Системы управления процессами культивации в условиях защищенного грунта

Традиционным подходом к управлению процессами культивации является использование принципа регулирования для обеспечения заданных значений технологических режимов процесса культивации. Математические модели в этом случае должны описывать динамические свойства системы автоматического регулирования. Разрабатываемые исследователями математические модели направлены на уточнение описания процессов. Использование уточненных моделей позволяет повысить точность и качество процесса управления. Одновременно совершенствуются технические средства систем управления.

Самыми известными системами автоматического регулирования, применяемыми в системах автоматизации процессов АПК стали отечественные системы управления КТ-1, УТ12, и их зарубежные аналоги: «Тельтов» и «Ван-Флит», описанные в литературе [1].Эти системы могут работать с минимальным количеством априорной информации, однако качество работы таких систем зачастую не удовлетворяет агротехническим нормам.

Для устранения недостатков линейных законов регулирования предлагается использовать нелинейные зависимости для коэффициентовусиления ПИ-регулятора [2]. За счет этого, форсируют управляющее воздействие при больших отклонениях управляемого параметра от уставки:

,

где – управляющее воздействие, – рассогласование между заданием и выходом объекта, – коэффициент усиления пропорциональногоканала, – коэффициент интегральногоканала, – дополнительные коэффициенты при нелинейной части.

При использовании предлагаемого закона улучшается динамика процесса. На рисунке 1 представлены переходные характеристики системы, полученные для разных законов регулирования.

Рис. 1. Переходные характеристики системы терморегулирования

При сравнении графиков можно видеть, что быстродействие при введении нелинейных коэффициентов улучшается, однако появляется перерегулирование, что не всегда допустимо. Выбор коэффициентов при настройке системы управления в работе не рассмотрен, однако, по аналогии с настройкой ПИД-регулятора можно ожидать их критическое влияние на качество управления и существенное усложнение настройки регулятора за счет увеличения числа настраиваемых параметров.

Повысить эффективность законов регулирования можно за счет учета внешних и внутренних возмущающих факторов, влияющих на протекание технологического процесса. Для этого используются комбинированные алгоритмы работы, позволяющие частично или полностью компенсировать возмущающие воздействия внешних и внутренних факторов.

Примером такого учета является математическая модель системы управления обогревом теплицы [3]:

,

где – температура расчетной воды системы обогрева на входе, – скорость ветра, – интенсивность солнечной радиации, – заданная температура воздуха в теплице, – температура почвы теплицы, – температура наружного воздуха, – влажность воздуха в теплице, , , , , , – коэффициенты пропорциональности.

Особенностью приведенного выражения является учет таких влияющих на температурный режим, факторов, как скорость ветра, интенсивность солнечной радиации, заданная температура воздуха в теплице, температура почвы теплицы, температура наружного воздуха, влажность воздуха в теплице. Однако, реализация модели требует определения неизвестных коэффициентов . По сведениям авторов, экспериментальная проверка предложенной модели показала, что модель соответствует агротехническим требованиям, предъявленным к средствам автоматики, используемой в технологическом процессе выращивания овощной продукции: отклонение температуры воздуха от заданной не более 1⁰С, отклонение влажности воздуха от заданного не более 5%. Система при внедрении дала экономию энергии в опытной теплице по сравнению с контрольной 14,1%. В результате снижения перегревов растения и улучшения фитосанитарного состояния растений урожайность повысилась на 8%.

Известны работы по оптимизации управления процессами культивации. Наиболее актуальной является задача оптимизации по затратам энергии. Энергосберегающая система управления (ЭССАУ) микроклиматом, разработанная кафедрой «Автоматизация сельскохозяйственного производства» ЧГАУ,использует комбинированные алгоритмы управления температурой, и,благодаря биологической модели культивационного процесса, система позволяет оптимизировать тепловой режим с учетом его протекания. Пример алгоритма выбора критерия оптимизации приводится в работе [4]:

1. Определяется температура воздуха в теплице, оптимальная по критерию максимальной продуктивности.

2. Определяется коэффициент теплопередачи через внешнее ограждение теплицы.

3. Определяется естественная температура теплицы.

4. Сравнивается полученное значение естественной температуры в теплице со значением температуры, оптимальной по критерию максимальной продуктивности, если она больше, то выдается команда перехода на летний режим работы, когда вместо обогрева работает вентиляция. Если меньше, то производится вычисление значения оценочного показателя-дискриминанта.

5. Производится выбор критерия оптимизации по значению дискриминанта:

- если дискриминант меньше нуля, то в теплице поддерживается температура оптимальная по критерию максимальной продуктивности;

- если равен нулю, то поддерживается предыдущее значение оптимальной температуры;

- если больше нуля, то производится определение температуры воздуха в теплице, оптимальной по критерию удельной энергоемкости.

Применение алгоритма позволяет определять условия получения оптимальных энергосберегающих режимов и получать оптимальное управление, что обеспечивает повышение урожайности на 17%, снижение потребления энергии на 20%, уменьшение расхода питательного раствора на 10% и сокращение товарного брака по некондиции на 40%.

Рассмотренные примеры, а также результаты других библиографических исследований показывают, что основное внимание уделяется качеству и эффективности процессов автоматического регулирования отдельных параметров технологических режимов. В то же время качество и выход товарной продукции в процессах культивации существенно зависит от сочетания этих параметров. Определенный результат может быть достигнут при разных сочетаниях параметров технологического режима. Это обстоятельство требует проведения комплексной оценки влияния параметров технологического режима на качество процесса вегетации и разработки соответствующих алгоритмов взаимосвязанного регулирования режима процесса вегетации. В этом случае в качестве показателей качества процесса следует учитывать выход товарной продукции, длительность технологического процесса и качества товарной продукции.

Литература:

1. Рысс А.А., Гурвич Л.И. Автоматическое управление температурным режимом в теплицах. – М.: Агропромиздат, 1986. – 128 с.: ил.

2. Крушель Е.Г. Нелинейные алгоритмы регулирования микроклимата. / Крушель Е.Г., Семенов В.Г., Степанченко И.В., Сургутанов В.В. // Известия ВолгГТУ. – 2007. -№3. – с.89-92.

3. Хребтович А.М., Гарбуз В.М., Иванов В.И. Способ регулирования микроклимата в теплице и система для его осуществления. Патент 1819537 от 28.06.91.

4. Изаков Ф.Я., Попова С.А., Ждан А.Б. Способ автоматического управления температурным режимом в теплице и система для его осуществления. Патент 2128425 от 28.07.94.