Способ контроля и управления процессом выращивания растений и устройство для его осуществления

Способ контроля и управления процессом выращивания растений и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к технологиям растениеводства и может быть использовано в отраслях промышленного растениеводства.

Известны способы и устройства оценки действия оптического излучения на растения, включающие измерение той части поглощаемой растениями энергии излучения, которая используется растением в процессе фотосинтеза и соответствует спектральной чувствительности статистически среднего растения данного вида.

Примером осуществления этих способов и устройств являются технические решения по а.с. СССР 124669. Способ оценки действия оптического излучения на растения /И.И.Свентицкий //Б.И. 1959. № 23; по а.с. СССР 254247. Способ оценки теплового действия оптического излучения на растения /П.И.Сторожев, П.Я.Купянский, П.Г.Афонькин, И.И.Свентицкий //Б.И. 1969. №31; по статье: Бобев К., Янев Т., Стратиева Н., Константинова-Кабасанова Е. Метод и аппаратура для многоканальных фоторадиометрических измерений в целях определения эффективных величин излучения в зависимости от спектральной восприимчивости объекта. В сб. науч. тр.: Биофотометрия и ее приложения. Пущино: АН СССР. НЦ биологических исследований. 1986. С.120-127/.

В указанных и в аналогичных работах пользовались энтропийным анализом. К техногенной энергетике процесса выращивания растений отношения не имелось. Применялись фотометрические методы. В начале 80-х годов 20-го века в энергетике энтропийный анализ был заменен эксергетическим. Стали измерять мощность эксергии, или величину облученности. В настоящее время в условиях рыночной экономики, непосредственно связанной с необходимостью всемерного снижения непроизводительных издержек производства, возникла потребность определения именно свободной, полезной для фотосинтеза энергии, т.е. собственно эксергии. Эксергия до сих пор только рассчитывается и для целей автоматического контроля и управления не используется, т.к. традиционно считается величиной теоретической. Однако для роста растений важна не мощность оптического излучения, а поглощенная ими энергия оптического излучения, т.е. эксергия.

Недостатком указанных способов и устройств их осуществления является невозможность непрерывного во времени автоматического определения показателя эксергии и управления технологиями растениеводства по их результирующему полезному энергетическому показателю, т.е. по величине эксергии.

Причиной является отсутствие как операции учета точной характеристики эксергии, так и отсутствие способов и устройств автоматизации управления по этому важнейшему показателю в растениеводстве, в технологических процессах, в экологии, в энергетике, в биосферных исследованиях.

Численное определение эксергии как свободной в отношении фотосинтеза энергии дается во многих литературных источниках, например Свентицкий И.И. Экологическая биоэнергетика растений и сельскохозяйственное производство. Пущино: АН СССР. НЦ биологических исследований. Ин-т агрохимии и почвоведения. 1982. 222 с. (см. стр.93):

где е - эксергия или свободная энергия фотосинтеза, Дж/м²; ϕ(λ, t) - функция спектральной интенсивности оптического излучения, отн. ед.; К(λ) - функция относительной спектральной эффективности фотосинтеза, отн. ед.; λ - длина волны оптического излучения, 10^-9 м (нанометр, нм); t - время, ч.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому являются способ и устройство оценки действия оптического излучения на растения и управления общим обогревом теплицы, предназначенные для измерения эффективной величины излучения в зависимости от спектральной восприимчивости растения и температуры воздуха среды обитания растений. Они включают расчет значения температуры воздуха, сравнение измеренной величины с ее заданным значением и автоматическое регулирование температуры воздуха в помещении теплицы. Примерами осуществления являются технические решения, отраженные в известных литературных источниках: Свентицкий И.И., Сулацков В.Г., Сторожев П.И., Ефанов В.И. О согласовании температуры культивационного помещения с оптическим облучением //Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1968. №2. С.24-28; Свентицкий И.И. Экологическая биоэнергетика растений и сельскохозяйственное производство. Пущино: АН СССР. НЦ биологических исследований. Ин-т агрохимии и почвоведения. 1982. 222 с. (см. стр.168-173).

