Способ и устройство автоматического управления продукционным процессом растений с учетом самоорганизации

Способ и устройство автоматического управления продукционным процессом растений с учетом самоорганизации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к технологиям растениеводства, и может быть использовано в отраслях как тепличного, так и полевого растениеводства.

Известны способы и устройства управления продукционным процессом растений, например, путем обогрева теплицы, предусматривающие 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 [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)]. Известны также способ и устройство контроля и управления процессом выращивания растений, содержащее датчик оптического излучения(эксэргии), блок вычисления расчетной величины эксэргии, компаратор, управляющий ключ. Устройство оценивает степень созревания растения, и исходя из этого производится управление технологическим процессом [Способ контроля и управления процессом выращивания растений и устройство для его осуществления. Патент РФ RU 2282979 С1, 10.09.2006, Бюл. №25].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому являются способ и устройство автоматического управления продукционным процессом растений с учетом самоорганизации, предусматривающие определение переменной порядка, а именно, суммарной эксэргии оптического излучения в отношении фотосинтеза растений [Патент RU 2350068, БИ №9, опубл. 27.03.2009 г.].

Недостатком известных технических решений является невозможность полностью реализовать потенциальную продуктивность растений в условиях экстремального земледелия, а именно, в условиях жаркого засушливого климата, когда солнечное излучение может негативно влиять на урожайность растений и его качество, а также в условия холодного климата, когда главным негативным воздействием являются низкие температуры. При этих условиях затраты, связанные с расходом материальных и энергетических ресурсов при возделывании растений, высоки, и невозможно определить физиологически и экономически целесообразные переменные порядка, моменты времени воздействия на процесс выращивания конкретной партии растений в почвенно климатических условиях конкретного региона, т.е. физиологически и экономически целесообразные последовательности управления технологическим процессом в растениеводстве.

Задачей изобретения является повышение экономической и энергетической эффективности растениеводства за счет увеличения продуктивности растений при сокращении затрат энергии на выполнение технологического процесса.

В результате использования предлагаемого изобретения определяют потенциально возможную продуктивность растения в конкретных условия выращивания и осуществляют управление процессом выращивания растения, обеспечивающие достижение этой продуктивности.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ автоматического управления продукционным процессом растений с учетом самоорганизации, включающий расчетное или приборное определение величины эксэргии параметра функционального состояния растения, предусматривающий в сложной многофакторной системе «растение - факторы окружающей среды - факторы управлений» из большого числа переменных выбор одной - переменной порядка, наиболее быстро изменяющейся и наиболее сильно влияющей на процессы в системе, а также выбор параметров управления, с помощью которых возможно осуществить воздействия на продукционные процессы растений, при этом в качестве переменной порядка выбирают приток к растениям эксэргии оптического излучения в отношении фотосинтеза растений, а в качестве параметров управления - температуру, влажность воздуха, влажность почвы, концентрацию минеральных элементов корневого питания, при этом для засушливых южных зон земледелия с избытком солнечного оптического излучения и недостатком влаги в качестве переменной порядка выбирают влажность почвы - эксэргию почвенного водного потенциала, а для северных холодных зон земледелия в качестве переменной порядка выбирают температуру окружающего воздуха - эксэргию температурного потенциала, а суммарную эксэргию оптического излучения в отношении фотосинтеза растений для этих зон земледелия включают в число параметров управления.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве автоматического управления продукционным процессом растений с учетом самоорганизации, содержащем компаратор, таймер, блок памяти, датчик эксэргии солнечного излучения, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры почвы, датчик влажности почвы, управляющий логический коммутатор с пятью управляющими ключами, к первому, второму, третьему, четвертому и пятому выходам управляющего логического коммутатора подключены входы управляющих ключей, датчик мощности эксэргии оптического излучения подключен к пятому входу управляющего логического коммутатора, при этом в узел, предназначенный для функционирования в условиях засушливых южных зон земледелия с избытком солнечного оптического излучения, введен блок расчета эксэргии почвенного водного потенциала, выход которого подключен к первому входу компаратора, а в узел, предназначенный для функционирования в условиях северных холодных зон, введен блок расчета эксэргии температурного потенциала, при этом выход блока расчета эксэргии температурного потенциала подключен ко второму входу блока памяти.

