СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ В ТЕПЛИЦЕ
METHOD OF AUTOMATIC TEMPERATURE CONTROL IN GREENHOUSE

Изобретение относится к сельскохозяйственной технике, а именно к способам управления температурным режимом теплицы.
7
Известен способ регулирования факторов внешней среды при выращивании растений (RU 2233577 С1, МПКA01G 7/00, 2004). Способ включает в себя автоматическое изменение факторов окружающей среды в зависимости от фотосинтетической продуктивности растений и от накопления основных фотосинтезирующих пигментов. При достижении максимума в дневном ходе фотосинтеза уровни факторов внешней среды изменяют до оптимальных величин из условия обеспечения наибольшего накопления основных фотосинтезирующих пигментов. После этого уровни факторов внешней среды изменяют из условия обеспечения максимальной фотосинтетической продуктивности растений.
Этот способ имеет следующие недостатки:
- применение способа в тепличном производстве невозможно (или крайне невыгодно), т.к. не существует на сегодняшний день датчиков, способных определять как фотосинтетическую продуктивность, так и концентрацию фотосинтезирующих пигментов в промышленных условиях;
- способ предполагается использовать в системах экстремального регулирования, которые отличаются высокими энергозатратами в процессе эксплуатации, т.к. все время находятся в поиске оптимальных параметров.
Известен способ оптимизации факторов внешней среды при выращивании растений (А.с. СССР №456595, МПК A01G 7/00, 1975), который включает автоматическое регулирование факторов в соответствии с потребностями растений. Данный способ отличается тем, что с целью интенсификации фотосинтеза факторы внешней среды непрерывно изменяют в соответствии с изменяющейся во времени максимальной точкой критерия оптимальности фотосинтетической продуктивности растений в n-мерном пространстве регулируемых факторов.
Данный способ, также как и в предыдущем случае, имеет недостаток, связанный с высокими затратами энергии в процессе работы системы, использующей такой способ.
7
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ автоматического управления температурным режимом теплицы (RU 2049380 С1, МПК A01G 9/26, 1995). Сущность способа заключается в том, что повышается точность оптимизации температурного режима и исключается работа при температурах, меньше допускаемой. Для этого дополнительно определяют возраст растения, продолжительность фотопериода, влажность воздуха в теплице, а также относительное время дня или ночи. Уточняют в соответствии с этими измерениями оптимальную по продуктивности температуру, а оптимальную по энергоемкости температуру сравнивают с минимально допустимой. Если оптимальная температура больше допустимой, то устанавливается оптимальная температура, а если оптимальная температура меньше допустимой, то устанавливается допустимая температура. Но если температура достигает по времени предельной продолжительности стояния, то устанавливается температура, оптимальная по продуктивности.
Предложенный способ имеет следующие недостатки:
1. Оптимальная по продуктивности (а также и по энергоемкости) температура уточняется в соответствии с относительным временем дня или ночи, однако коэффициенты модели фотосинтеза, связанные с относительным временем, равны нулю, поэтому фотосинтез, как и оптимальная температура, не зависят от относительного времени суток.
2. Отсутствует подробный алгоритм расчета относительного времени суток, т.к. нет информации о том, как определяется время захода и восхода солнца, через которые находится продолжительность фотопериода.
3. В рассматриваемом способе наряду с дневной температурой воздуха предлагается оптимизировать также и ночную, но если оптимизация дневной температуры основана на показателе интенсивности фотосинтеза (модель фотосинтеза), который косвенно соответствует продуктивности, то ночная температура основана на интенсивности дыхания, роль которого в жизнедеятельности растений до конца не выяснена, по крайней мере ее связь с продуктивностью.
4. В изобретении не учитывается тот факт, что среднесуточная температура воздуха влияет на скорость развития растений, что является важным фактором, способствующим поступлению тепличной продукции в требуемые сроки.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение необходимой скорости развития растений при одновременной интенсификации фотосинтеза.
