Автоматизація процесів керування тепличними комплексами з моніторінгом якості продукції

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.13.07 «Автоматизація процесів керування». Національний університет біоресурсів і природокористування України. Київ, 2020. Дисертацію присвячено вирішенню важливої і актуальної науково прикладної проблеми, а саме розробленню наукових основ створення енергоефективної системи автоматизації процесів керування енергетичними потоками в просторово-розподілених біотехнічних об’єктах – тепличних комбінатах, що функціонують в умовах невизначеності з моніторингом якості рослинної продукції. Суть проблеми полягає у тому, щоб за рахунок автоматизації процесів керування на основі використання результатів моніторингу стану рослин і якості продукції забезпечити виконання заданої технології виробництва рослинної продукції в умовах тепличного комбінату з мінімальними витратами енергії.Ключовим елементом досягнення компромісу між витратами ресурсів та якістю продукції є система керування мікрокліматом у теплиці, а основні обмеження ефективності вирощування рослинної продукції в тепличних комплексах виникають внаслідок: по-перше, невизначеності, що є наслідком впливу природних збурень, які мають випадковий характер (температура і вологість зовнішнього середовища, сонячна радіація), неповноти інформації про стани рослин, параметрів середовища навколо них та якості рослинної продукції; по-друге, обмеженої інформації про взаємозв’язки між споживанням енергетичних ресурсів та станами рослин у просторово-розподілених фітокліматичних умовах їх розвитку та якості рослинної продукції; по-третє, відсутності загальних технічних принципів побудови систем автоматизації керування енергетичними потоками в просторово-розподілених біотехнічних об’єктах – тепличних комплексах, із моніторингом якості цієї продукції. Зважаючи на зазначене, можна стверджувати, що нині вимоги до систем енергоефективного керування енергетичними потоками просторово розподілених біотехнічних об’єктів – тепличних комплексів, постійно зростають, а наукові основи їх побудови відсутні. Зазначене вище зумовило вибір теми дисертації, встановлення її мети та завдань. Розроблено інтелектуальний метод формування енергоефективних стратегій керування енергетичними потоками в біотехнічних об’єктах – промислових теплицях, який відрізняється використанням нового критерію енергоефективності та нейромережевого аналізу, що мінімізує енергетичні витрати на забезпечення технології вирощування в умовах дії зовнішніх природних збурень, неповної інформації про стани рослин та просторової розподіленості кліматичних умов. На основі генетичного алгоритму встановлено оптимальну кількість основних факторів життєзабезпечення рослин, на підтримку яких витрачається 70 % енергетичних ресурсів. На основі математичного апарату вейвлет-перетворень розроблено новий метод безконтактного визначення фітометричних параметрів рослин, що дає змогу оцінювати якість розвитку рослини; на основі методу варіаційного числення створено математичну модель переміщення мобільного робота, що дає можливість мінімізувати енерговитрати його акумуляторної батареї. На застосуванні теорії імовірнісних автоматів та стимулюючого навчання заснований метод просторового орієнтування мобільного робота для фітомоніторингу в просторі промислової теплиці, що створює умови для самостійного переміщення робота в просторі теплиці, оминаючи перешкоди. За результатами параметричного синтезу та методології оптимального проєктування і використання мобільних роботів винайдено раціональний варіант структури мобільного робота фітомоніторингу, який здійснює моніторинг фітостану і стану атмосфери, аналізує фітокліматичні дані та формує на цій основі рішення щодо оптимізації маршруту переміщення, планування послідовності дій, розпізнавання образів і перешкод, що забезпечує виконання поставлених завдань за мінімальних вартісних і часових витрат. Розроблено просторово-розподілену математичну модель промислової теплиці, засновану на розв’язанні рівнянь Нав’є-Стокса, що дає можливість оцінювати значення температури як основного технологічного параметра в просторі теплиці та використовувати ці результати для формування маршруту переміщення мобільного робота фітомоніторингу. Запропоновано критерії: ефективного використання енергетичних ресурсів, суть якого полягає у мінімізації різниці між відносними показниками фітокліматичного життєзабезпечення та фіторозвитку рослин, що мінімізує енергетичні витрати, забезпечуючи задану якість рослин та продукції; оцінки станів розвитку рослин і рослинної продукції, а саме фітометричний та фітотемпературний критерії, використання яких системою автоматизації процесів керування енергетичними потоками під час виробництва рослинної продукції забезпечує задану якість рослин та продукції з урахуванням фаз розвитку рослин. Для виробництва продукції заданої якості в просторово-розподілених біотехнічних об’єктах – промислових теплицях, розроблено нову концепцію системи автоматизації процесів керування енергетичними потоками, що функціонує на основі використання результатів фітомоніторингу, які надходять від мобільного робота, і нейромережевого аналізу