СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ УРОЖАЯ В ТЕПЛИЦЕ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CONTROL METHOD OF FORMING HARVEST IN GREENHOUSE AND SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к сельскому хозяйству, в частности к тепличному растениеводству и светокультуре растений, и может быть использована для промышленного выращивания растений на рассаду и продукцию.
Известна система для осуществления способа управления формированием урожая в теплице (Патент РФ №2361262, опубл. 10.07.2009), в котором на вход объекта управления (электротехнологический процесс облучения растений в теплице) подается поток энергоносителя (электроэнергия), воздействующий на электротехнологический процесс, результатом которого является поток производимой продукции. В ходе процесса измеряют мгновенные значения расхода электроэнергии и продуктивности растений, по которым определяют мгновенные значения энергоемкости при текущем значении характеризующего процесс параметра (облученность растений). По результатам анализа динамики изменения энергоемкости до текущего момента времени производят прогноз энергоемкости на следующий момент времени, производят принятие решения об изменении количества электроэнергии, подаваемой на облучательную установку. В качестве критерия оптимальности управления процессом принят минимум мгновенного значения вычисленной энергоемкости.
Недостатком известного способа является низкая точность управления процессом, обусловленная тем, что для расчета динамических параметров прогнозирования, содержащих временные отсчеты, используются статические характеристики, в которых временные координаты отсутствуют. Также недостатком способа является ограниченность применения, так как минимум энергоемкости соответствует минимуму расходов на оплату электроэнергии только в случае одноставочного тарифа на электроэнергию. В многоставочных тарифах с дифференциацией стоимости электроэнергии по времени суток минимумы энергоемкости и стоимости электроэнергии могут не совпадать.
Наиболее близким к изобретению является способ, реализованный в системе оптимизации факторов среды при выращивании растений, принятые за наиболее близкие технические решения (Авторское свидетельство СССР №703064, опубл. 15.12.1979, БИ №47). В известных решениях выращивание растений производят путем установки фитотрона с растениями в теплице с растениями той же культуры, сорта и возраста.
При этом измеряют значения оптимизируемых параметров среды и физиологических процессов растений в фитотроне, по результатам измерений проводят идентификацию математической модели посева с учетом априорной и текущей информации, а также прогнозов внешних условий и определяют значение критерия оптимизации на прогнозируемый период. Производят поиск оптимальных режимов для фитотрона по вычисленному на прогнозируемый период критерию оптимизации и вырабатывают управляющие сигналы для регулирования оптимизируемых параметров среды в фитотроне и в теплице. Результаты оптимизации используют также в качестве обратной связи для уточнения математической модели. Текущие значения неоптимизируемых параметров в теплице и фитотроне сравнивают, и полученные отклонения используют для выравнивания неоптимизируемых параметров в фитотроне.
Система оптимизации содержит теплицу с растениями, фитотрон, раздельные средства измерения неоптимизируемых параметров среды в теплице и в фитотроне, средства измерения оптимизируемых параметров и физиологических процессов в фитотроне, раздельные устройства регулирования и стабилизации среды в теплице и в фитотроне, устройства регулирования неоптимизируемых параметров среды в фитотроне, устройство сравнения, вычислительное устройство, автоматический оптимизатор, масштабирующий функциональный преобразователь.
При этом фитотрон с растениями установлен внутри теплицы с растениями той же культуры, сорта и возраста, выход средств измерения которого подключен к входам автоматического оптимизатора через вычислительное устройство, моделирующее поведение растительного посева на прогнозируемый период, причем выходы оптимизатора соединены параллельно с выходами устройства регулирования и оптимизации параметров среды в фитотроне, с входами вычислительного устройства и выходами масштабирующего функционального преобразователя, выходы которого подключены к задатчикам устройств регулирования и стабилизации параметров среды в теплице. Выходы средств регулирования и стабилизации неоптимизируемых параметров среды в фитотроне и теплице, соединены с входами устройства сравнения, выходы которого подключены к входам устройств, регулирующих неоптимизируемые параметры среды в фитотроне.
Данному изобретению присущи следующие недостатки.
