Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы и постановка задачи
1.1. Особенности управления процессами обогрева теплиц 13
1.2. Проблема выбора критериев качества управления 24
1.3. Анализ методов управления, применимых в условиях информационной неопределенности 32
1.4. Анализ программно-технических средств для реализации систем управления обогревом теплиц 51
1.5. Выводы по первой главе 58
ГЛАВА 2. Применение методов робастного управления в условиях информационной неопределенности
2.1. Математическое моделирование процессов теплообмена в теплицах 62
2.2. Применение метода золотой пропорции для достижения робастности систем управления с ПИД-регуляторами 65
2.3. Применение метода золотой пропорции для достижения робастности систем управления с многопараметрическими регуляторами 78
2.4. Оптимизация расположения датчиков температуры в теплицах 86
2.5. Выводы по второй главе 94
ГЛАВА 3. Применение методов адаптивного управления в условиях информационной неопределенности
3.1. Активная идентификация замкнутых непрерывных систем управления обогревом теплиц 96
3.2. Активная идентификация замкнутых дискретных систем управления обогревом теплиц 103
3.3. Адаптивное управление замкнутыми непрерывными и дискретными системами с ПИД регулятором 108
3.4. Выводы по третьей главе 114
ГЛАВА 4. Разработка микропроцессорной системы управления обогревом теплиц
4.1. Применение SCADA-пакета программ Labtech Control для управления процессами обогрева теплиц 115
4.2. Структура и функции микропроцессорной системы управления обогревом теплиц 118
4.3. Разработка программируемых систем отображения информации 124
4.4. Разработка виртуальных компьютерных пультов 127
4.5. Оценка эффективности разработанных методов и систем управления обогревом теплиц 144
4.6. Выводы по четвертой главе 147
Общие выводы 149
Список литературы 151
Приложение. Внедрение научных разработок 162
- Особенности управления процессами обогрева теплиц
- Применение метода золотой пропорции для достижения робастности систем управления с ПИД-регуляторами
- Активная идентификация замкнутых непрерывных систем управления обогревом теплиц
- Применение SCADA-пакета программ Labtech Control для управления процессами обогрева теплиц
Введение к работе
Автоматизация технологических процессов и производств способствует повышению производительности труда, качества выпускаемой продукции и снижению удельных энергозатрат при ее производстве.
Автоматизация сельского хозяйства опирается на богатый опыт промышленности. Вместе с тем к методам и средствам автоматизации, применяемым в растениеводстве защищенного грунта, предъявляют специфические требования, обусловленные особенностями сельскохозяйственного производства.
Основная особенность сельскохозяйственного производства заключается в неразрывной связи техники с биологическими объектами (животными и растениями), для которых характерны непрерывность процессов образования продукции и цикличность ее получения, невозможность увеличения выпуска продукции за счет ускорения производства. В этих условиях автоматика должна работать надежно, так как такой процесс нельзя прервать и практически невозможно наверстать упущенное путем интенсификации последующего периода.
Возмущающие воздействия являются случайными и нестационарными.
Многие объекты сельскохозяйственной автоматики имеют контролируемые и управляемые параметры, распределенные по большому объему.
Например, в теплицах необходимо по всему объекту контролировать параметры (температуру, влажность, газосодержащие, освещение и т. п.) и управлять ими. Для таких объектов системы автоматики должны обеспечить управление параметрами во всех рассредоточенных зонах с заданной точностью и надежностью.
Таким образом, условия работы средств автоматики в сельском хозяйстве очень тяжелые и вероятность возникновения неисправностей значительно выше, чем в других отраслях народного хозяйства.
Поэтому средства автоматики должны быть относительно дешевыми, простыми по устройству и надежными в эксплуатации.
Вследствие перечисленных особенностей и ряда других причин мето-
5 ды и средства автоматизации и требования к ним в сельском хозяйстве значительно отличаются от промышленных.
Овощеводство защищенного грунта является весьма важной отраслью сельскохозяйственного производства.
Действительно, согласно научно обоснованным нормам питания человек должен равномерно в течение всего года потребить 130... 150 кг овощей и 120 кг картофеля. Однако суровые климатические условия не позволяют получать овощи из открытого грунта равномерно в течение круглого года. Так, в первой половине года населению поступает менее 10 % овощей, а в июле - сентябре - более 90 % огурцов и 70 % томатов. С целью равномерного потребления населением овощей в течение года около 25 % всего их количества должно выращиваться в теплицах, парниках, утепленном грунте и т. п.
