автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация управления температурным режимом в специализированных производственных помещениях с использованием микропроцессорной системы

На правах рукописи

п

Кашкин Евгений Владимирович

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ В СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ

СИСТЕМЫ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014

005546850

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики (МГУПИ)» на кафедре «Автоматизированные системы управления и информационные технологии»

Научный руководитель Морозова Татьяна Юрьевна,

доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» МГУПИ,

г.Москва

Официальные оппоненты Рощин Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор, декан факультета «Интеллектуальные технические системы» Национального исследовательского университета МИЭТ, г.Москва

Боголюбов Дмитрий Петрович,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Кибернетика» МИЭМ ВШЭ,

г.Москва

Ведущая организация: Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт» (МЭИ)», г. Москва.

Защита состоится 24.04.2014г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении .высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42. Телефон для справок: (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан 24.02.2014г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте:

uclisovet@rnadi.ni

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.126.05, кандидат технических наук, доцент

Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Энергоэффективность и энергосбережение являются одним из восьми приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденных Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. №899.

Согласно прогнозам спрос на энергоресурсы на среднесрочную и долгосрочную перспективу в РФ достигнет к 2020г. - 135%, а к 2030г. -160% к текущему уровню. В условиях нарастающего дефицита топливно-энергетических ресурсов все более актуальными становятся проблемы их эффективного использования и создания условий для перевода экономики России на энергосберегающий путь развития.

В России уровень оснащения систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, инженерных систем зданий и сооружений новыми отечественными средствами технологического и коммерческого учета, локальной и комплексной автоматизации является крайне недостаточным.

В связи с этим актуальным является разработка и внедрение новых отечественных энергосберегающих приборов, оборудования и систем, электронной компонентной базы, обеспечивающих существенный экономический эффект в области энерго- и ресурсосбережения.

В настоящее время важным вопросом является создание интеллектуальной энергосберегающей системы управления температурным режимом, которая предназначена для обеспечения климат контроля специализированных производственных помещений и производственных цехов. Она должна иметь возможность работать в автономном режиме, не зависящем от возможностей централизованного отопления, тем самым обеспечивая автономность работы и возможность развёртывания производственных площадей в любом удобном месте.

Вопросами создания методов управления температурным режимом занимались западные ученые Кевин Эштон, Адам Данкелс, Стефано Марцано, Дональд Норман, Роланд Пипер, Josef Preishuber-Pfltigl, Джон Сили Браун, Брюс Стерлинг, Марк Вейсер, а также отечественные ученые В.Архипов, А.Волков, В.Логвиненко, Е.Кириллов, В. Савин, О.Веселов, А.Осин, Д.Паршин, В.Гринченков и другие. Существенный вклад в теорию интеллектуального управления динамическими системами внесли: Аверкин А.Н., Вагин В.Н., Емельянов В.В., Еремеев А.Г., Мелихов А.Н., Поспелов Д.А., Осипов Г.С. и другие.

Ведущими предприятиями и научными организациями, работающими в этой области являются АМХ, BECKHOFF, Clipsal, Crestron, Panasonic, Philips, Siemens.

Таким образом, тема диссертационной работы является своевременной и актуальной.

Объект исследования

Объектом исследования является программно-аппаратная (микропроцессорная) система управления температурным режимом специализированных производственных помещений.

Предмет исследования

Предметом исследования является математическое и программное обеспечение для решения задачи интеллектуальной обработки информации с датчиков температуры для поддержания температурного режима специализированных производственных помещений.

Цель и задачи

Целью диссертационной работы является разработка средств для поддержания заданных температурных параметров в производственных помещениях за счет разработки математического и программного обеспечения микропроцессорной системы, обеспечивающей решение комплекса задач обработки информации.

Указанная цель достигается решением следующих задач:

1. Проведен анализ современных аппаратных и программных средств и созданных на их основе интеллектуальных энергосберегающих систем в рамках современных разработок автономного теплообеспечения помещений.

2. Разработана математическая модель, алгоритмы и программы, реализующие концепцию автономного поддержания температурного режима в специализированных производственных помещениях, в основе которой лежит метод искусственного интеллекта, основанный на использовании базы нечётких знаний, подсистемы логического вывода, адаптации и самообучения. Предлагаемый подход позволяет управлять назначенными параметрами температурного режима в условиях неопределённости и быстроменяющейся внешней обстановки (сквозняк, открытие и закрытие дверей, изменение температуры вне помещения).

3.Проведено математическое моделирование тепловых процессов в типовом помещении здания. Результаты проведенных оптимизационных расчетов, гарантирующих повышенную эффективность разрабатываемых программных и аппаратных средств.