1. С точки зрения теории автоматического управления основной объект управления - теплица, в данном изобретении не входит ни в один контур замкнутого регулирования. Действительно, со стороны управляющих воздействий реализовано регулирование и стабилизация оптимизируемых параметров среды в теплице, а со стороны формирования измерительной информации - средства измерения неоптимизируемых параметров среды в теплице. Таким образом, контур замкнутого регулирования относительно как оптимизируемых, так и неоптимизируемых параметров среды в теплице отсутствует. Имеет место разомкнутое регулирование, что значительно снижает точность оптимизации факторов среды в объекте регулирования. В то же время, в фитотроне контур замкнутого регулирования реализуется корректно (устройства регулирования оптимизируемых параметров - фитотрон - средства измерения оптимизируемых параметров).
2. В данном изобретении имеет место низкая точность управления формированием урожая, обусловленная, большой инерционностью и наличием чистого запаздывания у обоих объектов управления - посева теплицы и посева фитотрона, включенных последовательно в контур управления. Например, сроки созревания помидора составляет 95…105 суток, огурца - 48…53 суток. Так как процесс оптимизации и регулирования параметров среды проводится одновременно на посевах растений одного и того же возраста в фитотроне и теплице, то с учетом инерционности и чистого запаздывания возникает колебательность и неустойчивость процесса управления ростом растений, что снижает качество и точность процесса, а также приводит к увеличению сроков созревания продукции.
3. В способе и системе, его реализующей, прогнозирование и оптимизация производятся на основе математических моделей, однако известно (Полуэктов, Р.А. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур / Р.А. Полуэктов, Э.И. Смоляр, В.В. Терлеев, А.Г. Топаж. - СПб., 2006.1), что характерной чертой множества биологических процессов, относимых к регуляционным, является сложность описания их внутренних механизмов. Многие из них до сих пор недостаточно изучены сами по себе. Перенос подобной детализации в комплексную модель агроэкосистемы невозможен, а дать интегральное описание в терминах входных измеряемых макровеличин в настоящее время весьма затруднительно. Этот фактор также в целом приводит к снижению точности управления процессом роста посева в теплице.
В основу заявляемого изобретения положена задача осуществления способа управления формированием урожая в теплице и система, реализующая данный способ, лишенные указанных недостатков, и которые обеспечивают увеличение продуктивности, сокращение сроков выращивания продукции, уменьшение сложности и трудоемкости процесса управления за счет повышения точности управления формированием урожая в условиях защищенного грунта.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагается способ управления формированием урожая в теплице, в котором выращивают растения путем размещения оптимизационной биотехнологической натурной модели (фитотрона) с растениями в теплице с растениями той же культуры и сорта, при этом сроки посадки посева в теплице сдвигают на определенный интервал времени относительно сроков посадки растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели в зависимости от культуры и сорта растений. Для контроля над процессом развития посева в теплице также размещают продуктивную биотехнологическую натурную модель со сроками посадки растений, аналогичными срокам посадки в теплице. Посевы теплицы, оптимизационной и продуктивной биотехнологических натурных моделей оснащают общей для всех зон теплицы системой микроклимата, полива и питания растений и обеспечивают одинаковые условия по естественной солнечной инсоляции всех трех зон. Зоны основного посева теплицы и продуктивной биотехнологической натурной модели облучают от общей системы облучения, а зону оптимизационной биотехнологической натурной модели - от собственной локальной системы облучения. Принимают параметры микроклимата, полива и питания растений неоптимизируемыми (лимитирующими), а параметры облучения растений - оптимизируемыми (регулируемыми).
Процесс формирования урожая начинают с высадки в грунт растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели. При этом выбирают из банка программ развития растений соответствующую заданным культуре и сорту растений программу и формируют текущие уставки управляющих воздействий облучения растений в оптимизируемой биотехнологической натурной модели, которые поддерживают неизменными в интервале времени между двумя последующими тактами синхронизации. Сравнивают заданные значения основных параметров развития растений с фактическими в оптимизационной биотехнологической натурной модели и вырабатывают по каждому сравниваемому параметру сигналы отклонений от заданных значений.
На основании исходных данных программы формирования роста растений, фактических данных параметров роста и облучения растений, вычисленных значений управляющих воздействий производят оптимизацию значений управляющих воздействий по выбранному критерию (минимум отклонения от заданной программы роста, минимум потребления электроэнергии и т.п.) и формируют оптимизированную программу развития растений, в которой неэффективные, принимаемые на следующих друг за другом интервалах времени решения отбрасываются и заменяются наиболее подходящими.
