Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы и постановка задачи 8
1.1. Вводные замечания по терминологии и свойствам объектов и систем управления 8
1.2. Энергоемкие объекты тепличных комплексов и системы управления их технологическими процессами 24
1.3. Математические модели тепловых процессов
в объектах тепличных комплексов 40
1.4. Проблемы управления тепловыми процессами сооружений защищенного грунта 44
1.5. Выводы по первой главе 45
2. Методы и средства параметрической оптимизации систем управления тепловыми процессами 47
2.1. Методы параметрической оптимизации на этапе разработки АСУ 47
2.2. Алгоритмические и технические средства реализации методов параметрической оптимизации 50
2.3. Выводы по второй главе 55
3. Методы и средства адаптивного управления тепловыми процессами 56
3.1. Методы идентификации объекта управления в замкнутой системе 56
3.2. Методы, алгоритмические и технические средства реализации адаптивного управления 62
3.3. Выводы по третьей главе 71
4. Исследование разработанных методов и систем управления на действующем оборудовании теплицы 73
4.1. Автоматизация математического описания теплицы 73
4.2. Параметрическая оптимизация системы управления обогревом теплицы с оценкой ее эффективности 81
4.3. Выводы по четвёртой главе 85
Общие выводы 86
Литература 88
Приложение
- Вводные замечания по терминологии и свойствам объектов и систем управления
- Энергоемкие объекты тепличных комплексов и системы управления их технологическими процессами
- Алгоритмические и технические средства реализации методов параметрической оптимизации
- Параметрическая оптимизация системы управления обогревом теплицы с оценкой ее эффективности
Введение к работе
Современные системы защищенного грунта - это энергоемкие тепловые объекты, т.е. комплексы, в которых осуществляется производство и потребление энергии в особо крупных размерах (суммарная мощность систем обогрева в наиболее крупных комплексах составляет40 ... 50 МВт).
Согласно исследованиям, проведенным Ю.М. Беликовым и Н.А. Стеценко, превышение температуры воздуха в теплице вследствие неточного регулирования всего на 1С приводит на площади 6 га к перерасходу газа до 116 м за один час. Согласно исследованиям Академии сельскохозяйственных наук ГДР система регулирования климата в теплицах с помощью микроэлектроники обеспечивает прибавку урожая огурцов на 15% и экономит 15 ... 20% энергии.
В связи с этим актуально решение проблемы повышения эффективности тепловых процессов в системах защищенного грунта, обеспечивающее значительную экономию теплоты и увеличение выхода продукции. Кроме того, ввиду большого разнообразия существующих и постоянно создающихся новых более совершенных комплексов важно решить проблему сокращения сроков проектно-наладочных работ по созданию эффективных систем управления технологическими процессами этих комплексов.
Различным вопросам теории и практики решения данных проблем посвящены работы [1 ... 221], являющиеся фундаментальными, близкими в прикладном отношении и (или) непосредственно использованными в диссертации либо в публикациях по ней [222 ... 234].
Однако не решенными остаются задачи совершенствования
5 математического описания тепловых процессов в объектах комплексов и его автоматизации на этапах разработки, наладки и эксплуатации соответствующих систем управления.
Настоящая работа посвящена решению этих задач. Её результаты отражены в публикациях [222 ... 234] и некоторых материалах по внедрению в научно-исследовательские работы, производство и учебный процесс (Приложение) и приняты к использованию:
В госбюджетных научно-исследовательских работах ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» (РГАЗУ) [224 ... 227,230];
В тепличном хозяйстве овощной опытной станции Российского государственного аграрного университета - Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева:
методы автоматизации математического описания управляемых тепловых процессов теплиц;
математическая модель теплицы как объекта управления температурой внутреннего воздуха;
3. В учебных процессах РГАЗУ, РГАУ - МСХА им. К.А. Ти
мирязева и МГАУ им. В.П. Горячкина.
Основное содержание диссертационной работы представлено в четырёх главах.