4. Разработано программное обеспечение для управления температурным режимом производственных помещений и осуществлена его экспериментальная проверка на базе предлагаемых в данной работе математических и информационных моделей процессов управления температурным режимом.

Научная новизна

1.Разработанная система позволяет использовать текущую информацию о ситуации (температура, фоновую обстановку в помещении, выполняемые действия над системой, текущие процессы в системе к которой применяется интерфейс, состояние управляющей системы и т.д.) и обеспечивает необходимое быстродействие в режиме реального времени.

2. Впервые в основе построения программной системы для

управления автоматическим регулятором температурного режима используется метод искусственного интеллекта, основанный на использовании базы нечётких знаний, подсистемы логического вывода, адаптации и самообучения. Его применение позволяет управлять назначенными параметрами температурного режима в условиях неопределённости и быстроменяющейся внешней обстановки, что не позволяет делать стандартная аналитическая математическая модель.

3. Разработанная математическая модель на основе анализа текущей и прошедшей ситуаций система способна коррелировать управленческие сигналы от человека с проанализированной ситуацией, что позволило сократить потребление энергии на 42%.

Достоверность

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием математического аппарата аналитической, машинной графики, методов искусственного интеллекта, теории управления, теории алгоритмов и структур данных, методов математического программирования, имитационным моделированием на ЭВМ в среде МАТЬАВ и экспериментальными исследованиями на испытательном стенде.

Теоретическая и практическая ценность работы

Полученные в диссертационной работе научные результаты позволяют решать актуальные задачи построения алгоритмов управления температурным режимом для решения комплекса задач интеллектуальной обработки информации с использованием ЭВМ. Разработанные алгоритмы управления температурным режимом могут практически использоваться при решении задач обеспечения оптимального климата в производственных помещениях. Практическую ценность представляет программная среда разработчика и разработанный стенд, позволяющая проводить отладку алгоритмов до их практического применения.

Работа выполнена в рамках Госбюджетной НИР №10671р/19543 от 02.07.2012.

Методы исследования

Поставленные задачи решались с использованием аппарата математической логики, методов системного анализа, методов искусственного интеллекта, теории управления, теории алгоритмов и структур данных, методов математического программирования, а также результатами имитационного моделирования на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель управления системой задвижек тепловых контуров для обеспечения энергосберегающего эффекта внутренней среды производственных помещений.

2. Схема управления температурным режимом, предназначенная для поддержания теплового режима внутренней среды производственного помещения.

3. Оригинальный способ представления правил в базе знаний и методы их корректировки в процессе логического вывода.

Апробация результатов исследования

Наиболее важные результаты докладывались на международной конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (Украина, г. Одесса, 2013 г.), научно-технической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Москва, 2010-2013г.).

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на кафедре «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики».

Результаты, полученные в процессе работы над диссертацией, включены в учебный процесс кафедры «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики» и внедрены в виде опытного образца в эксплуатацию ЗАО «Теплоогнезащита» на пилотном объекте, расположенным по адресу: г. Сергиев Посад, пр. Красной Армии, д.80.

Публикации

Основные результаты диссертации отражены в десяти печатных работах, в том числе, в трудах семи научных конференций и трех статьях в изданиях, включенных в перечень рецензируемых научных журналов. Также получены два свидетельства о регистрации программного продукта.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Общий объем основного текста диссертации составляет 139 страниц, список литературы состоит из 115 наименований. В работе содержится 27 рисунков и 23 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определена научная новизна, перечислены практические результаты, приведены данные об апробации результатов, структуре и объеме диссертации.

В первой главе выполнен анализ отечественных и зарубежных систем управления температурным режимом.

Приведены результаты проведенных исследований современных аппаратных и программных средств и созданных на их основе интеллектуальных энергосберегающих систем обеспечения температурного режима внутренней среды производственных помещений.

Выявлены недостатки существующих аппаратных и программных средств и созданных на их основе интеллектуальных энергосберегающих

систем обеспечения температурного режима внутренней среды производственных помещений:

- невозможность увеличения количества подключенных устройств из-за снижения скорости работы системы в целом;

- высокая стоимость датчиков и систем;

- не существует систем с единым интеллектуальным ядром. Отмечены преимущества разрабатываемой системы:

- применение не имеющей аналогов интеллектуальной системы распознавания обстановки и принятия решений в режиме on-line;

- индивидуальная адаптация с помощью применения системы самообучения;

- кроссплатформенное программное решение, основанное на облачных технологиях;

- удобный интерфейс;

- программная система не требует специального оборудования;

- простота инсталляции и использования (не требует специальных знаний);

- комплексность (все функции интегрированы в единый модуль);

- значительно более низкая цена, чем цена систем аналогичного класса;

- использование в аппаратной реализации отечественной элементной базы.