Через заранее определенный интервал времени с момента высадки растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели высаживают в грунт растения в самой теплице и в продуктивной биотехнологической натурной модели. Одновременно с таким же сдвигом по времени запускают работу оптимизированной программы развития растений, которая вырабатывает скорректированные управляющие воздействия на общую систему облучения теплицы. Процесс развития и режима облучения посева теплицы отслеживают на растениях контрольной группы растений в зоне продуктивной биотехнологической натурной модели, измеряя параметры физиологических процессов развития растений и параметры облучения растений. При этом компенсируют отклонения развития растений в теплице от оптимальной кривой роста, возникающие вследствие случайных внешних возмущений и систематических изменений погодно-климатических факторов как следствия календарного времени, для чего организуют замкнутый контур регулирования режима облучения для зон теплицы и продуктивной биотехнологической натурной модели по принципу, аналогичному принципу работы контура регулирования оптимизационной биотехнологической натурной модели. Оптимизированную программу развития растений сохраняют в блоке хранения программ для дальнейшего использования.
Система управления формированием урожая, реализующая данный способ, включает теплицу с растениями одной культуры и сорта, оптимизационную биотехнологическую натурную модель, средства измерения физиологических процессов растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели, средства измерения параметров облучения растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели, первое устройство сравнения, устройство оптимизации.
В отличие от прототипа предлагаемая система дополнительно содержит продуктивную биотехнологическую натурную модель, средства измерения физиологических процессов растений в продуктивной биотехнологической натурной модели, средства измерения параметров облучения растений в продуктивной биотехнологической натурной модели, первое устройство формирования программы роста растений, задатчик программы роста растений, устройство хранения программ роста растений, второе устройство формирования программы роста растений, второе устройство сравнения, первое устройство управления режимом облучения растений, первую систему облучения растений, второе устройство управления режимом облучения растений, вторую систему облучения растений, устройство временной синхронизации, устройство формирования временной задержки, систему управления микроклиматом теплицы, входы которой соединены с выходами первого устройства формирования программы роста растений, третьими входами первого устройства сравнения и третьими входами устройства оптимизации, выходы средств измерения физиологических процессов растений оптимизационной биотехнологической натурной модели соединены с первыми входами первого устройства сравнения и первыми входами устройства оптимизации, выходы средств измерения параметров облучения растений оптимизационной биотехнологической натурной модели соединены со вторыми входами первого устройства сравнения и вторыми входами устройства оптимизации. Выходы первого устройства сравнения соединены с входами первого устройства управления режимом облучения растений, выходы которого соединены с входами первой системы облучения растений. Выходы устройства оптимизации соединены с входами второго устройства формирования программы роста растений, выходы которого соединены с третьими входами второго устройства сравнения и входами устройства хранения программ роста растений, выходы которого соединены с входами задатчика программ роста растений, выходы которого соединены с входами первого устройства формирования программы роста растений. Вторые входы второго устройства сравнения соединены с выходами средств измерения физиологических процессов растений продуктивной биотехнологической натурной модели, первые входы соединены с выходами средств измерения параметров облучения растений продуктивной биотехнологической натурной модели, а выходы соединены с входами второго устройства управления режимом облучения второй системы облучения растений. Выходы устройства временной синхронизации соединены с входами синхронизации первого устройства формирования программы роста растений, первого устройства сравнения, устройства оптимизации, второго устройства формирования программы роста растений, второго устройства сравнения и входом устройства формирования временной задержки, выход которого соединен со вторым входом второго устройства формирования программы роста растений.
Новая совокупность действий и порядок выполнения действий во времени обеспечивают следующие преимущества.
1. Разнесение сроков посадки растений в зоне оптимизационной биотехнологической натурной модели и в теплице, включая зону продуктивной биотехнологической натурной модели. Предлагаемый порядок выполнения действий во времени позволяет получить экспериментальным путем на натурной модели оптимальные значения управляющих воздействий для дальнейшего переноса их на посев теплицы.
2. Выравнивание условий роста растений в части параметров факторов роста растений путем создания одинаковых условий для всех растений в теплице с помощью интегрированного управления микроклиматом, поливом и минеральным питанием. Предлагаемая совокупность действий повышает точность оптимизации и уменьшает затраты на систему отслеживания параметров микроклимата, полива питания растений в оптимизационной модели.
