СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СВЕТО-ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ В ТЕПЛИЦЕ
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OF LIGHT-TEMPERATURE MODE IN GREENHOUSE

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам автоматического управления свето-температурным режимом в теплицах или других сооружениях защищенного грунта.
Известен способ оптимизации факторов среды обитания при выращивании растений [а.с.  СССР №456595, МПК 4 А01G 9/26. Способ оптимизации факторов внешней среды при выращивании растений, опубл. 1975, бюл. №2], в котором оптимизация фотосинтеза растений осуществляется с помощью регулирования облученности.
Этот способ оптимизации фотосинтеза и организации освещения в теплице содержит ряд недостатков:
1) оптимизируется лишь один параметр - освещенность без учета температуры;
2) способ реализуется с помощью очень громоздких измерительных приборов, которые удобны для изучения реакций растений на влияние факторов среды лишь на начальном этапе для определения требуемых математических моделей;
3) никак не оптимизируется длительность работы досвечивающей аппаратуры;
4) экстремальная система склонна к колебательным режимам работы, что плохо сказывается на функциональных свойствах аппаратуры.
Известен также способ управления световым режимом с помощью фитооблучателя, описанный в патенте РФ №2454066 [МПК 4 А01G 9/20. Светодиодный фитооблучатель, опубл. 27.06.2012, бюл. №18], позволяющий осуществлять импульсное включение и отключение фитооблучателя, система управления которого вынесена за пределы его корпуса. При этом способе компьютерный задатчик по программе на основе данных, полученных от датчика внешней освещенности, формирует управляющий сигнал и воздействует на группы светодиодов, корректируя интенсивность работы источника света в зависимости от внешнего освещения. Интенсивностью светового потока управляют при помощи включения и выключения необходимого количества светодиодов. Кроме того, компьютерный задатчик может формировать различные режимы управления светодиодами и при необходимости может реализовать режим импульсного включения источника света с управлением временем экспозиции и длительности темновых пауз, что позволяет снизить удельное энергопотребление.
Данный способ имеет несколько недостатков. Неизвестно, какова должна быть темновая пауза и каков световой интервал в импульсном режиме работы этого устройства; неизвестно, каким образом должна осуществляться функция управления температурой, поскольку управление светом предполагает и управление температурой, что приводит к значительному и необоснованному перерасходу как и электроэнергии, так и тепловой энергии.
Известен также способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице [патент РФ №2403705, МПК 4 А01G 9/26. Способ автоматического управления температурно-световым режимом в теплице; опубл. 20.11.2010, бюл. №32], выбранный за прототип, в котором весь период выращивания растений делится на равные промежутки времени, продолжительность которых меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения. В каждом из этих промежутков времени измеряют влажность воздуха внутри теплицы, определяют среднесуточную температуру предыдущей ночи и возраст растений. Далее по результатам измерений определяют и устанавливают многомерные оптимальные по критерию продуктивности дневную температуру воздуха внутри теплицы и освещенность по формулам, полученным из совместного решения системы уравнений, выведенных из уравнения продуктивности растений огурца сорта «Московский тепличный». Решение системы уравнений матричным способом позволяет определить многомерные оптимальные параметры температуры и освещенности. Причем оптимальную освещенность поддерживают постоянной в течение заданной длительности фотопериода. При этом вычисленные матричным способом многомерные значения оптимальных параметров температуры воздуха в теплице и освещенности не зависят друг от друга, что позволяет управлять параметрами температуры и освещенности автономно, не вводя их предварительно в компьютерный задатчик, как в случае определения одномерных параметров.
Однако данный способ не позволяет полностью решить актуальную задачу снижения энергозатрат на производство овощей защищенного грунта, так как этот способ требует обеспечения растений теплицы дополнительным искусственным освещением с помощью большого количества облучателей, функционирование которых потребует больших затрат энергии, и при этом не определена длительность включения этих облучателей.
Задачей изобретения является повышение точности поддержания температуры и освещенности в культивационном помещении, а также повышение коэффициента полезного действия (КПД) механизма фотосинтеза растений за счет согласования таких факторов среды, как температура и освещенность, а также согласование длительности работы осветительной аппаратуры и периодичности ее включения в режим досвечивания, что создает тем самым импульсный режим. В результате будет повышена продуктивность тепличных культур, сокращен период вегетации растений до начала массового плодоношения, и тем самым получена экономия тепловой энергии, кроме того, снизятся затраты на электроэнергию для досвечивающей аппаратуры.