Показано, что из существующих способов управления температурным режимом наиболее перспективным является метод интеллектуального изменения подачи тепловой энергии. Повышение надежности и эффективности систем управления температурным режимом связано, в частности, с применением систем искусственного интеллекта в части анализа текущей ситуации состояния помещения посредствам датчиков. Немаловажной составляющей является применение экспертных значений на начальном этапе работы системы с целью выявления закономерностей между внешними факторами и состоянием системы в целом. Следует отметить, что состояние температурного режима в помещениях производственного назначения является следствием многофакторного анализа различного рода показателей, напрямую или косвенно влияющих на конечные результаты.

Интеллектуализация управления заключается в сопоставлении показателей текущего состояния и правил, находящихся в базе знаний, расположенной на облачном сервисе.

Вторая глава посвящена разработке математической модели для энергосберегающей системы управления температурным режимом в помещении.

Математическая модель предназначена для управления системой задвижек тепловых контуров посредствам выдачи управляющей команды.

Методы, использующиеся при построении данной математической модели, являются универсальными и могут применяться в решении схожих

задач в области автоматического управления системами различного назначения.

Математическая модель системы принятия решения основывается на информации о текущей ситуации и призвана обеспечить энергосберегающий эффект при её использовании в системах управления температурным режимом производственных помещений.

В основе построения математической модели лежит метод искусственного интеллекта, основанный на использовании базы нечётких знаний, подсистемы логического вывода, адаптации и самообучения. Применение данной методики, позволяет управлять назначенными параметрами температурного режима в условиях неопределённости и быстроменяющейся внешней обстановки, что крайне важно при использовании ее в моделях управления температурным режимом производственных и иных помещений, критичных к изменению температуры. Адаптация математической модели основана на подстройке коэффициентов атомов правил и фактов. Коэффициенты меняются в зависимости от внешних условий посредством модифицированного метода группового учета аргументов.

В диссертационной работе при использовании нечетких правил описание функционирования системы происходит средствами правил modusponens и modustollens, вид которых определяется на основе композиции:

В' = А'(А -> В) ,

где А, А' £ F(X); В, В' 6 F(Y)— нечеткие числа, т.е. подмножества универсальных множеств X £ R и Y £ R соответственно.

Следует отметить, что вместо (sup-min) композиции рассматривалась (sup-7) композиция, где Т представляет собой треугольную норму, Цв' и цА' - функции принадлежности. В этом случае

Vy £ YQiB. (у) = sup Т О^.М, На "» В*'у})

при этом Г не зависит от оператора импликации.

Данная формула определяет алгоритм нечеткого вывода при определении температурного режима. Поскольку операция композиции и импликации могут быть определены не однозначно и должны быть определенным образом специфицированы, то выбор конкретных представлений определяет алгоритм, который реализует нечеткий логический вывод. В нечетких продукционных системах база знаний температурных режимов содержит совокупность правил: R^: если х есть Аг, то у есть В^ R2-если х есть А2, то у есть В2

Rn: если х есть Ап, то у есть Вп х есть А' у есть В'

Каждому правилу Ä, соответствует импликация At -> ß;.

Используется агрегирование для объединения элементов в одну систему.

Вначале осуществляется агрегирование всех правил с помощью подходящего оператора агрегирования Agg, в результате чего получается некоторое обобщенное правило R = Agg(R1,R2, -,Rn). а затем применяется оператор композиции В' = A', R = А' = Agg(R1,R2, — ,Rn)-

Вначале формируется заключение для каждого правила вывода Vi = 1,... ,N {В[ = A' Ri) , а затем к полученным компонентам В[ применяется оператор агрегирования, т.е. В' = Адд(Вг, В2, —, Вп).

После получения нечетких множеств к каждому из них применяется процедура дефазификации, после чего осуществляется агрегирование.

Фазификация преобразует четкие значения входных переменных (температуры) в нечеткие множества, которые, наряду с базой правил, используются системой нечеткого логического вывода.

Это действие описывается следующим образом: А' = fazzy(_x0), где х0 значение входной переменной X, fuzzy - оператор фазификации, А'- нечеткое подмножество области определения входной переменной X. В диссертации используется следующая возможность, чтобы определить оператор fuzzy.

каждому х0 ставится в соответствие функция принадлежности вида:

Г1, если х = х0 Им(.х)~ [о, если х & ха

Таким образом, дефазификация устанавливает связь между нечетким множеством и числовым значением температуры, которое принадлежит области определения функции принадлежности нечеткого множества.

Третья глава посвящена разработке алгоритмической модели для энергосберегающей системы управления температурным режимом внутренней среды производственного помещения.

Программа реализует управление данными, поступающих от внешних датчиков, для принятия решения по изменению подачи тепловой энергии в отопительную систему помещений специального назначения. При этом используется специальный алгоритм получения команды управления («Слабо приоткрыть», «Открыть», «Закрыть» и т.д.). Потоки данных определяются процессом ввода и записи в базу данных информации.