В первой главе изложены замечания по терминологии и свойствам объектов и систем управления, представленным матричными линейными дифференциальными уравнениями и передаточными функциями. Рассмотрены технологические процессы различных тепличных комплексов и математические модели тепловых процессов, экономически наиболее подходящих для автоматизации. Здесь же дан анализ известных решений ряда проблем управления рассматриваемыми процессами с обоснованием необходимости совер-
шенствования этих решений. В заключение главы даны выводы, определяющие конкретные задачи диссертации.
Вторая глава посвящена выбору математических моделей управляемого обогрева (охлаждения) теплиц и разработке методов и средств автоматизации математического описания соответствующих технологических объектов управления. Отмечается применимость разработанных методов и средств автоматизации математического описания тепловых процессов теплиц лишь на этапах разработки и наладки соответствующих систем управления, а также необходимость дальнейших изысканий для использования полученных решений и на этапе эксплуатации этих систем. Глава завершается выводами с резюме о необходимости проведения исследований предлагаемых методов и средств на действующем оборудовании систем управления тепловыми процессами теплиц.
В третьей главе предлагаются методы автоматизации математического описания тепловых процессов, применимые на этапе эксплуатации теплиц, в целях реализации адаптивного управления их обогревом.
Четвёртая глава посвящена исследованию разработанных методов на действующем оборудовании систем управления температурным режимом теплиц. Глава завершается выводами об адекватности предлагаемой математической модели реальному объекту управления, о возможности существенного улучшения качества системы управления температурой воздуха в теплице всего лишь ее перенастройкой с использованием предлагаемых методов и средств автоматизации математического описания.
В приложении даны некоторые материалы по внедрению результатов диссертации в научно-исследовательские работы, производство и учебный процесс.
7 На защиту выносятся:
Математические модели и методы автоматизации математического описания тепловых процессов теплиц;
Методы идентификации объекта управления в замкнутой системе;
Методы и системы адаптивного управления температурным режимом теплиц.
Диссертация выполнена на кафедре электрооборудования и автоматики РГАЗУ под руководством доктора технических наук, профессора Шаврова Александра Васильевича, которому автор выражает искреннюю признательность и благодарность.
Автор выражает также благодарность заведующему лабораторией овощеводства, кандидату сельскохозяйственных наук Пацу-рия Д.В. и другим сотрудникам РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева, оказавшим содействие и помощь по внедрению результатов диссертации в производство.
Вводные замечания по терминологии и свойствам объектов и систем управления
Ниже используются достаточно установившиеся в литературе терминология и определения свойств объектов и других элементов систем управления, сжато представленные в работах [186,189, 197].
Условно обособленную совокупность элементов материального мира, в которой процессы подвергаются целенаправленным воздействиям, называют объектом управления (ОУ) или управляемым объектом (процессы, в том числе технологические, - изменения во времени, включая покой, материальных, энергетических и информационных потоков). К такой совокупности относят тракторы, самоходные комбайны и шасси, совмещённые с трактором различные прицепные машины и другие мобильные сельскохозяйственные агрегаты, теплицы, зерноочистительно-сушильные пункты и другие стационарные (т.е. неподвижные) технологические установки. Кроме того, к указанной совокупности относят реку, поле, луг, животных, растения и др. Однако к ОУ не принадлежат звёзды, их планеты и другие физические объекты, на процессы которых мы не можем целенаправленно воздействовать.
Свойства и особенности объекта управления не могут быть правильно оценены и учтены без рассмотрения его связей с окружающей внешней средой. Величины, характеризующие внешнее влияние на объект управления, называют входными переменными или воздействиями.
Управление объектом может быть ручным или автоматическим. В первом случае целенаправленные воздействия на объект (или процессы в нём) осуществляет человек-оператор, во втором случае - управляющее устройство. Управляемый объект и управляющее устройство (т.е. устройство для реализации целенаправленных воздействий) образуют систему автоматического управления. Объект управления независимо от его физической природы схематично изображают в виде прямоугольника и с помощью стрелок отражают его взаимодействие с внешней средой (рис. 1.1).
Воздействия на объект U, вырабатываемые человеком-оператором или управляющим устройством, называют управляющими воздействиями. Воздействия на объект Л, не зависящие от управляющего устройства или человека-оператора, называют возмущающими воздействиями или возмущениями. Эффективность управления объектом отражают его выходные сигналы у.
