Система оптимизации технологических режимов выращивания растений в теплицах

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51) 4 А О б 9 26 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1 де ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СИСТЕМА ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ВЫРА 1 ЦИВАНИЯ РАСТЕНИИ В ТЕПЛИЦАХ(57) Изобретение относится к сельскому хозяйству. Цель изобретения - повышение продуктивности тепличных сельскохозяйственных культур за счет повышения точности оптимизации технологических режимов их выращивания. Система оптимизации технологических режимов выращивания растений со,ЯО 1371569 А 1 ржит теплицу (Т) 1, оптимизационную камеру (ОК) 2, устройства 3 и 4 регулирования технологических параметров Т 1 и ОК 2, блок 5 критерия физиологического состояния растений, блок 6 оптимизации. Датчики 7 неоптимизируемых параметров контролируют степень полива, освещенность растений, количество и состав вносимого минерального питания. Условно все параметры делят на оптимизируемые и неоптимизируемые. Это деление зависит от вида культуры и особенностей системы регулирования. Основные принципы управления данной системой состоят в постоянном поддержании в ОК 2 всех важных для развития растений параметров, близких к соответствующим параметрам в Т 1, проведении автоматической оптимизации основных из этих параметров для растений в ОК 2 и по мере ее проведения установлении найденных значений параметров в Т 1. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.1Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к средствам автоматизации сельскохозяйственного производства, и может быть использовано для оптимизации программы изменения заданий устройствам регулирования условий среды при выращивании сельскохозяйственных культур в условиях защищенного грунта.Цель изобретения - повышение продуктивности тепличных сельскохозяйственных культур за счет повышении точности оп тимизации технологических режимов их выращивания.Нз фиг. 1 изображена блок. схема системы оптимизации; ца фиг. 2 блок.схема настраиваемого задатчика функции времени; на фиг. 3 - блок-схема настраи нас мого устройства масштабирования.Системз оптимизации технологических режимов выращивания растений в теплицах содержит теплицу 1, оптимизационную камеру 2 1 фитотрон), устройства 3 и 4 ре глировдния технологических параметров теплицы и оптимиздционной камеры, блок 5 критерия физиологического состояния рассний, блок 6 оптимизации, датчики 7 неопгимизируемых параметров, датчик 8, фильтрпервый 1 О и второй 11 настраиваемые 25 здлдтчики функции времени, первый2 и второй 13 зздатчики функции, настраиземос устройство 14 масштабирования, .л;и ик 15, блок 16 рассогласования, ц рцый, второй и третий сумматоры 7 19.Блок-схсма настраиваемого задатчикд функции врсмсни (фиг. 2) содержит блок 20 цоспроизвслсция функции, накапливающий сумматор 21, первый 22 и второй 23 пардмстриздторы функции, первый 24 и второй 25 нхолы, длатчик 26 времени, блок 27 масштабирования, здлатчик 28, блок 29 синхронизации и выход 30.Изображенная ца фиг. 3 блок-схема цдстрдивземого устройства масштабированияця содержит первый 31 и второй 32 блоки множения, интегратор 33, блок 34 40 мдсчцтдбировдция, заддтчик 35, накапливающий л ммдтор 36, блок 37 синхронизации, ларчик 38 времени, первый 39, второй 40 и рстий 41 входы и выход 42.Обгций принцип, который лежит в основе управления работой системы, состоит в том, 45 чгобы, постоянно поддерживая в оптимиззцциной камере значения всех важных лля развития растений параметров близкими к значениям соответствукщих парамегров в теплице, проводить автоматическун оцтимиздцин основных из этих парамстров для растений в камере и по мере с проведения устанавливать найлецные зцдчсция параметров в теплице.Рдзлслсние параметров ца оптимизируемые, неоптимизируемые, а также отнесение каких-либо параметров к контролируемым возмущениям, зависит как от вида культуры, выращиваемои в теплице, так и от особенностей систем регулирования, исполь 2зуемых для управления технологическими режимами теплицы. Примером такого разделения является следующее разделение. В качестве оптимизируемых параметров можно применять температуру воздуха, его влажность, концентрацию углекислого газа в атмосфере теплицы, температуру грунта или субстрата.Из отнесенных к неоптимизируемым параметрам важными являются степень полива, количество и состав вносимого минерального питания, освещенность растений.