3. Выполнение двойной оптимизации управления урожаем с разделением во времени: основная оптимизация производится в оптимизационной биотехнологической натурной модели на интервале времени, равном сдвигу во времени между посадкой растений в оптимизационной модели и теплице (продуктивной модели), а корректирующая оптимизация производится на основном посеве непосредственно в теплице, в зоне продуктивной биотехнологической натурной модели с целью компенсации случайных возмущающих и медленно изменяющихся факторов внешней среды. Предлагаемая совокупность действий и порядок выполнения действий во времени обеспечивает увеличение точности управления формированием урожая.
4. Использование для управления и оптимизации роста растений простой, «точной», легко заменяемой при смене культуры и сорта растений оптимизационной биотехнологической натурной модели вместо сложной, неточной, практически не заменяемой, требующей трудоемких процедур идентификации математической модели, дает значительное упрощение процесса управления формированием урожая, возможность выращивания практически неограниченного ассортимента растительных культур и сортов, повышает точность оптимизации факторов роста растений.
Существенными элементами в системе управления формированием урожая являются дополнительно введенные продуктивная биотехнологическая натурная модель, средства измерения физиологических процессов растений и средства измерения параметров облучения растений в продуктивной биотехнологической натурной модели, устройство хранения программ роста растений, задатчик программы роста растений, первое устройство формирования программы роста растений, первое устройство управления режимом облучения растений, первую систему облучения растений, устройство временной синхронизации, устройство формирования временной задержки, второе устройство формирования программы роста растений, второе устройство сравнения, второе устройство управления режимом облучения растений, вторую систему облучения растений, система управления микроклиматом.
Совокупность признаков заявляемых способа и системы для его реализации не известны и не следуют явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, в которых на фиг.1 показан график процесса управления формированием урожая с использованием оптимизации параметров в оптимизационной биотехнологической натурной модели и переносом оптимальных решений на продуктивную биотехнологическую натурную модель и теплицу в целом. На фиг.2 показана структурная схема системы управления формированием урожая, реализующая заявляемый способ.
Система управления формированием урожая в теплице включает теплицу 1 с растениями одной культуры и сорта, оптимизационную биотехнологическую натурную модель 2, средства измерения физиологических процессов растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели 3, средства измерения параметров облучения растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели 4, первое устройство сравнения 5, устройство оптимизации 6.
В отличие от прототипа предлагаемая система дополнительно содержит продуктивную биотехнологическую натурную модель 7, средства измерения физиологических процессов растений 8 в продуктивной биотехнологической натурной модели 7, средства измерения параметров облучения растений 9 в продуктивной биотехнологической натурной модели 7, первое устройство формирования программы роста растений 10, задатчик программы роста 11, устройство хранения программ роста растений 12, второе устройство формирования программы роста растений 13, второе устройство сравнения 14, первое устройство управления режимом облучения 15, первую систему облучения растений 16, второе устройство управления режимом облучения растений 17, вторую систему облучения растений 18, устройство временной синхронизации 19, устройство формирования временной задержки 20, систему управления микроклиматом теплицы 21, входы которой соединены с выходами первого устройства формирования программы роста растений 10, третьими входами первого устройства сравнения 5 и третьими входами устройства оптимизации 6, выходы средств измерения физиологических процессов растений 3 оптимизационной биотехнологической натурной модели 2 соединены с первыми входами первого устройства сравнения 5 и первыми входами устройства оптимизации 6, выходы средств измерения параметров облучения растений 4 оптимизационной биотехнологической натурной модели 2 соединены со вторыми входами первого устройства сравнения 5 и вторыми входами устройства оптимизации 6. Выходы первого устройства сравнения 5 соединены с входами первого устройства управления режимом облучения растений 15, выходы которого соединены с входами первой системой облучения растений 16. Выходы устройства оптимизации 6 соединены с входами второго устройства формирования программы роста растений 13, выходы которого соединены с третьими входами второго устройства сравнения 14 и входами устройства хранения программ роста 12, выходы которого соединены с входами задатчика программ роста 11, выходы которого соединены с входами первого устройства формирования программы роста растений 10. Вторые входы второго устройства сравнения 14 соединены с выходами средств измерения физиологических процессов растений 8 продуктивной биотехнологической натурной модели 7, первые входы второго устройства сравнения 14 соединены с выходами средств измерения параметров облучения растений 9 продуктивной биотехнологической натурной модели 7, а выходы соединены с входами второго устройства управления режимом облучения 17, выходы которого соединены с входами второй системы облучения растений 18. Выходы устройства временной синхронизации 19 соединены с входами синхронизации первого устройства формирования программы роста растений 10, первого устройства сравнения 5, устройства оптимизации 6, первым входом синхронизации второго устройства формирования программы роста растений 13, второго устройства сравнения 14 и входом устройства формирования временной задержки 20, выход которого соединен со вторым входом синхронизации второго устройства формирования программы роста растений 13.
