Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ процесса облучения на заводах-автоматах по производству плодоовощной продукции 13
1.1 Общие замечания 13
1.2 Определение облучённости объектов облучения 14
1.3 Световое облучение и продукционный процесс растений 17
1.4 Температурный режим сооружений 23
1.5 Автоматизированное управление параметрами микроклимата 24
1.6 Управление микроклиматом посредством жалюзийных экранов 26
1.7 Выводы 34
2 Имитационная модель процесса облучения 35
2.1 Общие замечания 35
2.2 Построение имитационной модели 36
2.3 Ограничения, принятые при построении модели 43
2.4 Актуализация модели процесса облучения 44
2.5 Экспериментальное исследование качества имитационной модели. 69
2.6 Выводы 77
3 Экспериментальное исследование системы автоматического управления жалюзийным узкополосным экраном 78
3.1 Общие замечания 78
3.2 Цели и задачи исследования САУЖУЭ 79
3.3 Постановка эксперимента 80
3.4 Результаты экспериментальных исследований 87
3.5 Анализ результатов экспериментального исследования САУЖУЭ . 101
3.6 Выводы 106
Заключение
- Определение облучённости объектов облучения
- Световое облучение и продукционный процесс растений
- Построение имитационной модели
- Анализ результатов экспериментального исследования САУЖУЭ
Введение к работе
Актуальность проблемы
Непрерывный рост потребностей человечества, сопровождаемый последовательным усложнением технологических процессов и производств, ведёт к взрывному увеличению энергоёмкости как отдельных направлений, так и. целых отраслей экономики.
Наблюдающееся вместе с этим в настоящее время; квадратичное уве
личение численности народонаселения Земли ведёт к;стремительному уве
личению потребности человечества в энергии [22]. , .
Разведанные запасы углеводородов; ограничены и невосстановимы. Наблюдаются; глобальные изменения климатических условий,, возможно, напрямую связанные с антропогенным; фактором-нагрузки на окружающую среду [2].
Вопросы энергосбережения и в;первую очередь-интенсификации использования энергии солнечного излучения выходят на первый план.
На границе атмосферы Земли интенсивность облучения солнечными лучами достигает более одного киловатта на квадратный?метр; Земной поверхности достигает поток интенсивностью в среднем от 100 до 250 ватт на квадратный метр. В видимом диапазоне волн вблизи поверхности земли энергия солнечного излучения; может составлять до 20 мегаджоулеи на квадратный метр за сутки [77].
Существует ряд технологий, эффективность которых напрямую зависит от интенсивности облучения объектов различной, природы, тем или иным лучистым; потоком. Промышленное . производство: плодоовощной продукции на заводах-автоматах является,одной из таких технологий.
Количество произведённой биомассы и качество продукции1 напрямую зависят от энергии облучения за период вегетации, спектрального состава излучения, а, также от мгновенной облучённости и цикличности облучения-^, 85]:
При недостаточном количестве естественной солнечной радиации для производства плодоовощной продукции применяются искусственные источники облучения, потребляющие значительное количество электрической энергии [35].
Известен способ перераспределения светового потока и наиболее простое техническое решение светорегулятора в виде набора узких светоотражающих полос, способных менять угловое положение относительно продольной оси. Такие полосы возможно размещать под светопрозрачной кровлей'-сооружений так, чтобы в закрытом положении полосы перекрывали большую часть светового отверстия. Подобные конструкции носят название «жалюзийный узкополосный экран» - ЖУЭ [79].
Перспективным представляется- использование ЖУЭ в сооружениях защищенного грунта. Лучистый теплообмен между сооружением со светопрозрачной кровлей и окружающей средой влияет на микроклимат [6]*. Изменяя интенсивность проникающего внутрь сооружения и уходящего наружу лучевых потоков можно добиться повышения качества регулирования параметров микроклимата с одновременным снижением энергетических затрат на функционирование таких систем поддержания микроклимата как системы подогрева и системы охлаждения (туманообразования).
