Информатика. Системы автоматизированного проектирования

Величину теплопотерь через ограждающие конструкции можно рассчитать, используя следующее выражение:(4.4)где h0 - характеристикапотерь вследствие движения воздуха, Вт/(м2· К); - параметр определяющий потери по причине конвекциив тепличном комбинате, Вт/(м2 ·К);Lc - толщина покрытия, м;Кс–параметр определяющий характер покрытия, Вт/(м· К).,(4.5)где Vw - скорость ветра, м /с.(4.6)где R–объем воздуха, который подается в помещение теплицы, м3/с;Sc – общая площадь решеток кондиционирования, подающих в помещение теплицы воздух из системы вентиляции, м2;L - Длина теплицы, м.Объем свежего воздуха, подаваемый в помещение теплицы через систему вентиляции вычислимиспользуя следующее выражение:.(4.7)Тогда(4.8)Потери тепловой энергии, которые возникают в результате работы системы вентеляции и удаления теплого воздуха, определим по следующей формуле:,(4.9)где Gin - расход свежего воздуха, поступающего в теплицу при проветривании, кг/с. (4.10)Для того, что бы вычислить величину коррекции уровня влажности воздуха внутри помещения теплицы в следует выразить уравнение баланса влаги в тепличном комбинате:,(4.11)где Xt - абсолютная влажность воздуха впомещение теплицы, кгводы/кгвоздуха;Ха - уровень влажности воздуха внешней среды, кгводы/кгвоздуха; - параметр, определяющий величину по расходу пара в системе кондиционирования, кгводы/сСвязь абсолютнойX и относительной влажности воздуха фвыразим через следующее соотношение:(4.12) - абсолютная влажность насыщенного пара, зависящая от температуры, кгводы/кгвоздуха.Для того, чтобы определить концентрацию углекислого газа MC02iв помещениях теплицы, также, следует выразитьуравнение баланса углекислого газа в тепличном комбинате,(4.13)где MC02i - величина углекислого газав педелях теплицы, ррт; МСо2а - величинауглекислого газа снаружи теплицы, ррт; - расход распыляемого углекислого газа в тепличном комбинате. кгС02/с.4.3 Синтез системы управленияНа рисунке 4.6 показана в блоках Simulink подсистема вычисления температуры воздуха в тепличном комбинате (Temp_glasshouse). Данная подсистема составлена на основе уравнений (4.1) - (4.13).Рисунок 4.6 – Модель системы контроля влажности в Телице в ПО SimulinkВ данной подсистеме используются следующие входные порты:Q_heat - тепловые поступления в теплицу от системы обогрева;Solar radiation - солнечная радиация;Tout - температура воздуха снаружи теплицы.В модели используются следующие подсистемы:Q_short - расчет тепловых поступлений в теплицу от коротковолнового (солнечного) излучения;Q_conv,cond - расчет тепловых потерь, вызванных конвективным и кондуктивным тепловым потоком;Q_infilt - расчет инфильтрационных тепловых потерь, вызванных поступлением свежего воздуха;Q_long – расчет тепловых потерь, вызванных длинноволновым излучением.На рисунке 4.7 показана Simulink-модель подсистемы Q_short, где выполнены вычисления на основе (4.3).Рисунок 4.7 - Simulink-модель подсистемы Q_shortСхемамодуля Q_conv,cond представлена на рисунке 4.8.Схема модуляQ_long, представлена на рисунке 4.9.Рисунок4.8 – Simulink-модельподсистемы Q_conv,condРисунок 4.9 – Simulink-модель подсистемы Q_longНа рисунке 4.10 показана Simulink-модель подсистемы Q_infilt.Рисунок 4.10 – Simulink-модель подсистемы Q_infiltГрафик изменения уровня солнечной радиации в течение суток представлен на рисунке 4.11 Рисунок 4.11 – График изменения уровня солнечной радиации в течение сутокПри построении графика интенсивности солнечной радиации на рисунке 4.11 используются следующие исходные данные:clear all;close all;roa=1.137; %плотностьвоздухаCa=1005; %удельная теплоемкость воздухаac=0.1;%поглощающая способность солнечной радиацииtc=0.9;%коэффициент пропускания покрытияS=70;%площадь поверхности%Солнечная радиацияt_rad=[0 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 21];I_rad=[0 0 357.28 501.12 610.16 694.84 738.92 738.92 694.84 610.16 501.12 357.28 0 0]/2;На рисунке 4.12 показана Simulink-модель подсистемы вычисления влажности воздуха в тепличном комбинате (Humidity_Glasshouse). Рисунок 4.12 – Simulink-модель подсистемы вычисления влажности воздуха в тепличном комбинатеДанная подсистема составлена на основе уравнений (4.13) - (4.14).