К контролируемым возмущениям следует отнести те параметры, изменения которых существенно влияют на выбор значений других параметров. Таковыми являются, в первую очередь, освещенность растений, концентрация углекислог газа в атмосфере теплицы.Стабилизация неоптимизируемых параметров в оптимизационной камере на уровнях, близких к величинам соответствующих параметров в теплице, осуществляется аналогично известной системе. Для этого параметры измеряются датчиками 7 в теплице, а сигналы датчиков являются задающими для устройств регулирования соответствующих параметров в оптимизационной камере.Оптимизация каждого из параметров производится идентично согласно блок-схеме, изображенной на фиг. 1, где для простоты объяснения рассмотрен случай оптимизации одного из параметров при одном контролируемом возмущении. Система работает следующим образом.С помощью задатчика 12 функции оператор задает суточную программу изменения параметра в теплице и камере. Вид этой программы назначается при предположении, что контролируемое возмущение, измеряемое в теплице 1 датчиком 8, изменяется в течение суток по определенной зависимости. Эта зависимость, называемая базовой, задается оператором с помощью задатчика 13 функции. Задатчиком 15 задается коэффициент усиления настраиваемого устройства 14 масштабирования. После включения системы на выходе третьего сумматора 19 образуется сигнал, равный сумме выходных сигналов настраиваемого задатчика 10 функции, который воспроизводит заданную суточную программу изменения параметра в теплице и камере в реальном времени, и выходного сигнала настраиваемого устройства 14 масштабирования. Блок 14 вырабатывает сигнал компенсации возмущения. Возмугцение измеряется в теплице датчиком 8, а из его величины в блоке 16 рассогласования вычитается выходной сигнал настраиваемого задатчика 11 функции, который воспроизводит заданную базовую зависимость возмущения от времени. Образованный таким образом сигнал рассогласования возмущения3через настраиваемое устройство 14 масштабирования поступает на второй вход третьего сумматора 19. Выходной сигнал третьего сумматора 19, проходя через первый 17 и второй 18 сумматоры, является задающим сигналом устройств 4 и 3 регулирования технологического параметра соответственно оптимизационной камеры 2 и теплицы 1. В сумматоре 17 к задающему сигналу параметра в оптимизационной камере добавляется сигнал блока 6 оптимизации. Блок оптимизации осуществляет целенаправленное изменение параметра для достижения экстремума критерия физиологического состояния растений, формируемого блоком 5. В сумматоре 18 к задающему сигналу параметра в теплице добавляется сигнал блока 6 оптимизации отфильтрованный фильтром 9 от поисковых колебаний, сопровождающих поиск экстремального значения параметров в оптимизационной камере 2.Таким образом, в течение суток теплица управляется сигналом, определяемым суточной программой изменения параметра, корректируемым в зависимости от величины контролируемого возмущения и в зависимости от текущего значения сигнала блока 6 оптимизации. При этом вид функций, заложенных в блоках 1 О и 11, а также коэффициент усиления блока 14 не меняются. Их уточнение производится для новых последующих суток.Уточнение суточной программы изменения параметра производится в настраиваемом задатчике 10 функции времени. Для этого функцию, воспроизведенную блоком 10 в течение прошедших суток, суммируют покоординатно со взвешенной функцией, образованной сигналом фильтра 9 в течение прошедших суток. Уточненная таким образом функция используется как программа изменения параметра для новых суток.Уточнение базовой функции возмущений производится в настраиваемом задатчике 11 функции времени. Для этого функцию, воспроизведенную блоком 11, в течение прошедших суток, суммируют покоординатно со взвешенной функцией, образованной сигналом блока6 рассогласования в течение прошедших суток. Уточненная таким образом функция используется в качестве базовой функции возмущений для новых суток. Уточнение коэффициента компенсации возмущений производится в настраиваемом устройстве 14 масштабирования. Для этого ежесуточно коэффициент усиления устройства 4 изменяется на величину, пропорциональную коэффициенту взаимной корреляции выходных сигналов блоков 9 и 6.