Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время системы
автоматизированного управления являются основным механизмом,
используемым для контроля технологических процессов в различных сферах человеческой деятельности. Применение данных систем при управлении микроклиматом приводит к снижению потребляемых энергетических ресурсов, необходимых для поддержания заданных параметров, среди которых можно выделить температуру и относительную влажность воздуха, а также концентрацию углекислого газа.
Управление каждым отдельным параметром микроклимата не всегда
благоприятно сказывается на эффективности работы системы, что
обусловлено как ограничениями, накладываемыми на элементы системы
управления, так и спецификой функционирования самого объекта
регулирования. Поэтому данную задачу необходимо решать с
использованием достижений в сферах интеллектуального управления. Данной тематике посвящен ряд работ: С. М. Кулакова, С. И. Савосина, В. М. Макарова, В. И. Васильева, J. Utracki, A.-M. Amjad, P. Borkowski и других.
В условиях информационной неопределенности, характеризующейся отсутствием достоверной и полной информации о параметрах и стадиях протекания процесса, ситуационное управление позволяет создавать эффективные информационные системы, которые учитывают опыт как технологов, так и накопленные в процессе функционирования данные. Поэтому в диссертационной работе решена задача создания и интеграции построенных на основе аппарата нечеткой логики автоматизированных систем по управлению климатическими параметрами. В качестве объекта исследования выбраны помещения различного назначения, для которых при разработке системы необходимо предусматривать взаимное влияние поддерживаемых параметров микроклимата, а также рекомендации технологов в случае рассмотрения процесса производства или хранения продукции.
Нечеткие системы управления микроклиматом относятся к классу
интеллектуальных систем, способных к адаптации к постоянно
изменяющимся процессам. Однако известные примеры использования
принципов нечеткого управления климатическими параметрами единичны и
рассматривают объект в качестве изолированной системы, т. е. не учитывают
воздействие внешних климатических параметров
(B. Jinsung, D. Kolokotsa, N. Mandic, L.A. Zadeh, М. С. Пешко, М. Н. Анохин, Аль Джубури Иссам Мохамед Али).
Построение систем на базе нечеткой логики для управления микроклиматом с учетом внешнего воздействия затрудняется в связи с
отсутствием методов и алгоритмов реализации систем подобного типа, что
определяет ориентированность работы на разработку и создание способов и
подходов к описанию и определению функций принадлежности
рассматриваемых параметров микроклимата и создания базы правил для нечеткого регулятора. Также при создании систем особое внимание уделялось разработке алгоритмов работы контроллера и выделению термов, т.е. представлению диапазона абсолютных значений параметров в виде нечетких выражений, для более эффективного управления.
Таким образом, проведение исследований для определения
возможностей построения нечетких систем управления микроклиматом для обозначенного выше класса объектов является актуальным.
Цель диссертационной работы: создание многоуровневых
автоматизированных систем управления микроклиматом на основе нечеткой
логики для регулирования заданных параметров в жилых и
производственных помещениях
Для достижения поставленной цели необходимо решение
следующих задач:
Провести анализ критериев энергоэффективности создания определенного микроклимата в помещениях с заданными характеристиками и исследовать структурные особенности многоуровневых систем управления микроклиматом и потоков данных в них.
Разработать математическую модель жилого или производственного помещения и динамики протекающих в нём процессов по изменению контролируемых параметров микроклимата.
Разработать методику определения взаимного влияния смежных климатических зон.
Разработать многоуровневую систему управления параметрами микроклимата на базе нечеткой логики.
Провести моделирование помещений с учетом возможного диапазона изменения входных данных и сформулировать рекомендации к применению разработанных методов.
Разработать базу правил для реализации системы управления на основе нечеткой логики объектов различного назначения и оценить результаты опытно-промышленной эксплуатации.
Методы исследования
В работе использованы: методы математического и системного анализа, теории автоматического управления; численные методы решения систем
нелинейных уравнений; методы поиска оптимального решения; методы построения математической модели на базе нечеткой логики; пакет прикладных программ Matlab; система визуального моделирования Simulink. При реализации задачи использовались современные компьютерные технологии, средства разработки и отладки ПО.
Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации научно-обоснованных разработок:
Разработана методика определения взаимного влияния смежных климатических зон с учетом теплоизоляционных свойств строительных конструкций при расчете затрат энергии, требуемой для поддержания заданных параметров микроклимата, позволяющая снизить потребление энергии до 50% в зависимости от рассматриваемого периода, климатической зоны и типа объекта.
Предложена оригинальная математическая модель системы автоматического управления микроклиматом, определяющая эффективность подходов для обеспечения требуемых параметров заданного микроклимата при наличии непостоянных внешних возмущений.