Выходной порт Humidity_In передает информацию о влажности воздуха в тепличном комбинате.В блоках Out_Abs_Humidity и In_Abs_Humidity содержатся зависимости абсолютной влажности насыщенного пара от температуры воздуха, которые используются для связи абсолютной и относительной влажности. Использование пересчета выполняется для отображения результатов моделирования в единицах относительной влажности воздуха.[32]На рисунке 4.8 показана Simulink-модель подсистемы вычисления концентрации углекислого газа в тепличном комбинате (CO2_ Glasshouse).Рисунок 4. 13– Simulink-модель подсистемы вычисления концентрацииуглекислого газа в тепличном комбинатеДанная подсистема составлена на основе уравнений (4.16).В данной подсистеме используются следующие входные порты:G_CO2 – параметр углекислого газа, подаваемого в теплицу;Ventilation – параметр, характеризующий установку принудительной вентиляции;M_CO2_a – параметрконцентрации углекислого газа.4.4 Анализ результатов моделированияАнализ параметров работы спроектированной моделиНа рисунке 4.14 показана Simulink-модель системы регулирования влажности воздуха в тепличном комбинате.Рисунок 4.14 – Модель системы регулирования влажности воздуха в тепличном комбинатеВ данной модели используются следующие подсистемы и блоки:Clock1 –часы текущего времени;In_HumiditySetPoint–задание требуемого уровня влажности;PIDControllerHumidity – ПИД-регуляторвлажности;HumiditySystem - блок подсистемы контроля влажности и увлажнения;HumiditySensor - блок датчиков влажности воздуха;Humidity_Glasshouse - подсистема коррекции влажности воздуха;Humidity_Out – параметр, характеризующий влажность наружного воздуха;Ventilation – параметр, характеризующий активность принудительной вентиляции (0 - принудительной вентиляция отключена, 1 - принудительная вентиляция задействована);Gain - блок масштабирования, необходим для пересчета относительной влажности в %;Integrator - блок интегратора для определения суммарного расхода влаги из форсунок;Scope1 - блок осциллографа для регистрации изменения сигналов. Рисунок 4.15 – Модель формирования наружной температурыВ общем виде, без вложенных блоков, система управления представлена на рисунке 4.16 Рисунок 4 .16 – Общий вид системы управленияВ таблице 4.1 приведены базовые настройки ПИД-регулятора влажности. Переходная функция системы с принятыми настройками ПИД- регулятора влажности показана на рисунке 4.17.Таблица 4.1 – Базовые настройки ПИД-регулятора влажностиРисунок 4.17 – Переходная функция системы с принятыми настройкамиПИД-регулятора влажностиПостроение передаточной функции контора контроля влажностиПроведем анализ подсистемы поддержания заданной влажности в теплице. Для определения вида переходного процесса изменения влажности, составим схему системы регулирования. Данная схема представлена на рисунке 4.18: Рисунок 4.18 – Структурная схема объекта управленияМК – Микроконтроллер системы управления;ИП – измерительный преобразователь.ИП представляет собой датчик влажности.В качестве датчиков влажности в данном проекте примем используется преобразователь HIH-4010, передаточную функцию которого, для приближенного расчета, можно описать как инерционное звено:где: kИП – коэффициент усиления ИП, примем равным 1. ТИП – постоянная времени измерительного преобразователя.Значение ТИП определим технических параметров преобразователя HIH-4010:В технической документации для данного датчика указано, что он имеет свойства инерционного звена, со временем отклика . Дополнительно, в датчике установлено время демпфирования . Добавив время демпфирования к времени отклика сенсора получим общее время задержки датчика:Коэффициент преобразования kдд определим, исходя из условий, что минимальному значению влажности соответствует выходной сигнал датчика Ymin = 4 мA (0,004 А), а максимальному – соответствует выходной сигнал датчика Ymax = 20 мA (0,02 А):.