Инженерные технологии и системы, 2021, том 31, № 1

 Том 31, № 1. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

Научный журнал «Инженерные технологии и системы» 

публикует оригинальные научные статьи (Full Articles) на русском и английском 
языках, ранее не публиковавшиеся в других изданиях. Миссия заключается в публикации результатов научных исследований, способствующих развитию науки 
в области инженерных систем и технологий.

Журнал адресован исследователям, аналитикам и практикам в области физики 

и сельскохозяйственного производства, а также широкому кругу читателей, интересующихся проблемами технических наук.

Редакция журнала осуществляет научное рецензирование (двустороннее сле
пое) всех поступающих статей. Рукопись статьи направляется на рецензирование 
для оценки ее научного содержания нескольким ведущим специалистам соответствующего профиля, имеющим научную специализацию, наиболее близкую к тематике статьи.

Редакция журнала реализует принцип нулевой толерантности к плагиату. Мо
ниторинг некорректного цитирования осуществляется с помощью систем «Антиплагиат» и CrossCheck.

Распространение – Российская Федерация, зарубежные страны.
Журнал предоставляет открытый доступ к полным текстам публикаций, исходя 

из следующего принципа: открытый доступ к результатам исследований способствует увеличению глобального обмена знаниями.

Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых 

должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук по 
научным специальностям и соответствующим им отраслям науки:

01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики
01.04.05 Оптика
01.04.13 Электрофизика, электрофизические установки
05.20.01 Технологии и средства механизации сельского хозяйства
05.20.02 Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
05.20.03 Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Журнал индексируется и архивируется в базах данных:

Web of Science Core Collection (ESCI)

Российском индексе научного цитирования (РИНЦ)

EBSCO

Журнал является членом Open Access Scholarly Publishers Association (OASPA), 

Directory of Open Access Journals (DOAJ), Committee on Publication 

Ethics (COPE), Ассоциации научных редакторов и издателей (АНРИ), CrossRef 

и международного сообщества рецензентов Publons 

Материалы журнала доступны по лицензии Creative Commons “Attributionˮ  

(«Атрибуция») 4.0 Всемирная

Vol. 31, no. 1. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

The scientific journal Engineering Technologies and Systems 

publishes original scientific articles (full articles) in Russian and English, which 
have not been previously published in other publications. The mission of the journal is to publish research results that contribute to the advancement of knowledge 
in area of engineering systems and technology. 

The journal is addressed to researchers, analysts and practitioners in the fields 

of physics and agricultural production, as well as readers interested in engineering 
problems.

The Editorial Board reviews (double-blind review) all incoming papers. The 

manuscript of the article is sent for review to several leading specialists of the corresponding profile, who have scientific specialization closest to the subject of the 
article, to evaluate the scientific content. 

The Editorial Board follows the principle of zero tolerance to plagiarism. The 

incorrect citations shall be monitored with the help of Antiplagiat and CrossCheck 
systems.

The journal is distributed in Russian Federation and other countries of the world.
The journal offers direct open access to full-text issues based on the following 

principle: open access to research results contributes to the global knowledge 
sharing. 

The journal is included in the List of the leading peer-reviewed scientific jour
nals and publications, where basic scientific results of dissertations for the degree 
of Doctor and Candidate of Sciences should be published for scientific specialties 
and branches of science:

Instruments and Methods of Experimental Physics
Optics
Electrophysics, Electrophysical Installations
Technologies and Means of Agricultural Mechanization
Electrotechnologies and Electrical Equipment in Agriculture
Technologies and Means of Maintenance in Agriculture 

The journal is indexed and archived by databases:

Web of Science Core Collection (ESCI)

Russian Index of Scientific Citations

EBSCO

The journal is a member of Open Access Scholarly Publishers Association (OASPA), 

Directory of Open Access Journals (DOAJ), Committee on Publication 

Ethics (COPE), Association of Scientific Editors and Publishers (ASEP), CrossRef  

and the international community of reviewers Publons

All the materials of the “Engineering Technologies and Systems” journal are available 

under Creative Commons “Attribution” 4.0 license

 Том 31, № 1. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ

Вдовин Сергей Михайлович – главный редактор, ректор ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», кандидат 
экономических наук, доцент, ORCID: 0000-0001-7363-1389, rector@mrsu.ru (Саранск, Российская Федерация)

Сенин Пётр Васильевич – заместитель главного редактора, проректор по научной работе  

ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», доктор технических наук, профессор,  

ORCID: 0000-0003-3400-7780, vice-rector-innov@adm.mrsu.ru (Саранск, Российская Федерация)
Гордина Светлана Викторовна – ответственный секретарь, член Европейской ассоциации 

