автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация климатических режимов в книго- и архивохранилищах и алгоритмическое обеспечение процесса сушки поврежденных водой библиотечных материалов

РГ6 -8

ОД

ДЕК 1997

На правах рукописи

Зигаленко Элеонора Николаевна

АВТОМАТИЗАЦИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ

В КНИГО- И АРХИВОХРАНИЛИЩАХ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПОВРЕЖДЕННЫХ ВОДОЙ БИБЛИОТЕЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.13.07 — Автоматизация технологических

процессов н производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на сонскаиие ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург —1997

Работа выполнена в Северо-Западном заочном политехническом институт«

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор Дидук Г. А. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Нелепин Р. А., кандидат технических наук, профессор Терехов В. А.

Ведущая организация — Научно-исследовательский институт

вычислительной математики и процессов управления при С.-Петербургском . государственном университете

Защита состоится " " г. в

часов

на заседании диссертационного совета К063.36.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан - <££_» шШ . 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кутузов О. И.

] -

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальность данного исследования определяется важностью решения проблемы управления климатическим режимом в помещениях книго- и архивохранилищ в условиях постоянно меняющихся параметров наружного воздуха. В чрезвычайных ситуациях актуальность и важность проблемы усиливается необходимостью восстановления поврежденных водой библиотечных материалов на основе широкого использования современных методов теории автоматического управления и средств вычислительной техники. Актуальность задач, решаемых в работе, основывается на том, что предлагаемые методы и алгоритмы позволяют синтезировать систему управления климатическими параметрами, которые функционируют на основе адекватных математических моделей и позволяют учитывать влияние внешних факторов, воздействующих на климатические параметры помещении хранилищ.

Цель работы. Разработка концепции системы управления климатическим режимом, создание методов и алгоритмов, позволяющих в реальном времени управлять температурно-влажностным режимом помещений хранилищ, а также разработка способов управления сушкой, поврежденных водой и стабилизированных холодом, библиотечных и архивных материалов в чрезвычайных ситуациях.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

— исследование особенностей объекта управления (помещение хранилища документальных материалов, специфика, способы и режимы , сушки материалов на бумажной основе);

— исследование режимов хранения и возможности восстановления бумажных материалов после повреждения их водой;

— исследование возможностей автоматизации процессов массового восстановления поврежденных материалов;

— разработка методики аналитического описания предложенного метода сушки документальных материалов. Экспериментальная проверка предложенного метода и изучение возможностей автоматизации процесса сушки с использованием сорбцнонных бинтов;

— разработка методики автоматизации процессов с использованием полученных данных и предложенных методов сушки информационных материалов;

. —разработка математической модели температурно-влажностного состояния помещений книго- и архивохранилищ как объекта управления;

— разработка и реализация алгоритма параметрической идентификации модели, учитывающей теплофизические параметры и условия эксплуатации объекта управления (помещения хранилища) и его экспериментальная проверка по температурному режиму.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались элементы теории автоматического управления, методы идентификации, методы планирования эксперимента и регрессионного анализа, методы описания процессов тепловлажностных режимов с использованием теории тепломассообмена.

Основные научные результаты и новизна:

— установлено, что методы расчета климатических режимов помещений хранилищ, требующие определения ряда теплофизических и геометрических характеристик, не учитывают изменения, этих характеристик в процессе эксплуатации. Условия изменения микроклимата помещений в зависимости от условий внешней среды носят качественный характер и не могут использоваться в качестве динамической модели объекта управления. Решение задачи автоматизации управления и контроля климатических режимов невозможно без исполнения динамических моделей, позволяющих учитывать изменение температуры и влажности при изменении внешних условий;

— предложена методика определения параметров модели в реальном времени методами теории идентификации. В качестве меры близости параметров модели и их действительными значениями предлагается использование целевой квадратичной функции . невязки;

— предложен адаптивный алгоритм, позволяющий учитывать изменение температурно-влажностного режима в помещениях хранилищ. В качестве критерия точности адаптации предложена целевая функция в виде положительно-определенной функции невязки;