Поставленная цель достигается путем использования комбинированного способа автоматического управления температурным режимом теплицы. В этом способе время выращивания растений в теплице разбивается на отдельные промежутки времени; в каждом из них измеряется освещенность, влажность воздуха внутри теплицы, возраст растений, продолжительность фотопериода, относительное времени дня; определяется по результатам измерений оптимальная по продуктивности температура; изменяется в соответствии с этой температурой уставка задатчика; проводится корректировка оптимальной по продуктивности температуры на соответствие допустимым значениям. При этом до разбиения времени выращивания растений в теплице выбирают необходимую скорость развития растений и соответствующую ей среднесуточную температуру; в каждом промежутке времени определяют время суток: день или ночь; если система определила дневное время, то дополнительно рассчитывается средняя за прошедшую ночь температура и с ее учетом находится оптимальная по продуктивности температура; если система определила ночное время, то рассчитывается средняя температура за прошедший день и рассчитывается ночная температура по следующей формуле:
ночн.
cp
1
1
1
T=(24·T-T·τ)/(24-τ),
ночн.
где Т - ночная температура, °С;
ср
Т - среднесуточная температура, соответствующая необходимой скорости роста растений, °С;
1
τ - продолжительность фотопериода, ч;
1
T - средняя температура за прошедший день, °С;
24 - количество часов в одних сутках, ч.
Расчетное значение ночной температуры проверяется на соответствие допустимым значениям: если расчетная ночная температура больше максимально допустимой ночной температуры, то устанавливается максимально допустимая ночная температура, если расчетная ночная температура меньше минимально допустимой ночной температуры, то устанавливается минимально допустимая ночная температура, если ночная температура попадает в требуемый диапазон, то устанавливается эта температура.
В результате проведенного патентного поиска отличительные признаки способа автоматического управления температурным режимом в теплице автором не выявлены и не следуют явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Способ осуществляется следующим образом.
Время роста и развития растений в теплице делится на равные промежутки времени. Их продолжительность зависит от постоянной времени самого быстродействующего возмущения или от инерционности системы обогрева теплицы. Кроме этого выбирается необходимый уровень скорости развития растений и соответствующая ему среднесуточная температура. В начале каждого такого промежутка времени определяется дневное или ночное время суток. Это можно сделать с помощью датчика освещенности: если его показание больше 0 - то дневное время суток, если равно нулю - то ночное. Далее если система определила дневное время, то происходит чтение показаний датчиков параметров микроклимата, влияющих на интенсивность фотосинтеза, освещенности, влажности воздуха, средней температуры за прошедшую ночь, а также расчет прочих факторов, влияющих на фотосинтез, таких как возраст растений, продолжительность светового дня (фотопериода), относительное время дня. Фотопериод рассчитывается по формуле
1
зах
восх
τ= τ-τ,
1
где τ - продолжительность фотопериода, ч;
зах
τ - время захода солнца, ч;
восх
τ - время восхода солнца, ч.
Время восхода и захода солнца можно определить по выражению для высоты стояния солнца
где λ - географическая широта теплицы;
δ - склонение солнца относительно экватора;
τ* - текущее время, меняется от 0 до 24 часов, ч;
D* - порядковый номер дня года, начиная с 1-го января.
i
i-1
i+1
i
восх
j
j-1
j+1
j
зах
Если высота стояния солнца в текущий i-й момент времени равна нулю, т.е. H(τ*)=0 и при этом в предыдущий (i-1)-й и последующий (i+1)-й моменты времени она соответственно меньше и больше нуля, т.е. Н(τ*)<0, H(τ*)>0, то τ*=τ - время восхода, аналогично если Н(τ*)=0 и Н(τ*)>0, H(τ*)<0, то τ*= τ - время захода солнца.
Если же используются лампы досвечивания, то продолжительность светового дня определяется как разность между временем их включения и отключения.
Относительное время дня τ определяется по выражению
восх
1
τ=(τ*+24·n-τ)/ττ,
где n - количество переходов через 24.00 (00.00) в течение соответствующего периода;
τ* - текущее время, ч;
восх
τ - время восхода солнца (или включения искусственного облучения), ч;
1
τ - продолжительность фотопериода, ч.
