значения С0п поступают с выхода задатчика 5, датчиков 2 температуры и освещенности 3, а также с выхода блока 7 задания констант оптимизации. Вычисленное значение 0 Сол поступает (в виде цифрового кода) на вход блока 14 ограничения концентрации, на второй вход которого поступаете выхода задатчика 13 максимальное значение концентрации CU2, превышать которое в возду- 5 хе теплицы недопустимо. Блоком 14 осуществляется выбор меньшего из двух значений, поступающих на его входы, и передача меньшего значения на первый вход блока 18.

0 Одновременно с блоком 8 начинает работать блок 11 идентификации параметров. Этим блоком вычисляются параметры теплицы - коэффициент передачи К и две посто- янные времени Т1 и Т2 по следующим 5 формулам1

КИ1 + КИ2 В + КИЗ К Л Е Ч- КИ4 ( ТТ - ТВ ) + КИ5 П

Т1

Т2

КИ 11

(2)

КИ6 + КИ7 В + Ш8 КЛ Е + КИ9( ГГ - ТВ ) + КИЮ П

кип

КИ12 +КИ13 В + КИ |4 КЛ Е +КИ15(ТТ -ТВ ) Ч- КИ16 П

где В - скорость ветра; КЛ - коэффициет листовой поверхности; ТВ - температура воздуха вне теплицы; П- положение (степень открытия) форточек теплицы; КИО...КИ17 - константы (коэффициенты) идентификации,

Отражающие количественно-линеаризованные зависимости параметров теплицы от следующих факторов:

КИО, КИ11 и КИ17 - масштабные коэффициенты (на них можно сократить числитель и знаменатель формул (2), они служат для удобства выставления других коэффициентов на блоке 12 задания констант идентификации;

коэффициенты КИ1, КИ6 и КИ12 определяют параметры теплицы 4 в случае нулевых значений скорости ветра, освещенности, перепада температур воздуха в теплице и вне ее и при закрытых форточках;

коэффициенты КИ2, КИТ и КИ13 отражают зависимости параметров теплицы от скорости ветра В;

коэффициенты КИЗ,КИ8и КИ14 выражают зависимость параметров теплицы от освещенности растений Е и площади листовой поверхности растений, учитываемой коэффициентом КЛ;

коэффициенты КИ4, ,КИ9 и КИ15 показывают, как изменяются параметры теплицы от перепада температур воздуха внутри и вне ее; коэффициенты КИ5, КИЮ и КИ16 определяют зависимость параметров теплицы от степени открытия форточек П,

Значения этих коэффициентов различны для каждой конкретнойтеплицы. Они определяются архитектурой теплицы, степенью герметичности ее ограждения, видом произрастающих в ней растений, конструкцией форточек.

Данные, необходимые для вычислений значений параметров теплицы К, Т1 и Т2 поступают на входы блока 11 с выходов датчика 10 скорости ветра, задатчика 9 коэффициента листовой поверхности, датчика 6 температуры воздуха вне теплицы, датчика 1 положения форточек, датчика 2 температуры воздуха в теплице 2, датчика 3 освещенности, а также с выхода блока 12 задания констант идентификации.

По окончании вычислений блок 11 передает параметры на второй вход программного блока 1.8 управления концентрацией и запускает его. В блоке 18 численным методом решается следующее уравнение:

К1-(У-(2У-1) Х2) ехр{-ТЛ2)

( 2Y - 1) С on + 0.01 KYO С on + К ( 1 - Y)

-

значения 0 или 1;

Т - переменная, искомое значение которой удовлетворяет уравнению (3); КУО - константа управления, представ- ляющая собой допустимую амплитуду

колебаний концентрации углекислого газа относительно заданного значения Соп и выраженная в % от этого значе - ния. Для нормального функционирова- 0 ния системы управления величину константы КУО-требуется задать равной 3-7%;

Х1 и Х2 - идентификаторы состояния управляемой системы.

5 Эти идентификаторы при первом запуске блока 18 обнулены, а при следующих за- . пусках принимают значения, вычисляемые по следующей рекуррентной процедуре:

Х1н (Х1с-У)-ехр(-ТД/Т1) + У 0Х2Н (Х2С - У)-ехр (ТД/Т2) + У(4)

где Х1Н и Х2Н - новые значения, присваиваемые идентификаторам состояния; Х1сиХ2с- их старые значения, наблюдаемые в момент предыдущего запуска 5блока 18;

ТД - интервал времени, через который производится запуск счетно-решающих блоков системы (время дискретизации), этот интервал времени является кон- 0стантой управления.

