Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом

(5 ОБРЕТ НИ К АВТОРСКО ВИДЕТЕЛ ЬСТВ ельство СССР1988. ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР(54) АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДКОРМКИ ТЕПЛИЧНЫХ РАСТЕНИЙ УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ(57) Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к растениеводству в сооружениях защищенного грунта, Цель изобретения - повышение п роизводительности 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 теплицах 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 илИзобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к растениеводству в сооружениях защищенного грунта.Целью изобретения является повышение производительности и расширение эксплуатационных возможностей системы,На чертеже представлена блок-схема автоматизированной системы подкормки тепличных растений углекислым газом,Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом содержит датчик 1 положения форточек в ограждающих конструкциях теплицы (ДПФ), датчик 2 температуры воздуха в теплице (ДТТ), датчик 3 освещенности растений (ДО), теплицу 4 (Т), задатчик 5 фазы роста растений (ЗДФ), датчик 6 температу. ры воздуха вне теплицы (ДТВ), блок 7 задания констант оптимизации (БЗО), блок 8 определения оптимальной концентрации углекислого газа в воздухе теплицы (БООК), 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 максимальной концентрации углекислого газа в воздухе теплицы (ЗДМК), блок 14 ограничения концентрации углекислого газа (БОК), блок 15 задания константуправления (БЗУ), задатчик 16 времени начала подкормки (ЗДН), 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 третийвходы блока 8 определения оптимальной концентрации подключены соответственно к выходу задатчика 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 концентрацией. 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 вто рые 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 эадатчика 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, В 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 котороо 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 35 выходам датчиков 2 температуры воздуха втеплице, освещенности 3, положения форточек 1, температуры воздуха вне теплицы 6 и скорости ветра 10. а восьмой вход соединен с выходом блока 12 задания констант 40 идентификации.Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом построена на известных элементах. Таймер, элементы сравнения, блок ограничения кон центрации и формирователь импульсов реализованы на цифровых микросхемах серии К 155. Блок определения оптимальной концентрации, блок идентификации параметров и программный блок управления концентрацией являются счетно-решающими блоками, выполненными на больших интегральных схемах микропроцессорного комплекта серии КР 580. 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, 1628889Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газомработает следующим образом.На задатчиках 16 и 19 устанавливаютсоответственно время начала и время окончания подкормки, а на задатчике 13 - максимальный уровень концентрацииуглекислого газа в воздухе теплицы, вышекоторого поднимать концентрацию не следует при любых условиях. На задатчике 9выставляют коэффициент листовой поверхности растений в виде числа, равного отношению суммарной площади. листьеврастений к площади основания теплицы. Наэадатчике 5 выставляют фазу роста растений в виде числа в диапазоне от "0" до "1",пропорционального времени жизни растений, полагая его равным "1" для цветущих иплодоносящих растений,До начала подкормки на выходе перво го 20 элемента сравнения присутствует потенциал "1", который, проходя через первуюсхему 25 ИЛИ на вход Б триггера 29, обнуляет его выход, в результате чего на входисполнительного механизма 31 поступаетпотенциал "0", и подачи углекислого газа втеплицу нет, На выходах остальных элементов сравнения до начала подкормки наблюдается нулевой потенциал.Сигнал на выходе таймера 17 постояннонарастает и в момент времени начала подкормки сравнивается с сигналом на выходезадатчика 16. При этом на выходе первого20 элемента сравнения сигнал становитсяравным "0". Перепад уровней сигналов навыходе первого 20 элемента сравнения воспринимается формирователем импульсов24, на выходе которого формируется им пульс по срезу входного сигнала. Этот импульс проходит через вторую схему 26 ИЛИна счетный вход ( С вход) триггера 29 и перебрасывает его в состояние."1" (на "й" входетриггера 29 нулевой потенциал), в результатечего исполнительный механизм 31 включает. ся, подавая в теплицу 4 углекислый газ.