В статье рассматривается проблема создания эффективных систем управления аэроаквапонными установками – замкнутых экосистем для совместного выращивания растений и водных организмов. Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки автоматизированных систем управления для повышения производительности и экономической эффективности таких установок. Целью исследования является определение управляющих воздействий для технологического процесса выращивания картофеля в аэроаквапонной установке. В работе использовались методы математического моделирования, включая разработку дифференциальных уравнений для описания температурных режимов и влажности в камерах установки, а также параметров водной среды в аквариуме. Особое внимание уделено анализу нелинейности и нестационарности системы, что потребовало применения численных методов управления. В результате исследования были разработаны комплексные математические модели технологических процессов, протекающих в аэроаквапонной установке. Созданы модели контроля температуры и влажности в камерах для разных сезонов эксплуатации, учитывающие процессы испарения и увлажнения. Разработаны модели управления pH в аквариуме с учетом влияния аммиака и необходимости обновления воды. Проанализирована взаимосвязь управляющих сигналов, что позволило определить необходимость использования ПИ-регуляторов для точного поддержания параметров. Полученные результаты позволяют создать эффективную систему автоматического управления аэроаквапонной установкой, обеспечивающую оптимальные условия для выращивания картофеля. Разработанные математические модели и рекомендации по выбору управляющих параметров могут быть использованы для создания автоматизированных систем управления аналогичными установками.
The article discusses the problem of creating effective control systems for aeroponic installations–closed ecosystems for the joint cultivation of plants and aquatic organisms. The relevance of the research is due to the need to develop automated control systems to increase the productivity and economic efficiency of such installations. The aim of the study is to analyze the control system of an aeroponic installation using the example of potato cultivation. The work used mathematical modeling methods, including the development of differential equations to describe temperature regimes and humidity in the installation chambers, as well as the parameters of the aquatic environment in the aquarium. Particular attention was paid to the analysis of the nonlinearity and non-stationarity of the system, which required the use of numerical control methods. As a result of the research, comprehensive mathematical models of the technological processes of the aeroponic installation were developed. Models for controlling temperature and humidity in the chambers for different seasons of operation were created, taking into account the processes of evaporation and humidification. Models for controlling the pH in the aquarium were developed, taking into account the influence of ammonia and the need to renew the water. The interrelationship of control signals was analyzed, which made it possible to determine the need to use PI controllers to accurately maintain the parameters. The results obtained make it possible to create an effective automatic control system for an aeroponic installation, providing optimal conditions for growing potatoes. The developed mathematical models and recommendations for selecting control parameters can be used to create automated control systems for similar installations.
1. Нечипоренко А.Ю., Пиотровский Д.Л. Математическое моделирование процесса аэроаквапоники с определением оптимальных технологических параметров // Современные наукоемкие технологии. 2024. № 11. С. 75-79. DOI: 10.17513/snt.40213. EDN: KUOUYZ. URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=40213 (дата обращения: 19.05.2025).
2. Нечипоренко А.Ю., Пиотровский Д.Л., Кладов А.С. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024686770 Российская Федерация. Программа расчета оптимальных параметров функции множества переменных: № 2024686186: заявл. 02.11.2024: опубл. 12.11.2024. EDN: OLTNDH.
3. Нуриддинов Я.А., Ярова Э.Т., Мальчихина О.Г., Тоболова Г.В., Колошина К.А. Продуктивность меристемного картофеля в искусственных средах аэропонных и гидропонных установок // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 6 (80). С. 102-106. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/produktivnost-meristemnogo-kartofelya-v-iskusstvennyh-sredah-aeroponnyh-i-gidroponnyh-ustanovok (дата обращения: 19.05.2025).
4. Эскобар Х.П., Сандоваль А.А., Биензи П.М., Саласар Х.Д. Здания вертикальных ферм в умных городах // Системные технологии. 2020. № 1 (34). С. 73-76. EDN: TUTJRH. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/zdaniya-vertikalnyh-ferm-v-umnyh-gorodah (дата обращения: 19.05.2025).