научных редакторов (EASE), кандидат педагогических наук, ORCID: 0000-0003-2265-418X,  

vestnik_mrsu@mail.ru (Саранск, Российская Федерация)

Аллахвердиев Сурхай Рагим оглы – академик Российской Академии Естествознания, профессор 
кафедры лесной индустрии Бартынского государственного университета, профессор кафедры экологии 

и природопользования ФГБОУ ВО «Московский педагогический государственный университет», 

доктор биологических наук, профессор (Бартын, Турция)

Булгаков Алексей Григорьевич – профессор кафедры мехатроники и гидропневмоавтоматики 

ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова», 

доктор технических наук, ORCID: 0000-0003-4261-9840 (Новочеркасск, Российская Федерация) 

Димитров Валерий Петрович – заведующий кафедрой управления качеством ФГБОУ ВО «Донской 

государственный технический университет», доктор технических наук, профессор,  

ORCID: 0000-0003-1439-1674 (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Ерофеев Владимир Трофимович – академик Российской академии архитектуры и строительных 
наук, декан архитектурно-строительного факультета ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», доктор 

технических наук, профессор, Scopus ID: 56662851300 (Саранск, Российская Федерация)

Железникова Ольга Евгеньевна – директор Института электроники и светотехники ФГБОУ ВО «МГУ им. 
Н. П. Огарёва», кандидат технических наук, доцент, Scopus ID: 56362747600 (Саранск, Российская Федерация)

Игумнов Леонид Александрович – директор Научно-исследовательского института механики, 
заведующий кафедрой теоретической, компьютерной и экспериментальной механики ФГАОУ ВО 

«Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского», доктор физико-математических 

наук, профессор, ORCID: 0000-0003-3035-0119 (Нижний Новгород, Российская Федерация)

Истомина Наталья Леонидовна – начальник отдела физических наук Российской академии 

наук, заместитель академика-секретаря по научно-организационной работе ОФН РАН, профессор 

кафедры управления инновациями ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный 

исследовательский университет)», главный редактор научно-технического журнала «Фотоника», доктор 

физико-математических наук, ORCID: 0000-0001-6008-1226 (Москва, Российская Федерация)
Кечемайкин Владимир Николаевич – директор Рузаевского института машиностроения  

ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», кандидат экономических наук (Саранск, Российская Федерация)

Котин Александр Владимирович – профессор кафедры механизации переработки 

сельскохозяйственной продукции ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва»,  

доктор технических наук, ORCID: 0000-0001-8235-0052 (Саранск, Российская Федерация)

Кусмарцев Федор Васильевич – декан физического факультета Университета Лафборо,  
кандидат физико-математических наук, Scopus ID: 7006372417 (Лафборо, Великобритания)

Кухарев Олег Николаевич – ректор ФГБОУ ВО «Пензенский государственный аграрный университет», доктор 

технических наук, профессор, ORCID: 0000-0002-3519-4066 (Пенза, Российская Федерация)

Микаева Светлана Анатольевна – заведующий кафедрой электроники ФГБОУ ВО «МИРЭА – 

Российский технологический университет», доктор технических наук, доцент, Scopus ID: 8542764000 

(Москва, Российская Федерация)

Нищев Константин Николаевич – директор Института физики и химии ФГБОУ ВО  

«МГУ им. Н. П. Огарёва», кандидат физико-математических наук, доцент,  

ORCID: 0000-0001-7905-3700 (Саранск, Российская Федерация)

Прытков Юрий Николаевич – директор Аграрного института ФГБОУ ВО «МГУ  

им. Н. П. Огарёва», доктор сельскохозяйственных наук, профессор (Саранск, Российская Федерация)
Рябочкина Полина Анатольевна – научный руководитель лаборатории оптической спектроскопии 
лазерных материалов ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», доктор физико-математических наук, 

профессор, ORCID: 0000-0001-8503-8486 (Саранск, Российская Федерация)

Салем Абдель-Бадех Мохамед ‒ руководитель Исследовательских лабораторий в области 

искусственного интеллекта и знаний, профессор факультета компьютерных и информационных наук 

университета Ain Shams, доктор наук в области компьютерных технологий,  

заслуженный профессор, ORCID: 0000-0003-0268-6539 (Каир, Египет)

Скрябин Владимир Александрович – профессор кафедры технологий и оборудования 

в машиностроении ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», доктор технических наук,  

ORCID: 0000-0001-7156-9198 (Пенза, Российская Федерация)

Чучаев Иван Иванович – декан факультета математики и информационных технологий ФГБОУ ВО  
«МГУ им. Н. П. Огарёва», кандидат физико-математических наук, доцент (Саранск, Российская Федерация)

