2 опис функціонування об'єкта автоматичного управління

Ім'я файлу: раздел 2 теплица.docx
Розширення: docx
Розмір: 736кб.
Дата: 18.04.2021
скачати
Пов'язані файли:
РЕФЕРАТ 11.docx
Модуль 2 _.pptx

2 ОПИС ФУНКЦІОНУВАННЯ ОБ'ЄКТА АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ

2.1 Опис пристрою і принципу дії об'єкта автоматичного
управління (ОАУ) і збурюючих впливів.
Сучасні технології вирощування різних культівіруемихра вимагають невпинного підтримки певного мікроклімату в автоматизованих системах закритого грунту - теплицях. Будь-яка автоматизована теплиця є об'єктом управління температурно-вологісним режимом, висока складність роботи з яким укладається в нестабільності наступних параметрів:

1.Температура повітря.

2. Відносна вологість.

3. Вологість грунту.

4. Інтенсивність освітлення.

Сучасна теплиця як об'єкт управління температурно-вложностним режимом характеризується вкрай незадовільною динамікою і нестационарностью параметрів, що випливають з особливостей технології виробництва (зміна ступеня забруднення огорожі, наростання обсягу лістостебельной маси і т.д.). У той же час агротехнічні норми наказують високу точність стабілізації температури (1 º), своєчасне її зміна в залежності від рівня фотосинтетичний-активної опромінення, фази розвитку рослин і часу доби. Всі ці обставини зумовлюють високі вимоги до функціонування та якісному вдосконаленню обладнання автоматизації. Уявімо об'єкт управління (теплицю) у вигляді чорного ящика рис. 2.1, де Р1, Р2, Р3, Р4, – відповідно температура повітря, вологість повітря, вологість ґрунту, освітленість; У1, У2, У3, У4, – відповідно сигнали управління освітленням, провітрюванням, температурним режимом повітряного середовища, обігрівом ґрунту, водяним режимом; К1 та К2 – відповідно теплоємність ґрунту та теплоємність рослин; Е1 та Е2 – відповідно маса ґрунту та повітря.

Структурна схема теплиці як об'єкта управління представлена на малюнку 2.1.

Рисунок 2.1 – Теплица как объект управления.
Автоматичне управління вологісним режимом грунту в теплицях поки не знаходить широкого застосування в основному через недостатню надійність і працездатності датчиків вологості. Тому вологісний режим підтримують за допомогою розімкнутої системи програмного управління, яка забезпечує зволоження повітря і грунту за допомогою способів дощування і кореневого поливу через капілярні трубки. Системи дощування використовують і для внесення мінеральних добрив в розчинах.

2.2 Вибір принципу управління
Розглянемо основні принципи реалізації системи АСУ для блоку ангарних теплиць.

На першому етапі проводиться вимірювання параметрів мікроклімату, теплових мереж, зовнішнього повітря, виконуються необхідні розрахунки параметрів для програмних регуляторів. Отримані коефіцієнти передаються в контролери управління. Управління замкнутими контурами регулювання, прикладом яких служить регулювання температури теплоносія, не представляє складності. Тут застосовують класичний ПІД-регулятор. Під управлінням ПІД-регуляторів знаходяться общеблочние магістралі і контури надпочвенного опалення в теплиці.

Основна функція надпочвенного контуру - підтримання температури в нижній зоні рослин в обмеженому діапазоні, його робота перебуває під контролем оперативних обмежень технологів. Управління фрамугами і калориферами здійснюють П-регулятори. Практика застосування ПІД-регуляторів для цієї мети не виправдала себе через зайвого витрачання електроенергії, підвищеного вироблення ресурсу електродвигунів і високого рівня шуму, тому згодом вони були перетворені в П-регулятори. З метою оцінки якості виготовлення і реального стану кінематики кватирок, економії електроенергії застосовуються розраховані експериментальним шляхом коефіцієнти, що оптимізують час і кількість спрацьовувань кватиркових пристроїв. У ангарної теплиці найбільш складний шатровий контур регулювання. Його управління здійснюється виходячи з показників температури зовнішнього повітря, сонячної радіації, наявності опадів і мікроклімату теплиці. Алгоритм управління всіх контурів в якості одного з компонентів містить змінні параметри - температуру і вологість повітря. В процесі роботи регулятора цей компонент може стати пріоритетним в разі істотного відхилення основного параметра від норми.