В результате интеративной процедуры в блоке 10 происходит постоянное накопление информации об оптимальных суточных программах изменения технологического параметра для определенных базовых зна 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 4чений возмущения. Со временем на систему автоматической оптимизации ложится все меньшая и меньшая нагрузка: лишь внесение поправок в значения управляющих воздействий для нахождения более точного оптимума для конкретной вегетации растений.Нестандартными устройствами, используемыми в системе, являются два идентичных настраиваемых задатчика функции времени и настраиваемое устройство мас штабирования.Настраиваемый задатчик функции времени должен позволять запоминать и воспроизводить в реальном времени заданную функцию, а также изменять заданную функцию от одной реализации ее к другой с помощью функционального приращения, определяемого некоторой произвольной наблюдаемой функцией.Сигнал реализации заданной начальнойфункции поступает от внешнего задатчика на вход второго параметризатора 23, который находит параметры разложения сигнала по системе известных функций. Найденные параметры разложения пересылаются в накапливающий сумматор 21 и являются параметрами начальной функции, по которым блок 20 воспроизведения функции вычисляет для определенного момента времени задаваемого блоком 29 син.хронизации, соединенного с задатчиком 26 времени, значения функции согласно принятому способу ее аппроксимации. Настройка устройства производится в процессе работы системы на основе сигнала реализации функции, поступающего на вход 24. Этот сигнал масштабируется в блоке 27 с коэффициентом задатчика 28 и подается на вход первого параметризатора 22. Первый параметризатор находит параметры разложения функции, определяемой поданным на него сигналом, по той же системе функций, что и во втором параметризаторе. Параметры этого разложения суммируются в момент времени, задаваемый блоком 29 синхронизации с соответствующими параметрами,запомненными в накапливающем сумматоре 21. Таким образом, последующее воспроизведение функции блоком 20 осуществляется по новым параметрам, запомненным в накапливающем сумматоре 2 .Параметризаторы 22 и 23 могут бытьвыполненына основе Фурье-преобразования, осуществляющего разложения исходной функции на гармонические составляющие с ограниченным числом гармоник. В этом случае блок 20 воспроизведения функции осуществляет суммирование соответствующих гармоник с весовыми коэффициентами найденными с помощью Фурье-преобразователя.Настраиваемое устройство масштабирования (фи. 3) должно масштабировать вход ной сигнал с заданным коэффициентом уси 13715695ления, а также изменять этот коэффициент усиления в определенные моменты времени с помощью приращения, пропорционального коэффициенту взаимной корреля ции входного сигнала и некоторого наблю. даемого сигнала.Входной сигнал поступает на первый вход 39 устройства, соединенный с первыми входами первого и второго блоков умножения. Выходом 42 устройства является выход второго блока умножения. На второй вход второго блока умножения подается сигнал, определяющий коэффициент усиления устройства. Этот сигнал образуется в накапливающем сумматоре 36. Начальное значение его устанавливается с помощью задатчика, соединенного с третьим входом 41 устройства. Второй вход 40 первого блока умножения является вторым входом устройства, на который поступает сигнал, используемый для настройки устройства. Сигнал произведения входного сигнала и настроечного интегрируется интегратором 33 на протяжении времени, заданного блоком 37 синхронизации. Выходной сигнал интегратора 33 масштабируется в блоке 34 коэффициентом задатчика 35 и определяет приращение коэффициента усиления устройства, ранее запомненного в накапливающем сумматоре. Изменение коэффициента усиления устройства производится периодически после определения величины взаимной корреляции сигналов, поступающих на первый и второй входы устройства.Конструктивно блоки могут быть выполнены на элементах вычислительной техники, реализующих описанные алгоритмы. Вся система может быть также реализована на вычислительном комплексе, включающем, например, на нижнем уровне управляющую вычислительную машину ПС - 300, а на верхнем уровне - типа СМ - 4,С развитием и расширением овощеводства закрытого грунта в СССР становится все более актуальной задача управления микроклиматом в теплицах. В нас. тоящее время, несмотря на оборудование теплиц автоматикой и внедрение в тепличных комплексах автоматизированного управления, урожайность в теплицах продолжает существенно зависеть от умения операторов-агрономов задать правильные значения параметров среды в теплице.