Шишелова Тамара Ильинична ‒ профессор кафедры физики, ФГБОУ ВО «Иркутский 

национальный исследовательский технический университет», доктор технических наук, профессор, 

Scopus ID: 6507978465 (Иркутск, Российская Федерация)

Ямашкин Анатолий Александрович – декан географического факультета ФГБОУ ВО «МГУ 

им. Н. П. Огарёва», доктор географических наук, профессор, ORCID: 0000-0001-9995-8371 (Саранск, 

Российская Федерация)

Vol. 31, no. 1. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

EDITORIAL BOARD

Sergey M. Vdovin – Editor in Chief, Rector of National Research Mordovia State University, Cand.Sc. 
(Economics), Associate Professor, ORCID: 0000-0001-7363-1389, rector@mrsu.ru (Saransk, Russian Federation)

Petr V. Senin – Deputy Editor in Chief, Vice-Rector for Science and Research, National Research 

Mordovia State University, D.Sc. (Engineering), Professor, ORCID: 0000-0003-3400-7780,  

vice-rector-innov@adm.mrsu.ru (Saransk, Russian Federation)

Svetlana V. Gordina – Executive Editor, Member of European Association of Science Editors (EASE),  

Cand.Sc. (Pedagogy), ORCID: 0000-0003-2265-418X, vestnik_mrsu@mail.ru (Saransk, Russian Federation)

Surhay Allahverdi – Academician of the Russian Academy of Natural Sciences, Head of the Forest 

Industry Chair, Bartin University, Professor of the Ecology and Nature Management Chair,  

Moscow Pedagogical State University, D.Sc. (Biology), Professor (Bartin, Turkey)

Aleksey G. Bulgakov – Professor of the Chair of Mechatronics and Hydropneumatics, Platov South-Russian 

State Polytechnic University (NPI), D.Sc. (Engineering), ORCID: 0000-0003-4261-9840  

(Novocherkassk, Russian Federation) 

Ivan I. Chuchayev – Dean of the Mathematics and Information Technology Faculty, National Research 
Mordovia State University, Cand.Sc. (Phys.-Math.), Associate Professor (Saransk, Russian Federation)

Valeriy P. Dimitrov – Head of the Chair of Quality Management, Don State Technical University,  
D.Sc. (Engineering), Professor, ORCID: 0000-0003-1439-1674 (Rostov-on-Don, Russian Federation)
Leonid A. Igumnov – Director of the Research Institute of Mechanics, Head of the Numerical Simulation  

of Theoretical, Computer and Experimental Mechanics Chair, Lobachevsky State University of Nizhniy Novgorod, 

D.Sc. (Phys.-Math.), Professor, ORCID: 0000-0003-3035-0119 (Nizhny Novgorod, Russian Federation)

Natalia L. Istomina – Head of Physical Sciences Department, Russian Academy of Sciences, Deputy 
of Academic Secretary for Scientific and Organizational Work, Professor of the Innovation Management 

Chair, Moscow Aviation Institute (National Research University), Editor-in-Chief, Photonics Russia, 

D.Sc. (Phys.-Math.), ORCID: 0000-0001-6008-1226 (Moscow, Russian Federation)

Vladimir N. Kechemaykin – Director of the Ruzaevka Institute of Mechanical Engineering, National 

Research Mordovia State University, Cand.Sc. (Economics) (Saransk, Russian Federation)

Aleksandr V. Kotin – Professor of the Chair of Mechanization of Agricultural Production Processing, 

National Research Mordovia State University, D.Sc. (Engineering), ORCID: 0000-0001-8235-0052 

(Saransk, Russian Federation)

Fedor V. Kusmartsev – Head of Physics Department, Loughborough University,  

Ph.D. (Phys.-Math.), Scopus ID: 7006372417 (Loughborough, Great Britain)

Oleg N. Kukharev – Rector of Penza State Agrarian University, D.Sc. (Engineering), Professor,  

ORCID: 0000-0002-3519-4066 (Penza, Russian Federation)

Svetlana A. Mikayeva – Head of the Еlectronics Chair, MIREA – Russian Technological University, 

D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Scopus ID: 8542764000 (Moscow, Russian Federation)

Konstantin N. Nishchev – Director of Institute of Physics and Chemistry, National Research Mordovia 

State University, Cand.Sc. (Phys.-Math.), Associate Professor, ORCID: 0000-0001-7905-3700  

(Saransk, Russian Federation)

Yuriy N. Prytkov – Director of Institute of Agriculture, National Research Mordovia State University, 

D.Sc. (Agriculture), Professor (Saransk, Russian Federation)