— разработан алгоритм для определения климатических параметров помещений хранилищ в виде системы обыкновенных стационарных дифференциальных уравнений. Алгоритм содержит настраиваемую модель помещения хранилища, уравнения настройки параметров и уравнения чувствительности динамической модели. Для определения коэффици-

ентов в уравнениях настройки модели предложен метод планирования эксперимента с использованием регрессионных моделей;

— предложен метод управления и реализован алгоритм восстановления поврежденных водой документальных материалов, позволяющий в случае необходимости совместить проведение конвективной сушки материалов с их дезинфекцией;

— исследована динамика процесса конвективной сушки библиотечных материалов, поврежденных водой при тушении пожара, н предложены способы управления процессом сушки;

— экспериментально подтверждено, что предложенный метод достаточно точно описывает процесс сушки, определяет время окончания процесса, что, в свою очередь, повышает качество и экономит энергоресурсы.

Практическая ценность. Предложенные в диссертации методы и полученные на их основе алгоритмы доведены до программной реализации и использовались при восстановлении поврежденных вод,ой документальных материалов после пожара в Библиотеке Российской АН.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

— новый подход к решению задачи управления климатическими режимами, основанный на методах современной теории автоматического управления;

— алгоритмическое и программное обеспечение автоматической системы управления климатическими параметрами;

— метод построения динамических моделей, описывающих изменение микроклимата и определения параметров этих моделей в реальном времени методами теории идентификации и возможность их использования в процессе управления;

— разработка методики обеспечения контроля процессов сушки.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы

и докладывались на семинарах и конференциях. Последний доклад был сделан в 1997 году на международной конференции «Информатика и управление» 1С1&С97 (СПб, 1997).

Публикации. Опубликовано 7 печатных работ, в т. ч. 6 статен, тезис к докладу на конференции; одна статья находится в печати.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего

74 наименования^ и 4 приложения. Основная часть работы изложена на 148 страницах машинописного текста. Работа содержит 12 рисунков и 1 таблицу.

И. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, а также характеоные особенности систем автоматического управления микроклиматом, которые функционируют в условиях постоянно изменяющихся параметров наружного воздуха, нестационарных источников и стоков тепла и влаги в обслуживаемых помещениях.

В первой главе формулируется цель исследования и задачи, которые решаются в работе, и отмечается научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Изложены результаты выполненных исследований режимов хранения и восстановления библиотечных материалов как объектов управления системы управления микроклиматом в помещениях хранилищ информационных материалов. Все процессы старения библиотечных материалов находятся в зависимости от условий хранения, долговечность документа может быть определена показателем долговечности 0, скорость изменения которого приближенно можно оцешпъ как:

где А и Ь —параметры, условно характеризующие состав исходного сырья и технологию производства бумаги;

Т и ^ —температура и относительная влажность в помещении хранилища;

Е и ьА. —освещенность и дайна волны спектра излучения;

— содержание вредных примесей в воздухе хранилища;

У —параметр, характеризующий содержание пыли в хранилище;

П/ —кратность обмена воздуха в хранилище;

0 — параметр, условно характеризующий степень поражения документов микроорганизмами;

И —прочие факторы (способы хранения документов и книг, частота пользования ими и др.).

Наибольшее влияние на показатель долговечности и на скорость его уменьшения оказывают температура и влажность. Так, при повышении температуры на каждые десять градусов, скорость химического старения возрастает в 2—4 раза. Относительная влажность более 65% подвергает бумагу риску образования плесневых грибов. Влажность менее 20% резко снижает механическую прочность и эластичность бумага.

Поддержание определенного температурно-влажностного режима необходимо также при проведении конвективной сушки поврежденных водой библиотечных материалов.

При разработке системы управления климатическими режимами помещений и процессом сушки необходимо учитывать совокупность множества факторов, включая особенности хранения материалов (степень герметичности помещений, изменение теплофнзических параметров, ограничений во времени, степень защиты материалов от воздействия неблагоприятных внешних факторов и др.).