Разработана структура системы управления на базе нечеткой логики с определением термов входных и выходных параметров, их функций принадлежности и операций нечеткого вывода.
Сформирована полная база правил нечеткой логики, учитывающая все входные и выходные термы, позволяющая добиться адаптивности системы управления микроклиматом с учетом нелинейно изменяющихся факторов протекающих процессов.
Разработана методика моделирования системы управления микроклиматом, позволяющая оценивать точностные и временные характеристики микроклимата помещения с применением контроллера на базе нечеткой логики.
Практическая значимость работы заключается в следующих результатах:
Разработан алгоритм вычисления взаимного влияния смежных помещений и наружных климатических зон на климатические условия помещения с учетом теплоизоляционных свойств строительных конструкций.
Разработаны рекомендации по выбору термов лингвистических переменных и функций принадлежности для описания параметров микроклимата и протекающих на объекте процессов в терминах нечеткой логики.
Разработана информационная система управления параметрами микроклимата объекта в условиях информационной неопределенности с применением аппарата нечеткой логики, в результате использования которой, в зависимости от типа объекта и энергоносителя, достигается снижение затрат на поддержание требуемых параметров от 5 до 50% в год.
Разработано техническое решение для микроконтроллера PIC18F44K20 в рамках построения многоуровневой системы управления объектом как жилого, так и производственного назначения, для которого было разработано специализированное ПО и получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017613050 «Программа управления микроклиматическими параметрами помещения».
Достоверность полученных результатов подтверждается данными проведения имитационного моделирования различными математическими аппаратами, а также экспериментальными исследованиями и успешными применениями разработанных средств повышения энергоэффективности поддержания заданных климатических параметров на объектах различного назначения. На разработанное программное обеспечение, реализующее предложенные решения получено свидетельство о государственной регистрации.
Личный вклад автора
Основные результаты диссертации, представленные в работе, получены автором лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии. Во всех совместных работах автор участвовал в постановке задач, разработке методик исследования, проведения экспериментов, анализе результатов, написании статей, а также представлял результаты исследований на научно-технических конференциях.
Внедрение результатов
Разработанные модели и методы внедрены в производственный процесс сельскохозяйственного предприятия ООО «Валмикс» (Акт внедрения прилагается).
Разработанные модели и методы внедрены в проектную и
конструкторскую документацию ООО проектная фирма «Инженерные системы городов» (Акт внедрения прилагается).
Отдельные результаты диссертационной работы используются в
учебный процесс МИЭТ в рамках дисциплины «Управление
информационными ресурсами» (Акт прилагается).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Результат определения взаимного влияния смежных климатических зон позволил построить структуру многосвязной системы автоматического регулирования микроклимата, а также разработать модель, обеспечивающую оптимизацию потребления энергии путем составления графика управления исполнительными устройствами с учетом временных тарифов.
-
Математическая модель системы на базе нечеткой логики, позволяющая за счет способности максимального учета взаимного влияния различных параметров друг на друга, а также адаптивности к изменяющимся условиям, оперативно учитывать нелинейности протекания процессов изменения микроклимата.
-
Правила построения лингвистических переменных и термов для каждого из учитываемых параметров, а также обоснована связь между ними и их физическими значениями.
-
Многоуровневая система управления жилым и производственным помещением с использованием контроллера с разработанным специализированным ПО, реализующим принципы управления на базе нечеткой логики и моделей оценки точностных и временных характеристик микроклимата.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Инновационные подходы к решению технико-экономических проблем, I международная научно-практическая конференция (Москва 2014 г.)
Трансформация экономических теорий и процессов в эпоху глобализации, XXI научно-практическая конференция, (Санкт-Петербург 2014 г.)
Инновационные подходы к решению технико-экономических проблем, II международная научно-практическая конференция (Москва 2015г.)
Конференция молодых исследователей в области электротехники и электроники, 2016 ElConRus (Санкт-Петербург 2016 г.)
Инновационные подходы к решению технико-экономических проблем, III международная научно-практическая конференция (Москва 2016 г.)
Конференция молодых исследователей в области электротехники и электроники, 2017 ElConRus (Москва 2017 г.)
Публикации по работе.
По теме диссертационной работы опубликовано 16 работ, из них 15 статей, из которых 3 опубликованы в рецензируемых журналах Scopus и 3 работы в журналах, входящих в список, утвержденный ВАК, а также получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№ 2017613050 «Программа управления микроклиматическими параметрами помещения.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 123 наименований, 2 приложений и 2 актов внедрения результатов диссертационной работы. Работа содержит 154 страницы основного текста, 56 рисунков и 31 таблиц.