Polina A. Ryabochkina – Scientific Director of the Laboratory of Optical Spectroscopy of Laser Materials, 
National Research Mordovia State University, D.Sc. (Phys.-Math.), Professor, ORCID: 0000-0001-8503-8486 

(Saransk, Russian Federation)

Abdel-Badeeh M. Salem ‒ Head of Artificial Intelligence and Knowledge Engineering Research Labs, 

Professor of Faculty of Computers and Information Sciences, Ain Shams University,  

D.Sc. (Computer Science), Emeritus Professor, ORCID: 0000-0003-0268-6539 (Cairo, Egypt)

Tamara I. Shishelova ‒ Professor of the Physics Chair, Irkutsk National Research Technical University 

D.Sc. (Engineering), Scopus ID: 6507978465 (Irkutsk, Russian Federation)

Vladimir A. Skryabin – Professor of the Chair of Technology and Equipment in Mechanical Engineering, 
Penza State University, D.Sc. (Engineering), ORCID: 0000-0001-7156-9198 (Penza, Russian Federation)
Anatoliy A. Yamashkin – Dean of Geography Faculty, National Research Mordovia State University, 

D.Sc. (Geography), Professor, ORCID: 0000-0001-9995-8371 (Saransk, Russian Federation)

Vladimir T. Yerofeev – Academician of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences, 

Dean of Architectural and Civil Engineering Faculty, National Research Mordovia State University, 

D.Sc. (Engineering), Professor, Scopus ID: 56662851300 (Saransk, Russian Federation)

Olga Ye. Zheleznikova – Director of Institute of Electronics and Light Engineering, National Research 

Mordovia State University, Cand.Sc. (Engineering), Associate Professor, Scopus ID: 56362747600  

(Saransk, Russian Federation)

 Том 31, № 1. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ 

СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Шерьязов С. К., Попова С. А. Принцип управления свето-температурным режимом 

для роста тепличных растений (на англ. яз.) ......................................................................................... 8

Сторчак И. Г., Ерошенко Ф. В., Оганян Л. Р., Шестакова Е. О., Калашникова А. А. 

Возможность оценки степени развития растений озимой пшеницы в период  
«всходы – кущение» по данным дистанционного зондирования Земли ........................................ 21

Рудик Ф. Я., Богатырев С. А., Ковылин А. П., Тулиева М. С. Повышение 

эффективности измельчения сахарной свеклы в центробежных свеклорезках ............................ 37

ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ

Скобло Т. С., Клочко О. Ю., Автухов А. К., Романченко В. Н., Плугатарёв А. В., 

Рыбалко И. Н. Упрочнение тонкостенных ножей азотистой плазмой ............................................ 56

Алейников Ю. Г., Дидманидзе О. Н. Моделирование движения опоры шагающей 

машины с динамической устойчивостью при помощи стенда ........................................................ 80

Успенский И. А., Фадеев И. В., Алексеев В. В., Филиппов В. П. Моделирование  

влияния удобрений на динамику контуров увлажнения при капельном орошении ........................ 97

Пархоменко Г. Г., Божко И. В., Камбулов С. И., Пахомов В. И. Агротехнические 

и энергетические показатели почвообрабатывающих рабочих органов ......................................... 109

Федоренко В. Ф., Таркивский В. Е., Мишуров Н. П., Трубицын Н. В. Цифровые  

методы обработки данных при оценке тягового усилия тракторов ................................................ 127

Купряшкин В. Ф., Уланов А. С., Шляпников М. Г., Гусев А. Ю., Славкин В. И. 

Разработка подвижного модуля экспериментального стенда для определения тягово-сцепных 
свойств колесных движителей и результаты лабораторных исследований силы тяги  
на ведущих колесах мотоблока ............................................................................................................. 143

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Жалнин Р. В., Масягин В. Ф., Пескова Е. Е., Тишкин В. Ф. Применение метода 

Галеркина с разрывными базисными функциями к исследованию динамики изменения 
температуры и давления в пласте с нагнетательной скважиной и трещиной гидроразрыва ....... 161

Информация для авторов и читателей (на рус. яз.).............................................................175
Информация для авторов и читателей (на англ. яз.).........................................................177

http://vestnik.mrsu.ru
DOI: 10.15507/2658-4123.031.202101

ISSN Print 2658-4123

ISSN Online 2658-6525 

Vol. 31, no. 1. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

http://vestnik.mrsu.ru
DOI: 10.15507/2658-4123.031.202101

CONTENTS

TECHNOLOGIES AND MEANS 

OF AGRICULTURAL MECHANIZATION

Sheryazov S. K., Popova S. A. Light and Temperature Control for Greenhouse Plant Growth ........ 8
Storchak I. G., Eroshenko F. V., Oganyan L. R., Shestakova E. O., Kalashnikova A. A. 