Теплицы, особенно зимние, представляют собой весьма сложные, дорогостоящие и энергоемкие технические объекты с разветвленными системами электро-, тепло- и водоснабжения и канализации.
На производство 1 кг тепличных овощей в средней полосе расходуется до 200 МДж тепловой и 2,3 кВт ч электрической энергии. Для обогрева 1 га площади зимних теплиц требуется за сезон более 2 тыс. т условного топлива, т. е. на порядок больше, чем для обогрева такой же площади жилых помещений.
Механизация и автоматизация технологических процессов в теплицах резко сокращают затраты труда и себестоимость продукции, повышают энерговооруженность труда и на 10...15 % урожайность овощей, затраты труда на 1 га защищенного грунта достигают 180 тыс. чел. - ч в год.
Среди технологических процессов в сооружениях защищенного грунта (СЗГ) следует особо отметить процессы управления температурой их внутренней воздушной среды, характеризующиеся значительной энергоемкостью.
Так, например, в Центральном районе РФ при превышении температуры внутренней воздушной среды теплиц сверх необходимой всего на 1С,
за год в расчете на 1 га площади теплиц, расходуется дополнительно 100 тонн условного топлива.
Поэтому к качеству управления температурой внутренней воздушной среды теплиц предъявляются весьма жесткие требования: допустимые отклонения температуры воздуха в теплице от уровня, заданного агротехническими требованиями, составляют всего ± 1 С.
При этом теплицы, как объекты управления температурным режимом, относятся к наиболее сложным объектам автоматизации. Определение их характеристик сопряжено с известными трудностями, обусловленными особенностями данных объектов и условиями их функционирования.
Основные управляющие воздействия в холодное время года — изменения температуры и расхода теплоносителя в системе обогрева теплицы, режима работы калориферов, в теплое время года - открытие вентиляционных форточек.
Основные контролируемые возмущающие воздействия - изменения наружной температуры, скорости ветра и уровня естественной освещенности. Кроме перечисленных параметров, на температурный режим теплицы влияют также влажность наружного воздуха, осадки и другие метеорологические факторы.
Ввиду нестационарности и неполной контролируемости возмущающих воздействий, их статистические характеристики обычно неизвестны. Поэтому управление обогревом теплиц приходиться осуществлять в условиях статистической неопределенности, т.е. неполноты или отсутствия информации о статистических характеристиках возмущений.
При данных обстоятельствах весьма эффективными являются методы робастного управления, применение которых позволяет достигать максимального быстродействия замкнутой системы или достаточно близких к нему значений. Это позволяет успешно парировать возмущающие воздействия при изменении их статистических характеристик в весьма широких пределах.
Отметим, что название «робастный» происходит от английского слова
7 robast, означающего: крепкий, сильный, грубый.
Наличие зеленой массы растений в значительной степени определяет нестационарность теплицы как объекта управления температурным режимом. За время от высадки рассады до начала сбора урожая из-за увеличения зеленой массы в объеме теплиц постоянная времени объекта увеличивается в 1,1...1,3 раза, коэффициент теплопередачи уменьшается в 1,5 раза, а время запаздывания, зависящее от скорости распространения воздушных потоков, увеличивается на 300...400 с.
Поскольку указанные изменения параметров теплиц происходят непредсказуемым заранее образом, то управление обогревом теплиц приходится осуществлять в условиях информационной неопределенности относительно их динамических характеристик.
Для эффективного решения данной задачи управления целесообразно использовать методы адаптации, основанные на периодической коррекции моделей теплообменных процессов в теплицах и последующем изменении параметров настройки регуляторов температуры внутренней воздушной среды теплиц таким образом, чтобы обеспечить выполнение нарушенных условий робастности системы управления.
Поэтому решение задачи адаптивного управления обогревом теплиц является весьма актуальной, т,к. существенно влияет на качество выпускаемой продукции и ее себестоимость.
Следовательно, в условиях информационной неопределенности относительно статистических характеристик возмущающих воздействий и динамических характеристик управляемых объектов целесообразно использовать методы робастного и адаптивного управления.
