автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Научные основы разработки технологии производства продукции в защищенном грунте

'НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ' АО ВИСХОМ

на правах рукописи ЛИПОВ Андрей Юрьевич

Научные основы разработки технологии производства продукции в защищенном

грунте

Специальность 05.20.01. - механизация сельскохозяйственного производства Специальность 05.13.07. - автоматизация технологических процессов и производств

дата технических щаук Москва - 1995г. у/

Робота выполнено в отделении АООТ "ВИСХОМ" ГРИНКОМПЛЕКС

Научный руководитель- доктор технических наук,

профессор И.М.Панов

Научный консультант • кандидат технических наук

Е.С.Сысоев

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

академик МАИ, профессор В.П.Елизаров

доктор технических наук, академик МАЭР, А.Л.Эйдис

Ведущее предприятие - Всероссийский научно-исследовательский институт овощеводства

Защита состоится 12 апреля в 13 часов на заседании диссертационного совета Д.169.06.01 в Акционерном обществе открытого типа 'Научно-исследовательский институт сельскохозяйственного машиностроения' АО ВИСХОМ

по адресу 127247, г.Москва, Дмитровское шоссе, 107.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АО ВИСХОМ.

Автореферат разослан "28' февраля 1995г.

Ученый секретарь диссертационного сйвеТа доктор технических наук, профессор

А.А.Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Применение технологий защищенного грунта позволяет решить целый ряд проблем, в том числе, удовлетворение общей потребности в овощах на 25%; обеспечение овощеводства открытого грунта рассадой; достижение экологической чистоты получаемой продукции; выращивание цветов, лекарственных растений и других культур.

Трудоемкость производства продукции в

современных блочных теплицах - 1 ООтыс.чел.час./год на 1га., что в десятки раз больше, чем в открытом грунте. Это объясняется, в первую очередь, низким уровнем автоматизации технологических процессов.

В связи с тем, . что в защищенном грунте технологические процессы отличаются большой степенью целостности, задача создания индустриального технологического процесса .с высоким уровнем автоматизации, представляется неразрешимой на базе традиционного автоматического регулирования.

Проведенные исследования стали возможны благодаря работам таких авторов как Шарупич В.П., Свинтицкий Н.И., Норкин К.Б., Корбут В.А. и др.

Проведенные исследования дали возможность выработать на основе системно-комплексного анализа научные основы методологии создания систем, управления реального времени культивационными процессами, которые отвечают требуемому уровню автоматизации. Одним из результатов исследований является вывод о необходимости использования интеллектуальных технологий при конструировании подобных систем.

Работа выполнялась в соответствии с планами

МКНТ.

Цель работы. Обоснование методологии разработки технологического процесса культивации растений в блочно-модульном комплексе с интеллектуальной системой управления реального времени.

Объект и методы исследований. Объектом исследований является технологический процесс культивации растений в-блочно-модульном комплексе.

Общая площадь, расположенного под Москвой, БМК составляет 1500м2, потребляемая энергия 360кВт«час.

Суточная производительность БМК:

огурцы, томаты - 1 00-1 50кг/£{/Т;

типовой набор одновременно выращиваемых зеленых культур: зеленый лук - 250кг/с:£/7;

салат - 50кг/^4/7;

петрушка - 50кг/^7;

сельдерей - 50кг/£^/";

укроп - 50кг/£у~.

Общая производительность БМК в подмосковном хозяйстве 'Заречье* составляет 550-660кг/<?.уГ при 6 человеках обслуживающего персонала.

Исследования проводились на основе метода системно-комплексного анализа с последующим применением аппарата математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились с применением теории компьютерного моделирования, позволяющей вести статистические наблюдения и проводить сравнительные аналитические вычисления.'

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в разработке обобщенной модели технологического процесса культивации растений в блочно-модульном комплексе; в обосновании корреляционных связей факторов развития растений в зависимости от физических, химических и биологических условий. На основе объединения системно-комплексного анализа.и принципов построения математических моделей синтезирован новый тип интеллектуальной системы управления технологическим процессом культивации растений в защищенном грунте.

Авторские права на разработанную методологию защищены Патентами №2001557 (30.10.93) и №2001558 (30.10.93).