Способ управления формированием урожая в теплице и система для его осуществления реализуется следующим образом.
2
В теплице 1 для выращивания растений одной и той же культуры и сорта размещают оптимизационную биотехнологическую натурную модель 2 с растениями. Для контроля над процессом развития посева в теплице размещают продуктивную биотехнологическую натурную модель 7 со сроками посадки растений, аналогичными срокам посадки в теплице. Обе модели представляют собой выделенные на посевной площади теплицы зоны (участки), оснащенные средствами измерения параметров роста растений и параметров облучения растений. Посевы теплицы 1, оптимизационной 2 и продуктивной 7 биотехнологических натурных моделей оснащают общей системой управления микроклиматом, полива и минерального питания растений 21. При этом параметры микроклимата (температура, влажность, скорость потока воздуха, концентрация CO и т.п.), полива, минерального питания растений относят к неоптимизируемым (лимитируемым), а параметры физиологических процессов растений (интенсивность фотосинтеза, прирост биомассы и пр.) и параметры облучения (интенсивность, спектральный состав, доза облучения) растений - к оптимизируемым (регулируемым). Управляющими факторами, подлежащими оптимизации, являются параметры облучения растений в теплице. Такой выбор обусловлен тем, что параметры облучения, с одной стороны, оказывают наибольшее влияние как на фотосинтез, так и на регуляцию процессов развития растений, с другой стороны, они изменяются в очень широком диапазоне, как по интенсивности (день-ночь, лето-зима), так и по спектральному составу (утро-вечер, ясно-пасмурно), и, с третьей стороны, в значительной мере определяют энергоемкость и энергоэффективность технологического процесса выращивания урожая.
В теплице 1 обеспечивают одинаковые условия по естественной солнечной инсоляции всех трех зон - посева теплицы 1, оптимизационной 2 и продуктивной 7 биотехнологических натурных моделей. Что касается искусственного досвечивающего облучения, то зоны основного посева теплицы 1 и продуктивной биотехнологической натурной модели 7 облучают от общей второй системы облучения 18, а зону оптимизационной биотехнологической натурной модели 2 - от собственной локальной - первой системы облучения растений 16. Обе системы искусственного досвечивающего облучения выполняют регулируемыми как по интенсивности, так и по спектру излучения, как минимум в трех спектральных полосах: синяя полоса спектра (400…500 нм), зеленая полоса спектра (500…600 нм), красная полоса спектра (600…700 нм). Эти системы облучения могут быть выполнены на основе светодиодных источников излучения, позволяющих достаточно просто регулировать как интенсивность облучения, так и получать необходимые спектры излучения.
Зоны обеих натурных моделей выполняют одинаковыми по площади, в плане в виде квадратов и располагают в центральной части теплицы на расстоянии друг от друга не менее трех длин стороны зоны. Границы зоны оптимизационной биотехнологической натурной модели 2 в вертикальной плоскости отделяют от зоны теплицы 1 полупрозрачными перегородками с целью разделения потоков искусственного облучения и минимизации их перекрестного влияния. Вместе с тем перегородки не должны вносить заметных искажений и помех естественному солнечному облучению зон.