В плане практической реализации систем робастного и адаптивного управления обогревом теплиц наиболее подходящими техническими и программными средствами управления являются программируемые логические контроллеры (ПЛК) и SCADA-системы, позволяющие реализовать алгоритмы управления практически любой сложности, осуществлять по мере необходимости их оперативную коррекцию, а также предоставлять оператору-
8 технологу оперативную информацию об управляемом процессе в удобном для восприятия виде.
Термин SCADA - это сокращение английского термина Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных.
SCADA - пакеты прикладных программ поддерживают анимацию, мастер-объекты, исторические тренды и тренды реального времени, имеют встроенные языки программирования и библиотеки функций. Включают в себя среду разработки и исполнения, модули статистического контроля технологического процесса, менеджер рецептов, модули обращения к структурному языку SQL. SQL - Structured Query Language — структурированный язык запросов, это наиболее популярный и распространенный сервер баз данных.
Различные методы управления технологическими процессами представлены в работах отечественных и зарубежных ученых [1 - 125]. Однако, не решенной до конца, остается проблема разработки методов управления, не утрачивающих своей эффективности в характерных для тепличных комбинатов условиях информационной неопределенности (неполноте или даже отсутствии достоверной информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий, влияющих на контролируемые параметры технологических процессов, изменяющихся параметрах динамических характеристик управляемых объектов).
Таким образом, разработка робастных и адаптивных методов, а также программно-технических средств управления технологическими процессами обогрева теплиц в условиях информационной неопределенности является актуальной задачей.
Диссертационная работа посвящена решению изложенных выше актуальных проблем и задач. Ее результаты отражены в публикациях [126 — 129]. Они нашли практическое применение:
При управлении технологическими процессами обогрева теплиц на ЗАО «Агрофирма «Подмосковное».
В учебном процессе, методических пособиях, лабораторных работах и лекциях для студентов Российского государственного аграрного заочного
9 университета (РГАЗУ) и Московского государственного агроинженерного университета имени В.П. Горячкина (МГАУ).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: X Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности», г. Москва, 2004 г; Международной конференции «Иннова-тика - 2004», г.Сочи, 2004 г.; XI Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности», г. Москва, 2005 г.
Основное содержание диссертационной работы представлено в четырех главах.
В первой главе анализируются литературные источники, рассматриваются особенности управления технологическими процессами обогрева теплиц. В результате установлено, что актуальна разработка методов, обеспечивающих высокое качество управления при возможных изменениях статистических характеристик аддитивных возмущающих воздействий в широких пределах. Анализируется эффективность существующих методов управления, применимых при неполноте и даже отсутствии информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий и динамических характеристиках каналов управления объектов. Рассматриваются также критерии управления и ограничения при их оптимизации. Представлен обзор программного обеспечения SCADA, предназначенного для создания программируемых систем отображения информации о технологических процессах в реальном масштабе времени. В заключение главы даны выводы, определяющие конкретные задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассматриваются задачи математического моделирования теплообменных процессов в теплицах. При этом получены дифференциальные уравнения и передаточные функции, описывающие динамику указанных процессов.
Анализируется зависимость величины резонансного пика и фильтрующих свойств системы от значения показателя относительного демпфи-
10 рования свободного движения системы. При этом показано, что с ростом данного показателя величина резонансного пика, определяющего величину перерегулирования, уменьшается, а фильтрующие свойства системы в низкочастотной области ухудшаются.
Для достижения баланса между этими противоположными тенденциями предлагается в системах с ПИД и многопараметрическими регуляторами значения постоянных времени интегрирования и дифференцирования, а также апериодическую и колебательную составляющие движения системы распределять по золотой пропорции (золотому сечению).
Применение метода золотой пропорции позволило разработать алгоритмы робастного управления теплообменными процессами в теплицах, не утрачивающие эффективности при совместном действии на систему управления как низкочастотных, так и высокочастотных возмущений.
Разработан также метод, позволяющий выбрать оптимальное расположение датчиков температуры в теплицах и минимизировать их количество.
Третья глава посвящена решению задач адаптивного управления обогревом теплиц в условиях информационной неопределенности относительно динамики протекающих в них теплообменных процессов. При этом рассматриваются задачи идентификации непрерывных и дискретных систем, а также выбора метода адаптивной настройки ПИД-регуляторов, обеспечивающего в условиях информационной неопределенности сбалансированную реакцию системы на высокочастотные и низкочастотные возмущения. В результате выполненного анализа установлено, что для систем управления температурой воздуха в теплицах наиболее предпочтителен метод, базирующийся на достижении заданного расположения доминирующих корней характеристического уравнения.