Практическая_значимость_работы. Разработан

технологический процесс культивации растений в блочно-модульном комплексе с интеллектуальной системой управления реального времени, позволяющей

оптимизировать параметры микроклимата и получать максимальный выход продукции. Проведенные испытания позволяют сделать вывод о возможности применения данной методологии при разработке технологических процессов культивации растений в любых культивационных сооружениях.

Реализация результатов исследований. На основании разработанной методологии создано аппаратно-программное обеспечение, успешно функционирующее в

гидропонном блочно-модульном комплексе в подмосковном хозяйстве "Заречье' на протяжении 1992 - 1995г.г.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены на конференции экспертов ЮНИДО" (1990г.), на симпозиуме фирмы СП (1992г.), а также на НТС ВИСХОМ (1993г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, среди них 2 Патента на авторские права.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов. Объем работы - 150 страниц основного текста, списка использованной литературы (99 наименований из них 4 на английском языке), 11 приложений (100 страниц).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность данной работы, обусловленная необходимостью улучшения качественных и количественных характеристик разрабатываемых

технологических процессов для культивационных сооружений защищенного грунта.

В первой главе "Состояние вопроса и задачи

исследований" рассмотрены конструктивные и

технологичские особенности функционирования блочно-модульного комплекса.

Дано определение технологического процесса. Рассмотрены различные типы систем управления технологическими процессами. Развернуто описываются и обосновываются преимущества применения

интеллектуальных систем управления реального времени, проводится сравнение с существующими системами управления технологическими процессами в

культивационных сооружениях защищенного грунта. Приведен базовый математический аппарат необходимый для описания логической компоненты системы управления технологическим, процессом.

На основании анализа состояния вопроса поставлены следующие основные задачи:

1. Разработать методику проведения системно-комплексного анализа технологического процесса в блочно-модульном комплексе.

2. Разработать методику определения обобщенной математической модели технологического процесса как объекта управления.

3. Провести системно-комплексный анализ существующего технологического процесса в блочно-модульном комплексе.

4. Определить обобщенную математическую модель технологического процесса как объекта управления.

5. Выработать рекомендации относительно внедрения интеллектуальной технологии управления в существующий технологический процесс культивации растений.

6. Разработать программно-технический комплекс интеллектуальной системы управления реального времени технологическим процессом культивации растений в блочно-модульном комплексе.

7. Экспериментально определить эффективность применения интеллектуальных технологий в системах управления технологическим процессом культивации растений.

Во второй главе 'Теоретические основы исследования структуры технологического процесса в блочно-модульном комплексе' приведены результаты теоретических исследований операций технологического процесса.

Приведены математические зависимости,

описывающие качественные и количественные

характеристики работы роторно-конвейерной гидропонной линии:

- количествр продукционных лотков на конвейере;

- количество непродукционных лотков на конвейере;

- время выхода конвейера на стационарный режим работы;

- количество продукции, получаемой за каждую стадию роста;

- значение общего количества собираемого урожая за весь период вегетации.

Приведены основы, на которых базируется проведение системно-комплексного анализа

технологического процесса культивации растений в блочно-модульном комплексе. Дано понятие сложной системы, сформулировано определение целостности системы, стратификации и декомпозиции.

Главный принцип системно-комплексного подхода используется для анализа и синтеза сложных систем.

Сложный объект (2 ) обладает свойствами целостности

(Ц) и сложности (Н). Эти свойства сложного объекта

взаимодействуют с экспертом по моделированию (ЭМ). Преломление через восприятие и мысленное модельное представление этих свойств объекта дает возможность говорить о таких характеристиках объекта как системность и комплексность. Эти характеристики являются отраженными характеристиками целостности и сложности, что проиллюстрировано на рис. 1.

рис. 1 Принцип системно-комплексного подхода

Проведен системно-комплексный анализ

технологического процесса блочно-модульного комплекса. Выделены связи и подсистемы в технологическом процессе.

На рис. 2 представлена схематически энергетические связи между подсистемами, которые присутствуют при культивации растений в ' данной замкнутой динамической системе.