Импульс с выхода формирователя 24поступает также через третью схему 28 ИЛИна четвертый вход блока 8 определения оптимальной концентрации углекислого газа ввоздухе теплицы и на первый вход блока 11идентификации параметров и запускает этиблоки в работу.Блоком 8 вычисляется оптимальныйуровень концентрации углекислоты дляпроизрастающих в теплице растений последующей линеаризованной зависимости;Соп=Ф (КОО+К 01 (К 02-ТТ)+КОЗ(К 04-Е), (1)где Соп - оптимальный уровень концентрации углекислого газа в воздухе теплицы;Ф - фаза роста растений;т 1КИ 6+КИ 7 В+КИ 8КЛ Е+КИ 9(ТТ - ТВ)+КИ 10 ПКИ 17 КИ 12 + КИ 13В + КИ 14КЛЕ + КИ 151 ТТ - ТВ ) + КИ 16П ТТ - температура воздуха в теплице;Е - освещенность растений;КООК 04 - константы (коэффициенты)оптимизации, установленные в блоке 75 задания констант оптимизации и отражающие следующие количественныесоотношения:коэффициент КОО - оптимальный уровень концентрации углекислого газа при оп 10 тимальном значении температуры воздуха втеплице и оптимальной освещенности растений,млнкоэффициент К 01 определяет, на сколько необходимо уменьшить концентрацию 15 углекислого газа при увеличении температуры воздуха в теплице на 1 С выше оптимальной, млн /ОС;коэффициент К 02 - оптимальная температура воздуха в теплице, С;20 коэффициент КОЗ определяет на сколько следует уменьшить концентрацию углекислого газа при повышении освещенностирастений выше оптимальной, млн /лк;коэффициент К 04 - оптимальная осве щенность растений, лк.Для культуры огурца эти коэффициентыоцениваются следующими значениями:КОО = 1300 млн; К 01 = 100 млн 1/о С; К 02=- 30 С; КОЗ = 0,025 млн /лк; К 04 = 70000 лк, 30 Для других культур они также могутбыть определены на основании изучения зависимостей интенсивности фотосинтеза оттемпературы воздуха и освещенности растений.35 Данные, необходимые для вычислениязначения Соп поступают с выхода задатчика5, датчиков 2 температуры и освещенности3, а также с выхода блока 7 задания констант оптимизации, Вычисленное значение 40 Соп поступает (в виде цифрового кода) навход блока 14 ограничения концентрации,на второй вход которого поступает с выходазадатчика 13 максимальное значение концентрации С 02, превышать которое в возду хе теплицы недопустимо. Блоком 14осуществляется выбор меньшего из двухзначений, поступающих на его входы, и передача меньшего значения на первый входблока 18.50 Одновременно с блоком 8 начинает работать блок 11 идентификации параметров,Этим блоком вычисляются параметры теплицы - коэффициент передачи К и две постоянные времени Т 1 и Т 2 по следующим 55 формуламгде В - скорость ветра; КЛ - коэффициетлистовой поверхности; ТВ - температуравоздуха вне теплицы; П - положение (степеньоткрытия) форточек теплицы; КИОКИ 17 -константы (коэффициенты) идентификации, 5Отражающие количественно-линеаризованные зависимости параметров теплицыот следующих факторов;КИО, КИ 11 и КИ 17 - масштабные коэффициенты (на них можно сократить числитель и 10знаменатель формул (2), они служат для удобства выставления других коэффициентов наблоке 12 задания констант идентификации;коэффициенты КИ 1, КИб и КИ 12 определяют параметры теплицы 4 в случае нулевых 15значений скорости ветра, освещенности,перепада температур воздуха в теплице ивне ее и при закрытых форточках;коэффициенты КИ 2, КИ 7 и КИ 13 отражают зависимости параметров теплицы от скорости ветра В;коэффициенты КИЗ,КИ 8 и КИ 14 выражают зависимость параметров теплицы от освещенности растений Е и площади листовойповерхности растений, учитываемой коэффициентом КЛ;коэффициенты КИ 4, КИ 9 и КИ 15 показывают, как изменяются параметры теплицы отперепада температур воздуха внутри и вне ее;коэффициенты КИ 5, КИ 10 и КИ 16 определяют зависимость параметров теплицы отстепени открытия форточек П,Значения этих коэффициентов различны для каждой конкретной теплицы, Они определяются архитектурой теплицы, степенью 35герметичности ее ограждения, видом произрастающих в ней растений, конструкцией форточек.Данные, необходимые для вычисленийзначений параметров теплицы К, Т 1 и Т 2 40поступают на входы блока 11 с выходов датчика 10 скорости ветра, задатчика 9 коэффициента листовой поверхности, датчика бтемпературы воздуха вне теплицы, датчика1 положения форточек, датчика 2 температуры воздуха в теплице 2, датчика 3 освещенности, а также с выхода блока 12задания констант идентификации.