В четвертой главе решается комплекс задач по внедрению разработанных методов управления в сельскохозяйственное производство. При этом обосновывается целесообразность использования SCADA- пакета программ Labtech Control, позволяющих создавать программируемые системы ото-
бражения в реальном масштабе времени информации о параметрах технологических процессов в теплицах. Разработаны методы построения виртуальных компьютерных пультов управления обогревом теплиц, динамических мнемосхем, гибкого ассоциативного человеко-машинного интерфейса на базе SCADA- пакета программ Labtech Control. Приводится описание разработанной системы управления обогревом теплиц на базе программируемой микропроцессорной модульной системы Analog Devices. Выполнен анализ технико-экономической эффективности разработанных методов управления обогревом теплиц.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Разработаны математические модели теплообменных процессов в теплицах в виде дифференциальных уравнений и передаточных функций.
Разработаны методы робастного управления теплообменными процессами в теплицах, применимые к системам с различными видами регуляторов, и не утрачивающие эффективности при совместном действии на систему высокочастотных и низкочастотных возмущений.
Установлено с использованием методов имитационного моделирования, что для робастного управления температурой воздуха в теплицах целесообразно использовать ПИД-регуляторы.
Разработан метод определения оптимального расположения датчиков температуры воздуха в теплицах, при котором обеспечивается заданное качество управления процессами теплообмена по всему объему теплицы.
Показано, что для адаптивной настройки систем управления температурой воздуха в теплицах с ПИД-регулятором предпочтительно использовать метод расчета, базирующийся на достижении заданного расположения доминирующих корней характеристического уравнения замкнутой системы.
На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Методы робастного управления обогревом теплиц в условиях информационной неопределенности относительно статистических характеристик возмущающих воздействий.
Методы адаптивного управления обогревом теплиц для дискретных и непрерывных систем с ПИД-регуляторами.
Метод определения оптимального расположения датчиков температуры воздуха в теплицах.
Диссертация выполнена на кафедре электрооборудования и автоматики Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ).
Особенности управления процессами обогрева теплиц
Теплицы - это наиболее совершенный и технически оснащенный вид сооружений защищенного грунта. Теплица позволяет при помощи технических средств выращивать растения в любое время года. В отличие от парников, все работы по выращиванию овощей в теплице ведут внутри культивационного сооружения. Теплицы предназначены для выращивания ранних и внесезонных овощей, а также рассады для открытого и защищенного грунта.
По виду профиля поперечного сечения зимние теплицы делят на ангарные (однопролетные) и блочные (многопролетные).
Ангарные теплицы представляют собой сооружения площадью 600 ... 3000 м с двухскатной арочной светопроницаемой кровлей без внутренних опорных стоек. Несущими опорами для крыши служат металлические или деревянные арки, закрепленные непосредственно на фундаменте или опорных стойках стен теплицы.
Блочные теплицы представляют собой объединение нескольких ангарных теплиц с заменой примыкающих одна к другой боковых стен опорными стойками. Стыки крыши смежных секций шириной 6,4 м соединяют желобами, которые являются опорой для элементов кровли и служат для отвода дождевой воды. В целом все секции образуют единое помещение площадью от 1 до 3 га. Благодаря такой компоновке металлические конструкции блочных теплиц изготовляют на заводах. Эти теплицы самые экономич-ные при строительстве, так как расход металла составляет 7 ... 9 кг/м . Оптимальная площадь блочной теплицы 1 га, а тепличного комплекса, состоящего из 3 ... 12 отдельных блоков, - 18 ... 60 га.
Преимущества ангарных теплиц - лучшая освещенность, возможность применения почвообрабатывающих и транспортных машин. Но из-за большой высоты и ширины ангарной теплицы площадь светопроницаемых ограждений ее завышена, что увеличивает теплопотери. Эти теплицы на 30 ... 35 % дороже, но зато выдерживают большие снеговые нагрузки, не требуют специальных устройств для стаивания снега зимой и хорошо вентили руются летом. Ограждения теплиц выполняют из листового стекла толщиной 4 мм, укладываемого внахлест по металлическим направляющим.