Учитывая найденное значение , запишем передаточную функцию для измерительного преобразователя:.Передаточная функция клапана:,где:– коэффициент усиления РК;, – постоянная времени Коэффициент усиления преобразователя частоты kЗ, определим, исходя из условий, что минимальному сигналуUmin = 4 мA (0,004 А) на входе позиционера соответствует влажность среды на выходе клапана, а максимальному – Umax = 20 мA (0,02 А),: .Для реальных систем Т = 0,1 0,5 с, Снижая отрицательные моменты от влияния колебательной характеристики преобразователя частоты на качество управления системы регулирования, выберем параметры преобразователя частоты, равные параметрам клапана; .Тогда, подставляя в формулу конкретные значения, получаем Звено промышленного логического контроллера можно представить в следующем виде: ,где неизвестными параметрами, определяемыми в результате настройки регулятора, являются:, .Принимая во внимание малую длину линий связи между регулирующим клапаном и датчиком влажности, не учитываем возможное транспортное запаздывание. В результате линию связи будем рассматривать типовым усилительным звеном с коэффициентом усиления, равным единице:.Функциональная схема САР контура управления имеет вид (рисунок 4.20)Рисунок 4.20 – Функциональная схема управления влажностьюУчасток трубопровода, соединяющий клапан с датчиком влажности, осуществляет передачу пара (вода) и ее влажности, преобразуя S(t) в P(t), при этом сигнал X(t) является входным для датчика влажности S(t) – выходной сигнал с преобразователя частоты. Выходной сигнал с датчика – Y(t), поступает в сумматор, где сравнивается с вычисленным задающим воздействием Yзад(kT(t)).После соответствующих структурных преобразований схема примет следующий вид (Рисунок 4.21)Рисунок 4.21 - Структурная схема после преобразованияПредставим исследуемую САР в виде совокупности типовых звеньев:Рисунок 4.22 – Модель исследуемой системы в MathLABПринимаем коэффициент усиления интегрального канала регулятора равным Kи =1 , и соответственно остальные коэффициенты: Kп = 0,45; Kд = 0,0784.График переходного процесса с данными параметрами представлен на рисунке 4.24.Рисунок 4.23 – График переходного процесса исследуемой САРИз представленного на рисунке 4.23 графика можно сделать следующие выводы:Анализ результатов позволил установить, что характер переходного процесса колебательный сходящийся. Таким образом, хотя полученная система и является устойчивой, но качество процесса – неудовлетворительное, поэтому требуется либо обеспечить апериодический переходный процесс, либо уменьшить перерегулирование до рекомендуемых значений (σ<15%), за счет соответствующих настроек регулятора.Логарифмические частотные характеристики L1() и 1() исследуемой модели при исходных настройках регулятора показаны на рисунке 4.24.Рисунок 4.24 – Логарифмические частотные исследуемой модели при исходных настройках регулятораВ пределах ωс (не менее 0,6 дек в обе стороны) наклон ЛАХ должен составлять -20 дБ/дек. Уменьшив значение Kи = 0,5, вычислим новые значения пропорциональной и дифференциальной составляющей из уравнений:Kп = 0,225; Kд = 0,0394.Логарифмические характеристики соответствующие данным значениям параметров ПИД-регулятора показаны на рисунке 4.24 – кривые L2() и φ2() (PressureNew_2 на графиках Magnitude и Phase). Графики переходных процессов для рассмотренных сочетаний значений параметров ПИД-регулятора показаны на рисунке 4.25.Рисунок 4.25 – Переходные процессы для всех принятых настроек регулятораИтоговую оценку качества настроенной системы производим по графику переходного процесса и по логарифмическим характеристикам (кривые L3(ω) и φ3(ω) на рисунке 4.24):Время регулирования tпп находим по графику переходного процесса (рисунке 4.10 кривая PressureNew_3): tпп = 7,39 с.