Перераспределение светового потока должно быть таковым, чтобы мгновенная облучённость объекта облучения отвечала.экстремуму некоторой функции качества облучения, которая в свою очередь формируется на основе анализа требований процесса облучения [31].
Вид функциональной зависимости показателей качества облучения от углового положения жалюзи ЖУЭ меняется при'изменении конфигурации объекта облучения. Положения экстремумов показателей качества об-лучения неизвестны заранее и существенно изменяются в течение одного светового дня вслед за перемещением солнца по небосводу [81].
Задача автоматизации управления ЖУЭ требует системного подхода и формирования адекватной модели ЖУЭ с системой управления [10].
Анализ результатов-моделирования позволит сформировать обоснованные технические требования к системе автоматического управления жалюзииным узкополосным экраном (САУЖУЭ).
В качестве объекта исследования выступает процесс преобразования естественного солнечного излучения жалюзииным узкополосным экраном, снабжённым системой автоматического управления.
Предмет исследования: алгоритмы и модели системы автоматического управления жалюзииным узкополосным экраном.
Цель диссертационной работы состоит в повышении уровня и пространственной равномерности лучистой экспозиции объектов в сооружениях, оборудованных жалюзийными узкополосными экранами, в условиях априорной неопределённости^ конфигурации- объекта облучения и характеристик естественного излучения.
Основные задачи исследования:
Определение облучённости объектов облучения
Ключевой задачей совершенствования технологических процессов в промышленном производстве является снижение энергоёмкости единицы продукции. На текущем этапе развития промышленности в целом, и в частности отрасли растениеводства защищенного грунта, проблема сокращения энергозатрат приобретает особую актуальность в связи с развивающимся кризисом мировых энергоресурсов и экологическими проблемами энергетики.
Функционирование теплиц в составе завода-автомата требует максимального уровня автоматизации всех этапов технологического процесса.
Растения - сложный живой организм, потребляющий минеральные неорганические компоненты питания из внешней среды и преобразующий их в сложные органические соединения. Молекулы органических веществ вследствие более комплексного их строения имеют и более высокий энергетический потенциал. Таким образом, растения потребляют из окружающей среды энергию и сохраняют её в белковых молекулах [76].
Источником энергии для органического синтеза в промышленном овощеводстве служит как естественная солнечная радиация так и искусственное освещение.
Прирост биомассы растения при прочих равных и оптимальных в смысле биологической продуктивности условиях напрямую определяется интегральным количеством лучистой энергии в определённой спектральной области, приходящей на зелёные части растений [37, 45, 62].
Безусловно, растение не в состоянии потребить бесконечное количество энергии, поэтому, начиная с некоторого уровня облучённости, дальнейшее её повышение приводит только к отрицательным последствиям вплоть до гибели растения [47].
Помимо получения необходимого минерального питания и притока лучистой энергии, растения в процессе роста, развития и плодоношения должны находиться в определённых микроклиматических, условиях. Важнейшими параметрами микроклимата являются температура, влажность окружающего воздуха и концентрация в воздухе углекислого газа [44].
В данной главе мы анализируем особенности процесса облучения и закономерности связи облучённости растений естественной солнечной и искусственной радиацией с продукционным процессом. где Ф — поток излучения, падающий на поверхность площадью S [73, 86].
В каждой конкретной ситуации нас интересует облучённость в определённом спектральном диапазоне. В частности, в процессе облучения растений важен участок спектра электромагнитного излучения, непосредственно используемый растениями для.фотосинтеза. Такой участок называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР) [74].
Спектральные составы излучения различных источников. сильно отличаются друг от друга. Так спектр прямого солнечного излучения меняется в зависимости от того, какой путь через атмосферу земли преодолевают лучи. Спектр рассеянного атмосферой излучения отличается от спектра прямого излучения и также зависит от состояния атмосферы и поверхности суши или моря, над которым проводятся измерения [1,3, 78].