Применяют также двойное остекление и полимерные покрытия достаточной прочности и высокой теплоизолирующей способности. С целью уменьшения теплопотерь используют трансформирующиеся (свертывающее - развертывающиеся) экраны из полимерных материалов (акрил). При этом экономия теплоты достигает 30 ... 40 %.
По срокам использования теплицы делят на зимние (работающие круглогодично) и весенние (функционирующие с февраля по октябрь). Зимние теплицы в 2 ... 3 раза дороже весенних из-за массивных строительных конструкций и большей насыщенности теплотехническими установками.
Башенные гидропонные теплицы - это многоэтажные стеклянные или светонепроницаемые сооружения высотой 20 ... 40 м при экономном использовании земли. По высоте теплицы сооружен непрерывный конвейер со стеллажами для растений и питательного раствора. При движении конвейера растения на стеллажах в нижнем положении получают минеральную подкормку и увлажнение. Такую теплицу можно строить в любом месте: на бросовых землях или как пристройку к многоэтажному дому в городе.
В теплицах на Севере овощи выращивают при искусственном свете (электросветокультура). Для этого применяют электрические лампы накаливания и люминесцентные лампы с установочной мощностью для огурцов до 700 Вт и для томатов до 900 Вт на 1 м2, стремясь создать освещенность растений не менее 5 ... 8 тыс. лк.
В центральной климатической зоне электродосвечивание применяют только в рассадном отделении с удельной мощностью до 200 Вт/м .
Тепловой резким сооружений должен обеспечивать оптимальные температуры воздуха и почвы в соответствии с фазами роста и типом растений, способом выращивания и освещенности. Оптимальная температура воздуха для теплолюбивых культур (томат, огурец, баклажан, перец) при солнечной погоде равна 24 ± 4 С, в пасмурную погоду 22 С, ночью 15 ... 20 С, для умеренно требовательных к теплоте культур (редис, салат, сельде рей, укроп и т. п.) 16 ± 4 С. Оптимальное значение среднесуточной температуры почвы для первых культур должно быть 22 ... 26 С, для вторых — на 3 ... 4 С ниже. При прорастании семян всех культур температуру почвы поддерживают на уровне 20 ... 25 С, а после появления всходов снижают до 18 „. 20 С для теплолюбивых и до 6 ... 8 С для умеренно требовательных к теплоте растений.
Тепловой режим культивационных сооружений поддерживают при помощи технических средств обогрева и вентиляции. Он определяется коэффициентами теплопроводности и теплопередачи ограждений, а также конструктивными особенностями сооружений.
Коэффициент теплопроводности зависит от материала ограждения: для стекла он равен 0,34 Вт/(м К), для синтетических пленок - 0, 26 ... 0, 29 Вт/(м К), для стеклопластика - 0,24 Вт/(м К).
Коэффициент теплопередачи зависит не только от материала ограждения, но и от условий теплообмена. В существующей практике для теплиц с ограждением из стекла толщиной 4 мм его принимают равным 6,38 Вт/(м К), для однослойных пленочных ограждений - 9,1 ... 11,6 Вт/(м К), для двухслойных пленочных ограждений - 4,72 ... 6,94 Вт/(м2 К).
Конструктивные особенности сооружений характеризуются коэффициентами ограждения к0 и объема kv. Коэффициент ограждения к0 равен отношению площади светопроницаемого ограждения Sc к инвентарной площади Sn теплиц:
Для ангарных теплиц к0 =2 ... 2,5, а для блочных теплиц - 1,15. Коэффициент объема kv определяют как отношение объема теплицы к инвентарной ее площади. Этот коэффициент численно равен средней высоте сооружения. При вычислении коэффициента объема исходят из возможности создания оптимальных условий для роста растений и механизации технологических процессов.
Однако с увеличением высоты теплицы повышаются коэффициент ог раждения и соответственно затраты на обогрев. В практике защищенный грунт обогревают за счет солнечного излучения, биологического топлива (биотоплива), горячей водой или паром от котельных, отходами теплоты промышленных предприятий, а также электронагревательными установками.
Солнечный обогрев используют в сооружениях защищенного грунта наряду с другими дополнительными видами обогрева.
Солнечные лучи, проникая через светопрозрачные ограждения, нагревают почву, воздух, растения. Нагретые тела испускают инфракрасные тепловые излучения, которые через светопрозрачные ограждения обратно практически не проникают. Поэтому внутри сооружений происходит накопление теплоты. Однако при солнечном обогреве сильно колеблются значения суточной температуры: днем она повышается, а ночью резко снижается. Солнечный обогрев в утепленном грунте и парниках широко распространен в южных районах, а также на Крайнем Севере в период полярного дня.