Запас устойчивости системы по фазе: .Запас устойчивости по амплитуде: дБ.Для переходных процессов САР параметр перерегулирования равен нулю. Система имеет избыточную устойчивость по амплитуде и фазе. Это означает полное использование возможностей системы. Поэтому мы считаем, что система отвечает всем требованиям стабильности и скорости.При моделировании учитывался влажностный режим. Моделирование начинается с влажности в пределах 0 %, затем заданная и фактическая влажность увеличивается до 40 %, затем совокупная и фактическая влажность увеличивается до 60 %.В данном разделе изучается система микроклимата в теплице, а именно система регулирования температуры. Система контроля влажности воздуха в помещении Система контроля влажности почвы и система контроля концентрации углекислого газаПолученные результаты и методы могут быть использованы для работы устройств управления в реальном времени или для анализа процессов в реальном времени.Результаты разделаВ этом разделе была разработана математическая модель микроклимата в теплице.Предложенная модель дает возможность дальнейшего развития и исследования систем управления микроклиматом в теплицах. Также были рассмотрены параметрические методы синтеза ПИД-регуляторов.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной квалификационной работе была спроектирована система на основе работы микроконтроллера, которая осуществляет регулирование влажности и контроль температуры в теплице. В ходе выполнения данной работы был произведен анализ принципов работы систем управления поддержанием технологических параметров теплиц, измерения параметров, полное управления каждой отдельной подсистемой.В работе выполнены следующие задачи:выполнен анализ факторов, оказывающих влияние на параметры освещенности и управления данным процессом различных типов, а также рассмотреть методы и средств их для организации их мониторинга;разработаны алгоритмы работы системы управления;выполнено проектирование технической системы контроля освещения.АСУ тепличного комбината позволяет в автоматическом режиме поддерживать заданные параметры микроклимата и в теплице. Повышение гибкости системы возможно с помощью применения в качестве задающего и контролирующего устройства центральной ЭВМ тепличного комплекса. Разработанная система позволяет:повысить урожайность и улучшить качества продукции по сравнению с традиционными методами;эффективно использовать энергоресурсы, существенно уменьшая себестоимость производимой продукции;максимально эффективно использовать возможности исполнительных систем, возможности культивирование различных видов культур растений;поддерживать заданные параметры микроклимата в течение всего года.Основной причиной создания АСУ теплицы является высокая экономическая эффективность, получаемая как за счет повышения урожайности, так и вследствие значительной экономии ресурсов.Методологическую и теоретическую основу исследования составляют практические разработки и концепции авторов по измерению параметров с использованием телекоммуникационных технологий. Разработанное устройство полностью удовлетворяет всем требованиям технического задания. Разработана математическая модель устройства и произведена разработка программного обеспечения. Также было осуществлено моделирования работы спроектированной системы.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВATMEL 164 – разрядный AVR – микроконтроллер ATmega 164[Электронный ресурс]. – datasheet.–atmel, june 2005. – Режим доступа: http://atmel.ru. (дата обращения 4.08.2020).Datasheet BDP949. https://www.farnell.com/datasheets/45938.pdf. Электронный ресурс. Дата обращения 12.04.2020 г.DatasheetMAX1645. https://datasheets.maximintegrated. com/en/ds/1111.pdf. Электронный ресурс. Дата обращения 5.03.2020 г.DatasheetMT–16S2H. [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://files.amperka.ru/datasheets/MT – 16S2H.pdf. (дата обращения 7.06.2020).Datasheet MT–16S2H. http://files.amperka.ru/datasheets/MT-16S2H.pdf. Электронный ресурс. Дата обращения 5.08.2020 г.MAX 13410E. RS – 1645 Transceiver. datasheet.