Величина интервала времени ТД зависит от того, как быстро изменяются параметры теплицы, зависящие в свою очередь от погодных условий (как следует из (2)). Для 5 повышения точности управления этот интервал времени необходимо уменьшить, однако это может привести к неоправданно частому запуску блоков 8,11 и 18. Для блочных теплиц этот интервал времени доста- 0 точно принять равнымТД 40-80 с.

Корень решаемого блоком 18 уравнения (3), обозначенный ТП, представляет собой интервал времени, отсчитываемый от момента запуска блока 18 до момента пере- 5 ключения сигнала управления в состояние О, если в момент запуска блока 18 сигнал управления был равен 1, или до момента переключения сигнала управления в состояние 1, если управление было равно 0. 0 После нахождения этого корня блоком 18 вычисляется момент времени переключения управления по формуле:

ТПУ ТП + ТИ ,(5)

где ТПУ - момент времени переключения 5 управления;

ТИ - момент времени запуска блока 18.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к растениеводству в сооружениях защищенного грунта. Цель изобретения - повышение производительности и расширение эксплуатационных возможностей системы. В системе осуществляется двухпозиционное управление подачей углекислого газа в теплицу. Применяются блоки задания констант, изменяя уставки которых можно использовать данную систему для подкормки различных культур в теп лицах любого типа. В блоке 7 задания констант оптимизации задают требуемые значения коэффициентов, определяющих оптимальный для данного вида растений уровень концентрации углекислого газа в воздухе теплицы 4 в зависимости от их освещенности и температуры воздуха в теплице. В блоке 12 задания констант идентификации устанавливают требуемые значения коэффициентов, определяющих зависимость параметров данной теплицы от скорости ветра, перепада температур воздуха в теплице и вне ее, освещенности растений и положения форточек в ограждающих конструкциях теплицы. С помощью блока 15 задания констант управления задают допустимое значение амплитуды колебаний концентрации углекислого газа и интервал времени между измерениями воздействий различных внешних факторов на растения и на параметры теплицы. После каждого измерения этих воздействий в блоке 8 определяется оптимальный уровень концентрации углекислого газа в воздухе теплицы, параметры управляемой системы и на основе этих данных определяется момент переключения управления на обратное. При достижении текущим временем этого момента производится переключение управления сигналом с выхода третьего 22 элемента сравнения, чем и обеспечивается поддержание концентрации углекислого газа в воздухе теплицы 4 на оптимальном уровне. 1 ил. СГЗ со С о N) 00 00 00 ю

(v -(у -1) ; 0 о Р( 1У

(2Y -1) С«п +0,01 КЮ Соп + K(l - Y)

где У - сигнал управления, принимающий

.(3)

Таким образом, после запуска блока 18 он осуществляет опрос таймера 17 по пятому входу, определяя момент времени ТИ,

затем определяется интервал времени ТП путем решения уравнения (3), после чего определяется новое состояние системы по формулам (4), а затем вычисляется момент времени ТПУ по формуле (5). Данные, необходимые для работы блока 18, поступают на пять его входов: на первый - величина С0п: на второй - величины К, Т1 и Т2; на третий - КУО и ТД с выхода блока 15 задания констант управления; на четвертый - сигнал управления У (0 или 1); на пятый - момент времени ТИ.

Блоком 18 вычисляется также момент следующего запуска счетно-решающих блоков по формуле:

ТЗ ТИ + ТД(6)

Вычисленное блоком 18 значение момента времени переключения управления ТПУ поступает в виде цифрового кода на первый выход блока 18, а вычисленное значение момента времени запуска ТЗ поступает на второй его выход. Эти сигналы с первого и второго выходов блока 18 подаются соответственно на первые входы третьего 22 и четвертого 23 элементов сравнения. На этом заканчивается цикл работы блоков 8,11 и 18, они находятся в режиме ожидания следующего запуска.

Следующий запуск блоков 8 и 11 осуществляется следующим образом.

Нарастающий сигнал таймера 17 поступает на второй вход четвертого 23 элемента сравнения и в момент времени ТЗ становится равным сигналу на первом входе элемента 23, в результате чего на выходе элемента 23 появляется импульс Этот импульс проходит через схему 30 И, поскольку на втором входе схемы 30 И присутствует потенциал 1, а также через схему 28 ИЛИЗ, и запускает блок 8 по четвертому его входу и блок 11 по первому входу. Блоки 8,11 и 18 снова производят вычисления по формулам (1)...(6) и снова переходят в режим ожидания следующего запуска описанным путем Такая работа этих блоков продолжается до момента окончания углекислотной подкормки.

Переключение управления с 0 на 1 или наоборот осуществляется следующим образом.