Адаптивная оптимальная система управлешш предполагает выполнение трех взаимосвязанных процедур:

— оценка состояния управляемого объекта;

— определение динамических характеристик управляемого объекта в процессе его функционирования;

— формирование оптимальных управляющих сигналов с использованием информации,. получаемой с помощью первых двух процедур.

Под объектом управления для помещений хранилищ понимается динамическая модель изменения температурно-влажностного режима под воздействием внешних условий, а также теплофнзических характеристик и условий эксплуатации помещений хранилищ. При этом динамическую модель целесообразно представить в виде:

где д — вектор состояния объекта, компоненты которого представляют собой температуру и влажность в помещении;

—вектор параметров объекта, характеризую-ющнй теплофизические свойства помещений, в том числе степень герметичности и интенсивность воздухообмена; Ц/ —вектор управляющих воздействий, формируемый системой управления; § ^—случайная ошибка'характеризующая погрешность датчиков.

Во второй главе описаны существующие и разработаны математические модели температурно-влажностных режимов хранения и процесса с}шки информационных материалов и их применение для управления климатическими режимами.

Тепловой режим помещений хранилищ библиотечных и архивных фондов наряду с относительной влажностью воздуха является важнейшим фактором поддержания сохранности этих фондов, а также одним из определяющих параметров процесса конвективной сушки поврежденных водой документов. Изменение температуры наружного воздуха вызывает существенные колебания температуры воздуха в помещениях хранилищ, не оборудованных системами подготовки воздуха в неотапливаемый период. Система уравнений, описывающая изменение температуры в помещении, состоит из одномерных уравнений теплопроводности и из уравнений баланса тепла воздуха в помещении.

Существующие математические модели для расчета температурно-влажностных режимов помещений хранилищ библиотечных и архивных фондов требуют вычисления и назначения ряда теплофизических и геометрических характеристик ограждений, таких как: теплопроводность, степень черноты внутренних поверхностей, коэффициент солнечной ра- . диацйй материала наружной поверхности, коэффициенты облученности световых проемов солнечной радиации и т. д. Оценка изменения температурно-влажностного режима в помещениях хранилищ при изменении внешних условий на основе моделей в реальном времени представляется затруднительным.

Аналогичный вывод можно сделать и относительно динамической модели процесса конвективной сушки поврежденных водой информационных материалов. В соответствии с разработанным автором методом сушки, процесс сушки проводится с размещением поврежденных материалов в специальные сорбциопные бинты и перепад влажности на

границе «твердое—газообразное» приходится на оболочку, представляющую собой сорбционнын материал. Скорость испарения может быть определена уравнением:

¡ЙМ-Д&-5 Я

а V

где {Ц —вес влаги в высушиваемой пачке;

$ —коэффициент испарения, учитывающий аэродинамические условия испарения; —разность концентрации водяного пара у поверхности испарения и в объеме сушильной камеры; $ — площадь поверхности испарения.

Сложность вычислений практически исключает использование существующей динамической модели в системах управления процессом сушки поврежденных водой информационных материалов. В качестве динамической модели климатическчх режимов помещений хранилищ, как части общей системы управления микроклиматом, в работе разработана приближенная линеаризованная динамическая модель климатических режимов в пространстве состояний:

чд Чд ^

где =££3) ~~~ изменение влагосодержания воздуха в хранилище;

& *АТхр—изменение температуры воздуха в хранилище;

—изменение влагосодержашш наружного воздуха;

Ц^ :йТи — изменение температуры наружного воздуха;

И ~А » —изменение скорости ветрового напора;

^: А у — изменение относительной влажности воздуха в хранилище.

Коэффициенты системы уравнений (4) вычисляются на основании теплофизических характеристик ограждений и геометрических размеров помещения. Эти коэффициенты определяются приближенно и используются только как начальные значения, которые затем уточняются мето-

(4)

и

дами современной теории управления, а именно, методами теории идентификации.