Одним из практических методов повышения эффективности тепличного овощеводства является управление внешней средой растений с применением методов оптимизации. На основе лабораторных экспериметов, проводимых с растениями в фитотронах, показано, что оптимизация технологических режимов выращивания растений может существенно повысить (в 2 - 2,5 раза) фото. синтез основное условие урожая. Таким образом, реализуется возможность организации аппаратной обратной связи растение - режим выращивания растения и 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6использование ее для оптимизации продуктивности растений в технической системе.формула изобретения1. Система оптимизации технологических режимов выращивания растений в теплицах, содержащая устройства регулирования технологических параметров теплицы, устройства регулирования технологических параметров оптимизационной камеры, где выращиваются растения тех же культуры, сорта и возраста, что и в теплице, блок кри терия физиологического состояния расте. ний, соединенный выходом с входом бло. ка оптимизации, а также датчики неоптимизируемых параметров теплицы, выходы которых соединены с задающими входами устройства регулирования соответствующих параметров Оптимизационной камеры, отличающаяся тем, что, с целью повышения продуктивности тепличных сельскохозяйственных культур за счет повышения точности оптимизации технологических режимов их выращивания, в систему для каждого оптимизируемого технологического режима теплицы введены фильтр, первый и второй настраиваемые задатчики функции времени, первый и второй задатчики функции, датчик, настраиваемое устройство масштабирования, задатчик, блок рассогласования, первый, второй и третий сумматоры, причем выход блока оптимизации соединен с первым входом первого сумматора непосредственно, а с первыми входами второго сумматора, настраиваемого устройства масштабирования и первого настраиваемого задатчика функции времени через фильтр, выход первого задатчика функции соединен с вторым входом первого настраиваемого задатчика функции времени, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, к второму входу которого подключен выход настраиваемого устройства масштабирования, с вторым входом которого соединен выход задатчика, а с третьим входом выход блока рассогласования, к первому входу которого подключен выход датчика, а к второму - выход второго настраиваемого задатчика функции времени, с первым входом которого соединен выход блока рассогласования, с вторым - выход второго задатчика функции, выход третьего сумматора соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров, выходы которых соединены с задающими входами устройств регулирования параметров соответственно в оптимизационной камере и теплице.2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что настраиваемый задатчик функции времени содержит последовательно соединенные блок масштабирОвания, первый вход которого является первым входом системы, первый параметризатор функции, накапливающий сумматор и блок воспроизведения1371569 Составитель Б КузьмичРедактор Л. Ворович Техред И. Верес Корректор Л Обр чарЗаказ 111,13 Тираж 661 11 одписноеВНИИГ 1 И Государственного комитета СССР по делам изооретений и открытий113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д 4,511 роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, л, 11 роектная. 4 функции, выход которого является выходом системы, второй параметризатор функции, первый вход которого является вторым входом системы, а выход соединен с вторым входом накапливающего сумматора, задатчик, соединенный выходом с вторым входом блока масштабирования, задатчик времени, соединенный через блок синхронизации с третьим входом накапливающего сумматора и с вторыми входами первого и второго параметризатора функции и блока воспроизведения функции.3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что настраиваемое устройство масштабирования содержит последовательно соединенные первый блок умножения, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами системы, интегратор, блок масштабирования, накапливающий сумматор и второй блок 5 умножения, второй вход которого соединенс первым входом системы, а выход является выходом системы, задатчик, соединенный выходом с вторым входом блока масштабирования, и задатчик времени, соединенный через блок синхронизации с вторыми входами интегратора и накапливающего сумматора, при этом третий вход накапливающего сумматора является третьим входом системы.