5. Ленченко С.О., Львов Ю.Б. Динамика гидрохимических показателей воды УЗВ при интегрированном выращивании рыбы и растений // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 12-1 (114). С. 134-136. DOI: 10.23670/IRJ.2021.114.12.021. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/dinamika-gidrohimicheskih-pokazateley-vody-uzv-pri-integrirovannom-vyraschivanii-ryby-i-rasteniy (дата обращения: 19.05.2025).
6. Юрина Н.А. Использование аквапонного метода // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 10-1 (112). С. 73-76. DOI: 10.23670/IRJ.2021.112.10.012. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-akvaponnogo-metoda (дата обращения: 19.05.2025).
7. Калайда М.Л., Борисова С.Д. Аквапоническое выращивание рыбы и овощей // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК. 2024. № 2. С. 126-129. DOI: 10.24412/2311-6447-2024-2-126-129. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/akvaponicheskoe-vyraschivanie-ryby-i-ovoschey (дата обращения: 19.05.2025).
8. Найденов С.В., Домашенко Ю.Е., Васильев С.М. Регулирование водного режима осушительно-увлажнительных систем в пределах Садковского магистрального канала // Природообустройство. 2019. № 2. С. 34-40. DOI: 10.34677/1997-6011/2019-2-34-40. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/regulirovanie-vodnogo-rezhima-osushitelno-uvlazhnitelnyh-sistem-v-predelah-sadkovskogo-magistralnogo-kanala (дата обращения: 19.05.2025).
9. Хутинаев О.С., Старовойтов В.И., Старовойтова О.А., Манохина А.А., Шабанов Н.Э., Колесова О.С. Выращивание миниклубней картофеля и топинамбура в условиях водно-воздушной культуры с использованием искусственного освещения // Агроинженерия. 2018. № 4 (86). С. 7-14. DOI: 10.26897/1728-7936-2018-4-7-14 URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vyraschivanie-miniklubney-kartofelya-i-topinambura-v-usloviyah-vodno-vozdushnoy-kultury-s-ispolzovaniem-iskusstvennogo-osvescheniya (дата обращения: 19.05.2025).
10. Колтунов Л.И., Гольцов Ю.А., Кижук А.С. Математические модели комплексного исследования закономерностей электростатических устройств фильтрации и ионизации воздуха // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2017. № 10. С. 154-160. DOI: 10.12737/article_59cd0c69ca3b13.11132870. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskie-modeli-kompleksnogo-issledovaniya-zakonomernostey-elektrostaticheskih-ustroystv-filtratsii-i-ionizatsii-vozduha (дата обращения: 19.05.2025).
11. Бройда В.А. Оценка эффективности регулирования естественной вентиляции // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2004. №1 (2). С. 76-78. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-effektivnosti-regulirovaniya-estestvennoy-ventilyatsii (дата обращения: 19.05.2025).
12. Ядарова О.Н., Федоров Е.О., Гильденберг Б.М., Сучков В.О., Славутский Л.А. Комплексный контроль параметров регулирования системы вентиляции с заслонками // Вестник Чувашского университета. 2016. №3. С. 149-154. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kompleksnyy-kontrol-parametrov-regulirovaniya-sistemy-ventilyatsii-s-zaslonkami (дата обращения: 19.05.2025).
13. Левицкий Ж. Г., Нургалиева А.Д. Управление расходами воздуха в вентиляционной сети с активным регулятором // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2011. № 4. С. 23-27. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/upravlenie-rashodami-vozduha-v-ventilyatsionnoy-seti-s-aktivnym-regulyatorom (дата обращения: 19.05.2025).
14. Ершов С.В., Сергеева Т.Е. Исследование интеллектуально адаптивной системы автоматического контроля микроклимата // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 12-2. С. 82-88. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-intellektualno-adaptivnoy-sistemy-avtomaticheskogo-kontrolya-mikroklimata (дата обращения: 19.05.2025).
15. Корниенко С.В., Кизеров А.А., Горлов И.Ф. Вентиляция с нагнетанием или разряжением воздуха в помещениях для животных // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2025. № 1 (79). С. 282-293. DOI: 10.32786/2071-9485-2025-01-29. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ventilyatsiya-s-nagnetaniem-ili-razryazheniem-vozduha-v-pomescheniyah-dlya-zhivotnyh (дата обращения: 19.05.2025).