Тот или иной процесс в объекте (изменение параметров его внутренней среды) в любой момент времени /j определяется пере менными состояния. Такими переменными могут быть, например, температура Xj = x(t)\ и ее производные по времени необходи мые для однозначного определения движения объекта, т.е. изменения температуры в нём. Это объясняется тем, что всякую непре рывную функцию времени t в любой момент времени можно разложить в ряд Тейлора позволяющий в любой момент времени /j прогнозировать изменение температуры х во времени t по соответствующим переменным состояния Xj, х2,..., хп. Обычно для такого прогноза можно ограничиться использованием лишь двух первых членов этого ряда, т.е. заменить кривую x(t) касательной к ней z(t) = Xj +x2(t- )в точке (/}, Xj) (рис. 1.2); tga = х2.
Энергоемкие объекты тепличных комплексов и системы управления их технологическими процессами
Следуя работам [4, 16, 68, 88 ... 90, 98, 99, 116, 117, 156], кратко рассмотрим энергоемкие объекты современных тепличных комплексов и системы управления их технологическими процессами.
Первые стеклянные сооружения для растений - подобие теплиц - появились на юге Франции в начале XVI века. Изначально теплицы изготовляли из стекла, так как это был единственный доступный материал, не мешающий поступлению света к растениям со всех сторон. В начале XIX века русское стеклоделие в технологическом отношении развивалось по канонам XVIII столетия. В 1915 году был внедрен новый процесс получения листового стекла - методом вытягивания со свободной поверхности с помощью перегиб-ного валика (машина Фуко). В этом процессе стекло вытягивается с помощью охлажденного стального валика, который выполняет также функцию поворота стеклянной ленты в горизонтальную плоскость. Стекло в таком процессе благодаря постепенному охлаждению подвергается гораздо меньшему температурному напряжению. В 1959 году возник новый способ изготовления стекла, предложенный Пилькингтоном, - флоат-способ. Он позволяет получать стекло очень высокого качества (оно получило также название «зеркального полированного»).
Сегодня в мире флоат-способом производится 90 % архитектурного листового стекла. Альтернативы стеклу для оранжерей не было 200 лет. Однако с середины прошлого века начал бурно развиваться химический синтез. Появилось множество полимерных прозрачных материалов с программируемыми свойствами: сотовый поликарбонат, профилированный ПВХ «Ондекс» (Ondex), светоста-билизированный полиэтилен и т.п. Возможности современного производства позволяют синтезировать покрытия с заданными свойствами. Существует возможность менять светопрозрачность покрытий и степень рассеивания лучей, включить в материалы ультрафиолетовый барьер или, наоборот, снизить пропускную способность пластика в отношении длинноволнового излучения. Большой популярностью пользуются материалы с обработанной от конденсата поверхностью.
У стекла много достоинств: - высокая прозрачность, не меняющаяся с течением времени; - химическая инертность; - высокая стойкость к абразивным воздействиям, дающая возможность поверхности сохранять безупречный внешний вид неограниченное время. К его существенным недостаткам можно отнести: - хрупкость; - приличный вес; - высокую теплопроводность.
Отрасль овощеводства защищенного грунта в Российской Федерации начала формироваться в 70-х годах прошлого столетия. Тогда на Антрацитовском и Воронежском заводах стали производить конструкции промышленных теплиц. Кроме того, первые конструкции теплиц поставлялись иностранными производителями. Парк теплиц этого периода представлен блочными и ангарными теплицами.
Пик строительства теплиц пришелся на 1972 - 1986 годы. В это время практически во всех областных центрах и крупных городах появились тепличные комбинаты площадью от 12 до 54 га. Были построены крупнейшие в РФ тепличные комбинаты «Южный» площадью 144 га и «Московский» площадью 115 га. Несколько тепличных комбинатов по площади превысили 50 га. По состоянию на начало 1992 года в РФ насчитывалось более 3200 га зимних ос текленных теплиц. В последующие годы по разным причинам, в основном из-за резко возросших цен на энергоносители, а также смены собственника предприятий, из оборота вышло свыше 900 га теплиц.