Assessment of Winter Wheat Plant Development during the Seeding and Tillering Stages  
According to the Earth Remote Sensing Data ....................................................................................... 21

Rudik F. Ya., Bogatyrev S. A., Kovylin A. P., Tulieva M. S. Improving the Efficiency 

of Grinding Sugar Beet in Centrifugal Beet Cutters ............................................................................. 37

PROCESSES AND MACHINES

OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Skoblo Т. S., Klochko О. Yu., Avtukhov A. K., Romanchenko V. N., Plugatarev A. V., 

Rybalko I. N. Strengthening Thin-Walled Knives with Nitrogen Plasma .............................................. 56

Aleynikov Yu. G., Didmanidze O. N. Modeling Movement of Supports of Walking  

Machines with Dynamic Stability by Using a Stand ............................................................................. 80

Uspensky I. A., Fadeev I. V., Alekseev V. V., Philippov V. P. Modeling the Effect  

of Fertilizers on the Dynamics of Moisture Contours at Drip Irrigation ................................................. 97

Parkhomenko G. G., Bozhko I. V., Kambulov S. I., Pakhomov V. I. Agrotechnical  

and Energy Performance of Tillage Tools .............................................................................................. 109

Fedorenko V. F., Tarkivskiy V. E., Mishurov N. P., Trubitsyn N. V. Digital Data  

Processing Methods for Estimating Tractive Force of Tractors ............................................................. 127

Kupryashkin V. F., Ulanov A. S., Shlyapnikov M. G., Gusev A. Yu., Slavkin V. I.  

Experimental Stand Movable Module for Determining the Traction-Linked Properties of Wheel 
Engines and the Results of Laboratory Researches for Determining the Traction Force  
of Two-Wheel Tractors ............................................................................................................................ 143

PHYSICS AND MATHEMATICS

Zhalnin R. V., Masyagin V. F., Peskova E. E., Tishkin V. F. Application of the Discontinuous 

Galerkin Method to the Study of the Dynamics of Temperature and Pressure Changes in a Formation  
with an Injection Well and a Hydraulic Fracture ...................................................................................... 161

Information for Authors and Readers of the Journal (in Russian)............................................175
Information for Authors and Readers of the Journal (in English)..............................................177

ISSN Print 2658-4123

ISSN Online 2658-6525

Том 31, № 1. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

Original article

Light and Temperature Control for Greenhouse Plant 
Growth

S. K. Sheryazov*, S. A. Popova
South Ural State Agricultural University (Chelyabinsk, 
Russian Federation)

*sakenu@yandex.ru

Introduction. The article deals with the conditions for growing greenhouse plants. Supplementary lighting supports the process of plant photosynthesis and the microclimate in the 
greenhouse. The authors suggest the ways to reduce energy consumption in greenhouses 
by controlling the microclimate and process of supplementary lighting in greenhouses. 
Materials and Methods. Special lighting and temperature are required for growing greenhouse plants. A method of efficient plant growing is light and temperature control. The development of a control algorithm requires the mathematical models that relate the process 
of photosynthesis to the microclimate parameters. There are given the mathematical models based on the experimental data.
Results. The control system and algorithm to control plant-growing conditions have been 
developed to maintain the greenhouse microclimate. LED lamps are used to control the 
lighting process. The authors present the developed block diagram of the control system, 
which contains four channels responsible for the main energy-intensive microclimate factors. The description of the algorithm of the greenhouse light-temperature control is given.
Discussion and Conclusion. In conclusion, the need to maintain the greenhouse microclimate and supplementary lighting with the different radiation spectrum for the efficient 
cultivation of greenhouse plants is shown. The developed structure and control algorithm 
for the supplementary plant lighting process and greenhouse illumination through using 
LED lamps help reduce energy consumption.

Keywords: greenhouse plants, supplementary lighting, illumination, temperature, greenhouse microclimate, radiation spectrum, control system, control algorithm, LED lamps 

Conflict of interest: The authors declare no conflict of interest.

