Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Ухаров Павел Евгеньевич. Методы управления обогревом теплиц в условиях информационной неопределенности : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.06.- Москва, 2005.- 165 с.: ил. РГБ ОД, 61 06-5/1359

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

  1. Особенности управления процессами обогрева теплиц 13

  2. Проблема выбора критериев качества управления 24

  3. Анализ методов управления, применимых в условиях информационной неопределенности 32

  4. Анализ программно-технических средств для реализации систем управления обогревом теплиц 51

  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

  1. Применение метода золотой пропорции для достижения робастности систем управления с ПИД-регуляторами 65

  2. Применение метода золотой пропорции для достижения робастности систем управления с многопараметрическими регуляторами 78

  3. Оптимизация расположения датчиков температуры

в теплицах 86

2.5. Выводы по второй главе 94

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ИНФОРМАЦИОННОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

  1. Активная идентификация замкнутых непрерывных систем управления обогревом теплиц 96

  2. Активная идентификация замкнутых дискретных систем управления обогревом теплиц 103

  3. Адаптивное управление замкнутыми непрерывными и дискретными системами с ПИД регулятором 108

  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

  1. Структура и функции микропроцессорной системы управления обогревом теплиц 118

  2. Разработка программируемых систем отображения информации 124

  3. Разработка виртуальных компьютерных пультов 127

  4. Оценка эффективности разработанных методов и систем управления обогревом теплиц 144

  5. Выводы по четвертой главе 147

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 149

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 151

ПРИЛОЖЕНИЕ. Внедрение научных разработок 162

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:

  1. При управлении технологическими процессами обогрева теплиц на ЗАО «Агрофирма «Подмосковное».

  2. 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:

  1. Разработаны математические модели теплообменных процессов в теплицах в виде дифференциальных уравнений и передаточных функций.

  2. 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.

  3. Установлено с использованием методов имитационного моделирования, что для робастного управления температурой воздуха в теплицах целесообразно использовать ПИД-регуляторы.

  4. Разработан метод определения оптимального расположения датчиков температуры воздуха в теплицах, при котором обеспечивается заданное качество управления процессами теплообмена по всему объему теплицы.

  5. 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.

  1. Методы адаптивного управления обогревом теплиц для дискретных и непрерывных систем с ПИД-регуляторами.

  2. Метод определения оптимального расположения датчиков температуры воздуха в теплицах.

Диссертация выполнена на кафедре электрооборудования и автоматики Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ).

Подобные работы
Сурина Алла Валентиновна
Разработка методов формирования решений для автоматизированной системы оптимизации траектории развития производственных систем в условиях неопределенности внешней среды
Погонин Василий Александрович
Методы и алгоритмы управления химико-технологическими процессами с применением роботов в условиях неопределенности
Златин Павел Андреевич
Методология комплексного анализа и моделирования инновационных процессов автоматизации и управления пассажирскими автотранспортными предприятиями в условиях неопределенности
Алешин Евгений Анатольевич
Энергосберегающая автоматизированная система управления тепловыми режимами в закрытых тепловых сетях зданий в условиях неопределенности
Зарипов Альберт Рифович
Алгоритмы логического управления температурно-силовыми режимами процесса механообработки в условиях неопределенности
Сормов Сергей Игоревич
Автоматизированная система управления качеством процесса обработки деталей в условиях неопределенности
Смирнова Мария Сергеевна
Управление технологическими комплексами сборочно-монтажного производства в условиях неопределенности
Гольцов Анатолий Сергеевич
Синтез адаптивных систем автоматического управления нелинейными объектами в условиях априорной неопределенности
Паршуков Андрей Николаевич
Анализ динамики регулирования в условиях действия факторов неопределенности (С приложениями в нефтегазовой отрасли)
Сергин Михаил Юрьевич
Принципы, методы и алгоритмы построения систем управления технологическими процессами со структурной неопределенностью

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net