Алгоритм работы программной системы микроконтроллера можно представить в следующем виде (рис.1).

В рамках выполнения данного алгоритма на начальном этапе происходит инициализация системы сбора информации и организуется ввод информации о текущем состоянии окружающей среды с датчиков, расположенных как вне помещения производственного назначения, так и в нем. Полученная информация передается в базу знаний, содержащую правила работы системы. На базе правил работы системы происходит фазификация правил, т.е. приведение полученных данных к формальному

виду. Далее при помощи блока нечеткого вывода происходит подача команды управления на подсистему управления заслонками регуляторов подачи тепла, который в свою очередь изменяет уровень подачи тепла в систему отопления помещения производственного назначения.

После выполнения данных операций происходит сравнение текущего состояния окружающей среды и состояния на момент замера показателей. В случае, если показатели текущего состояния меньше показателей на начало работы алгоритма, то завершается такт управления, в противном случае система переходит на состояние получения информации от датчиков и алгоритм выполняется снова.

Важным элементом корректной работы данного алгоритма является база знаний, содержащая правила, необходимые для корректной интерпретации полученных значений от датчиков. В процессе работы системы происходит ее самообучение, т.е. внесение в базу знаний новых правил и фактов, основанных на получаемых данных от датчиков.

Рис.1. Схема алгоритма работы микроконтроллера

База знаний системы управления находится на облачном сервисе, вследствие чего возникает необходимость подключиться к нему перед началом работы. При успешном соединении с облачным сервисом происходит отправка данных на базу знаний. Полученные данные на стороне сервиса проходят процедуру верификации, после чего происходит агрегирование правил базы знаний. В случае выполнения вышеуказанных команд происходит процесс вывода знаний нечетким нейросетевым классификатором. Далее следует процесс изменения коэффициентов в базе знаний, так называемый процесс адаптации системы. По окончании процесса адаптации происходит дописывание новых правил, полученных на предыдущих этапах в систему, и как следствие всего вышесказанного происходит обновление базы знаний на микроконтроллере (рис.2).

п

Рис.2. Схема алгоритма самообучения

Подобный алгоритм работы позволяет унифицировать процесс принятия решения и самообучения систем, расположенных удаленно друг от друга и организовать возможность использовать ее не только в рамках одного единственного помещения производственного назначения, но и в производственной системе с удаленными друг от друга помещениями.

/fWebSetvice

' у

...............' .....

MSSQl Database

Controller

Рис.3. Структура системы управления температурным режимом с применением облачных сервисов.

На базе разработанных алгоритмов была сформирована структура системы разрабатываемого устройства.

Основные функции реализуют следующие программные процедуры и функции:

Get_customers_using_Soapl2ServiceClient() - Получение параметров по протоколу SOAP

Get_customers_using_XmlServiceClient() - Получение параметров через XML

Get customers using JsonServiceClientO - Получение параметров JSON

Также для корректной работы системы была разработана интеллектуальная схема управления температурным режимом (ИСУТР)

Рис.4. Структура интеллектуальной системы управления температурным режимом.

Дт - Датчик температуры; ИУ - Исполняющее устройство; ПК - ПЭВМ. Так же в состав ИСУТР входит устройство включения батареи от резервного питания, предназначенное для включения заслонки отопительного контура в случае отключения основного источника питания. Основная задача ИСУТР - поддержание теплового режима, который определяется технологическим процессом, реализуемым в производственном помещении, а так же задается пользователем, независимо от показателей температуры наружного воздуха, температуры внутри производственного цеха, выделяемой тепловой энергии производственными объектами и персоналом, находящимся в данный момент внутри данного помещения.

Принцип действия ИСУТР основан на преобразовании датчиками температуры тепловой энергии в электрические сигналы с последующей обработкой сигналов главным устройством, выводом информации на светодиодный цифровой индикатор и выработке управляющих сигналов.

Главное устройство ИСУТР отправляет пакет сигналов на ДТ1, принимает ответные сигналы, добавляет в них хранящиеся в памяти данные и отправляет пакет на следующий ДТ.

После прохождения всех ДТ, главное устройство получает пакет сигналов, в котором хранится информация со всех ДТ.

Главное устройство осуществляет сравнительный анализ температуры каждого ДТ, сверяет её с хранящейся температурной моделью производственного помещения, и осуществляет при необходимости включение/выключение исполнительных органов в той или иной части помещения. После того, как главное устройство обобщило и проанализировало температуру, оно формирует пакет информации, в котором хранятся все команды для каждого исполняющего устройства, данный пакет отправляется на ИУ1, и проходит по всем задействуемым ИУ.