Крім цього, контури регулювання можуть бути веденими або провідними. Підлеглі контури зобов'язані виконувати вимоги ведучого, природно, в розумних межах і за умови виконання свого основного завдання. Математичне забезпечення системи управління виробляє випереджаюче вплив на контури регулювання при змінах метеообстановки (зміни надходження сонячної радіації, випадання опадів). У разі втрати контролю за мікрокліматом в літній період автоматика відключає харчування циркуляційних насосів з метою економії електроенергії. Вичерпавши свої можливості, автоматика управління повинна подати сигнал оперативному персоналу.

2.3 Вибір елементів САУ та формування функціональної схеми системи управління

Регулювання мікроклімату в теплиці здійснюється за наступними каналами: температури повітря у тепличному комплексі, вологістю повітря та ґрунту, регулювання освітлення в серединні теплиці. Інформація від усіх сприймаючих елементів надходить на керуючий контролер Arduino Uno який після обробки інформації видає необхідний сигнал управління на певний контролюючий орган або виконавчий механізм.

Рисунок 2.2 – Система управління мікрокліматом теплиці на базі контролера Arduino Uno
Для створення CAУ мікрокліматом тепличного комплексу застосовується таке технологічне обладнання: повітродувні теплогенератори, теплоносій, вентилятори, контролер, датчики вологості, датчик температури, датчик освітлення.

Розглянемо функціональні схеми за кожним параметром регулювання системи управління.

Рисунок 2.3 – Функціональна схема CAУ по каналу регулювання температури в теплиці
На рис. 2.3 присутні такі основні елементи:

KE - коригуючий елемент;

PO - регулюючий орган (клапан);

Д – двигун;

ОУ – об'єкт управління (теплиця);

ДТ – датчик температури;

Тзад – задане значення температури;

Тоy - температура повітря в теплиці;

U(t) – напруга керування;

F(t) - збурююча дія на ОУ.

Рисунок 2.4 – Функціональна схема CAУ по каналу регулювання вологості повітря в теплиці
На рис. 2.4 присутні такі основні елементи:

KE - коригуючий елемент;

PO - регулюючий орган (клапан);

Д – двигун;

ОУ – об'єкт управління (теплиця);

ДВ – датчик вологості повітря;

Uзад – задане значення напруги;

Wоy - вологість повітря в теплиці;

U(t) – напруга керування;

F(t) - збурююча дія на ОУ.

Рисунок 2.5 – Функціональна схема CAУ по каналу регулювання вологості грунту в теплиці
На рис. 2.5 присутні такі основні елементи:

KE – коригуючий елемент;

PO – регулюючий орган (клапан);

Д – двигун;

ОУ – об'єкт управління (ґрунт);

ДВґ – датчик вологості ґрунту;

Uзад – задане значення напруги;

Wоy – вологість грунту;

U(t) – напруга керування;

F(t) - збурююча дія на ОУ.
Варто зауважити, що основні контрольовані обурюючі дії - це зміна зовнішньої температури, швидкість вітру і рівня природної освітленості. На температурний режим теплиці впливають також вологість зовнішнього повітря, опади та інші метеофактори.

2.4 Формування вимог до вимірювальних приладів, обчислювальної техніки і виконавчих пристроїв, вибір вимірювачів та виконавчих пристроїв

Завжди актуальною є задача підвищення рівня автоматизації, що дозволить збільшити можливості конкретної системи автоматизації та підвищити її відповідність сучасним вимогам і техніко-економічну ефективність. Важливе значення має використання типових комплексно-механізованих виробничих ліній, що дає можливість застосовувати розроблені для них типові схеми автоматизації.

Сучасна система автоматизації повинна забезпечувати безперебійну роботу промислового обладнання, і управляти технологічним процесом з потрібною точністю і чіткістю.
2.4.1 Вибір датчиків
Вибір датчиків температури та вологості повітря проходив шляхом порівняння характеристики декількох датчиків Порівняльні характеристики розглянутих датчиків наведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1 - Характеристики датчиків температури та вологості повітря

Характеристика	DS18B20	DHT-11	DHT-22
Вимірювані параметри	Температура	Температура, вологість	Температура, вологість
Діапазон вимірювань	-10° C - 70° C	0-50 °C, 20 - 90%	-40 - 80 °C, 0 - 100%
Точність вимірювань	± 0.5° C	± 2 °C, ± 5 %	± 0.5 °C, ± 2 - 5 %
Вихідний сигнал	Цифровий сигнал	Цифровий сигнал	Цифровий сигнал
Вартість	40 грн	54 грн	200 грн

Виходячи з табл. 2.1, було вирішено використовувати датчик DHT-11. Перевагами даного датчика є:

достатньо високий вимірюваний температурний діапазон;
можливість отримання інформації про декілька параметрах;
низька ціна.