, рис. 2 Энергетические связи

Как видно из рис. 2, на растение, как на объект управления, оказываются прямые и косвенные воздействия подсистемами. Для дальнейшего анализа необходимо формализовать множество связей.

Преобразуем рис. 2 в формальный вид (рис. 3) и обозначим связи.

рис. 3 Формальное представление связей

Рис. 3 представляет собой направленный граф, в узлах которого находятся подсистемы:

0 - растение;

1 - питательный раствор;

2 - температура;

3 - освещение;

4 - влажность;

5 - газовый состав атмосферы.

Полно отображается

Чо '10 '20 '30 '40 1/50

В на

отсутствует. Рассмотрим существующие связи: 'ооэ 'п> ^22' ^33' ^44' ^55 " диагональные элементы

матрицы, неописывающие внешние связи между подсистемами;

V /")0 - связи, отражающие потребление растением

питательных веществ из раствора и перенос в питательный раствор продуктов жизнедеятельности растения;

Г02, У*2о ' связи, отражающие процесс теплообмена между

растением и окружающей его атмосферой; 'зо' ^оз ' связи отражают влияние на жизнедеятельность растения освещения, а также зависимость режима освещения от жизненного цикла растения;

е множество возможных связей между узлами матрицей связей I?:

'01 '02 'оз '04 '05

'п '12 '13 '14 '15

'21 '22 '23 '24 '25

'31 '32 'зз '34 '35

'41 '42 '43 '44 '45

'51 '52 '53 '54 '55

(1)

шеи конкретной системе часть связей

/д4, /*4о - связи, отражающие влагообмен растения с окружающей средой;

^05' '50 " связи< отражающие газообмен между растением и атмосферой внутри БМК;

1г> ^21 " связи< отражающие опосредованное влияние на

растение процесса теплообмена между питательным раствором и окружающей средой;

1з» ГЪХ ' данные связи отсутствуют, так как влияние освещения на питательный раствор опосредованно связью ггг>

/"32 - связь отражает нагрев атмосферы БМК за счет

энергии излучаемой осветительными установками, связь при этом отсутствует;

^34? ?4з " связей нет из-за отсутствия непосредственного

влияния освещения и влажности друг на друга; ^24» ^42 " связи< отражающие взаимную зависимость

влажности и температуры; 5, - связи, отражающие взаимное влияние

температуры и состава газовой среды (атмосферы) внутри БМК;

^53' ^35 " связей нет из-за отсутствия непосредственного

взаимного влияния освещения и газового состава растения; 14' ^41 " связи, отражающие влагообмен питательного

раствора и атмосферы;

/549 5 - связи, отражающие взаимное влияние влажности и газового состава среды;

/*15, - связи, отражающие взаимное влияние газового

состава атмосферы и питательного раствора, с точки зрения переноса химических элементов.

В третьей главе 'Основы построения обобщенной математической модели технологического процесса как объекта управления' приведены программа и методика исследований, сформулированы общие принципы построения математических моделей и программа построения математических моделей подсистем технологического процесса блочно-модульного комплекса.

Общий принцип моделирования биологических систем - это использование некоторого закона сохранения переноса вещества (или энергии) между компонентами биосистемы. Также необходимо ввести внешние, и внутренние переменные системы и какой-то принцип управления.

Внешними переменными для модели растения являются:

- фотосинтетическая активная радиация;

- температура воздуха;

- водный режим окружающей среды;

- концентрация углекислого газа в воздухе;

- количество азота в питательном растворе;

- количество кальция в питательном растворе^

- количество фосфора в питательном растворе;

- количество натрия в питательном растворе/^- ОЬ.

Внутренними переменными для модели растения являются:

- масса листьев;

- масса стебля;

- масса корней;

- количество азота в системе;

- количество фосфора в системе;

- количество кальция в системе;

- колическтво натрия в системе^

Законом управления (/является оптимальное управление ассиммилятов по органам растения. Этот закон базируется на двух гипотезах:

- в зеленой массе растений под воздействием радиации и при наличии питательных веществ образуется новое органическое вещество, распределяющееся по всем органам растения.

энергия, необходимая для поддержания процесса жизнедеятельности растения, выделяется за счет распада этих же органических веществ в процессе дыхания растения.