Задача решается тем, что в предлагаемом способе автоматического управления свето-температурным режимом в теплице, включающем разбиение вегетационного периода растений на равные промежутки времени, измерение для каждого промежутка времени влажности воздуха, температуры воздуха и освещенности в теплице с получением сигналов от датчиков влажности воздуха, температуры и освещенности соответственно, измерение возраста растений с получением сигнала от счетчика возраста растений и счетчика, отмеряющего длительность заданного фотопериода, при этом эти данные поступают в компьютерный задатчик, который вычисляет среднее значение температуры предыдущей ночи в наступающее дневное время, а затем вычисляет и устанавливает оптимальные свето-температурные параметры воздуха внутри теплицы, такие как оптимальную многомерную и одномерную температуру дня и поддерживает одну из них постоянной в зависимости от сложившихся условий в течение всего промежутка времени, а также оптимальную многомерную и одномерную освещенность, и поддерживает одну из них с помощью досвечивающей аппаратуры, включенной на заданный агротехником фотопериод, в отличие от прототипа по окончании дневного периода вычисляют среднеарифметическую температуру дня и измеряют датчиком текущее значение суммарной суточной радиации, полученной от солнечного излучения и от осветителей, работающих в импульсном режиме, для дальнейшего сравнения его в течение дня со значением, вычисленным компьютерным задатчиком и обеспеченным досвечивающей аппаратурой многомерной оптимальной суммарной радиацией, по формуле
∑M
1
∑
2
∑
3
2
4
Q=Кτ+КE+Кτ+К,
∑
где τ - суммарная длительность фотопериода или длительность работы световой аппаратуры за время всех световых экспликаций, ч;
∑
Е - суммарная освещенность теплицы, складывающаяся из естественной освещенности от солнца и освещенности от досвечивающей аппаратуры, текущее значение которой измеряется датчиком, клк;
2
τ - возраст растений, сут;
1
4
К÷К - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности суммарного фотосинтеза, вычисляемые по формулам:
где Δ - матрица, основная (3×3), равная
,
11
21
31
где Δ, Δ, Δ - матрицы второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:
;;;
1
2
где в, в… и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально.
Далее нужно определить и установить многомерное оптимальное по критерию продуктивности время световой экспликации для работы досвечивающей аппаратуры по формуле
ПСМ
1
∑
2
∑
3
2
4
τ=Fτ+FE+Fτ+F,
∑
где τ - суммарная длительность фотопериода или длительность работы досвечивающей аппаратуры за время всех экспликаций, час;
∑
Е - суммарная освещенность теплицы, складывающаяся из естественной освещенности от солнца и освещенности досвечивающей аппаратуры, текущее значение которой измеряется датчиком, клк;
2
τ - возраст растений, сут;
1
4
F÷F - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности суммарного фотосинтеза, вычисляемые по формулам:
12
22
32
где Δ, Δ, Δ, Δ - матрицы, основная (3×3) и второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:
;;;
1
2
где в, в … и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально.
На следующем этапе определяют и устанавливают многомерную оптимальную по критерию продуктивности темновую паузу в работе досвечивающей аппаратуры для активизации фотосинтетического аппарата растений по формуле
ПТМ
1
∑
2
∑
3
2
4
τ=Sτ+SE+Sτ+S,
∑
где τ - суммарная длительность фотопериода или длительность работы световой аппаратуры за время всех экспликаций, ч;
∑
E - суммарная освещенность теплицы, складывающаяся из естественной освещенности от солнца и освещенности досвечивающей аппаратуры, текущее значение которой измеряется датчиком, клк;
2
τ - возраст растений, сут.;
1
4
S÷S - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности суммарного фотосинтеза, вычисляемые по формулам:
13
23
33
где Δ, Δ, Δ, Δ - матрицы, основная (3×3) и второстепенные (2×2), составленные из коэффициентов суммарной интенсивности фотосинтеза следующим образом:
;;;
1
2
в, в … и т.д. - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые экспериментально.