– maxim, october 2007[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://atmel.ru. (дата обращения 4.06.2020).Беккер А. Системы вентиляции– М.: Техносфера Евроклимат. 2015. - Сс. 18-21.Белов А.В. Микроконтроллеры AVR: от азов программирования до создания практических устройств., 2-е изд., перераб. и доп. . — М.: Наука и техника, 2020. – 544 с.Белов А.В. Разработка устройств на микроконтроллерах AVR: шагаем от чайника до профи. СПб.: Наука и техника, 2016. – 528 с. Бершадский И. А. Микроконтроллеры и микропроцессорные устройства в электроэнергетике. Учебное пособие. — М.: Инфра-Инженерия, 2021. – 216 с.Бондарева О.Б. Устройство теплиц и парников. М.: АСТ; Донецк: Сталкер, 2017. — 92 с.: ил. Бондарь Е.С., Гордиенко А.С., Михайлов В .А.. Нимич Г.В. // Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха. ISBN 966-8571-15-0. - К.: ТОВ Видавничий будинок «Аванпост-Прим», 2005. - Сс. 521-527.Борисов А.М., Нестеров А.С., Логинова Н.А. Программируемые устройства автоматизации. Учебное пособие. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. — 186 с.Бохан С.Г., Каштальян И.А. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов Минск : БНТУ, 2013. - 23 с. В.А. Лашин конспект лекций по дисциплине «МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ». РГРТУ. Рязань 2018Васьковский, А.М. Программирование микроконтроллеров AVR (Atmel) [Текст]: учебное пособие/ А.М. Васьковский, О.И. Максимычев, А.Б. Маврин, Л.А. Литвинов. – М.: Московский автомобильно – дорожный институт, 2016. – 96 с.Гапеев В.В., Бекбай А.Т., Мусиралиев Т.К., Николаев В.Е. Техническое решение по автоматизации производства. Учебное пособие. — Нур-Султан: НАО «Холдинг «Кəсіпқор», 2019. — 167 с. — ISBN 978–601-333–703–6.Голубцов М.С., Кириченкова А.В. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному Изд. 4-е, испр. и доп. — М.: Солон-Пресс, 2014. — 314с. — (Библиотека инженера). — ISBN 5-98003-141-3.ГОСТ 32144 – 2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения[Текст]. Введ. 2014 – 07 – 01. – Москва: Изд-во стандартов, 2014. – 16 с. ГОСТ Р 8.673 – 2009 Государственная система обеспечения измерительные единства измерений. Извещатели интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 2010. – 9 с.Грановский, В.А., Сирая, Т.Н. Проблема адекватности моделей в измерениях [Текст]// Sensors & Systems №10. 2013. С. 52 – 61. Гудко, Н.И. Синтез цифровых устройств циклического действия [Текст]. – М.: Горячая линия – Телеком, 2014. – 96 с.: ил. – ISBN 978 – 5 – 9912 – 0427 – 9.Джексон, Р.Г. Новейшие извещатели. Справочник пер. с англ. / М.: Техно – сфера, 2015. – 380 с.Дятлова, Е.П. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами [Текст].: учебно – методическое пособие/ Е.П. Дятлова. – Санкт – Петербург: ВШТЭ СПбГУПТД, 2019. – 68 с.Ёлшин Ю.М. Инновационные методы проектирования печатных плат на базе САПР Р-CAD 200х М.: Солон-Пресс, 2016. — 464 с. — ISBN 978-5-91359-196-8.Жерлыкина М. Н., Яременко С. А.Системы обеспечения микроклимата зданий и сооружений. Учебное пособие. — М.:Инфра-Инженерия, 2019. — 164 с.Защитное заземление электроустановок: метод. указания к курсовому и дипломному проектированию [Текст] / НГТУ ; cост.: Т.М. Щеголькова, Е.И. Татаров [и др.] – Н. Новгород, 2011. – 19с. Карлащук, В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на базе Elektronics Workench и MATLAB. Издание 8 – е. – М.: САЛОН – Пресс, 2014. –800 с. Кокорин О.Я. Системы и оборудование для создания микроклимата помещений.Учебное пособие. — М.:Инфра-М, 2022. — 219 с.Сервантес Х. Учебник начинающего агронома. Джордж Ван Патенн – БХВ-Петербург, 2017. – 231 с.