Таким образом, итоговый прирост биомассы растения есть результат двух противоположных процессов: образование биомассы и расход ее во время дыхания.

Интенсивность этих процессов зависит от величины биомассы отдельных органов растения, их геометрии, зн-ачения внешних факторов и наличия достаточного количества питательных веществ.

Пусть фазовые координаты модели -^(0' ^(О'

(/) (функции прироста биомассы листьев, стеблей, корней с - течением времени) являются уровневыми переменными. Уровневая переменная Х0 соответствует количеству новой биомассы в момент •

.Тогда можно формализовать динамику

распределения потоков биомассы в виде уравнений динамики.

Для этого введем в рассмотрение векторы, описывающие параметры микроклимата (радиация, водный режим, газовый состав атмосферы, температура)

Л = (Я, ,Л2 ,Л3,Л4), Х = (Х1,Х2,Х3) и решающие функции

Е1,Е2,Е3„ определяющие соотношение распределения вновь образовавшейся биомассы между листьями, стеблем и корнями растения.

у - - функциональная зависимость скорости образования новой биомассы.

- скорости расхода биомассы на дыхание листьями, стеблем и корнями соответственно.

Г - временной масштаб, отражающий эффект запаздывания, величина которого много меньше вегетационного периода и в течении которого фазовые переменные не меняют своих значений.

Обозначим доли новой массы, распределяемой' между листьями, стеблем и корнями, как £,-(0 (/ = 1,2,3).

Начальные условия обозначим как Х((0) = Х1°. '

На основании вышепринятых обозначений балансовые уравнения динамики роста растения будут выглядеть следующим образом:

/=1ДЗ;

Таким образом, математическая гипотеза формулируется следующим образом:

В случае неизменности состояния среды и если предположить, что растение "не умеет" прогнозировать, скорость прироста новой биомассы растения равна:

у (/ + г) = у [х,. (О + е, (/) • у[х, (/) лк (/)]}, (3)

где ¡-1,2,3 и к-1,2,3,

В случае, если известна за»исимость у от параметров уравнение 4 совместно с системой 3

полностью определяют динамическое состояние системы в любой момент вегетационного периода, при условии детерминированности изменения параметров среды.

В работах по данной теме приводится конкретная зависимость скорости образования новой биомассы у(от интенсивности радиации, концентрации С02 в атмосфере и количества воды. Полученная полуэмпирическая зависимость учитывает также потери биомассы при дыхании:

с?

3

(4)

я3 л3

где (2 - начальный градиент кривой фотосинтеза;

- площадь поверхности листьев, стебля и корней соответственно (дм&);

С,- - коэффициенты, определяющие долю сразу распадающейся вновь образовавшейся биомассы при процессе фотосинтеза;

Ъ - отношение коэффициентов молекулярной диффузии воды и С02;

у - коэффициент, определяющий изменение суммарного сопротивления устьиц листьев к воде при изменении сопротивления мезофильных клеток к С02; Л,- - коэффициенты дыхания листьев, стебля и корней соответственно (г/с).

Таким образом, уравнения 2, 3 и 4 представляют собой математическую модель роста растения, позволяющую оптимизировать технологический процесс культивации растений по скорости набора массы, и описывают элемент Г^ матрицы связей подсистем

Для построения математической модели влагообмена необходимо составить уравнение теплового баланса блочно-модульного комплекса. Тепловой баланс в состоянии динамического равновесия определяется равенством приходящего и уходящего тепла, только в этом случае достигается постоянство температуры.

Определим (кВт), как мощность системы

освещения, но так как на фотосинтез расходуется до одного 1% энергии излучаемой лампами, то можно считать, что вся энергия осветительных установок идет на нагрев объема и частично уносится в окружающую блочно-модульный комплекс среду. Мощность электромеханических

устройств обозначим как Qн (кВт). Теперь можно записать

следующий баланс тепла:

Ос + Он = Ов+Ом+Оу, (5)

где - теплота, расходуемая на испарение влагй;

- теплота, расходуемая на нагрев воздуха;

- теплота, уходящая вне блочно-модульного комплекса.