Биологический обогрев осуществляют за счет теплоты, выделяемой органическими материалами в процессе их разложения микроорганизмами. В качестве биотоплива используют навоз животных, городские отбросы и органические отходы промышленных предприятий. После заправки защищенного грунта биотопливом температура его постепенно за одну — три недели повышается до 60...70 С, затем снижается до 20...30 С и держится на этом уровне до двух месяцев. Биологический обогрев наиболее удобен в парниках и весенних небольших теплицах, где постепенное снижение температуры биотоплива компенсируется увеличением солнечного излучения. Однако на заправку биотопливом требуются большие затраты труда, и в то же время практически невозможно управлять температурой его разложения.
Водяной обогрев - самый распространенный вид обогрева благодаря высоким эксплуатационным и экономическим показателям. Он характеризуется простотой устройства и низкой трудоемкостью, легкостью управления и безвредностью для растений и обслуживающего персонала, доступностью и высоким процентом использования теплоты (65 ... 70 %).
Применение метода золотой пропорции для достижения робастности систем управления с ПИД-регуляторами
Граничные условия (2.1.2) имеют место, когда в торцах теплицы находятся нагревательные установки, например, калориферы, поддерживающие при х = 0 и х = 1 соответственно температуры q{t) и g(t).
Рассмотрим случай, когда калориферы работают согласованно, т.е. выполняется равенство q(t) = g(t). (2.1.3) С учетом (2.1.3) граничные условия (2,1.2) принимают вид T(Q,t) = T(l,t) = q(t). (2.1.4) Применив к уравнению (2.1.1) одностороннее преобразование Лапласа по времени получим п d 2Т(х sT(x9s) = a2a Y } + Mx9s), (2.1.5) dx где Т(х, s) и fT(x,s) - изображения по Лапласу функций T(xft) и fj{x, t) соответственно, a s — комплексная переменная. После применения к граничным условиям (2.1.4) указанного преобразования, они принимают вид f(0ts) = f(l9s) = q(s). (2.1.6) где q(s) - изображение по Лапласу функции q(t). Примем во внимание, что передаточная функция системы управления температурой внутренней воздушной среды теплицы определяется выражением WqT(x S) = . (2.1.7) где Wqf{x,s) - передаточная функция, отвечающая каналу передачи q{t) T(x,t). Продифференцировав с учетом выражения (2.1.7) уравнение (2.1.5) и граничные условия (2.1.6) по q(s), получим уравнение sWqT(x,s) = a2 -A (2.1.8) dx которому отвечают уже следующие граничные условия: WqT(0,s) = WqT(hs) = \. (2.1.9) Решение уравнения (2.1.8) имеет вид ЖдТ(х,5) = АеХлГ ,а + Ве-хГ /а, (2.1.10) где А и В — неизвестные постоянные, значения которых можно определить, воспользовавшись граничными условиями (2.1.9). В результате получим линейную систему из двух уравнений А 141 і а в -/-Л/я ,. Є +ЛЄ (2.1.11) А + В = \. Решив систему (2.1.11) и подставив полученные значения А и В в выражение (2.1.10), имеем x-fs/a _ -x- fs/a , (!-x)-Js/a _ -(l-x)-Js/a W ) = e- -- 7 P-1.12) Таким образом, получено выражение (2.1.12) для передаточной функции tVqj-(x,s), описывающей динамические свойства канала управления температурой внутренней воздушной среды теплицы. Представим выражение (2.1.12) в безразмерном виде WqT(Ztp) = e— % _Гп , (2.1.13) e -e-JP выполнив при этом следующие замены: % = х/1 и p = sl la , где р -безразмерная комплексная переменная.
Отметим, что в подавляющем большинстве практически важных случаев получить достаточно точные аналитические выражения для передаточных функций каналов управления объектов не удается, ввиду математической сложности данной задачи.
Ранее, в главе 1 было показано, что при замене в системе управления ПИ-регулятора на ПИД-регулятор, перерегулирование может значительно возрасти, что конечно нежелательно. Проанализируем причины данного явления.