В настоящее время все тепличные комбинаты РФ сталкиваются с одинаковыми проблемами. В первую очередь это износ основных фондов, который приближается к 80 % (срок эксплуатации теплиц составляет 20-35 лет).
Следствием физического износа теплиц являются повышенные затраты на отопление, ремонт ограждающих конструкций и остекление.
Конструктивные решения старых теплиц не всегда позволяют внедрять прогрессивные технологии, без чего невозможно добиться увеличения производства продукции как главной составляющей экономики предприятий. Тяжелые условия труда в старых теплицах порождают отток кадров, особенно в Московском регионе.
Правильным направлением развития отрасли защищенного грунта является коренное обновление основных фондов, а именно строительство теплиц нового поколения.
Такие конструкции теплиц представлены на российском рынке. Это зимние многопролетные стеклянные теплицы производства ООО «Агрисовгаз», зимние пленочные теплицы производства компании Richel, представленные в России фирмой ООО «Тепличные технологии», а также другие виды конструкций иностранного производства (рис. 1.9 ... 1.12).
Алгоритмические и технические средства реализации методов параметрической оптимизации
В настоящей работе предлагается использовать вытекающую из (1.14) упрощенную модель, минимальнофазовую часть которой можно представить в виде п последовательно включенных неидентичных апериодических звеньев: (Ts + 1)... {Ts + n) где Т - постоянная времени, к - коэффициент передачи.
В случае автоматизации того или иного технологического объекта для оценки параметров модели (2.1) удобно использовать экспериментально полученные временные характеристики. Примером может служить теплица, где уже убран урожай и поэтому допустимы значительные изменения температурного режима. Эти изменения режима обеспечивают необходимую помехозащищенность результатов экспериментальных исследований.
Такой характеристикой может быть переходная функция h(t) = h{t)-h(tx) (2.2) или весовая функция (импульсная характеристика) w(t) = dh(t)ldt, (2.3) где t - текущее время; - момент времени скачкообразного изменения воздействия u{t [) на входе объекта (рис. 2.1).
Эксперименты по определению характеристик (2.2), (2.3) це лесообразно автоматизировать, используя ЭВМ согласно схеме [151], представленной на рис. 2.2, где а -уровень скачка, т = - время транспортного запаздывания,
На основании выше изложенного предлагается следующая процедура параметрической оптимизации систем автоматического управления на этапе их разработки:
1. В неавтоматизированном еще технологическом объекте ЭВМ контролирует переходную функцию h{t) и, сглаживая возможные высокочастотные пульсации, определяет установившееся значение величины h{t{) и момента времени t = 0, когда на выходе сглаживающего фильтра появляется отклонение, превышающее некоторое заданное пороговое значение;
2. Дифференцируя числовую последовательность значений h(t) (с учетом требований [93]), ЭВМ определяет весовую функцию w{t), ее максимальное значение w(t ) и соот ветствующий момент времени t ;
3. ЭВМ оценивает величину b = h(t ) и момент времени / , когда w(t ) становится меньше некоторого порогового значения;
4. Используя равенства z-b (2.5), (2.8) ... (2.10), ЭВМ вычисляет параметры модели (2.1), то есть значения т,к,п,Т, и представляет на экране дисплея как экспериментально определенные функции w(t) и h{t), так и их аналитические аппроксимации (2.6) и (2.11), что позволяет исследователю оценить адекватность модели (2.1) объекту управления;
5. Процедура завершается расчетом по полученной модели объекта оптимальных параметров настройки регулятора, например на основе использования метода вспомогатель ной функции [170, 186, 189], оценкой соответствующего диапазона частот оптимальной фильтрации воздействий Ує[0, Уг] (см. [170, 186, 189]) и принятием решения о целесообразности дальнейшего совершенствования системы на основе усложнения алгоритмов и (или) использования дополнительных информационных контуров управления [106]. В целях практической реализации предлагаемой процедуры можно использовать как специализированные, так и персональные микроЭВМ.