For citation: Sheryazov S.K., Popova S.A. Light and Temperature Control for Greenhouse 
Plant Growth. Inzhenerernyye tekhnologii i sistemy = Engineering Technologies and Systems. 2021; 31(1):8-20. DOI: https://doi.org/10.15507/2658-4123.031.202101.008-020

УДК 635.918:631.544.41                                       
DOI: 10.15507/2658-4123.031.202101.008-020

http://vestnik.mrsu.ru
ISSN Print 2658-4123

ISSN Online 2658-6525 

ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА 

МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА /

TECHNOLOGIES AND MEANS 

OF AGRICULTURAL MECHANIZATION

© Sheryazov S. K., Popova S. A., 2021 

 Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License.
 This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

Vol. 31, no. 1. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

Technologies and means of agricultural mechanization

Оригинальная статья

Принцип управления свето-температурным 
режимом для роста тепличных растений

С. К. Шерьязов*, С. А. Попова
ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный 
университет» (г. Челябинск, Российская Федерация)

*sakenu@yandex.ru

Введение. В статье рассматриваются условия выращивания тепличных растений, 
среди которых важным фактором является поддержание процесса фотосинтеза путем досвечивания растений и необходимого микроклимата в теплице. Выращивание 
тепличных растений c помощью снижения потребляемой электроэнергии за счет 
управления микроклиматом в теплице и процессом досвечивания растений является 
актуальной задачей. 
Материалы и методы. Показано, что для выращивания тепличных растений требуются особые условия, поддержание освещенности теплицы и необходимой температуры. Методом эффективного выращивания растения является управление 
процессом контроля микроклимата и досвечивания. Показано, что для разработки 
алгоритма управления требуются математические модели, связывающие процесс 
фотосинтеза с параметрами микроклимата. Приведены математические модели, полученные на основе экспериментальных данных.
Результаты исследования. Для поддержания микроклимата в теплице разработана 
система и алгоритм управления режимами выращивания растений. Для контроля 
процесса досвечивания и освещенности используются LED-светильники. Приведена разработанная структурная схема системы управления, которая содержит четыре 
канала, отвечающие за основные энергоемкие факторы микроклимата. В статье содержится описание алгоритма управления свето-температурным режимом теплицы.
Обсуждение и заключение. Показана необходимость поддержания микроклимата 
теплицы и досвечивания растений различным спектром излучения для интенсивного роста светокультурных растений и эффективного выращивания их в условиях 
теплицы. Разработанные структура и алгоритм управления процессом досвечивания 
растений и освещенности теплицы на базе LED-светильников позволяют снизить 
потребление электроэнергии.

Ключевые слова: тепличные растения, досвечивание, освещенность, температура, 
микроклимат теплицы, спектр излучения, система управления, алгоритм управления, LED-светильники

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Шерьязов, С. К. Принцип управления свето-температурным 
режимом для роста тепличных растений / С. К. Шерьязов, С. А. Попова. – DOI 
10.15507/2658-4123.031.202101.008-020 // Инженерные технологии и системы. – 
2021. – Т. 31, № 1. – С. 8–20. 

Introduction
In modern conditions, the produc
tion of greenhouse vegetables and greens 
should be included in the number of important tasks planned by the state program 
for the development of agriculture and 
markets for agricultural products, raw 
materials and food. The program aims to 
increase the area of greenhouses in Rus
sia to 5,000 ha by 2020. At the same time, 
the forecast increase in vegetable production should be about 1.4 million tons, and 
an increase in gross vegetable production 
over the off-season period is expected to 
reach 768.6 thousand tons.

Effective cultivation of greenhouse 

plants requires maintaining the microclimate and light-cultivated plants lighting. 

10

 Том 31, № 1. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

Технологии и средства механизации сельского хозяйства 

In fact, maintaining the light-temperature 
regime for the greenhouse plants growing.

The greenhouse microclimate includes 

the combination of factors, but the most 
important of them are temperature and 
light. Maintaining the given microclimate 
is energy intensive, and it requires reduction. For this purpose, we consider the process of controlling the consumption mode 
of electricity depending on the specified 
microclimate parameters and plant lighting. At the same time, it is important that 
the technical means and the proposed solutions make it possible to control these processes taking into account their relationship with each other.

Nowadays, sodium lamps are used for 

lighting, which contain the emission spectrum closest to natural solar radiation. Recommended lighting time is about 20 hours 
a day. At the same time, their control is not 
provided due to technical difficulties and 
leads to a wastage of electricity.

The most promising are LED techno
logy, which is now at the peak of development, in terms of energy conservation. The 
use of LED elements reduces the energy 
consumption for lighting various buildings. LED lamps are also successfully integrated into the lighting control system 
because of the possibility to control the 
operational level and radiation spectrum 
without any problems and costs.

To control the process of greenhouse 

plants growing, it is necessary to simulate 
the process itself. The development of the 
control algorithm according to a model 
characterizing the physiological needs of 
plants is possible but it is very difficult to 
produce it because it is necessary to carry 
out appropriate experimental studies for 
each light-cultivated plants or species of 
greenhouse plants.