После этого находится температура, обеспечивающая максимальный фотосинтез для текущих значений переменных по следующей формуле:
где е - освещенность, клк;
φ - влажность воздуха, %;
2
T - средняя за прошедшую ночь температура,°С;
2
τ - возраст растений, сут.;
1
τ - продолжительность фотопериода, ч;
τ - относительное время дня, отн. ед.;
2
9
15
16
17
18
19
20
а, а, a, а, а, a, а, а - коэффициенты динамической модели фотосинтеза растений огурца сорта Московский тепличный, общий вид которой представлен ниже.
0
1
2
3
2
4
1
5
2
6
7
8
9
10
2
11
1
2
Ф=a+ae+at+aT+aτ+aτ+aφ+aτ+ae+aeT+aeT+aeτ+
12
2
13
14
15
16
2
17
1
18
2
19
20
21
2
2
2
aeτ+aeφ+aeτ+at+atT+atτ+atτ+atφ+atτ+aT +
22
2
1
23
2
2
24
2
25
2
26
1
27
1
2
28
1
29
1
30
2
2
2
aTτ+aTτ+aTφ+aTφ+aτ +aττ+aτφ+aττ+aτ +
31
2
32
2
33
34
35
2
2
aτφ+aττ+aφ+aφτ+aτ,
0
35
значения коэффициентов модели (а-а) представлены в таблице.
Коэффициент
Числовое значение
Коэффициент
Числовое значение
а<sub>0</sub>
-25.974
а<sub>18</sub>
6.438·10<sup>-4</sup>
а<sub>1</sub>
0.533
а<sub>19</sub>
3.678·10<sup>-3</sup>
a<sub>2</sub>
0.433
а<sub>20</sub>
0.221
а<sub>3</sub>
1.044
а<sub>21</sub>
-0.019
а<sub>4</sub>
1.071
а<sub>22</sub>
-3.554·10<sup>-3</sup>
a<sub>5</sub>
0.962
а<sub>23</sub>
2.076·10<sup>-3</sup>
а<sub>6</sub>
-0.099
а<sub>24</sub>
-1.111·10<sup>-3</sup>
а<sub>7</sub>
-9.086
а<sub>25</sub>
-0.131
a<sub>8</sub>
-4.465·10<sup>-3</sup>
а<sub>26</sub>
-0.018
а<sub>9</sub>
5.291·10<sup>-3</sup>
а<sub>27</sub>
0.014
а<sub>10</sub>
1.437·10<sup>-3</sup>
а<sub>28</sub>
-5.861·10<sup>-3</sup>
а<sub>11</sub>
-5.84·10<sup>-3</sup>
а<sub>29</sub>
-0.374
a<sub>12</sub>
-5.518·10<sup>-3</sup>
а<sub>30</sub>
-0.012
a<sub>13</sub>
-1.041·10<sup>-4</sup>
а<sub>31</sub>
-0.01
a<sub>14</sub>
-0.154
а<sub>32</sub>
-0.031
a<sub>15</sub>
-0.018
а<sub>33</sub>
1.625·10<sup>-3</sup>
a<sub>16</sub>
5.609·10<sup>-4</sup>
а<sub>34</sub>
0.221
a<sub>17</sub>
-4.043·10<sup>-3</sup>
а<sub>35</sub>
-2.707
опт.дн.прод.
опт.дн.прод
опт.дн.прод.
В случае, если Т меньше или больше допустимой температуры (нижний или верхний предел соответственно), то устанавливается допустимая температура, если Т. укладывается в диапазон - то устанавливается Т.
Если же система определила ночное время, то рассчитывается средняя температура за прошедший день и, далее, ночная температура определяется по следующей формуле:
ночн.
cp
1
1
1
T=(24·T-T·τ)/(24-τ),
ночн.
где Т - ночная температура, °С;
1
Т - средняя температура за прошедший день, °С;
cp
T - среднесуточная температура, соответствующая необходимой скорости роста растений, °С;
ночн.
ночн.