Полученные в работе уравнения представляют математическую модель микроклимата в блочно-модульном комплексе и отражают связи

*42' ^24» Г02> Г20' Г04> ^40' *41 ' *41' *21 ' Г\2 8 Матрице связей Р.

Построенная модель позволяет сделать вывод о том, что достижение максимальной транспирации возможно при подборе экспериментальных значений относительной влажности и температуры.

Кроме того, математическая модель позволяет по зависимостям кажущихся теплоты испарения и теплоемкости блочно-модульного комплекса расчитать заранее необходимое время работы системы кондиционирования воздуха.

На графике (рис. 4) представлен вид зависимости температуры от времени, полученный в ходе экспериментальных исследований.

Г г" г

рис. 4 Зависимость температуры воздуха в БМК от времени

Полученное соотношение позволяет оптимизировать технологический процесс культивации растений за счет минимизации суммы эффективных температур за вегетационный цикл на единицу продукции данной культуры.

Математическая модель, построенная в данном разделе, отражает элементы 7*32 э'зО''ОЗ' ^20» ^02 матрицы связей К.

Разработанные методы экспериментального определения средних значений интенсивности

воздухообмена и потребления углекислого газа растениями, а так же степени герметичности ограждающих конструкций блочно-модульного комплекса, позволяют по рабочим формулам оптимизировать управление технологическим процессом культивации растений в подсистеме - газообмен. Указанные уравнения определяют

связи Азд, Яц, ?25э матРи^ь| связей

Для определения модели питания был использован математический аппарат описания интеллектуальных систем, по-зволяющий описать агробиологические требования к условиям культивации по питанию в следующем виде:.

5л, = Сп6 л С/?з л Cn¡;

5п2 = Cn-¡ лОтз лСл];

5/?з = Сп, 0 л Сл4 л Сп,;

5/74 = Спп л 0»4 л С/у,

Sfl5 = Oljj л Ся4 л Сп,;

Srig = (C/j 5 л Сп4 л С^) v (От, g л Сп5 л С/^

Sn9={Ct\6f\CnA лC/Ti) v(Сг>зз лОь0 лCr>4 aCoj);

5п]0 = Сл]7 лО?5 л Chj;

5п] ] = C/T2J л С/% л Сп3 л С/у, ■ 5h[2 = СЛ22 АСЛ^ Л Oíj AC/Ti', (6)

5г7|з = 0?2з Á CíTij л С/тз л Оц;

5л|4 = 0?24 а Сг)у л С/73 л С/5[;

5/7|5 = С/725 аС/^ лСпз а С/у

5г>] 6 = C/jjg л Сп, 9 л Сг74 л Сп2;

5/^7 = 0^27 Л С/Т|9 А С/74 Л Сп^,

Sr\g = C/Tjg А Сп19 Л С/74 A С/^',

5г)]9 = 0?29 л Oi]9 а Сп4 л С/72;

5п20 = (Сп30 л Сп20 а Сп4 л Отг) v (Сп31 л Cr^Q л С/?4 л Сп2);

5/121 = Cnj2 Л C/J20 А Сп4 л Сп2.

Система (6) определяет соответствие множества утверждений S (например - избыток железа) на множестве различных условий С (голодание молодых листьев и местное повреждение и т.д.) и является, формальным представлением логики анализа качества питательного раствора по визуальному осмотру растений и отражает

связи /qj, /j0 в матрице связей R.

Выше были разработаны математические модели для всех подсистем (рис. 2) блочно-модульного комплекса. Для построения обобщенной математической модели необходимо написать систему уравнений, объединяющую полученные ранее результаты моделирования.

В систему уравнений (7) входят:

выражение Ес^, позволяющее оптимизировать скорость прироста биомассы в зависимости от интенсивности радиации, концентрации СО2 и количества воды в системе;

выражения и позволяющие

оптимизировать изменения относительной влажности и • температуры микроклимата БМК таким образом, чтобы скорость транспирации была максимальной;

выражение позволяющее минимизировать

сумму эффективных температур за вегетационный цикл, на единицу продукции данной культуры;.