All existing experimental researches 

study the individual tasks, for example, the 
effects on the plants development viewed 
only in the light levels measured in kiloluxes. Moreover, it has been experimen
tally shown that individual emission spectra activate various growth properties of 
plants. It is essential to study the effect of 
individual emission spectra on the growth 
of the greenhouse plants.

Insufficient researches in the field of 

growing greenhouse plants, in particular 
the influence of light-temperature modes 
on plant growth conditions, inhibits the 
development of this branch. Under the 
circumstances, there is a need to combine 
research results and to determine the best 
conditions for growing greenhouse plants 
as well as to find new engineering solutions acceptable for the entire amount of 
received scientific information. The development of the necessary energy-saving 
mode control system is required.

Thus, researches have established the 

influence of not only light-temperature regimes on plant growing, but also radiation 
spectra, which are successfully assimilated 
by plants. Then the development of a control system to maintain the necessary regimes for the greenhouse plants growing is 
an urgent task. Meanwhile, the popularity 
of LED irradiators for greenhouse plants 
lighting has become obvious.

Literature Review
Certain emission spectra of LED 

elements are recognized useful for the 
plant [1–4]. So, the researches show the 
effect of the blue-red spectrum on the geometry of the plant stem [5–8]. The experimental data prove that the irradiation in 
the red spectrum influences on the length 
of the plant’s stem and the blue spectrum 
affects the diameter of the stem [9–11].

The graphs shown in Figure 1 prove 

that their combined influence on the development of the stem is not unambiguous [12]. These dependences are presented 
in the form of coded values of the red X1 
and blue X2 irradiation spectra of LED 
lamps. These dependences were obtained 
from the experimental data on the genetically homogeneous material of potatoes 
grown from meristem cells.

11

Vol. 31, no. 1. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

Technologies and means of agricultural mechanization

The analysis of the presented data 

shows that the growth length of the plant 
stem has a minimum, and the diameter of 
this section has a maximum at the same 
values of the red spectrum irradiation level 
(Fig. 1, X1). Depending on the combination of levels of blue and red spectra, the 
curves are shifted in the coordinate axes, 
but do not have an acceptable general solution, which requires the task of finding the 
optimal solution.

The task solution requires the devel
opment of a mathematical model that 
describes the growth of the stem geometry to control the regimes of lighting in 
the greenhouse complexes. Therefore, 

the length l and the diameter d were taken 
as a response in the study of the efficiency 
of the blue-red spectrum on the growth of 
seed potato plants [12]. The result of the 
study is the mathematical model of the 
growth of the length and the diameter of 
the plant stem:

l
X
X

X
X X

X

stem 3 622
0 167 1 0 1
2

0 167 1
0 075 1
2

0 366
2

2

2

.
.
.

.
.

.
;
  (1)

d
X
X

X
X X
X

stem 0 609
0 007 1 0 003
2

0 023 1
0 005 1
2
0 043
2
2
2

.
.
.

.
.
.
. (2)

F i g. 1. The dependence of the growth of the stem length l and the diameter of the greenhouse 

plants under the irradiation of LED lamps red Х1 and blue Х2 spectra: for l: 1 − X2 = –1; 2 − X2 = 0; 

3 − X2 = +1; for d: 4 − X2 = –1; 5 − X2 = 0; 6 − X2 = +1

12

 Том 31, № 1. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

Технологии и средства механизации сельского хозяйства 

The plants were grown from geneti
cally identical material, which is valuable 
because the plants reacted equally to environmental conditions and obtained from 
the research materials, the mathematical 
models were definitely adequate. However, potatoes do not belong to the standard 
greenhouse crops; they grow primarily 
cucumbers, peppers, tomatoes and leafy 
greens. Nevertheless, the result shows the 
effect of the individual irradiation spectra 
on the growth of the greenhouse plants, 
and for the other plants, the mathematical 
models of their growth can be obtained.

The development of the mathematical 

model is also required, linking the conditions for growing plants with the parameters affecting their growth to control the 
process of maintaining the greenhouse 
microclimate. The main parameters of the 
greenhouse microclimate are the light and 
the temperature.

Thus, growing greenhouse plants is 

a complex and energy-intensive process. 
The study of the greenhouse plants growing and the modeling their growth to 
control this process is an urgent task for 
reducing energy consumption.

Materials and Methods 
It is possible to control the process of 

growing greenhouse plants based on special algorithms. Although, it is necessary 
to maintain the specified microclimate and 
light parameters related to the photosynthesis indices and plant growth.