Способ осуществляют следующим образом:

1) в сложной многофакторной системе «растение - факторы окружающей среды» из большого числа переменных выбирают одну, наиболее быстро изменяющуюся и наиболее сильно влияющую на процессы в системе (переменная порядка):

- для засушливых южных зон земледелия с избытком солнечного оптического излучения при недостатке влаги в качестве переменной порядка выбирают влажность почвы (эксэргию почвенного водного потенциала);

- для северных холодных зон земледелия в качестве переменной порядка выбирают температуру окружающего воздуха (эксэргию температурного потенциала);

2) затем выбирают параметры управления, с помощью которых возможно осуществить воздействия на продукционные процессы растений:

- для засушливых южных зон земледелия с избытком солнечного оптического излучения наиболее рационально принять в качестве параметров управления значения климатических факторов по мере приближения их значений к относительному минимальному значению, а именно, температура, влажность воздуха, концентрация минеральных элементов корневого питания, суммарная эксэргия оптического излучения в отношении фотосинтеза растений;

- для северных холодных зон земледелия наиболее рационально принять в качестве параметров управления значения существующих климатических факторов по мере приближения их значений к относительному минимальному значению, а именно, температура, влажность почвы, концентрация минеральных элементов корневого питания, суммарная эксэргия оптического излучения в отношении фотосинтеза растений;

3) в последующем управлении системой учитывают, главным образом, переменную порядка и параметры управления;

4) для рассматриваемых систем и конкретных условий возделывания растений измеряют значение переменной порядка;

5) по тестовой базе фактических состояний определяют какой из параметров управления находится в относительном минимуме, т.е. изменение какого из параметров управления приведет к наибольшему росту показателя функционального состояния;

6) производят воздействие на растение, изменяя значение параметра управления, находящегося в относительном минимуме, в сторону его увеличения на величину не более 5% фактического его значения;

7) оценивают изменение фактического состояния растений по переменной порядка или иному показателю, выбранному в качестве показателя функционального состояния, при существующем значении мощности эксэргии излучения в зоне растений;

8) если значение переменной порядка увеличилось, производят воздействие, изменяя значение этого же параметра управления в сторону его увеличения на величину не более 5% начального его значения;

9) если при первом воздействии на параметр управления значение переменной порядка снизилось, осуществляют новое воздействие, снизив значение параметра управления на величину не более 5% его начального значения. Затем переходят к п.7 вышеуказанной последовательности операций в отношении другого параметра управления, значение которого приближается к относительному минимальному значению;

10) воздействия на растения производят до прекращения изменения значений переменной порядка;

11) производят воздействие, изменяя значения другого параметра управления согласно п.п.7-12 вышеуказанной последовательности операций;

12) данную операцию осуществляют поочередно со всеми параметрами управления, а затем выполняют с первого параметра управления. Все измерения переменной порядка и изменения параметров управления производятся с интервалами не более 3 час.

Таким образом, способ обеспечит управление процессом выращивания растений с учетом процесса направленности природных, энергоэкономных процессов самоорганизации, протекающих в самих растениях в соответствии с принципом энергетической экстремальности самоорганизации, при этом учет этой направленности оценивают по показателю функционального состояния растения (переменной порядка), на которое оказывают воздействие, если значение параметра функционального состояния организма или сообщества снижается, изменение воздействия не согласуется с самоорганизационной направленностью и это изменение должно иметь противоположную направленность.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, 2. На фиг.1 дана структурная схема узла, предназначенного для применения в условиях жаркого климата, на фиг.2 - структурная схема узла, предназначенного для применения в условиях холодного климата.

На фиг.1 устройство содержит датчик влажности почвы 1, блок вычисления расчетной величины эксэргии почвенного водного потенциала 2, таймер 3, блок памяти 4, компаратор 5, управляющий логический коммутатор 6, датчик температуры почвы 7, датчик температуры воздуха 8, датчик мощности эксэргии оптического излучения 9, управляющие ключи 10, 11, 12, 13, 14.