Аналогично дневной температуре, если Т меньше или больше допустимой температуры (нижний или верхний предел соответственно), то устанавливается также допустимая температура, если Т укладывается в диапазон - то она же и устанавливается.
Способ может быть реализован с помощью любой системы автоматического управления температурным режимом теплицы (или микроклимата теплицы), удовлетворяющей следующим требованиям:
- система построена на основе программируемого логического контроллера;
- в состав системы входят датчики, измеряющие параметры микроклимата, влияющие на фотосинтез (освещенности и влажности воздуха в теплице);
- система позволяет изменять устанавливаемую (поддерживаемую) в теплице температуру воздуха;
- необходимо устройство регистрации дневной температуры.
воз.тепл.
В этом случае (т.е. если система удовлетворяет требованиям) способ может быть реализован в виде программного кода, написанного с использованием блок-схемы (фиг.1 и фиг.2), в которой дополнительно используются следующие обозначения: D - количество дней, прошедшее с начала включения системы в работу (начальное значение равно 0), сут.; Т - устанавливаемая температура воздуха в теплице, °С.
Устройством, реализующим предлагаемый способ, может быть программируемый логический контроллер, входящий в состав системы автоматического управления, или персональный компьютер, работающий под управлением операционной системы Windows (технология ОРС). В последнем случае дополнительно требуется специализированное программное обеспечение: ОРС сервер (поставляется производителем контроллера) и ОРС клиент (программа, реализующая предлагаемый способ).
Примеры реализации способа (с использованием переменных блок-схемы).
cp
max_d
min_d
max_n
min
n
i
j
i
j
0
2_ini
1. Пусть введены следующие постоянные: T=22°С, T=30°С, T=20°С, T=20°С, T_=15°С, ΔD1=21 день, ΔD2=7 дней, τ*1=6 часов, τ*1=24 часа, τ*2=6 часов, τ*2=22 часа, D=10 суток, τ=5 суток, λ=55°;
и переменные имеют следующие значения: D=15 суток, τ*=13.5 часа, е=14 клк, T2=18°С, φ=75%;
1
2
опт.дн.прод.
воз.тепл.
-3
-4
-3
-4
-3
тогда τ=24-6=18 часов, τ=(13.5+24·0-6)/18=0.42, τ=15+5=20 суток, Т=-(0.433+5.291·10·14+5.609·10·18-4.043·10·18+6.438·10·20+3.678·10·75+0.221·0.42)/2·(-0.018)=22.9°С; т.к. 20<22.9<30, то T=22.9°С.
cp
max_d
min_d
max_n
min_n
i
j
i
j
0
2_ini
2. Пусть введены следующие постоянные: T=22°С, T=30°С, T=20°С, T=20°С, T=15°С, ΔD1=21 день, ΔD2=7 дней, τ*1=6 часов, τ*1=24 часа, τ*2=6 часов, τ*2=22 часа, D=13 суток, τ=5 суток, λ=55°;
и переменные имеют следующие значения: D=35 суток, τ*=3.5 часа, е=0 клк, Т1=25°С, φ=75%;
0
i
восх
j
зах
1
зах
восх
ночн.
тогда D*=D+D=48 суток, δ=-arcsin[sin(2·π·23.45/360)·cos(2π·48/365)]=-0.273 рад, Н(7.6)=sin(55)·sin(-0.273)+cos(55)·cos(-0.273)·cos(π·(12-7.6)/12)=0.0038≈0, Н(7)=-0.078<0, Н(8)=0.055>0, таким образом τ* = τ = 7.6 ч, аналогично Н(16.4)=0.0038≈0, Н(16)=0.055>0, Н(17)=-0.078<0, таким образом, τ*=τ=16.4 ч, τ=τ-τ=16.4-7.6=8.8 ч, T=(24·22-25·8.8)/(24-8.8)=20.3°С;
воз.тепл.
т.к. 20<20.3, то T=20°С.
Технико-экономический эффект достигается за счет повышения точности планирования времени начала плодоношения растений, с одной стороны, и обеспечения хорошо развитых и сильных растений к этому моменту путем интенсификации фотосинтеза, с другой.