выражения ^Чь и ^Чб' позволяющие оптимизировать эффективность и интенсивность использования углекислого газа;

система позволяющая оптимизировать

качественный и количественный состав питательного

раствора на основании визуальной оценки внешнего состояния растений.

£<?1 £<72 £<7з

£<74

£<75 £<76 £<7*

(7)

В четвертой главе "Результаты практического применения основ разработки ИСУ-РВ ТП в БМК" содержатся результаты практической реализации разработанных в предыдущих главах основ создания ТП для культивационных сооружений.

Были выделены три уровня управления: глобальный, стратегический и тактический. Для каждого из уровней были сформулированы цели и задачи управления.

Был разработан алгоритм работы системы управления (рис.5).

1 Была разработана структура и порядок

функционирования ТП БМК (рис. 6).

Рис. 5 Алгоритм работы СУ ТП БМК Таким образом, интеллектуальные технологии позволили ввести следующие элементы в систему управления:

- реляционные базы данных начальных и текущих состояний ТП;

- параллельные вычисления;

- компьютерное моделирование;

- прогнозирование;

- экспертную систему оценки;

- базу знаний.

Рис. 6 Структурная схема ИСУ-РВ Также, было разработано программное обеспечение, состоящее из четырех модулей: "WISE.PAS", "WISE 1 .PAS", "WISE2.PAS", "WISE3.PAS".

Были проведены экспериментальные исследования разработанного, на ■ основе созданной методологии, технологического процесса в блочно-модульном комплексе под управлением интеллектуальной системы управления реального времени, в основе которой заложены идеи и средства, описанные в данной работе.

Для проведения исследований была разработана программа методика, в основу которой был положен алгоритм незначительных . изменений параметров ТП. Эффективность ИСУ-РВ определялась по конечному результату - сбору продукции.

При исследовании разработанной системы управления параметрами микроклимата изучалась стабильность соблюдения задаваемых системой управления режимов микроклимата. Для этого каждый день в 9ч утра (конец дневной фазы) проводились независимые от измерительной части системы управления измерения параметров микроклимата. На графиках (рис.7,8) отражены результаты измерений.

и 20

£ 15 1,0

г\

- - - Номинальная температура

2.4 10.4 17.4 24.4 30.4 16.5 22.5 30.5 7.6 21.6 4.7 11.7 19.7 1.8' 13.в 5.9 15.9 28.9 16.1 26.1

0 О

Дни

рис. 7. Отклонение температуры воздуха от номинального

значения

80

70

60

50

8 40

| 30

20

10

0

Влажность

- — — Номинальная

5лаж нос гь

2.4 10.4 17.4 24.4 30.4 16.5 52.5 30.5 7.6 21.6 4.7 11.7 19.7 1.8 13.8 5.9 15.9 28.9 16.1 26.1

0 О

Дни

рис. 8. Отклонение относительной• влажности воздуха от номинального значения

Для определения среднеарифметических значений показателей микроклимата воспользуемся формулами:

2>ь

х^^— ; (8)

п

п

Е*2/

п

Пусть Хц, Х21 " соответственно фактические значения температуры и относительной влажности воздуха для каждой ¡-ой точки наблюдения, а п - число точек наблюдения. В этом случае, на основании данных полученных в ходе проводимых исследований можно рассчитать средние значения для дневной и ночной фаз соответственно:

27.85°С;

- 3421

—= 77.16%;

_ 079

Х1н=^ = 20.76°С;

*2„ =^ = 84.60%.

Для дальнейшего анализа построим графики

отклонения фактических значений температуры и

относительной влажности от номинальных значений (рис.9,10):

13.5 20.5 27.5 З.б 18.6 25.6 2.7 11.7 13.7 23.7

Дни

рис. 9. Отклонение температуры от номинального значения

рис. 10. Отклонение относительной влажности от номинального значения

Введем следующие обозначения:

Ух - вариация отклонений температуры ; .