Выход датчика влажности почвы 1 подключен к первому входу блока вычисления расчетной величины эксэргии почвенного потенциала 2, выход которого подсоединен к первому входу компаратора 5. Первый выход блока памяти 4 подключен ко второму входу компаратора 5. К первому, второму, третьему, четвертому и пятому выходам управляющего логического коммутатора 6 подключены входы управляющих ключей 10, 11, 12, 13, 14. Датчик мощности эксэргии оптического излучения 9 подключен к шестому входу управляющего логического коммутатора 6. Первый выход таймера 3 подключен ко второму входу блока вычисления расчетной величины эксэргии почвенного водного потенциала 2, а второй выход таймера 3 подключен к седьмому входу управляющего логического коммутатора 6. Второй выход блока памяти 4 подключен к восьмому входу управляющего логического коммутатора 6, девятый вход которого подключен к датчику температуры почвы 7, десятый вход соединен с датчиком температуры воздуха 8, а одиннадцатый вход - с выходом компаратора 5.

На фиг.2 устройство содержит датчик температуры воздуха 15, блок вычисления расчетной величины эксэргии температурного потенциала 16, таймер 3, блок памяти 4, компаратор 5, управляющий логический коммутатор 6, датчик температуры почвы 7, датчик влажности почвы 17, датчик мощности эксэргии оптического излучения 9, управляющие ключи 10, 11, 12, 13, 14.

Выход датчика температуры воздуха 15 подключен к первому входу блока вычисления расчетной величины эксэргии температурного потенциала 16, выход которого подсоединен к первому входу компаратора 5. Первый выход блока памяти 4 подключен ко второму входу компаратора 5. К первому, второму, третьему, четвертому и пятому выходам управляющего логического коммутатора 6 подключены входы управляющих ключей 10, 11, 12, 13, 14. Датчик мощности эксэргии оптического излучения 9 подключен к шестому входу управляющего логического коммутатора 6. Первый выход таймера 3 подключен ко второму входу блока вычисления расчетной величины эксэргии почвенного водного потенциала 2, а второй выход таймера 3 подключен к седьмому входу управляющего логического коммутатора 6. Второй выход блока памяти 4 подключен к восьмому входу управляющего логического коммутатора 6, девятый вход которого подключен к датчику температуры почвы 7, десятый вход соединен с датчиком влажности почвы 17, а одиннадцатый вход - с выходом компаратора 5.

Устройство функционирует следующим образом.

При работе через промежутки времени, определяемые таймером 3, производится мониторинг значений параметров управления:

a) для устройства, схема которого приведена на фиг.1, - температура, влажность воздуха, мощность эксэргии солнечного излучения;

b) для устройства, схема которого приведена на фиг.2, - влажность воздуха, мощность эксэргии солнечного излучения, влажности почвы.

Одновременно с этим через промежутки времени, определяемые таймером 3, производится мониторинг значений величины, характеризующей переменную порядка:

a) для устройства, схема которого приведена на фиг.1, - эксэргия почвенного водного потенциала;

b) для устройства, схема которого приведена на фиг.2, - эксэргия температурного потенциала.

Ретроспективные значения переменной порядка и параметров управления хранятся в блоке памяти 4 и определяют оптимальные значения параметров управления. Кроме этого в блоке памяти находятся тесты физиологического состояния растений по скорости фотосинтеза. Информацию, находящуюся в блоке памяти, использует управляющий логический коммутатор 6 для выбора параметра управления, находящегося в области относительного минимума, а также для сравнения изменений эксэргии переменной порядка в ходе реализации управления.

В узле, предназначенном для функционирования в условиях жаркого климата (фиг.1), значения влажности почвы, измеренные датчиком влажности почвы 1, преобразуют блоком вычисления эксэргии почвенного водного потенциала 2 в значения эксэргии почвенного водного потенциала (переменная порядка), которые заносят в блок памяти 4.

В узле, предназначенном для функционирования в условиях северных холодных зон (фиг.2), значения температуры воздуха, измеренные датчик температуры воздуха 15, преобразуют вычисления расчетной величины эксэргии температурного потенциала 16 в значение эксэргии температурного потенциала (переменная порядка), которое заносят в блок памяти 4.