Процесс формирования урожая начинают с высадки в грунт растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели 2. Выбирают из устройства хранения программ роста растений 12 соответствующую данному сорту растений и цели управления (заданная урожайность, сроки вызревания, максимальное энергосбережение и т.п.) программу и помещают выбранную программу в задатчик программы роста растений 11, который может быть реализован на основе оперативного запоминающего устройства с произвольным доступом (ОЗУ). Программу из задатчика программы роста растений 11, синхронизируя с помощью устройства временной синхронизации 19, загружают в первое устройство формирования программы роста растений 10, которое формирует пошагово уставки параметров развития растений и параметров облучения растений в оптимизационной биотехнологической модели 2, подаваемые на третьи входы первого устройства сравнения 5 и третьи входы устройства оптимизации 6, а также уставки для системы управления микроклиматом теплицы 21. Вид исходной кривой роста, задаваемой первым устройством формирования роста растений 10, представлен кривыми I на фиг.1. Текущие уставки поддерживают неизменными в интервале времени между двумя тактами синхронизации. Первое устройство сравнения 5 сравнивает заданные уставками значения основных параметров развития растений с фактическими значениями в оптимизационной биотехнологической натурной модели 2, поступающими на первые входы первого устройства сравнения 5 со средств измерения физиологических процессов растений 3 в оптимизационной биотехнологической натурной модели 2, и на его вторые входы - со средств измерения параметров облучения растений 4 в оптимизационной биотехнологической натурной модели 2. Эта же информация со средств измерения поступает на первые и вторые входы устройства оптимизации 6, соответственно. По результатам сравнения первое устройство сравнения 5 вырабатывает по каждому сравниваемому параметру сигналы отклонений от заданных значений, которые поступают на входы первого устройства управления режимом облучения 15.
Работа первого устройства управления режимом облучения 14 осуществляется следующим образом. Все основные параметры физиологических процессов растений разбивают на группы. Каждая группа объединяет параметры, которые полностью или в значительной мере зависят от одного из регулирующих факторов, например, в случае регулирования облученности растений - от интенсивности облучения в данной полосе спектра (синяя, зеленая, красная). Возможно включение одного и того же параметра более чем в одну группу, если этот параметр определяется несколькими регулирующими факторами. Формируют групповые сигналы отклонений по каждой группе параметров в виде взвешенной суммы значений отклонений основных параметров роста растений, входящих в данную группу параметров. Значения групповых сигналов отклонений определяют из выражений (1):
BLUE
GREEN
RED
bi
gi
ri
bi
gi
ri
где Δ, Δ, Δ - значения групповых сигналов отклонений по спектральным составляющим регулирующих воздействий; k, k k - весовые коэффициенты; Δ, Δ, Δ - отклонения основных параметров роста растений от заданных.
Из групповых сигналов отклонений устройство управления формирует сигналы управляющих воздействий, которые поступают на входы управления первой системы локального облучения оптимизационной биотехнологической натурной модели 16 по каждому из каналов спектральных полос.
Одновременно устройство оптимизации 6 на основании исходных данных, полученных от первого устройства формирования программы роста растений 10, фактических данных от средств измерения физиологических процессов растений 3 в оптимизационной биотехнологической натурной модели 2, средств измерения параметров облучения растений 4 в оптимизационной биотехнологической натурной модели 2 производит оптимизацию значений управляющих воздействий по выбранному критерию, например, по минимуму отклонения от кривой заданной программы роста, минимуму потребления электроэнергии и т.п. Вид фактического процесса роста растений до оптимизации представлен кривой II, после оптимизации - кривыми III на фиг.1. С учетом корректировки и оптимизации исходной программы роста второе устройство формирования программы роста растений 13 формирует оптимизированную программу роста растений, в которой все неэффективные принимаемые на следующих друг за другом интервалах времени решения отбракованы и заменены наиболее подходящими.
Через заранее определенный интервал времени τ с момента высадки растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели 2 высаживают в грунт растения в самой теплице 1 и в продуктивной биотехнологической натурной модели 7. Одновременно с таким же сдвигом по времени, задаваемым устройством формирования временной задержки 20, запускают работу второго устройства формирования программы роста растений 13 и оптимизированной программы развития растений, которая вырабатывает уже скорректированные управляющие воздействия на общую систему облучения теплицы. На фиг.1 эта операция технологического процесса представлена в виде параллельного сдвига во времени оптимизированной кривой роста (кривая III) на время τ.
Процесс развития и режима облучения растений теплицы 1 отслеживают на растениях контрольной группы растений в зоне продуктивной биотехнологической натурной модели 7 с помощью средств измерения физиологических процессов развития растений 8 и средств измерения параметров облучения растений 9 в продуктивной биотехнологической натурной модели 7. Данные с этих средств измерения поступают на вторые и первые входы соответственно второго устройства сравнения 14, на третьи входы которого поступают заданные значения параметров с выходов второго устройства формирования программы роста 13.