В качестве основы для построения математической модели процесса конвективной сушки предлагается использовать кривую сушки, полученную экспериментальным путем. Эта кривая описывается затем эмпирической формулой, что позволяет решать следующие задачи по автоматизации процесса сушки:

— путем экстраполяции определить момент окончания сушки материала, что исключает пересушивание и экономит энергоресурсы;

— получить уравнение регрессии, связывающее параметры эмпирических формул с параметрами сушильного агента.

Совокупность эмпирических формул и уравнений регрессии можно рассматривать как динамическую модель процесса конвективной сушки.

В результате исследований сделан вывод о том, что задача разработки динамических моделей температурных режимов в помещениях хранилищ и процесса сушки поврежденных водой библиотечных материалов, как части общей системы управления климатическими режимами, практически не ставилась и не решалась, поскольку существующие системы управления основаны на принципе компенсации тепла и влагосодержания по сигналу от датчиков и используют традиционный принцип регулирования по отклонению регулируемой величины. В качестве динамической модели объекта управления дня синтеза принципиально новой системы управления климатическими режимами в помещениях хранилищ предполагается использовать систему (4) и эмпирические зависимости процесса конвективной сушки с использованием теории идентификации для вычисления коэффициентов системы (4) в процессе управления.

В третьей главе рассмотрена параметрическая идентификация математической модели температурно-влажиостного режима помещений хранилищ и разработан алгоритм идентификации параметров динамической модели.

Параметрическая идентификация для случая линейности объекта и модели может быть представлена

Х-А'Х + Ь'Чу

• М М И , м '

X =А-х +В-И-

где Ил

А=

«

X -

м м

К к о <£

я.

5

— переменные состояния модели;

-вектора настраиваемых параметров модели;

/V

оЬо

— вектор внешних воздействий.

В общем виде система уравнений (5) имеет вид:

/X ^ (X, ¿Ц ¿¿)

Схн, а", а)'

(6)

Алгоритм идентификации параметров модели (6) на основе функционала обобщенной работы (нулевое приближение) в общем виде имеет вид:

1. Уравнение настраиваемой модели объекта

и.)

2. Уравнение настройки параметров модели

3. Уравнение чувствительности модели

(7)

(8)

<; с7хм им

(9)

где

К

— заданная матрица коэффициентов;

— локальная целевая функция от разности фактических значений переменных, снимаемых с датчиков (температуры, относительной влажности, ветрового напора) и их значений, определяемых с помощью модели;

—матрица чувствительности (матрица Якоби).

Реализация алгоритма (7—9) сводится к численному интегрированию дифференциальных уравнений модели (7), дифференциальных уравнений чувствительности (9) и К/ квадратурам для определения компонента вектора параметров модели (8).

Для реализации алгоритма применительно к динамической модели помещений хранилищ в работе на основе алгоритма общего вида (7—9) разработаны конкретные уравнения, исходя из задания локальной целевой функции в виде положительно-определенной квадратичной функции невязки в виде:

(10)

Совокупность уравнений, составляющих алгоритм идентификации динамической модели (4), имеет следующий. вид:

1. Настраиваемая динамическая модель помещений хранилищ в векторной форме (5)

2. Уравнение настройки параметров модели в векторной форме:

А

Ж

0/и К

К

/ и

I и 0

V

V

[У е 6а/ц ь 1/Ц

II % й'1

а\ 1

X

к

к

сю

3. Уравнение чувствительности модели в векторной форме:

<л

£ £ %р £>е {ъе а, ч л- 6 о ь ь н л и н а V

Ь К

о

Где Ц Ц,— значения переменных, снимаемых с датчиков наруж-I/ 3

ной температуры, влажности и ветрового напора;

Х^Х^—значения переменных, снимаемых с датчиков тем-^ ^ пературы и влажности внутри помещешш;

Х1, Х^ — значения температуры и влажности, получаемых путем расчета на основании уравнения настройки модели;

—весовые коэффициенты целевой функции (Ю) Если представить систему уравнений (5), (II), (12) в скалярной форме, то их число // = 23. Для упрощения процедуры идентификации И уменьшения размерности алгоритма идентификации (5), (11), (12) этот алгоритм можно разбить на два независимых блока, поскольку переменная Х^ не входит во второе уравнение динамической подели (4). В этом случае алгоритм идентификации в скалярной форме принимает следующий вид:

1. Уравнение настройки модели

• Н м и м /// /н ,,

• М /V # л Ц

2. Уравнения настройки параметров модели: • М м

рн )

(13)

а-и = {>е

3. Уравнения чувствительности модели:

¿ад/ = • 6«,,, + • ^

= ¿Ц (15)

-Я///1 10 + и/ з

ба/«,.4 Ли"

Использование предложенной методики снижает размерность алгоритма с Л/= 23 доЛ/=16.

Векторы — столбцы коэффициентов & и £ , входящие в операционный алгоритм идентификации в значительной мере определяют эффективность использования данного алгоритма. Для определения коэффициентов & п ^ в работе разработана методика построения регрессионных моделей на основе эксперимента без воспроизводимости. Регрессионные модели строятся в соответствии с матрицей планирования. Нелинейные регрессионные модели для анализа и оптимизации процедуры настройки параметров модели имеют вид:

Ч-ьЛкЪ+Ъг + (16)

2«/ о д СЧ

И

где —интегральный показатель качества процесса на-

стройки параметров модели; Х.1 —значения коэффициентов Л> и А , которые рассматриваются как входные переменные;

■ / и. ь . — коэффициенты уравнения регрессии, вычисленные по °о) °1П °а

" известным формулам теории планирования эксперимента.

Как показано в работе, используются оценки параметров уравнения регрессии методами регрессионного анализа на базе экспериментов без воспроизводимости.

,, В четвертой главе предлагается разработанное в рамках данного исследования алгоритмическое и программное обеспечение идентификации параметров дшимических моделей климатических режимов и режимов восстановления информационных материалов, поврежденных водой, и экспериментальная проверка предложенных алгоритмов.

Решение задачи оптимального управления температурным режимом помещений хранилищ возможно только на основе динамических моделей, позволяющих рассчитывать в реальном'времени изменение температуры воздуха Х- в хранилище при изменешш температуры наружного воздуха Ц. В этом случае алгоритм идентификации параметров модели принимает вид:

1. Уразнение настраиваемой модели

х-ах^а- , (17)

2. Уравнение настройки модели

«

3. Уравнение чувствительности модели

¿оГ^&ь + &

+ (19)

где Ь^ —коэффициенты, определяемые, исхода из особенностей ' настраиваемой модели;

<£а ££ —функции чувствительности параметров;

$ — значения температуры внутри помещения, получаемые с датчика температуры.

Для настройки параметров^и ^необходимо выполнить решение системы уравнений (17—19) в едином времени при соответствующих начальных условиях. Решение системы уравнений выполнено на ЭВМ по разработанной программе, которая приведена в работе (приложение 1). В качестве объекта экспериментального исследования выбрано цокольное помещение, используемое в качестве сушильной камеры. Такое помещение должно обладать повышенной степенью герметичности, поскольку от этого параметра существенно зависит расход тепла на сушку поврежденных водой информационных материалов. Моделирование выполнено на основе экспериментальных данных, полученных с датчиков температуры наружного и внутреннего воздуха с дискретностью Д^=15 мин. Результаты экспериментального исследования подтверждают основные теоретические выводы и представления в работе в виде графиков постройки параметров модели й/\\ ¿>, а также дано сравнение результатов моделирования и экспериментальные кривых. Расхождение между расчетными и экспериментальными значениями составили 5%—10%.

Под процессом восстановления поврежденных водой библиотечных материалов подразумевается как сушка материалов, так и в случае необходимости их дезинфекция. Система управления процессом восстановления библиотечных материалов должна решать следующие задачи:

— оптимизировать параметры сушильного агента в процессе сушки;

— определять режим восстановления материалов;

— оптимизировать размещение материалов по объему, сушильной камеры; с учетом конструктивных особенностей камеры и т. д.