Недостатками известных технических решений являются высокие затраты, связанные с большим расходом тепловой энергии при общем обогреве помещения с растениями, и невозможность определения физиологически и экономически целесообразного момента времени прекращения выращивания конкретной партии растений, т.е. физиологически и экономически целесообразной продолжительности технологического процесса в растениеводстве.

Задачей изобретения является определение момента времени физиологически целесообразного прекращения выращивания растений, экономия эксплуатационных затрат на технологию выращивания сельскохозяйственных растений, повышение экономической эффективности растениеводства.

В результате использования изобретения определяется момент времени прекращения выращивания растений, когда достигается заданная по технологии выращивания физиологически целесообразная результирующая продуктивность растений, осуществляется сигнализация обслуживающему персоналу, при этом формируется управляющий сигнал для остановки (выключения) технологического оборудования.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе контроля и управления процессом выращивания растений, включающем определение поглощаемой растениями энергии излучения, используемой в процессе фотосинтеза и соответствующей среднему значению спектральной чувствительности растения данного вида, для выращиваемого растения данного вида производят определение расчетной величины суммарной эксергии с учетом длин волн оптического излучения, а в процессе выращивания осуществляют контроль фактической результирующей эксергии и при достижения ее значения расчетной величины суммарной эксергии прекращают процесс выращивания растений.

Технический результат достигается также тем, что устройство для контроля и управления процессом выращивания растений, содержащее датчик фотосинтезной облученности, задатчик вида растений, содержит компаратор, блок вычисления расчетной величины суммарной эксергии, индикатор фактической результирующей эксергии, задатчик расчетной величины суммарной эксергии, блок сигнализации и управляемый ключ, причем выход датчика фотосинтезной облученности соединен с первым входом блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии, выход которого подключен к первому управляющему входу компаратора и ко входу индикатора фактической результирующей эксергии, а задатчик вида растений соединен через задатчик расчетной величины суммарной эксергии со вторым входом компаратора, к выходу которого подключены второй вход блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии и входы блока сигнализации и управляемого ключа.

Устройство также содержит усилитель, вход которого является первым входом блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии, выход подключен к первому входу интегратора, выход которого через пиковый детектор и элемент умножения подключен к выходу блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии, а соединение обнуляющих входов интегратора и пикового детектора является вторым входом блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется примером. Важнейшая числовая характеристика эффективности фотосинтеза растений - эксергия, т.е. полезная энергия, усвоенная растением для его выживания и развития. Опытным путем устанавливаются физиологически и экономически рациональные значения эксергии для каждого вида выращиваемых растений. Остается лишь автоматизировать процесс сигнализации обслуживающему персоналу полеводческого или тепличного хозяйства с момента времени, когда дальнейшее продолжение технологического процесса выращивания растений является физиологически и экономически нецелесообразным, а также сформировать управляющий сигнал для прекращения технологического процесса растениеводства, например для остановки оборудования (для выключения искусственного освещения в теплице). Способ реализует операции измерения и задания значений эксергии, их взаимного сравнения, сигнализации и управления по результату сравнения.

Устройство для осуществления способа содержит датчик фотосинтезной облученности 1, задатчик вида растений 2, при этом в него дополнительно введены компаратор 3, блок вычисления расчетной величины суммарной эксергии 4, индикатор фактической результирующей эксергии 5, задатчик расчетной величины суммарной эксергии 6, блок сигнализации 7 и управляемый ключ 8, причем выход датчика фотосинтезной облученности 1 соединен с первым входом блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии 4, выход которого подключен к первому управляющему входу компаратора 3 и ко входу индикатора фактической результирующей эксергии 5, задатчик вида растений 2 соединен через задатчик результирующей эксергии 6 со вторым входом компаратора, к выходу которого подключены второй вход блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии 4 и входы блока сигнализации 7 и управляемого ключа 8.

Устройство также содержит усилитель 9, вход которого является первым входом блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии 4, а выход подключен к первому входу интегратора 10, выход которого через пиковый детектор 11 и элемент умножения 12 подключен к выходу блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии 4, а соединение обнуляющих входов интегратора 10 и пикового детектора 11 является вторым входом блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии 4.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, фиг.2, фиг.3.