Для обеспечения компенсации отклонений развития растений от оптимальной кривой роста, возникающих вследствие случайных внешних возмущений и систематических изменений погодно-климатических факторов как следствия календарного времени организуют замкнутый контур регулирования режима облучения для зон теплицы 1 и продуктивной биотехнологической натурной модели 7. В контур регулирования, помимо второго устройства формирования программы роста растений 13, входят: второе устройство сравнения 14, второе устройство управления режимом облучения растений 17, вторая система облучения растений 18. Принцип работы этого контура аналогичен принципу работы контура регулирования для оптимизационной биотехнологической натурной модели 2. Результат работы второго контура управления формированием урожая представлен кривой IV на фиг.1. Оптимизированную программу развития растений сохраняют в устройстве хранения программ роста растений 12 для дальнейшего использования. Таким образом, при каждом следующем цикле вегетации будет достигаться асимптотическое приближение процесса развития растений к оптимальному.
Выбор интервала времени между высадкой растений в грунт в оптимизационной биотехнологической натурной модели и в теплице производят исходя из следующих принципов, положенных в основу предлагаемого способа.
Во-первых, в предлагаемом способе управления формированием урожая используются следствия фундаментального закона развития растений, согласно которому жизненный цикл развития растений происходит в координатах «биологического», а не физического времени. Согласно исследованиям (Наумов М.М. Векторный характер биологического времени растений. Циркуляция биологического времени. // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. Вип.49, 2005, С.328-339) структура биологического времени циклически замкнута, то есть движение времени происходит по замкнутой траектории. Жизненный цикл растения повторяет постоянный возврат в «начало координат» своего организма при каждой вегетации. Развитие начинается с семени и заканчивается опять-таки семенем. Если физическое время имеет свойство движения равномерно слева направо, то движение биологического времени осуществляются по кругу.
Во-вторых, можно построить приближенную динамическую модель биологического времени. Считая, что весь онтогенез растения определен на оси биологического времени следующим образом: То≤Т≤Тс, где То - начальное значение биологического времени (состояние семени растения); Т - текущее значение биологического времени; Тс - момент завершения онтогенеза (фаза полного созревания), модель может быть описана следующим дифференциальным уравнением (2):
а
opt
где dT - дифференциал биологического времени; φ - обобщенный уровень интенсивности факторов внешней среды; dT - дифференциал биологического времени при оптимальных значениях факторов внешней среды.
После интегрирования уравнения (2) получим:
bio
где T - биологическое время полного цикла развития растения.
а
Из уравнения (3) следует, что при поддержании обобщенного уровня интенсивности факторов внешней среды φ=const или при изменении его по заранее заданному закону, можно получить постоянство биологического времени полного цикла развития растения в каждом следующем цикле воспроизводства. Кроме этого, из (3) вытекает еще одно важное следствие, заключающееся в том, что при обозначенных условиях и значения биологического времени для отдельных фаз развития растения также будут неизменными в каждом следующем вегетативном цикле воспроизводства растений.
Отсюда представляется возможным записать следующее выражение для произвольной фазы развития растений с учетом динамического подобия:
где Ti(n), Ti(n+k) - биологическое время для i-й фазы развития растения в n-м и (n+k)-м цикле воспроизводства, соответственно, k=1, 2, 3…; τ - временной сдвиг между циклами воспроизводства.
Из выражения (4) следует, что при произвольном временном сдвиге τ фазы развития растений на различных циклах воспроизводства будут полностью совпадать.
В заявляемом способе временной сдвиг между циклами воспроизводства τ представляет собой интервал между высадкой растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели и зонах теплицы и продуктивной биотехнологической натурной модели. Практические соображения выбора значения временного сдвига τ применительно к заявляемому способу заключаются в том, что интервал высадки не может быть слишком малым, так как за это время должны заметно проявиться факторы роста растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели и их чувствительность к изменению управляющих воздействий, что и позволяет производить оптимизацию. С другой стороны, интервал высадки не должен быть слишком большим, так как в этом случае ухудшается корреляционная связь между развитием растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели и теплице. Например, для различных сортов томата сроки созревания составляют 90…130 дней. Можно рекомендовать интервал между высадкой растений в оптимизационной биотехнологической натурной модели и на основной площади теплицы не более 10% от сроков созревания, что составляет 7…13 дней.