ИСУТР функционируют в круглосуточном режиме и получают информацию от датчиков температуры по каналам связи в соответствии с протоколом 1ЕС/Е1АЯ8-485.

Датчики температуры выполняют функции сигнализаторов параметров окружающей среды.

Количество подключаемых датчиков температуры - до 30 шт.

Питание ИСУТР осуществляется от внешней однофазной сети переменного тока, напряжением 220 В. Подключение к электросети осуществляется непосредственно каждого устройства, входящего в ИСУТР, через адаптер. Электрическое питание датчиков температуры должно обеспечиваться в соответствии с их типом. При этом потребляемая мощность определяется как суммарная от количества задействуемых функциональных элементов ИСУТР (главного устройства, ДТ и ИУ).

На основе данных, полученных при анализе состояния окружающей среды, были сформулированы основные правила, позволяющие формализовать процессы сопоставления внешних факторов и положения задвижек тепловых датчиков производственных помещений.

Основные факторы, влияющие на температурный режим производственного помещения:

1. Наружная температура;

2. Наружная температура на солнце;

3. Температура внутри помещения;

4. Количество людей в помещении;

5. Суммарная мощность оборудования, работающего в помещении. Полученные выводы сформулированы в виде графиков (рис. 5-7).

Температура наружная {Критически низкая, Очень низкая, Низкая,

Умеренная, Высокая, Очень высокая, Критически высокая}

Абсолютная величина: °С (градусы Цельсия)

1 -0,80,60,4 ■ 0,2-

У= 0,025х

Критически низкая [-<»,5] Очень низкая [6,11 ] Низкая [12,17] Умеренная [18,24] Высокая [25,30] Очень высокая [31,36] Критически высокая [37,+оо]

о

Рис.5. График зависимости наружной температуры.

Количество людей в помещении {Малое, Среднее, Большое } Абсолютная величина: чел./м2

7= 2,5х

Малое [-оо,0.09] Среднее [0.1,0.3] Большое [0.31,+со]

О ОД 0,2 0,3 чел\м КБ

Рис.6. График зависимости количества людей в помещении.

Суммарная мощность оборудования {Низкая, Средняя, Высокая} Абсолютная величина: Вт/м2

7=0,005х Малое [-со,49] Среднее [50,150] Большое [151,+а>]

Вт\м к в

Рис.7. График зависимости мощности оборудования в помещении.

Правила обработки полученных данных содержатся в базе знаний, представляющей из себя файл в шестнадцатиричном формате, и определяют поведение системы в зависимости от внешних показателей.

Разработанная база знаний, имеет следующий вид..............................................................

.............................................БоЖ 02 03 04 05 06 07 08 ОЭ ОА 03 ОС ОО ОЕ ОГ

Г00.....19.....19.....19......1Э.....19.....19 19.....19.....19.....19......13 19 19 19 19

19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 00 рр рр рр е-р рр рр рр оз ва зс па зс те 01 оз ва зс ва зс оо оо оз ва зс ва зс е-е 02 оз вв зс ва

ЗС ГЙ 03 03 08 ЗС Б8 зс РС 04 03 Б8 ЗС В8 ЗС 01

05 04 00 ЗС 00 ЗС 01 05 00 00 00 00 00 00 00 00

00060 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

00070 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

00000 00010 00020 00030 00040

-т

Рис.8. Структура базы знаний системы управления температурным режимом.

База знаний представляет собой массив заданных температур и набор правил.

Адреса 1-30 (рис. 8) заполняются заданными температурами (т.е теми температурами, которые нужно поддерживать), для адресов 1 и 2 значения вводятся формально, т.к. 1 и 2 -уличные датчики, значения которых влияют на температурный режим вне помещения, а следовательно - не критичны.

Адреса 1-30 заполнены значениями 0x19, что в десятичной системе равно 25 градусам и представляет собой заданную температуру для всех помещений.

Далее с адреса 32 по 38 ячейки заполняются значениями OxFF - это контрольные значения, они нужны для работы программы в ПЛИС. С адреса 39 и далее начинаются правила. Формат правила. Правило состоит из 7 байт.