В работе предложена общая функциональная схема системы управления процессом сушки и дезинфекции. Эта схема частично реализована при выполнении восстановления поврежденных библиотечных материалов после пожара в Библиотеке Российской АН общим объемом более 300 тысяч экземпляров. Использование методов параметрической идентификации как в рамках адаптивных оптимальных САУ, так и при выполнении мониторинга в помещениях книго- и архивохранилищ может быть выполнена только на основе средств вычислительной техники, например, персональных ЭВМ, широко распространенных в библиотеки и архивах. Для ввода с датчиком разработано специализированное устройство ВВОДА аналоговых сигналов для ПЭВМ ГОМ РС/АТ на

отечественной элементной базе. Для считывания и обработки сигналов с преобразователей датчиков, с помощью этого устройства сопряжения, разработанная специальная программа приведена в работе.

Основные результаты работы

1. Разработана динамическая модель климатических режимов в помещениях хранилищ, записанная в уравнениях переменных состояний и представленная как один из блоков общего алгоритма управления микроклиматом.

2. Разработан алгоритм параметрической идентификации динамической модели, содержащий настраиваемую динамическую модель климатических режимов помещений хранилищ, уравнения настройки параметров динамической модели и уравнения чувствительности модели.

3. Реализованы процесс идентификации температурного режима помещений хранилищ и соответствующее программное обеспечение.

4. Разработана аппаратурная и программная реализация системы мониторинга микроклимата в помещениях хранилищ на базе ПЭВМ типа IBM PC/AT.

5. Разработаны критерии оценки теплофизических параметров ограждений помещений хранилищ и их изменения в процессе эксплуатации (степень герметичности) на основе параметров динамической модели.

6. Разработан \.етод управления и реализован алгоритм восстановления поврежденных водой библиотечных материалов, позволяющий совместить проведение конвективной сушки материалов с их дезинфекцией.

7. Исследована динамика процесса конвективной сушки. Экспериментально подтверждено, что предложенный метод экстраполяции эмпирических формул, описывающих процесс сушки, достаточно точно определяет время окончания процесса, что, в свою очередь, повышает качество сушки и экономит энёргоресурсы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Баскаков Л. В., Дндук Г. А., Зигаленко Э. Н., Калинин А. И. Анализ результатов экспериментальных исследований по сушке по-

врежденного газетного фонда Библиотеки Российской АН и выработке рекомендаций по повышению пропускной способности сушильной камеры. — СПб : НИЦЭБ РАН, 1995. —12 с.

2. Громов О. А., Калинин А. П., Зигаленко Э. Н., Донченко В. К. Массовая сушка и дезинфекция книжных фондов при пожаре Б АН // Тезисы докладов международного семинара IFLA/ICA по исследованию в консервации и хранении. Нью-Йорк, 1991. с. 17—20.

3. Громов О. А., Зигаленко Э. Н., Донченко В. К. Массовая сушка и дезинфекция библиотечного фонда// Сборник докладов юбилейной научной конференции «275 лет БАН» — JL, Наука, 1991.— с. 37—41.

4. Зигаленко Э. Н. Алгоритм построения математической модели теплового режима помещений хранилищ библиотечных и архивных материалов// Известия ТЭТУ: Сборник научных трудов, СПб, 1994. Вып. 465,— с. 70—74.

5. Зигаленко Э. Н. Оптимизация режимов сушки библиотечных материалов, поврежденных водой. Известия ГЭТУ. Сборник научных трудов. СПб. 1995. Вып. 486.-е. 86—89.

6. Баскаков JI. В., Дидук Г. А., Зигаленко Э. Н. Оптимизация режимов хранения библиотечных и архивных материалов // Известия ГЭТУ: Сборник научн. трудов. СПб, 1996. Вып. 490. — с. 36—40.

7. Identification algorithm of temperature-humidity modes mathematical model parameters of archival and bookdepository rooms. /Baskakov L. V., Diduk G. A., Zigalenko E. N., Zigalenko B. N. // INTERNATIONAL. CONFERENCE ON INFORMATICS ANDCONTROL (ICI&C' 97).— RUSSIA. —1997. —P. 1056—1059.