Каждый вид источников искусственного облучения имеет собственную форму спектра. Кроме того, форма спектра электрических источников искусственного облучения может меняться в зависимости от режима электрического питания [25].
Облучённость ЕФА1 объекта в области ФАР для любого источника облучения может быть определена из соотношения [1, 74, 76] -.ФАР, (1.2) где Е{\) - спектральная плотность излучения вблизи объекта облучения, Л1=350/ш, Л2=700/ш - границы участка спектра ФАР.
Сглаженные среднестатистические спектральные плотности прямой и рассеянной солнечной радиации вблизи поверхности земли на средних широтах России для высот солнца в 40-50 градусов показаны на рис. 1.1 [3,78].
Световое облучение и продукционный процесс растений
Квантометры и спектрорадиометры могут иметь приспособления, предназначенные для непосредственного измерения облучённости ВІ заданной спектральной области, в том числе, - в области ФАР [39].
Задачи измерения: освещённости- шире, чем задачи измерения облучённости ФАР; и наибольшее распространение получили- люксметры. Зная спектральную плотность излучения можно пересчитывать значения, выраженные в люксах к. значениям в ваттах на квадратный метр: ФАР [23, 79].
Освещённость связана со?спектральной чувствительностью глаза человека; . Известно, что кривые «дневной» - и І «ночной» чувствительно сти человеческого глаза различны: В; люксметрах используется кривая световой эффективности, полученная для «дневной» чувствительности [90]і.
Освещённость определяется как [1, 90] Ev=lEe{K)-K(X)dX, ,, (1.3) где К (Л) -спектральная световая эффективность, см; рис.1.1. Область длин волн, которые используются в процессе фотосинтеза, близка к области чувствительности человеческого глаза.
В- литературе, посвященной исследованию фотосинтеза, приводятся-] результаты; измерений как в люксах так и в ваттах, на квадратный метр ФАР. В=обзоре нами, используются исходные единицы измерения, а І в. построенной: нами модели процессам облучения-; интенсивность ФАР определяется в-ваттах на квадратньїйіметр: .
В системах автоматического управления, измеряющих облучённость объектов ФАР, могут использоваться любые из вышеописанных фотоприёмников. Применение приборов, работающих в области чувствительности человеческого глаза, предпочтительно с экономической: точки зрения. Промышленность выпускает широкую; номенклатуру таких фотоприёмников. Большинство приборов имеет калиброванную спектральную чувствительность, что облегчает пересчёт выходной величины прибора к значению облучённости ФАР в ваттах на квадратный метр.
Известны два основных эффекта, возникающих при воздействии света на растения. Это фотосинтез и фотоморфогенез [74].
В процессе фотосинтеза из воды и углекислого газа образуются углеводы. Реакции происходят с использованием энергии, переносимой электромагнитным излучением в области длин волн видимого света. Этот процесс представляет собой решающую основу производства биомассы растения [44, 46, 74].
В зависимости от внешних условий растения используют 0,2-4% энергии ФАР. Фото синтетический потенциал большинства растений во много раз больше, чем степень использования солнечной энергии в естественных условиях [43, 44].
В процессе фотоморфогенеза свет оказывает не энергетическое, а управляющее воздействие. Световые потоки вызывают различные процессы развития и дифференциации. В отличие от фотосинтеза, фотоморфоге-нетические переключения требуют как правило только коротких воздействий света с низкой интенсивностью. Имеется большое количество различных фотоморфогенетических процессов, вызываемых светом [76].
Помимо фотосинтеза в растении происходит процесс фотодыхания [74].
Следует отметить, что для растениеводства защищенного фунта, фотосинтез является определяющим фактором эффективности всей отрасли в целом. Форма кривой, показывающей зависимость чистого фотосинтеза (за вычетом эффекта фотодыхания растений) от облучённости растений ФАР, повторяет форму кривой, описывающей зависимость урожайности от облучённости [48, 76, 85].