D(0) - номер датчика, для которого действует правило

D(l)- темп на солнце 1

D(2)- темп на солнце 2

D(3) - темп в тени 1

D(4) - темп в тени 2

D(5) - отклонение от заданной температуры D(6) - режим

В ПЛИС записано следующее правило:

if mas_temp_real(l)>D(l) and mas_temp_real(l)<D(2) and mas_temp_real(2)>D(3) and mas_temp_real(2)<D (4) and (mas_temp_real(D(0))-mas_temp_zad(D(0)))=D(5) then

kom_iu(D(0))<=D(6);

end if;

где

mas_temp_real(l) - это реально измеренная температура на солнце, mas_temp_real(2) - это реально измеренная температура в тени. Пример обработки данных базы знаний. Начина с адреса 39 правило имеет следующий вид: 03 D8 ЗС D8 ЗС FF 01 03 - номер датчика

D8 - температура на солнце ((отр. темп в доп. коде) -40 в дес. системе) ЗС - температура на солнце (60 в дес. системе) D8 - температура в тени ((отр. темп в доп. коде) -40 в дес. системе) ЗС - температура в тени (60 в дес. системе)

РТ - отклонение от заданной температуры, число в данном случае отрицательное и находится в доп. коде. Если перевести в прямой код, то в дес. системе получится (-1).

01 - номер режима, который следует включить при совпадении ситуации. В итоге, данное правило можно интерпретируется следующим образом:

ЕСЛИ измеренная температура на солнце больше -40 И измеренная температура на солнце меньше 60 И измеренная температура в тени больше -40 И измеренная температура в тени меньше 60 И реальная температура с 3 датчика на 1 градус меньше заданной, ТО на 3 ИУ отправляем команду 1.

Таким образом, данный формат правил позволяет моделировать любые ситуации.

Четвертая глава посвящена реализации программной системы. Разработана структура программной системы для управления температурным режимом производственного цеха по изготовлению хлебобулочной продукции.

Программная система реализует структуру, необходимую для эффективного управления в двух вариантах.

1. С локальным сервером.

Подходит для работы в автономных условиях (без подключения к интернету).

2. С применением облачных сервисов.

Подходит для сети хлебопекарных производств с развивающейся инфраструктуры (с использованием интернета). Структура программной системы представлена на рисунке 9.

Рис.9. Структура программной системы управления температурным режимом.

Структура программной системы.

Основными узлами программной системы являются:

Блок обслуживания запроса :

Список задач

Параметры ^

редаютр

Выход 8 Интернет

Г

гт1

Поильные пйрешимы* задачи .

Последняя задача очерет»

ВХ0ДИЬ!€ сигналы

Выгодные сигналы

Глобальные перемени!;?«

Дсшг&временные переменные

База знаний - редактирование знаний, адаптации и самообучения.

Блок обслуживания запросов - подсистема управления информационными

потоками.

Список задач - система, обеспечивающая работу в режиме реального времени.

При работе системы в варианте с применением облачных сервисов можно изобразить общую структуру как работу клиент-серверной архитектуры.

Клиентская часть представлена как система управления контроллером. Клиентская часть устанавливается на блок центрального контроллера, который имеет выход в интернет.

Серверная часть представлена как web-сервис, для подключения к серверной части используется выход в интернет.

При реализации программной системы используются передовые программные средства, способные обеспечить заданное быстродействие.

Для программной реализации проекта была выбрана платформа Microsoft .NET Framework 4.0, данная платформа наиболее полно использует возможности операционных систем и позволяет создавать программные продукты, находящиеся на самом современном технологическом уровне.

Разработку ядра предполагается вести в среде Microsoft Visual Studio 2010. На сегодняшний день Microsoft Visual Studio 2010 является самым мощным средством создания качественных программ с системами визуализации. В современных коммерческих проектах не последнюю роль играет дизайн программы, особенно когда речь идёт об интерфейсе. Выбранная платформа и среда разработки, позволяют нам применить технологию Windows Présentation Foundation (WPF), с помощью которой возможно создание программ наивысшего качества и удобства.

Разработка для остальных платформ будет вестись с помощью соответствующих языков программирования и SDK.

Для хранения различного рода данных будет использована система управления базами данных Microsoft SQL Server 2008 R2. Это позволило добиться наибольшей производительности получения и хранения данных в сочетании с платформой Microsoft .NET Framework 4.0.

Моделирование нейронных сетей, систем логического вывода и математических алгоритмов управления температурным режимом проводилось на программных пакетах MatLab.

Проверка результатов работы осуществляется с помощью сопоставления результатов расчета существующей модели с учетом новых параметров.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в рамках диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ современных аппаратных и программных средств

и созданных на их основе интеллектуальных энергосберегающих систем управления температурным режимом внутренней среды производственных помещений, показавший, что существующие системы имеют следующие недостатки:

- невозможность увеличения количества подключенных устройств из-за снижения скорости работы системы в целом;

- высокая стоимость датчиков и систем;

- не существует систем с единым интеллектуальным ядром. Преимущества разрабатываемой системы заключаются в следующем:

- применение не имеющей аналогов интеллектуальной системы распознавания обстановки и принятия решений в режиме реального времени;

- индивидуальная адаптация с помощью самообучения;

- кроссплатформенное программное решение, основанное на облачных технологиях;

- удобный интерфейс;

- программная система не требует специального оборудования;

- простота инсталляции и использования (не требует специальных знаний);

- комплексность (все функции интегрированы в единый модуль);

- значительно более низкая цена, чем цена систем аналогичного класса;

- отечественная элементная база.