При этом оптимальную освещенность поддерживают постоянной в течение вычисленной оптимальной световой экспликации посредством досвечивающей аппаратуры, которая прерывается сигналом от компьютерного задатчика, выключающим досвечивающую аппаратуру на период вычисленной темновой паузы, после окончания которой и после обработки сигналов датчиков наступает новая световая экспликация, это продолжается до тех пор, пока не окончится заданный агротехником суммарный фотопериод, который складывается из световых отрезков, или по достижении вычисленного компьютерным задатчиком многомерной суммарной радиации, после чего наступает ночной период, при котором в теплице устанавливается одномерная оптимальная ночная температура, вычисленная компьютерным задатчиком по формуле
1С
где E - среднеарифметическая освещенность предыдущего дня, клк;
1С
T - среднеарифметическая температура предыдущего дня, °C;
1
τ - заданная оператором-техником длительность фотопериода (или досвечивания), час;
2
τ - возраст растения, сутки;
2
φ - текущее значение влажности воздуха в теплице ночью, %;
3
13
23
3
13
23
33
34
35
36
а, а, а и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза: а=0,659; а=-0,003; a=0,0014; а=-0,018; а=-0,012; а=-0,002; а=0,006.
Кроме того, способ автоматического управления свето-температурным режимом в теплице позволяет, в случае если темновая пауза в работе досвечивающей аппаратуры будет иметь длительность один час и более, устанавливать в теплице одномерную оптимальную ночную температуру, вычисленную компьютерным задатчиком в промежутках между световыми экспликациями, при этом система обогрева должна будет изменять температуру в теплице постепенно, а перед наступлением начала световой экспликации также постепенно устанавливать вычисленную компьютерным задатчиком многомерную оптимальную температуру воздуха.
Предыдущие исследования, проведенные в институте биологии в Карелии [Попова С.А. Энергосберегающая система автоматического управления температурным режимом в теплице: Дис. к.т.н - ЧГАУ, 1995], показали, что при максимальной освещенности растений в 30 клк максимум фотосинтеза достигается уже через 2 часа, а через 6 часов снижается почти в два, а иногда и в три раза. Именно на этих данных основано утверждение, что следует весь период фотосинтеза разбить на свето-темновые интервалы, длительность которых целесообразно определять с помощью вычислителей по измеряемым показателям фотосинтеза отдельного растения в различные фазы и при различных условиях жизни.
2
Для этих целей подойдет, например, газоанализатор «Инфралит-1» или камера-«клипса» для одного листа растения, размещенного в непосредственной близости от осветительного прибора. Эксперимент следует проводить для различного уровня освещенности в пределах от 10 до 35 клк. Периодически, включая и отключая осветители при различных уровнях освещенности, фиксируют при какой длительности темновой паузы и какой длительности светового интервала (экспликации) будет максимальным параметр поглощения СО для организации фотосинтеза растения. Свето-температурный режим при этом следует выдерживать оптимальным, т.е. освещенность, температура дня и ночи должны быть оптимальными для жизнедеятельности растений. Проведенные с использованием методик планирования эксперимента исследования позволят получить такие же успешные результаты, какие были получены и использованы в математической модели огурца сорта «Московский тепличный», в Карельском институте биологии.
∑
∑
Данные о проведенных исследованиях должны обрабатываться, а результаты помещаться в вычислительный блок, который и будет формировать впоследствии задания для работы осветительной аппаратуры. Кроме того, в компьютерный задатчик заносят данные о суммарной радиации Q, которую должно получить растение за сутки для своего успешного роста. Осветительная аппаратура отключится на ночной период после достижения оптимального значения параметра Q в течение дня.
Для оптимизации роста растений температура ночного периода также должна поддерживаться на уровне значений, определенных по модели фотосинтеза Ф, с помощью компьютерного задатчика. При этом
1
где t - текущее значение дневной температуры в культивационном помещении, °С;
1
E - текущее значение освещенности;
2
Т - среднеарифметическое значение температуры предыдущей ночи, °C;
2
τ - возраст растения, сутки;
1
φ - текущее значение влажности воздуха в теплице, %;
1
τ - длительность фотопериода (длительность действия светового фактора), ч;
0
а и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза.
22O
Эта температура должна быть получена путем дифференцирования математической модели фотосинтеза Ф и в дальнейшем будет считаться одномерной оптимальной t. Таким образом, имеем уравнение
из которого следует, что
1C
где E - среднеарифметическая освещенность предыдущего дня, клк;
1C
T - среднеарифметическая температура предыдущего дня, °C;
1
τ - заданная оператором-техником длительность фотопериода (или досвечивания), час;
2
τ - возраст растения, сутки;
2
φ - текущее значение влажности воздуха в теплице ночью, %.