Интенсивность чистого фотосинтеза может быть измерена экспериментально — путём измерения скорости усвоения растениями углекислого газа (например, компенсационным методом) [76].
Интенсивность фотосинтеза зависит не только от облучённости растения ФАР. Известна концепция «лимитирующего фактора». Согласно этой концепции скорость потребления одного лимитирующего фактора диктует скорость потребления прочих, имеющихся в относительном избытке [41].
Для конкретной совокупности параметров микроклимата интенсивность фотосинтеза определяется как минимальное значение из тех, которые определены по существующим зависимостям от отдельных параметров.
Известны экспериментальные исследования, в которых измерялась зависимость интенсивности фотосинтеза от совокупности внешних условий, таких как температура, концентрация углекислого газа, освещённость растения. В дальнейшем путём регрессионного анализа определялись математические выражения, позволяющие вычислить интенсивность фотосинтеза при произвольных значениях параметров микроклимата, устанавливаемых в известных допустимых пределах [97].
Построение имитационной модели
В работе мы ограничились рассмотрением задачи исследования процесса облучения в условиях использования естественной солнечной радиации без учёта влияния функционирования ЖУЭ на температурный режим внутри помещения.
Такое ограничение обусловлено тем, что: задача энергосбережения в первую очередь связана с повышением эффективности использования естественной солнечной радиации; опасность перегревов существует в летний период в полуденные часы, основное время САУЖУЭ функционирует в режиме обеспечения максимального коэффициента использования естественной солнечной радиации, - в режиме «Светаловушка».
Ограниченно рассматривается задача непосредственного управления угловым положением жалюзи жалюзииного узкополосного экрана, которая решается методами классической теории управления.
Быстродействие механизма поворота жалюзи ЖУЭ на много порядков ниже, чем скорость изменения облучённости объекта облучения в ответ на управляющее воздействие и много ниже, чем инерционность датчиков облучённости.
Время поворота жалюзи, на; угол 180 градусов определено-конструктивными особенностями механизма поворота, которые в; свою очередь выбраны в соответствии с компромиссом между быстродействием ЖУЭ-и воздушной нагрузкой на материал жалюзи вызывающей скручивание полотна-жалюзи во время поворота т -уэ 15 секунд .
Изменение облучённости определено скоростью света. Время рас пространение облучения от ЖУЭ до пола сооружения при; высоте экрана над полом А=2; 1 метра , тСЛЛ7 =/г/с 7 наносекунд . , Инерционность датчиков облучённости определена в первую очередь помехоустойчивостью передачи; сигнала от, датчика к блоку автоматики; время интегрирования датчика; т 1Л/;Ж( 20 миллисекунд . Инерционность системы-управления жалюзийным экраном, в целом определяется;механизмом поворота экрана. Переходные процессы в работе механизма; поворота; могут быть учтены посредством.датчика угла поворо та жалюзш, . .
Таким образом представляется возможным1 анализировать функционирование системы в пространстве сигналов [4, 30].
Состояние объекта облучения характеризуется его облучённостью E(t,x,y,z) . Облучённость — это функциональная зависимость плотности потока мощности от координаты точки в декартовом пространстве х,у, z в совокупности с координатами объекта; облучения. Пространственная точность.дискретного описания E{t,x,y,z) для объекта облучения типа растительного ценоза должна ориентироваться на размеры отдельных частей растений, например листьев. Геометрические размеры моделируемого объекта облучения должны соответствовать его реальным размерам.
Приведённое описание облучённости является громоздким, так как требует хранения подробной информации о сложной конфигурации объекта облучения.
Возможно использование представления о некоторых априори известных областях пространства, в которых потенциально может находиться объект облучения. В рассматриваемом нами конкретном случае такие области определяются с учётом технологий выращивания, принятых в промышленном тепличном овощеводстве.