2. Разработаны математическая модель, алгоритмы и программы, реализующие концепцию системы управления температурным режимом внутренней среды производственного помещения. Данная модель представляет интерес для различных производственных помещений с автономным отоплением.

Математическая модель, описывающая нестационарное тепловое состояние внутреннего объема производственного помещения.

В основе построения программной системы для управления автоматическим регулятором температурного режима лежит метод искусственного интеллекта, основанный на использовании базы нечётких знаний, подсистемы логического вывода, адаптации и самообучения. Его применение позволяет управлять назначенными параметрами температурного режима в условиях неопределённости и быстроменяющейся внешней обстановки, что не позволяет делать стандартная аналитическая математическая модель.

Самообучение происходит с помощью пополнения базы знаний непротиворечивыми новыми правилами или удалением старых правил. Самообучение основано на методе гиперрезолюций с применением нейроподобных структур. Новые знания генерируются с помощью распознавания предыдущих ситуаций нейроподобными структурами и

корректируются алгоритмами статистического анализа.

Сочетание знаний экспертов, адаптации и самообучения позволяет решать задачу энергоэффективности и корректировки температуры в реальном времени.

3.Проведено математическое моделирование тепловых процессов в типовом помещении производственного цеха.

4. Разработан эскизный проект интеллектуальной системы управления температурным режимом (ИСУТР) внутренней среды производственного цеха по изготовлению хлебобулочной продукции.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Е.В. Кашкин. Математическая модель для обработки данных с тепловых датчиков для управления системой задвижек тепловых контуров зданий специального назначения/ Е.В. Кашкин, Т.Ю. Морозова// Естественные и технические науки -М.: «Спутник плюс». -2013.-№6. - С. 289-292.

2. Е.В. Кашкин. Об одном подходе к управлению параметрами теплозащиты на основе беспроводных сенсорных сетей/ Е.В. Кашкин, Т.Ю. Морозова, Иванова И.А. Естественные и технические науки. -М.: «Спутник плюс». -2013. - №6. - С. 293-294.

Прочие публикации:

3. Е.В. Кашкин. Обработка данных в информационных системах промышленных предприятий/ Е.В. Кашкин, В.Д. Работкин, И.В. Терехин, Д.А. Акимов, К.С. Сумкин//Сборник научных трудов SWorld. Выпуск 3. Том 5. - Одесса, Куприенко C.B., 2013. - ЦИТ 3130613 С. 99-106.

4. Е.В. Кашкин, Системы автоматического управления температурным режимом зданий. Новые информационные технологии: Сборник трудов XV Всероссийской научно-технической конференции (Москва, 17-19 апреля 2012 г.) / Под ред. В.В Никонова, А.Г. Шмелевой. — М.: МГУПИ. — 2012,— 154 е.: ил., с. 83-87.

5. Е.В. Кашкин, Некоторые особенности формирования управляющих сигналов на основе нечеткой логики. Новые информационные технологии: Сборник трудов XIV Всероссийской научно-технической конференции (Москва, 18-20 апреля 2011 г.) / Под ред. В.В Никонова, А.Г. Шмелевой. — М.: МГУПИ. — 2011.— 162 е.: ил. с. 91-103.

6. Е.В. Кашкин. Энергосберегающие системы в современном обществе Новые информационные технологии: Сборник трудов XIII Всероссийской научно-технической конференции (Москва, 19-21 апреля 2010 г.) / Под ред. С.Г. Журавлева, А.Г. Шмелевой.— М.: МГУПИ. — 2010.— 159 е.: ил., с. -141-150.

7. Е.В. Кашкин. Использование тепловых датчиков для обеспечения работы системы управления температурным режимом зданий специального назначения. Новые информационные технологии: Сборник трудов XVI Всероссийской научно-технической конференции (Москва, 17-19 апреля 2013 г.) / Под ред. В.В Никонова, А.Г. Шмелевой. — М.: МГУПИ. — 2013.— 110 с.: ил., с 24-32.

8. Е.В. Кашкин. Разработка алгоритма управления температурным режимом для интеллектуальной энергосберегающей системы многоквартирных зданий и сложных сооружений/ Е.В. Кашкин, Т.Ю. Морозова, Д.А. Акимов, В.Д. Работкин// Наука. Техника. Технологии (политехнический весник) -Краснодар: «Издательский Дом-Юг». -2013.-№4,-С. 67-71.