Согласно равенствам (1.3.20) в число доминирующих корней характеристического уравнения замкнутой системы с ПИ-регулятором входят пара , - Ц комплесно-сопряженных корней В\2— — г1 —г и один вещественный тп корень $з — V- При этом выбор рекомендуемого интервала 0,221 ... 0,336 допустимых значений для величины тп по сложившейся традиции осуществлялся для колебательного звена, характеристическое уравнение которого Tj имеет лишь пару комплексно-сопряженных корней S\ 2 — V -і По тп скольку наличие дополнительного вещественного корня 3 = — Tj в системах с ПИ-регулятором не оказывает существенного влияния на величину перерегулирования, то выбор значения тп из указанного интервала вполне оправдан.
Однако в системах с ПИД и многопараметрическими регуляторами согласно равенствам (1.3.23) и (1.3.28) имеется соответственно две и три пары комплексно-сопряженных доминирующих корней. Поэтому при данных обстоятельствах нередко возникает необходимость в коррекции значения показателя тп.
В целях более обоснованного выбора тп проанализируем, как изменяются динамические характеристики системы управления при изменении значений данного показателя.
Активная идентификация замкнутых непрерывных систем управления обогревом теплиц
Правильный выбор типа регулятора и определение значений его параметров настройки требует знания динамических свойств объекта управления. Эти свойства управляемого объекта в случае односвязных систем и использовании робастных методов управления определяются передаточной функцией W0g(s), соответствующей каналу управления, на вход которого подается управляющий сигнал u(t), а на выходе регистрируется управляемая величина y(t).
Информацию о значениях W0Q (S) при заданных значениях s обычно получают экспериментально, причем этот эксперимент может быть как активным, так и пассивным. В процессе активного эксперимента на вход замкнутой системы управления (рис. 3.1.) наряду с сигналом задания узя(і) подаются также специальные пробные воздействия /3(t), а при проведении пассивного эксперимента такие воздействия отсутствуют. y(t) при «естественном» изменении сигнала задания y3A(t). Разумеется, пассивный эксперимент более предпочтителен, чем активный, т.к. при его проведении отсутствует какое-либо постороннее вмешательство в процесс управления. Однако далеко не всегда при проведении пассивного эксперимента можно определить значения Wo6 (s) объекта для требуемых значений
. Поэтому на практике часто приходится использовать активный эксперимент.
Процесс определения динамических свойств объекта называется его идентификацией. Соответственно при использовании активных или пассивных методов изучения динамики объекта идентификация также называется активной или пассивной.
Рассмотрим односвязные замкнутые системы управления. Для выполнения предъявленных требований будем использовать метод активной идентификации объекта. В таком случае имеет место равенство Wy е(РКУш(!) + Л{і) + Р{і)] = є(і), (3.1.1) где Wy є (/?)- оператор замкнутой системы, отвечающий каналу от входа .Узд (0 до ошибки Є (t); Я (0- эквивалентное возмущающее воздействие, приведенное ко входу системы; fi(t)- пробный сигнал, используемый для активной идентификации объекта в замкнутом контуре управления и поступающий на вход системы (рис. 3.1).
Перепишем теперь равенство (3.1.1) следующим образом: Wywe(P)ly3 (t + T) + 4t + T) + P(t + T)] = (t + T), (3.1.2) где г-постоянная времени. Умножим обе части равенства (3.1.2) на величину /?(г), а затем применим оператор математического ожидания М[...]. В результате получим ЖУздЄ (P){M[y2R{t + х)Р (г)] + М[Я (t + т)Р (т)] + + M[fi(t + T)fi(T)]} = M[e(t + T)fi(r)]. (3.1.3) Выберем пробный сигнал /3(t) так, чтобы он удовлетворял условию М[/1(т)] = 0. (3.1.4) Поскольку сигналы узд (t) и X (t) статистически не связаны с сигналом /3 (t), то с учетом (3.1.4) имеем М[узд(Г + т){3(т)] = М[узл(і + т)]МІ/3(т)] = 0; (3.1.5) М[Л(1 + т)/?(т)] = М[Л(і + т)]М[)3(т)] = 0. (3.1.6) Принимая во внимание равенства (3.1.5) и (3.1.6) выражение (3.1.2) представим в виде WymS {p){MW + t)fl(t)]} = М[є(t + r)0(т)] (3.1.7) Исходя из (3.1.7) и используя обозначения && ?) = A4[0(t + r)fi(T)]; (3.1.8) Кєр(і) = М[є{ї + т)Р{т% (3.1.9) получим Wy3RS(p)Kpfi(t) = Kep{t), (3.1.10) где Kpg(t)- автокорреляционная функция пробного сигнала/? (/), а Кєа (t) - функция взаимной корреляции величин Є (t) и j5 if).