Нами рассмотрена перспективная, развивающаяся технология многоярусной узкостеллажной гидропоники (рис. 2.2) [55, 59, 83].
В качестве областей объекта облучения можно принять «пирамиды», описанные вокруг геометрических мест формирования растительных ценозов. При этом растительные ценозы рассматриваются как единый массив.
Анализ результатов экспериментального исследования САУЖУЭ
Применение жалюзийного узкополосного экрана, оборудован ного системой автоматического управления позволяет более эффективно использовать солнечную энергию. Прибавка лучистой экспозиции естественного облучения по сравнению с аналогичным объектом облучения, не оборудованным-САУЖУЭ составляет от 15 до 30 процентов. Возрастает равномерность облучённости объекта облучения по высоте на 30-40 процентов.
Результаты имитационного эксперимента хорошо согласуются с данными натурных исследований жалюзийных экранов, проводимых ФГНУ «Гипронисельпром» [99] (см. п. 1.6.2). В натурных исследованиях мгновенная облучённости за счёт использования жалюзийного экрана возрастала на 18-28%, а мгновенная равномерность облучения на 8-10%.
3.5.2 Эффективно применение САУЖУЭ, работающей в режиме «Светоловушка», в блочных теплицах заводов-автоматов по производству овощной продукции. Использование САУЖУЭ позволяет получить эконо мию электроэнергии, расходуемой на досветку растений при светокульту ре. Проведём расчёт возможного экономического эффекта для региона Ор ловской области. Для расчёта воспользуемся исходными данными, имею щимися в литературе [79, 82]. Результаты расчёта приведены в табл. 3.18.
Как видно из таблицы, за время вегетации в зимний период при возделывании культуры томата возможна экономия электроэнергии, расходуемой на искусственное освещение растений, до 18 киловатт-часов, а при возделывании культуры огурца - до 14 киловатт-часов на квадратный метр площади теплицы. 3.5.3 Задача выбора алгоритма функционирования САУЖУЭ является многокритериальной. Нами рассмотрено два критерия - лучистая экспозиция и пространственная равномерность облучения.
Наиболее интересные для анализа случаи - это случаи, учитывающие возможные отклонения в положении жалюзи от найденных алгоритмами в идеальных условиях.
Анализ графиков, приведённых на рис. 3.8, 3.9 показывает, что при выбранных нами исходных данных (объект облучения, соответствующий технологии выращивания растений с применением МУГУ) САУЖУЭ должна функционировать по алгоритму 3).
В условиях малой» высоты объекта облучения алгоритм 3) может быть легко приведён к алгоритму 1) путём изменения коэффициента кд„п — допустимого снижения облучённости при поиске лучшей равномерности облучения, см. п. 2.4.6. Таким образом, программа управления САУЖУЭ может функционировать по алгоритму 1) или 3) по выбору оператора.
Наиболее интересным представляется вариант, при котором программа управления САУЖУЭ будет во время каждого цикла поиска положения жалюзи сравнивать результаты, полученные по алгоритмам 1) и 3). Выбор в пользу алгоритма 1) будет происходить, если выигрыш в равномерности облучения, получаемый алгоритмом ) несущественен.
Реализация группы алгоритмов 2) на практике затруднена. Проблема возникает из-за необходимости точно ориентировать диаграмму направленности датчика облучения на выбранную зону объекта облучения. 3.5.4 В соответствии с результатами имитационного моделирования сформулированы технические требования к системе автоматического управления жалюзийным экраном типа «САРОРТ-7», устанавливаемой на заводах автоматах по производству плодоовощной продукции - приложение Д. «САРОРТ-7» предназначена для автоматического регулирования облучённости растений в теплицах естественной солнечной радиацией. «САРОРТ-7» снабжена датчиками облучённости растений, внешней облучённости, температуры воздуха в теплице, принимает сигналы от концевых выключателей и датчика угла поворота жалюзи.
Система взаимодействует с оператором и внешней системой управления микроклиматом в теплице.