3
13
23
а, a, а и т.д. - коэффициенты математической модели интенсивности фотосинтеза из таблицы:
В результате проведенных экспериментов с осветительной аппаратурой должна быть выведена математическая модель следующего вида
∑
1
2
2
где Ф - суммарное значение интенсивности фотосинтеза за световой период τ, спецаппаратурой, (мг СO)/сут·м;
∑
1
2
Q - суммарная суточная радиация для оптимального фотосинтеза, складывающаяся на отдельных отрезках времени за период τ, от искусственного и от естественного освещения, измеряется спецаппаратурой, Вт/м;
ПС
τ - пауза световая, временной интервал действия досвечивающей аппаратуры (экспликация), ч;
ПТ
ест
21М
τ - пауза темновая, временной интервал темновой фазы (отдых растений), при Е>Е не учитывается как пауза, ч;
∑
τ - суммарная длительность фотопериода или длительность работы досвечивающей аппаратуры за время всех световых экспликаций, ч;
∑
Е - суммарная освещенность теплицы, складывающаяся из естественной освещенности от солнца и освещенности от облучателей, текущее значение, измеряется датчиком, клк;
2
τ - возраст растений, сут;
0
1
66
в, в, … в - коэффициенты регрессии суммарной интенсивности фотосинтеза, определяемые математически после обработки экспериментальных данных.
∑
ПС
ПТ
∑
Продифференцировав модель Ф (4) по переменным τ, τ, Q, получаем системы уравнений (5 и 6):
по которым можно определить оптимальные многомерные параметры работы досвечивающей аппаратуры:
∑М
2
где Q - многомерная оптимальная суммарная радиация, Вт/м;
ПСМ
τ - многомерная оптимальная длительность световой экспликации (пауза света), длительность работы облучателей, ч;
ПТМ
τ - многомерная оптимальная пауза темноты, промежуток времени отключенного состояния облучателей между световыми экспликациями, ч;
1
4
1
4
1
4
K÷К, F÷F, S÷S - многомерные приведенные коэффициенты интенсивности суммарного фотосинтеза, получаемые из соотношений, содержащих матрицы различного типа, составленных из коэффициентов регрессии уравнения (4) вычисляемые по уравнениям из нижеприведенной таблице.
11
ij
где Δ, Δ … Δ - матрица основная (3×3) и второстепенные матрицы (2×2), вырезанные из основной и составленные из коэффициентов уравнения (4).
Так, основная матрица Δ (3 строки и 3 столбца) будет иметь следующий вид
11
Вырезанная из Δ матрица Δ будет равна оставшейся после откидывания первой строки и первого столбца, поэтому название у матрицы одиннадцать, например:
ij
∑M
ПСМ
ПТМ
Все прочие матрицы Δ составляются аналогично, при этом номер i соответствует номеру строки, а номер j соответствует номеру столбца, отброшенным из матрицы Δ. Остальные столбцы и строки входят в новую матрицу (2×2). Решают матрицы по правилам математики [Пискунов В.И. Курс математического анализа. М., Наука, 1976], и получают многомерные оптимальные значения суммарной радиации Q, световых экспликаций для досвечивающей аппаратуры τ, интервалов темновой паузы τ.
На сегодняшний момент времени существуют специальные программы для решения сложных математических выражений.
1
Σ
ест
21М
В случае с периодом фотосинтеза τ поступают, как и в патенте №2403705, его просто задают, так как математически период фотосинтеза сильно коррелирует с уровнем освещенности и получить максимум Ф по этому параметру нет возможности. Количественно оптимум не определен, но по экспериментальным исследованиям выявлено, что в течение слишком длинного фотопериода растение постепенно снижает интенсивность фотосинтеза, поэтому будем считать оптимальным 12 часов непрерывного светового периода, отсюда название параметра τ - суммарный фотопериод, он складывается из отрезков работы досвечивающей аппаратуры и солнечного облучения при условии, что Е>Е.
∑
Суммарная освещенность E также может меняться, так как в дневной период к искусственному освещению добавляется естественное, и поэтому изменение этого параметра будет изменять длительность пауз в работе осветительной аппаратуры.
Σ
Σ
Кроме того, изменение длительности суммарного фотопериода τ может изменить величину суточной суммарной радиации Q, полученной за световые периоды от солнца и искусственных источников излучения.
21М
21М
Способ осуществляется следующим образом. В компьютерный задатчик, который должен вырабатывать для системы автоматического управления (САУ) задание оптимальных по критерию продуктивности значений температуры воздуха в теплице и освещенности, поступают сигналы от датчиков температуры, освещенности, влажности воздуха в теплице и счетчика возраста растений, а также данные о длительности работы досвечивающей аппаратуры (задаются агротехником). Среднее значение ночной температуры компьютерный задатчик вычисляет после окончания ночи. Далее компьютерный задатчик по формулам из прототипа рассчитывает многомерные оптимальные по продуктивности значения температуры τ и освещенности Е, которые сравниваются с показаниями датчиков температуры и освещенности.