The greenhouse plants such as cucum
bers and tomatoes belong to the light cultivated plants when a 20-hour lighting is 
necessary and the duration of their vegetation reaches 10–12 months. During this 
time, the stems of plants are stretched to 
10–12 meters and according to the technology of the growing they are turned into 
peculiar bays. Here, of course, the geometry of the stem is important, but it is difficult to take into account the amount of 
radiation received by the plant in a particular spectrum. The result of the lighting is 

the unsteady lighting especially along the 
height of the plant and the light weakly 
penetrates into the lower level.

Different sources of radiation can be 

used for plants lighting. Thus, lighting can 
be received naturally by solar radiation 
and artificially by lamps, lighting plants in 
height, upper and lower light for inter-row 
irradiation, if any.

The lighting in height is required for 

the plants growth. It will be necessary to 
control the modes of artificial lighting by 
various lamps located at both the upper 
and middle levels in such circumstances.

Currently, sodium lamps that contain 

the necessary radiation spectrum carry out 
the upper lighting. In this case, the duration and the control of the lighting process 
are important, since under general favorable microclimate conditions, photosynthesis quickly decays, as can be seen from 
the diagram (Fig. 2) obtained experimentally [13–15]. 

Night lighting of plants with powerful 

sodium lamps leads to environmental pollution, which, in turn, affects the health of 
people and animals, flora and insects in the 
vicinity of the greenhouse complexes [16; 
17]. As a result, it becomes important to 
use LED light sources instead of sodium 
lamps. The use of new light sources will 
make it possible to reduce the time of 
lighting reasonably in the nighttime and 
the lower location among plants at an average productive level will reduce the environmental impact of light sources.

It is LED sources that can form the 

optimum effective luminous flux of the 
necessary spectrum. In combination with 
the solar, blue-red spectrum of LED lamps 
will provide the required conditions for the 
development of the necessary geometry of 
the light cultivated plants.

The mathematical models like (1) and 

(2) and already obtained for other plants 
will allow us to determine the necessary 
values of red and blue radiation, which 
should be included as the sources of ligh

13

Vol. 31, no. 1. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

Technologies and means of agricultural mechanization

ting, if the natural source of radiation does 
not provide the necessary plant growth. 
Moreover, if the lamps for lighting are 
divided into the upper and middle levels, 
then the upper light should be turned off 
after a 12-hour photoperiod to protect the 
environment. The average level of lighting 
with LED elements, can be turned on at 
night without any harm for the environment and the nearest residential areas [18].

The intensity of daytime photosynthe
sis is the other parameter responsible for 
the plants response to the changes in environmental factors and most often used by 
researchers [19; 20]. The intensity of photosynthesis can be fixed using gas analyzers of various designs. These devices are 
complex and are rarely used as sensors. 
However, having obtained a mathematical 
model of the intensity of photosynthesis of 
a particular culture according to the main 
factors such as light and temperature, we 
can use it to develop the algorithm to control light lamps.

Figures 3 and 4 show the dependences 

of the photosynthesis intensity on the energy-intensive parameters of the environment, the temperature and the light [19].

The Figures 3 and 4 show data at fixed 

humidity values for the curve: 1 − φ1 =  
= 50 %; 2 − φ1 = 60 %; 3 − φ1 = 70 %; 

4 − φ1 = 80 %. In this case, the night temperature was taken equal to Т2 = 23 °С and 
the duration of the photoperiod τ1 = 8 h at the 
plants age τ2 = 24 days. Figure 3 shows the 
curves under different lighting conditions.

Figure 4 shows the curves under dif
ferent day temperature conditions

The mathematical model of the fol
lowing form presents the obtained dependence of cucumber photosynthesis: 

Ph
a
a E
a t
a T
a
a

a
a E
a E
a E T

0
1
1
2 1
3
2
4 1
5
2

6
1
11
1
2
12
1
13
1 2

a E

a E
a E
a t
a t T

a t
a t

14
1 1

15
1 2
16
1
1
22 1
2
23 1 2

24 1 1
25 1 2

a t
a T

a T
a T
a T
a

a
a

26 1
1
33
2
2

34
2 1
35
2
2
36
2
1
44 1
2

45 1 2

46 1
1
55
2
2
56
2
1
66
1
2
a
a
a
, (3) 

where t1 – the current value of the daily 
temperature in the greenhouse, °С; Е1 – the 
current value of light, klx; Т2 – the average 
temperature of the previous night, °С; τ2 – 
the plants age, days; φ1 – the current value 
of humidity in the greenhouse, %; τ1 – the 
duration of the photoperiod (the duration 
of the light factor), h; а0, а1, а2 and so on – 
the coefficients of the mathematical model 
of photosynthesis intensity.

F i g. 2. The dynamics of changes in the intensity of the photosynthesis if Е = 30 klx and Т1 = 35 °С