На фиг.1 приведена иллюстрация способа в виде временных диаграмм работы устройства по способу.

На фиг.2 приведена общая схема устройства по способу.

На фиг.3 изображена общая схема блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии 4.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом. Все вычислительные операции способа, за исключением операции интегрирования по времени и умножения на принятый коэффициент пропорциональности А=0,31...0,99, выполняет известный из аналогов и прототипа датчик фотосинтезной облученности 1. Выходной сигнал датчика фотосинтезной облученности 1 преобразуется в блоке вычисления расчетной величины суммарной эксергии 4, индицируется в индикаторе фактической результирующей эксергии 5 и поступает на первый вход компаратора (схемы сравнения релейного типа) 3. Задатчик вида растений 2 формирует сигнал соответствия виду выращиваемых растений, значению которого соответствует установленное в задатчике расчетной величины суммарной эксергии 6 и определенное по результатам априорных исследований технологическое значение результирующей эксергии, которому соответствует полученная в проведенных ранее опытах экономически эффективная результирующая продуктивность растений. В момент достижения значением измеренной суммарной эксергии ее заданного значения срабатывает компаратор 3 и включается блок сигнализации 7, оповещая персонал растениеводческого предприятия о физиологической и экономической целесообразности завершения технологического процесса выращивания растений, причем формируется управляющий сигнал на выходе управляемого ключа 8. Одновременно блок вычисления расчетной величины суммарной эксергии 4 подготавливается к очередному циклу работы при выращивании очередной партии растений.

Блок вычисления расчетной величины суммарной эксергии 4 работает следующим образом. Усилитель 9 усиливает и нормирует выходной сигнал датчика фотосинтезной облученности 1. Пиковый детектор 11 сохраняет, в том числе и в ночное время, значение интегрального сигнала эксергии на выходе реального аналогового интегратора 10. Элемент умножения 12 обеспечивает операцию умножения на коэффициент пропорциональности способа, например на его общепринятое значение А=0,94. В момент завершения цикла выращивания данной партии растений интегратор 10 и пиковый детектор 11 обнуляются сигналом с выхода компаратора 3, подготавливаясь к очередному циклу работы с другой партией растений.

Таким образом, способ и устройство обеспечивают своевременную сигнализацию о физиологической и, соответственно, экономической целесообразности прекращения технологического процесса растениеводства и одновременное формирование управляющего сигнала для остановки (выключения) технологического оборудования, что способствует своевременному устранению бессмысленных эксплуатационных затрат производства. При этом в полной мере используется физиологический (генетический) потенциал растений, существенно повышается технико-экономическая эффективность растениеводства.

1. Способ контроля и управления процессом выращивания растений, включающий определение поглощаемой растениями энергии излучения, используемой в процессе фотосинтеза и соответствующей среднему значению спектральной чувствительности растения данного вида, отличающийся тем, что для выращиваемого растения данного вида производят определение расчетной величины суммарной эксергии с учетом длин волн оптического излучения, а в процессе выращивания осуществляют контроль фактической результирующей эксергии и при достижении ее значения расчетной величины суммарной эксергии прекращают процесс выращивания растений.

2. Устройство для контроля и управления процессом выращивания растений, содержащее датчик фотосинтезной облученности, задатчик вида растений, отличающееся тем, что оно содержит компаратор, блок вычисления расчетной величины суммарной эксергии, индикатор фактической результирующей эксергии, задатчик расчетной величины суммарной эксергии, блок сигнализации и управляемый ключ, причем выход датчика фотосинтезной облученности соединен с первым входом блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии, выход которого подключен к первому управляющему входу компаратора и к входу индикатора фактической результирующей эксергии, а задатчик вида растений соединен через задатчик расчетной величины суммарной эксергии со вторым входом компаратора, к выходу которого подключены второй вход блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии и входы блока сигнализации и управляемого ключа.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно содержит усилитель, вход которого является первым входом блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии, выход подключен к первому входу интегратора, выход которого через пиковый детектор и элемент умножения подключен к выходу блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии, а соединение обнуляющих входов интегратора и пикового детектора является вторым входом блока вычисления расчетной величины суммарной эксергии.