УХ1/ - вариация отклонений влажности ;

етХи - среднеквадрати ное отклонений температуры ;

а - среднеквадрати ное отклонений влажности ;

Х\ном ~ номинальное зна ение температуры ;

Х2ном - номинальное зна ение влажности

В этом случае вариация значений будет равна:

^,.=^•100%; хи

Х2/

Средние квадратичные отклонения можно определить по следующим формулам:

■у, (л^,- Хуном )

/=1

^„Д, (х2/ х2ном )

/=1

(101

Средние величины отклонения параметров микроклимата от номинальных значений определим так:

1 ¡ном I

(11)

2 том

У

2/ -

Подставляя полученные в ходе исследований значения, рассчитаем значения отклонений в дневную и ночную фазы:

проведенных для вариаций

- 141 0 Ид.ном = = 3-36 С ;

- 73.5 о

= = С;

701 198

7х1д=л1— = 3.53° С ;

С*!« =

175 25 =2.025° С ;

/524 42

42

13539

17.74%;

/1258 _.0/

°*2« = \~~42~ = '

= -^--100% = 12.7% ;

27.85

20 25

= £и1£э 100%=9?% 2,и 20.76

17 77

И, = • 100% = 23.0% ;

7716

5 40

Г = ^--100% = 6.7% .

> 87.60

На основе проведенного анализа можно сделать вывод, что точность регулирования температуры во время ночной фазы в среднем в 1.3 раза выше, чем в дневной, а по регулированию относительной влажности воздуха почти в четыре раза.

Кроме того, следует отметить, что практически все отклонения температуры и влажности воздуха от номинальных значений имеют положительные значения.

Можно высказать предположение, что большие дневные отклонения фактических параметров от

номинальных вызваны влиянием тепла, излучаемого лампами.

Анализ результатов обработки данных на предмет стабильности управления показывает о повышении надежности всей системы вцелом.

Данные исследований дают возможность сделать вывод о пригодности методики создания ИСУ-РВ ТП культивирования растений в БМК и для других сооружений защищенного грунта. При этом система микроклимата должна эксплуатироваться в условиях средней полосы и северных районов страны в диапазоне температур

наружного воздуха от -40°С до +25 °С.

Система микроклимата должна обеспечивать

поддержание в вегетационном объеме (БМК - 1200м3) следующих значений температуры и относительной влажности воздуха:

дневная фаза (16 часов):

температура 25-27 С (огурц ы и томаты ;

относительная влажность 70-80% (огурцы),

60-65% (томаты);

ночная фаза (8 часов):

температура 20-24 "С (огурц ы и томаты);

относительная влажность 60-70% (огурцы и

томаты).

Аналогичные исследования были проведены по расходам энергии и воды. Также оценивалась эффективность по сбору урожая. '.

Проведение технико-экономического обоснования позволило сделать вывод о целесообразности применения данной методологии при проектировании технологических процессов культивации растений для любых типов сооружений защищенного грунта.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований установление, что для повышения эффективности использования культивационных сооружений необходима разработка интеллектуальной системы упавления технологическим процессом культивации растений. Это позволит резко увеличить производительность труда и перевести производство овощей и другой растительной

продукции на уровень индустриального производства с высокой степенью автоматизации и эргономики.

1. БМК (блочно-модульный комплекс) представляет собой замкнутую систему, процессы протекающие в нем не зависят от условий окружающей среды. Поэтому растение можно рассматривать как открытую биологическую систему, развитие которой зависит только от физических, химических и биологических явлений внутри БМК.

2. Разработаны принципы системно-комплексного подхода для анализа ТП (технологического процесса) в БМК, состоящие в учете целостности и сложности объекта. СКА (системно-комплексный анализ) на уровне целостности объекта должен учитывать три аспекта: управление, структура и функционирование.

На данном уровне были выделены следующие факторы влияющие на развитие растений: освещение, температура, влажность, газовый состав атмосферы, качественный и количественный состав питательного раствора. Каждая из этих составляющих является отдельной подсистемой, входящей в состав замкнутой динамической системы ТП. Выявлена корреляционная зависимость перечисленных подсистем на развитие растений, в том числе энергетические связи. Полную взаимосвязь всех подсистем с растением можно представить в виде направленного графа или в матричной форме.

3. Для построения обобщенной модели технологического процесса БМК на основе СКА разработаны математические модели элементов матричной связи, в том числе скорость прироста новой биомассы растения, модели влагопереноса, газообмена, качества питательного раствора.