Момент времени ТПУ, вычисленный в некотором цикле работы счетно-решающих блоков, может быть как меньше, больше, так и равным моменту времени ТЗ, определенному в этом же цикле. В первом случае переключение управления на обратное произойдет до начала следующего цикла вычислений, во втором случае может пройти несколько циклов вычислений до того, как наступит переключение управления, а в третьем - переключение произойдет в момент запуска блоков 8 и 11 Переключение управления производится в момент времени ТПУ импульсом с выхода третьего 22 элемента сравнения. Этот импульс появляется в момент равенства сигналов на двух входах третьего 22 элемента сравнения, Он 5 проходит через вторую схему 26 ИЛИ на С вход триггера 29 и перебрасывает его в обратное состояние, т.е., если до прихода импульса выходной сигнал триггера был 1, то после прихода импульса на С вход его

10 выходной сигнал становится равным О, и наоборот, если триггер был в состоянии О, то он перебросится в состояние 1, Выходной сигнал триггера 29 поступает на вход исполнительного механизма 31 подачи газа,

5 с помощью которого С02 подается в теплицу, если на выходе триггера 1, или не подается, в случае нулевого сигнала на выходе триггера 29. Этим осуществляется поддержание концентрации углекислоты в воздухе

П теплицы на уровне Con.

В момент времени окончания углекислотной подкормки сигналы на входах второго 21 элемента сравнения станут равными, в результате чего на его выходе установится сигнал 1, который проходит через первую

5 схему 25 ИЛИ на обнуляющий вход триггера 29, и исполнительный механизм 31 перекроет подачу в теплицу. Подкормка заканчивается. Одновременно на выходе схемы 27 НЕ появляется нулевой потенциал, за0 прещающий прохождение импульсов с выхода четвертого 22 элемента сравнения через схемы 30 И на запуск блоков 8 и 11.

Автоматизированная система подкормки тепличных растений уклекислым газом

5 обладает более широкими эксплуатационными возможностями, поскольку может быть использована и в тех теплицах, где подкормка производится с помощью источников углекислого газа с неуправляемой

0 производительностью. Каждый экземпляр устройства может применяться для подкормки любых культур, выращиваемых в любых типах теплиц, для чего необходимо выставить соответствующие уставки на блоках за5 Дания констант.

Формула изобретения Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом, Q содержащая блок определения оптимальной концентрации, первый, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам задатчика фазы роста растений, датчика температуры воздуха в

теплице и датчика освещенности, а выход соединен с первым входом блока ограничения концентрации, второй вход которого связан с выходом задатчика максимальной концентрации, а выход соединен с первым входом программного блока управления

концентрацией,датчик скорости ветра, датчик положения форточек, задатчик коэффициента листовой поверхности, задатчик времени начала подкормки, выход которого подключен к первому входу первого элемента сравнения, задатчик времени окончания подкормки, выход которого связан с первым входом второго элемента сравнения, третий и четвертый элементы сравнения, первые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам программного блока управления концентрацией, таймер, выход которого соединен с вторыми входами элементов сравнения, при этом выход первого элемента сравнения связан с первым входом первой схемы ИЛИ, второй вход которой обьединен с входом схемы НЕ и подключен к выходу второго элемента сравнения, а выход третьего элемента сравнения соединен с первым входом второй схемы ИЛИ, выход которой связан со счетным входом Tpnirepa, установочный вход которого подключен к выходу первой схемы ИЛИ, исполнительный механизм подачи газа, выход которого сообщен с теплицей, причем выход четвертого элемента сравнения связан с первым входом схемы И, выход которой подключен к первому входу третьей схемы ИЛИ, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности и расширения эксплуатационных возможностей системы она снабжена блоком идентификации параметров блоком задания констант оптимизации блоком задания констант идентификации, блоком задания констант управления, датчиком температуры воздуха вне теплицы и формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу первого элемента сравнения, а выход связан с вторым и входами второй и третьей схем ИЛИ, при этом выход последней сое0 динен с первым входом блока идентификации параметров и четвертым входом блока определения оптимальной концентрации, пятый вход которого связан с выходом блока задания констант оптимизации,а второй,

t- третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой входы блока идентификации параметров подключены соответственно к выходам задатчика коэффициента листовой поверхности, датчиков температуры воздуха в теплице, освещенности, положения форточек, температуры воздуха вне теплицы, скорости ветра и блока задания констант идентификации, причем выход блока идентификации параметров связан с вторым входом программного блока управления концентрацией, третий, четвертый, пятый входы которого соединены с выходами блока задания констант управления, триггера и таймера, а выход схемы НЕ связан с вторым входом схемы И, при этом выход триггера подключен к входу исполнительного механизма подачи газа

0

5

0