Применение SCADA-пакета программ Labtech Control для управления процессами обогрева теплиц
В замкнутых системах управления для сопряжения сигналов между датчиками, исполнительными механизмами и управляющим IBM PC совместимым компьютером необходимо использовать специальные устройства, к числу которых относится программируемая микропроцессорная модульная система (ПММС) фирмы Analog Devices. Базовым программным обеспечением, поддерживающим ПММС и поставленным с ней в комплекте, является SCADA-пакет программ Labtech Control.
Программный пакет Labtech Control, предназначен для реализации в реальном масштабе времени контрольно-измерительных функций и функций управления технологическими процессами и представляет собой целостную, интегрированную программную среду, ориентированную для использования в НИР, НИОКР и реальных технологических процессах. Данный пакет программ предоставляет всесторонние возможности для: мониторинга и управления технологическими процессами; разработки операторских человеко-машинных (MMI) интерфейсов и систем отображения в реальном масштабе времени; анализа и обработки измерительных данных в темпе их поступления и сбора; построения распределенных систем управления на базе компьютерных и промышленных сетей с открытой архитектурой. Пакет Labtech Control имеет графический пользовательский интерфейс, который прост в освоении и не требует от пользователя специализированных знаний в области программирования.
Пакет Labtech Control обеспечивает разработчика гибкими и мощными средствами для реализации мониторинга и управления, позволяющими конфигурировать системы контроля и управления с различными частотами дискретизации, типами датчиков и исполнительных механизмов, функциями и алгоритмами управления.
Используя преимущества современного информационных технологий, пакет Labtech Control эффективно применяет World Wide Web для удаленного доступа к системам сбора данных и управления в реальном масштабе времени. Программный модуль Realtime Remote, входящий в состав пакета Labtech Control, позволяет разрабатывать динамические Web-страницы, с помощью которых можно осуществлять контроль за параметрами технологического процесса из любого удаленного места на земном шаре. Realtime Remote посылает Web-данные непосредственно с базирующейся на персональном компьютере главной системы. Это исключает необходимость в отдельном Web-сервере, который требуется большинством других программных продуктов для управления. Объекты для Web-просмотра автоматически инсталлируются на клиентский персональный компьютер. Программное обеспечение затем незамедлительно отображает данные в реальном масштабе времени в Netscape Navigator, MS Internet Explorer или виртуально в любом базирующемся на PC приложении, включая Excel, Word и AutoCad.
Структура программного пакета Labtech Control представлена на рис. 4.1. - Buildime - интегрированная среда разработки программных алго ритмов сбора, обработки данных и управления на встроенном объектно ориентированном графическом языке функциональных блоков ICONview; - Realtime Vision - среда разработки внешней формы MMI интерфейса, т.е. программируемой системы отображения информации и управления с консоли (клавиатура, «мышь») в реальном масштабе времени на экране компьютера; - Runtime - программа-монитор, осуществляющая в реальном времени алгоритмы сбора, обработки данных и управления, разработанные в среде Buildime. - Remote Instrument Support Kit - инструментарий программной поддержки внешних аппаратных средств, включающий в себя программное обеспечение, позволяющее конфигурировать два типа интерфейса подключения внешних аппаратных средств. - Database Monitor - программа для мониторинга баз данных; - PC Status Monitor - программа для мониторинга состояния компьютера; - Network Monitor - программа для мониторинга сети.
Помимо выше перечисленных основных компонентов, в состав пакета входят другие дополнительные служебные программы-утилиты: - Batch Runner - утилита, позволяющая запускать на выполнение последовательности ранее разработанных программ стратегий сбора данных и управления; - HW Install - программа установки и настройки аппаратных средств; - HIG - Hardware Interface Guide - справочная система, предоставляющая информацию об аппаратных средствах различных производителей; - Tutorial - обучающая программа; - Multimedia Quick Start - мультимедийная демонстрационная программа; - 2D и 3D Converter - программы, производящие трансформацию трехмерных объектов Vision в двухмерные и наоборот.