В якості датчика освітленості був обраний GY-302, який мае наступні характеристики:

Діапазон вимірювань 0-65535 Люкс

Робоча напруга 3 - 5В

Дозвіл 1 Лк

Робоча температура -40 ... 85 ° C

Розміри модуля 19 х 14 мм
Ємнісний датчик вимірювання вологості грунту v1.2 . Особливістю датчика є відсутність електричного контакту з агресивним і вологим середовищем. Таке виконання забезпечує повний захист від корозії вимірювальних електродів, що позитивно позначається на довговічності. Такі датчики застосовують в системах автоматичного поливу рослин, теплицях, датчиках вологості різних матеріалів. Електроди повністю захищені від зовнішнього середовища, але напівпровідникові елементи. які розташовані у верхній частині плати не мають захисту від води і вологи. Якщо на місце експлуатації можлеве потрапляння води і вологи (теплиця, верхнє зрошення), то необхідно вжити заходів щодо влагозащіти електронних компонентів (лак, епоксидна смола, корпусіровка і т.д.).

• Робоча напруга: 3,3 5,5 В

• Вихідна напруга: 0 3,0 В (0 В – висока вологість, 3 В – низька вологість)

• Розмір: 98 x 23 мм

Клапани і двигуни вибрано такими, щоб управляючий сигнал співпадав з сигналом із контролера.

2.5 Висновки

У даному розділі було розглянуто принцип роботи системи, були описані вхідні та вихідні сигнали функціональних блоків системи. Розроблені функціональні схеми управління.

Був проведений аналіз датчиків вологості і температури і був обраний найбільш кращий для необхідної установки.

3 МАТЕМАТИЧНИЙ ОПИС СИСТЕМИ

3.1 Математична модель управління температурно-вологісним режимом
Найважливішою стадією дослідження алгоритмів керування технологічними об'єктами є розробка моделі об'єкта, яка відображає процеси, що відбуваються в об'єкті. Типові рішення з управління об'єктами засновані на найпростіших моделях, що оперують абстрактними параметрами. Такі моделі, у зв'язку з абстрактним характером параметрів, не дають можливості глибокого вивчення і зміни характеристик об'єкта. Для більш глибокого дослідження і синтезу систем автоматичного управління представляють інтерес моделі, що розкривають фізичні основи роботи об'єкта.

Класифікуємо існуючі моделі мікроклімату теплиць на два типи:

1. Принципові моделі, що використовують дані про фізичні процеси тепло- і масообміну, що відбуваються в теплиці. Процеси описуються диференціальними рівняннями з параметрами, що мають фізичну інтерпретацію.

2. Кібернетичні, коли мікроклімат теплиці розглядається як «чорний ящик», і вивчається взаємозв'язок вхідних і вихідних величин. Параметри цих моделей визначаються експериментально, методом ідентифікації.

На сьогоднішній день існує безліч робіт, присвячених моделям мікроклімату теплиць.

Модель мікроклімату, запропонована в [Kharchenko V. Green Computing and Communications in Critical Applocation Domains: Challenges and Solutions/ Kharchenko V.,Sklyar V., Gorbenko A., Philips C// Proceedings of International Conference on Digital Tenchnologies, May, 29-31, 2013, Zilina, Slovakia, 2013, P.24-29. ], виступає в якості основи для розробки моделі мікроклімату теплиці. У даній роботі використана принципова модель в безперервному часу.

Модель розроблена на основі наступних припущень:

1. Модель інтерпретує теплицю як заданий обсяг повітря, обмежений стінами, дахом і підлогою. Просторовий розподіл змінних, що описують мікроклімат, не враховуються.

2. Зміна біомаси плодових тіл в процесі їх розвитку не враховується. Біомаса плодових тіл є постійним значенням.

3. Об'єкт управління розглядається як квазістаціонарний.