4. Обобщенная математическая модель технологического процесса культивации растений в БМК включает уравнения, позволяющие оптимизировать: скорость' прироста биомассы в зависимости . от интенсивности радиации, концентрации углекислого газа и количества воды в системе; изменение относительной влажности и температуры микроклимата БМК, так чтобы скорость транспирации была максимальной; эффективность и интенсивность использования углекислого газа; качественный и количественный состав питательного раствора на базе визуальной оценки внешнего состояния растений; минимизировть сумму эффективных температур за вегетационный цикл на еденицу продукции данной культуры.

5. На основе обобщенной модели ТП культивации растений разработана СУ (система управления), состоящая из трех уровней: глобального для достижения максимального урожая; стратегического для контроля параметров микроклимата в течении светового дня вегетации и тактического - упраление в течении двух часов.

В качестве целевых функций управления выбраны суммы эффективных температур и суммарное потребление воды растениями.

6. Разработан алгоритм работы СУ, основанный на незначительном изменении параметров ТП и анализе изменений целевых функций управления. При этом СУ настраивает ТП на оптимальные параметры микроклимата.

7. Разработана методика интеллектуализации СУ ТП БМК путем введения в систему центрального процессорного управления, которое по получаемым значениям параметров из баз данных, рассчитывает программу команд и передает их на исполнительные устройства. Алгоритм работы процессорного комплекса позволяет корректировать ТП культивации растений в сторону их оптимальности.

Интеллектуальные технологии включают следующие элементы в систему управления:

- реляционные базы данных начальных и текущих состояний ТП;

- параллельные вычисления;

- компьютерное моделирование;

- прогнозирование;

- экспертную систему оценки;

- базу знаний.

8. Для .ИСУ-РВ (интеллектуальной системы управления реального времени) ТП БМК разработано программное обеспечение, состоящее из четырех модулей ("WISE.PAS", "WISE 1.PAS", "WISE2.PAS", "WISE3.PAS"), обоснована граф-схема алгоритма работы программы, создана мобильная библиотека процедур и функций, позволяющих реализовывать подобные ТП.

9. В результате проведенных испытаний разработанного ТП культивации растений в БМК с ИСУ-РВ были получены следующие результаты:

- повышение урожайности на 17%;

- уменьшение количества некондиционных плодов на 40%;

- уменьшение количества потребления питательного раствора на 10%;

- уменьшение потребляемой электроэнергии в среднем на 20%;

- повышение надежности всей системы вцелом;

- большая адаптивность ТП к новым условиям культивации, за счет накапливаемого опыта и мобильности программного обеспечения.

- количество рабочих мест сократилось на одного человека;

- повышение требований к компьютерной грамотности персонала;

- накопление опыта культивации растений в автоматическом режиме.

10. По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать вывод о целесообразности применения данной методологии при разработке ТП для любых типов культивационных сооружений.

11. Экономический эффект от эксплуатации БМК площадью 1га с разработанной ИСУ-РВ с учетом инфляции составляет 271.295.000руб за год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сысоев Е.С., Липов А.Ю. и др. Круглогодичное индустриальное производство экологически чистой продукции в искусственном климате. В сборнике докладов экспертов ЮНИДО, 1990г. 2п.л.

2. Липов А.Ю. Разработка интеллектуальной системы управления реального времени технологическим процессом в культивационном сооружении. Доклад на симпозиуме фирмы СИ, Boston, USA, 1992г., In.л.

3. Липов А.Ю. Интеллектуальная система управления реального времени технологическим процессом в культивационном сооружении. В ж. Тракторы и сельскохозяйственные машины, NalO, 1992г., 0.2 п.л.

4. Сысоев Е.С., Липов А.Ю. и др. Оборудование защищенного грунта для фермера. В ж. Техника в сельском хозяйстве, Nq2, 1995г., 0.15п.л.

5. Липов А.Ю. Способ управления культивационным процессом в модульном сооружении закрытого грунта. Патент на изобретение Nq2001557, 30.10.93, на изобретение.

6. Липов А.Ю., Сысоев Е.С. Способ управления культивационным процессом в модульном сооружении закрытого грунта. Патент на изобретение Nq2001 558, 30.10.93.