1
1
21M
21М
210
210
Последующие вычислительные операции происходят при изменении какого-либо параметра, входящего в уравнения, например при изменении влажности или возраста растений, которые фиксируются датчиком влажности и счетчиком возраста растений. Расчет оптимальных значений производится на промежуток времени, длительность которого на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения (например, 0,1 мин). Если один из управляемых параметров (текущие значения температуры t или освещенности Е) по величине превысит значения многомерных оптимальных величин t или Е, то в этом случае вычисляются одномерные оптимальные по критерию продуктивности значения температуры внутри теплицы t и освещенности Е формулам из прототипа. По специальному алгоритму компьютерный задатчик осуществляет переход на управление температурно-световым режимом по формулам из прототипа, которые содержат параметр текущего значения вышедшего из-под контроля САУ фактора температурно-светового режима. Сам фактор фиксируется в неизменном состоянии в данном промежутке времени.
Что касается досвечивающей аппаратуры, то для применения предлагаемого способа более всего подходит или светодиодные фитооблучатели, или плазменные лампы, которые производит фирма LG.
∑М
ПСМ
ПТМ
21М
∑М
1
ПСМ
ПТМ
∑M
1,
∑M
220
Кроме того, компьютерный задатчик после сравнения двух значений измеренной естественной освещенности и вычисленной по формуле из прототипа начинает вычислять значения многомерных параметров работы осветительного оборудования Q, τ, τ по формулам (7, 8, 9), если естественная освещенность ниже рассчитанной Е. При этом вычисленный параметр Q (суммарная суточная активная радиация) укажет, какую оптимальную для фотосинтеза радиацию должны получить растения за период τ (задается агрономом) работы досвечивающей аппаратуры. Параметры τ и τ укажут, на какое время будут периодически включаться и выключаться лампы досвечивающей аппаратуры, чтобы активизировать сам процесс фотосинтеза, ведь кванты света именно в темноте наилучшим образом включаются в обмен веществ растений. При этом будет присутствовать еще и естественная освещенность, но в зимний период ее недостаточно для фотосинтеза, и поэтому даже понижение уровня облученности на какое-то время даст возможность растениям снять давление света на фотосинтетический аппарат. После получения полной дозы Q растениями досвечивающую аппаратуру можно отключить даже до истечения срока τ так как Q будет тем самым оптимальным значением, превышать которое не имеет смысла, иначе произойдет необоснованный перерасход энергии. Ночью температура воздуха будет ниже дневной, но ненамного, ее также предварительно вычисляет компьютерный задатчик по формуле (3) и по результатам данных, собранных компьютерным задатчиком за дневной период, но она будет уже одномерным оптимальным параметром t.
ПТМ
ест
220
ПСМ
21М
Если вычисленное компьютерным задатчиком значение темновой паузы τ превышает по времени один час, а Е<4-5 клк, то возникает необходимость перейти на обогрев теплицы по уравнению t и в момент темнового интервала постепенно снижать на несколько градусов температуру воздуха, что позволяет экономить предприятию киловатты мощностей системы обогрева. При этом активный фотосинтез растений не пострадает. Когда время темновой паузы будет заканчиваться, перед включением досвечивающей аппаратуры на определенный компьютерным задатчиком интервал, равный τ, температура воздуха должна быть постепенно возвращена системой к значению τ (оптимальной для дня).
Таким образом, работая циклично два канала управления теплом и светом будут обеспечивать экономию и тепловой, и электрической энергии, поддерживая между тем высокий уровень фотосинтеза растений.
Применение изложенного способа автоматического управления свето-температурный режимом в теплице значительно повышает эффективность использования растениями световой энергии солнца и мощностей досвечивающей аппаратуры. Кроме того, способ позволяет сократить длительность периода вегетации растений до начала плодоношения, что важно для культивации светокультуры в зимних условиях, увеличить продуктивность самих растений, а также повысить товарные качества плодов и содержание в них сахаров и витаминов. Предложенный способ позволяет обеспечить автономность регулирования температуры внутри теплицы и работы досвечивающей аппаратуры независимо друг от друга, хотя при этом сохраняется их взаимное влияние на жизнедеятельность и продуктивность растений. Он позволяет максимально интенсифицировать процесс фотосинтеза растений за счет эффективного использования световых и темновых пауз в работе досвечивающей аппаратуры, а также экономить потребляемую электроэнергию.