На первом этапе внедрения этой процедуры в процессы научных и проектных разработок, а также в производство вместо специализированных микроЭВМ целесообразно ориентироваться на уже широко распространенные на производстве и в быту персо нальные микроЭВМ, предусмотрев для них устройство преобразования и коммутации (УПК) и интерфейс (рис. 2.3). систем управления тепловыми процессами
Входной u(t{) и выходной h{t) сигналы объекта управления (рис. 2.2) поступают на вход УПК, где осуществляется их преобразование в соответствующие цифровые сигналы с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и последовательная коммутация с входом интерфейса, передающего эти сигналы в системный канал микроЭВМ, в качестве которой целесообразно использовать удобный для разработчиков и наладчиков ноутбук.
Экспериментально определяемые функции w(t), h(t) (рис. 2.1) и их аналитические аппроксимации (2.6) и (2.11) контролируются с помощью дисплея и регистрируются в памяти микроЭВМ, а также с помощью принтера (если он входит в комплект микроЭВМ). Регистрируются также параметры настройки регулятора и отвечающие им показатели качества системы.
Структура соответствующих алгоритмических средств, совпадает со структурой, предложенной в работе [151]. Она представлена схемой на рис. 2.4.
Априорная информация, необходимая для функционирования алгоритма, с помощью клавиатуры или дискеты заносится в память микроЭВМ в виде программы-формуляра. Формуляр содержит дискретность опроса и адреса опрашиваемых параметров, их допустимые значения и другую информацию.
Параметрическая оптимизация системы управления обогревом теплицы с оценкой ее эффективности
Близость экспериментально определенных зависимостей h(t) и w(t), представленных графиками на рис. 4.4 и рис. 4.5, к их аналитическим аппроксимациям, представленным соответствующими графиками на рис. 4.7 и рис. 4.8, свидетельствует об адекватности аналитической модели (4.2) экспериментально исследованному объекту управления.
Надлежащая точность аналитической модели объекта (4.2) позволяет строить эффективные системы управления температурным режимом теплиц уже на этапе их проектирования.
До параметрической оптимизации управление мощностью теплогенератора (рис. 4.3) осуществлялось цифровым ПИД-регулятором, параметры настройки которого имели следующие значения: коэффициент передачи к„ =0,098, постоянная времени интегрирования Ги = 405с, постоянная времени дифференцирования Тд = 50с.
После параметрической оптимизации методом вспомогательной функции [170, 186] с использованием модели (4.2) получены новые параметры настройки ПИД-регулятора: кр =0,156, Ги = 358с, Тд= 139с. В обоих случаях обеспечивалось одно и то же значение показателя колебательности
Ввиду равенства (4.5) после параметрической оптимизации доверительный интервал {у — Му)2 уменьшился в 1,8 раза. Так как до параметрической оптимизации согласно наблюдениям доверительный интервал (у — ту\ «2,3 С, то 0 -wO2 «1,3 С, т.е.
после оптимизации стал меньше на 1 С, и, как следствие, температуру воздуха в теплице можно приблизить на 1 С к её нижнему допустимому пределу.
Таким образом, внедрение в производство предлагаемых в диссертации решений позволяет получить весьма значительный энергетический эффект, достижение которого не требует каких либо существенных капитальных вложений, если, конечно, не считать затраты на создание программного обеспечения для головного образца объекта.
В силу рис. 4.11 в результате параметрической оптимизации системы длительность переходного процесса сокращена в два раза. Не меньший эффект достигнут и в отношении интегрального квадратичного критерия.
Как показывает рис. 4.12, в результате параметрической оптимизации системы значительно возрос ее запас устойчивости, как по модулю, так и по фазе.
Выводы по четвертой главе
1. В результате экспериментальных исследований, проведенных на действующем оборудовании современной теплицы, установлена адекватность предлагаемой математической модели реальному объекту управления.
2. Предлагаемые методы и средства автоматизации математического описания успешно экспериментально исследованы на действующем оборудовании системы управления температурным режимом теплицы.
3. Экспериментально подтверждена возможность существенного улучшения качества системы управления температурой воздуха в теплице всего лишь её перенастройкой с использованием предлагаемых методов и средств.
Похожие диссертации на Методы и системы адаптивного управления температурным режимом теплиц