Рівняння теплового балансу енергії, що впливає на зміну температури повітря всередині теплиці має вигляд:

(3.1)

де ρ– густина повітря;

V – об’єм повітря;

C – питома теплоємність повітря;

T(t) – температура повітря всередині теплиці;

Q_надх– теплові надходження від системи обігріву;

Q_{витрати}– втрати теплоти;

Q_свіж– втрати теплоти на обігрів свіжого повітря.
Розкриємо члени рівняння (3.1). Теплові надходження від системи обігріву:

(3.2)
де G_тепл – витрати теплоносія;

C_тепл – питома теплоємність теплоносія;

T_поч, Т_кім – температура теплоносія на вході і виході теплообмінника;

T_поч – Т_кім – перепад температур теплоносія на вході і виході теплообмінника.
Теплові втрати через огороджувальні конструкції будівлі:

(3.3)
де k – коефіцієнт теплопередачі огороджувальної конструкції;

F – площа огорожі;

Т_в– температура повітря всередині будівлі;

Т_з – температура повітря зовнішня;

Т_в –Т_з – перепад температури повітря.
Тепловтрати на обігрів свіжого повітря:

(3.4)

де G_свіж - витрата свіжого повітря для вентиляції приміщення;

С_пов - питома теплоємність повітря;

Т_в– температура повітря всередині будівлі;

Т_з – температура повітря зовнішня.

Запишемо рівняння (3.1) повністю підставивши розкриті члени (3.2), (3.3) і (3.4):

(3.5)
Рівняння масового балансу води в атмосфері теплиці буде мати вигляд:

(3.6)

Рівняння масового балансу вуглекислого газу в атмосфері теплиці визначається з балансу мас вуглекислого газу таким чином:

(3.7)
Для отримання значень температури, вологості і вмісту вуглекислого газу на підставі розроблених рівнянь виразимо ці значення з диференціальних рівнянь.

Запишемо рівняння температури в диференціальної формі:

(3.8)
Приймемо температуру повітря, що йде за температуру повітря всередині приміщення (Т_в=Т). Тоді рівняння прийме вид:

(3.9)

Отримали лінійне неоднорідне диференціальне рівняння першого порядку, виразимо його:

(3.10)
Визначимо допоміжну функцію μ(t):

Приймемо:

тоді:

(3.11)
Помножимо вихідне рівняння (3.10) на (3.11):

(3.12)
Проінтегруємо рівняння (3.12):

.

(3.13)
Приймемо за постійний множник:

.

Винесемо його за знак інтеграла, потім помножимо обидві частини рівняння на

(3.14)
Візьмемо інтеграл:

(3.15)
Виразимо:

(3.16)

де T₀– початкова температура.

Отримаємо значення абсолютної вологості. Запишемо рівняння вологості в диференціальної формі:

Приймемо вологість минає повітря за вологість повітря всередині приміщення. Тоді рівняння прийме вид:

(3.17)
Отримане диференціальне рівняння першого порядку виразимо в канонічному вигляді:

(3.18)

Визначимо допоміжну функцію:

Приймемо:

,

тоді:

(3.19)

Помножимо вихідне рівняння (2.18) на (2.19):

.

(3.20)

Приймемо:

Проінтегруємо рівняння (3.20) по t:

(3.21)
Помножимо обидві частини рівняння на G_yx і візьмемо інтеграл:

(3.22)
Виразимо:

(3.23)
Де X₀ – початкова вологість.

Знайдемо значення вмісту CO2. Запишемо рівняння масового балансу вуглекислого газу в атмосфері теплиці в диференціальної формі:

Приймемо вміст CO₂ повітря ззовні за зміст CO₂ у повітрі всередині приміщення. Тоді рівняння прийме вигляд:

Виразимо отримане диференціальне рівняння першого порядку:

Визначимо допоміжну функцію:

Приймемо:

Приймемо:

Проінтегруємо рівняння:

Помножимо обидві частини рівняння і візьмемо інтеграл:

Виразимо:

де M_co₂ - початковий вміст вуглекислого газу.
Таким чином, система рівнянь , наближено описує мікроклімат теплиці, має вигляд:

.

Наведена модель наближено описує мікроклімат теплиці, що припустимо для аналізу та синтезу алгоритмів керування. Модель не враховує розподіл параметрів мікроклімату за площею і висотою тепличного споруди.

Модель дозволяє вести розрахунок впливів за параметрами мікроклімату теплиці, прогнозувати вплив кожного із значень мікроклімату на інші, дає можливість розраховувати показники якості управління.
3.2 Отримання лінійної моделі

3.4 Формування передавальних функцій ОАУ по задавальному та збурювальному впливах

3.5 Формування структурної схеми ОАУ

3.6 Дослідження в MATLAB функціональних властивостей ОАУ

3.7 Висновки

© Усі права захищені
написати до нас