Производят воздействие на растение, изменяя значение одного из параметров управления (воздействие на один из управляющих ключей 10, 11, 12, 13 или 14), находящегося в области относительного минимума, в сторону его увеличения на величину не более 5% фактического его значения. На очередном шаге мониторинга компаратором 5 сравнивают текущее значение эксэргии переменной порядка со значением эксэргии переменной порядка, которое было получено на предыдущем этапе мониторинга и сохранено в блоке памяти 4. Управляющий коммутатор 6 оценивает изменение фактического состояния растений по переменной порядка. Если значение показателя функционального состояния увеличилось, управляющий коммутатор 6 производит воздействие, изменяя значение этого же параметра управления в сторону его увеличения на величину не более 5% начального его значения. Если при первом воздействии на параметр управления значение переменной порядка снизилось, осуществляют новое воздействие, снизив значение этого же параметра управления на величину не более 5% его начального значения. Если значение показателя функционального состояния увеличилось, управляющий логический коммутатор 6 производит воздействие, изменяя значение этого же параметра управления в сторону его уменьшения на величину не более 5% начального его значения. Затем переходят к п.5 вышеуказанной последовательности операций. Воздействия на растения производят до прекращения изменения значений переменной порядка при изменениях выбранного параметра управления. Данную операцию осуществляют поочередно со всеми параметрами управления, а затем вновь выполняют, начиная с первого параметра управления. Все измерения переменной порядка и изменения параметров управления производят с интервалами не более 3 ч.

Остается лишь автоматизировать управление процессами полеводческого или тепличного хозяйства исходя из физиологически и экономически нецелесообразных критериев обеспечения наибольшей продуктивности растения, а также сформировать управляющий сигнал для воздействий по изменению экологических факторов, влияющих на технологический процесс. Способ и устройство реализуют операции измерения требуемого изменения экологических факторов, влияющих на эффективность использования и задания значений эксэргии, их взаимного сравнения, сигнализации и управления по результату сравнения.

1. Способ автоматического управления продукционным процессом растений с учетом самоорганизации, включающий расчетное или приборное определение величин эксэргии параметров облучения растения, предусматривающий в сложной многофакторной системе «растение - факторы окружающей среды - факторы управлений» из большого числа переменных выбор одной - переменной порядка, наиболее быстро изменяющейся и наиболее сильно влияющей на процессы в системе, а также выбор параметров управления, с помощью которых возможно осуществить воздействия на продукционные процессы растений, при этом в качестве переменной порядка выбирают приток к растениям эксэргии оптического излучения в отношении фотосинтеза растений, а в качестве параметров управления - температуру, влажность воздуха, влажность почвы, концентрацию минеральных элементов корневого питания, отличающийся тем, что для засушливых южных зон земледелия с избытком солнечного оптического излучения и недостатком влаги в качестве переменной порядка выбирают влажность почвы - эксэргию почвенного водного потенциала, а для северных холодных зон земледелия в качестве переменной порядка выбирают температуру окружающего воздуха - эксэргию температурного потенциала, а суммарную эксэргию оптического излучения в отношении фотосинтеза растений для этих зон земледелия включают в число параметров управления.

2. Устройство автоматического управления продукционным процессом растений с учетом самоорганизации, содержащее компаратор, таймер, блок памяти, датчик эксэргии солнечного излучения, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры почвы, датчик влажности почвы, управляющий логический коммутатор с пятью управляющими ключами, отличающееся тем, что к первому, второму, третьему, четвертому и пятому выходам управляющего логического коммутатора подключены входы управляющих ключей, датчик мощности эксэргии оптического излучения подключен к пятому входу управляющего логического коммутатора, при этом в узел, предназначенный для функционирования в условиях засушливых южных зон земледелия с избытком солнечного оптического излучения, введен блок расчета эксэргии почвенного водного потенциала, выход которого подключен к первому входу компаратора, а в узел, предназначенный для функционирования в условиях северных холодных зон, введен блок расчета эксэргии температурного потенциала, при этом выход блока расчета эксэргии температурного потенциала подключен ко второму входу блока памяти.