По окончании вычислений блок 11 передает параметры на второй вход программного блока 18 управления концентрацией изапускает его, В блоке 18 численным методом решается следующее уравнение;1 кр (р -ррь -хй ххр-тххрр 1(2 У 1)С оп+0.01КУОСап+К(1 У) значения 0 или 1;Т - переменная, искомое значение которой удовлетворяет уравнению (3);КУО - константа управления, представляющая собой допустимую амплитудуколебаний концентрации углекислогогаза относительно заданного значенияСоп и выраженная в от этого значения, Для нормального функционирования системы управления величину константы КУО.требуется задать равной3 - 7 ;Х 1 и Х 2 - идентификаторы состоянияуправляемой системы.Эти идентификаторы при первом запуске блока 18 обнулены, а при следующих запусках принимают значения, вычисляемые последующей рекуррентной процедуре:Х 1 н = (Х 1 с - У) ехр (-ТД/ Т 1) + УХ 2 Н = (Х 2, -. У) ехр (ТД/Т 2) + У (4)где Х 1 Н и Х 2 н - новые значения, присваиваемые идентификаторам состояния;Х 10 и Х 20 - их старые значения, наблюдаемые в момент предыдущего запускаблока 18;ТД - интервал времени, через которыйпроизводится запуск счетно-решающихблоков системы (время дискретизации),этот интервал времени является кон -стантой управления,Величина интервала времени ТД зависит от того, как быстро изменяются параметры теплицы, зависящие в свою очередьот погодных условий (как следует из (2, Дляповышения точности управления этот интервал времени необходимо уменьшить, однако это может привести к неоправданночастому запуску блоков 8,11 и 18. Для блочных теплиц этот интервал времени достаточно принять равным ТД = 40 - 80 с.Корень решаемого блоком 18 уравнения(3), обозначенный ТП, представляет собойинтервал времени, отсчитываемый от момента запуска блока 18 до момента переключения сигнала управления в состояние"0", если в момент запуска блока 18 сигналуправления был равен 1, или до моментапереключения сигнала управления в состояние "1", если управление было равно О,После нахождения этого корня блоком 18 вычисляется момент времени переключения управления по формуле:ТПУ = ТП + ТИ, (5)где ТПУ- момент времени переключенияуправления;ТИ - момент времени запуска блока 18.Таким образом, после запуска блока 18 он осуществляет опрос таймера 17 по пятому входу, определяя момент времени ТИ, 1628889затем 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 Соп, на второй - величины К, Т 1 и Т 2; на третий - КУО и ТД с выхода блока 15 задания констант управления; на четвертый - сигнал управления У (О 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 време типах теплиц, для чего необходимо выставить соответствующие уставки на блоках задания констант,45 Формула изобретения Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом, 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 50 55 ни 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 наС вход триггера 29 и перебрасывает его вобратное состояние, т.е., если до прихода импульса выходной сигнал триггера был "1", то после прихода импульса на С вход его выходной сигнал становится равным "0", и наоборот, если триггер был в состоянии "0", то он перебросится в состояние "1", Выходной сигнал триггера 29 поступает на вход исполнительного механизма 31 подачи газа, с помощью которого СО 2 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 теплицы на уровне Соп.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 схему 25 ИЛИ на обнуляющий вход триггера 29, и исполнительный механизм 31 перекроет подачу С 02 в теплицу. Подкормка заканчивается. Одновременно на выходе схемы 27 НЕ появляется нулевой потенциал, запрещающий 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 35 обладает более широкими эксплуатационными возможностями, поскольку может быть использована и в тех теплицах, где подкормка производится с помощью источников углекислого газа с неуправляемой 40 и роизводител ьн остью. Каждый экземпля рустройства может применяться для подкормки юбых культур. выращиваемых в любыхЗаказ 564/91 Тираж 372 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 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 объединен 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 триггера, 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, о т л и ч а ю щ а я с я 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 температу ры воздуха вне теплицы и формирователемимпульсов, вход которого подключен к выходу первого элемента сравнения, а выход связан с вторым и входами второй и третьей схем ИЛИ, при этом выход последней соединен 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, 15 третий, четвертый, пятый, шестой, седьмойи 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.