9. Е.В. Кашкин. Система мониторинга состояния человека, основанная на интеллектуальных технологиях/ Е.В. Кашкин, Д.А. Акимов, Е.Ф. Морозова// Сборник научных трудов SWorld. Выпуск 4. Том 14. -Одесса, Куприенко C.B., 2013. - ЦИТ 413-0351 с. 49-63.

10. Е.В. Кашкин. Анализ и обработка данных в информационных системах промышленных предприятий// Сборник научных трудов SWorld. Выпуск 4. Том 10. - Одесса, Куприенко C.B., 2013. - ЦИТ 413-0356 с. 32-42.

Отпечатано в типографии "Полиграфиздат" Москва, Сибирский пр-д., Д.2 стр. 30. Заказ №31 от 21.02.2014. формат 60 х 84 в 1/16,1,25 физ. печ. листа тираж 100 экз.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

04201457098

Кашкин Евгений Владимирович

На правах рукописи

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ В СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Морозова Т.Ю. Т.оА&^д*/--

Москва 2014

Оглавление

Введение...................................................................................................................................................4

Глава 1. Анализ отечественных и зарубежных систем управления температурным режимом......9

1.1. Обзор существующих энергосберегающих систем...............................................................9

1.2. Программные и аппаратные способы управления темперным режимом...........................9

Выводы................................................................................................................................................14

Глава 2. Проведение теоретических и экспериментальных исследований основных физических процессов, определяющих температурный режим здания и разработка на базе полученных результатов математической модели для энергосберегающей системы управления температурным режимом в подобных помещениях..........................................................................15

2.1. Теоретические исследования процессов теплопередачи в типовых помещениях современного здания.........................................................................................................................15

2.1.1. Расчетные параметры окружающей среды........................................................................15

2.1.2. Пример выбора наружных условий для теплотехнического расчета.............................21

2.1.3. Расчетные параметры микроклимата помещений............................................................22

2.2. Экспериментальная отработка разработанной методики измерения сопротивления теплопередаче многослойной конструкции....................................................................................48

2.3. Разработка математической модели, алгоритмов и программ, реализующих концепцию управления температурным режимом здания.................................................................................64

2.3.1. Постановка и решение задачи о теплопередаче в типовом помещении современного здания..............................................................................................................................................64

2.3.2. Решение системы дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности в ограждающих конструкциях.........................................................................................................73

Выводы................................................................................................................................................76

Глава 3. Алгоритмическая структура системы автоматизированного управления температурным режимом производственных помещений............................................................................................80

3.1. Моделирование блок-схем для обеспечения работы системы управления..........................80

3.2. Применение облачных сервисов...............................................................................................83

3.3. Реализация программной системы............................................................................................84

3.4. Разработка программных средств для энергосберегающей системы управления температурным режимом в помещении производственного назначения....................................89

3.4.1. Используемая методика достижения энергосберегающего эффекта..............................90

3.4.2. Гиперрезолюция в аксиоматических системах.................................................................91

3.4.3. Нечеткая гиперрезолюция...................................................................................................92

3.4.4. Нечеткий абдуктивный вывод............................................................................................96

3.4.5. Структура программной реализации системы управления температурным режимом. 98

3.4.6. Решение новых задач, обеспеченное применяемыми методами автоматизации...........99

3.5. База знаний..................................................................................................................................99

3.5.1. Входные лингвистические переменные с базовыми терм-множествами:....................100

3.5.2. Выходные лингвистические переменные с базовыми терм-множествами..................101

3.5.3. Формат базы знаний...........................................................................................................101

3.6. Интеллектуальная схема управления температурным режимом.........................................103

Выводы..............................................................................................................................................104

Глава 4. Реализация программной системы управления температурным режимом производственных помещений при производстве хлебобулочной продукции.............................106

4.1. Структура программной системы...........................................................................................107

4.2. Реализация программной системы..........................................................................................108

4.3. Проверка результатов работы..................................................................................................109

4.3.1. Проведение оптимизационных расчетов, гарантирующих повышенную эффективность разрабатываемых программных и аппаратных средств...........................................................109

Выводы..............................................................................................................................................129

Заключение...........................................................................................................................................131

Список литературы..............................................................................................................................134

Приложение А. Свидетельства о программной регистрации.........................................................143

Приложение В. Акты о внедрении.....................................................................................................145

Введение

Энергоэффективность и энергосбережение являются одним из восьми приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденных Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. N 899.

Согласно прогнозам спрос на энергоресурсы на среднесрочную и долгосрочную перспективу в РФ достигнет к 2020г. - 135%, а к 2030г. - 160% к текущему уровню. В условиях нарастающего дефицита топливно-энергетических ресурсов все более актуальными становятся проблемы их эффективного использования и создания условий для перевода экономики России на энергосберегающий путь развития.

В России уровень оснащения систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, инженерных систем зданий и сооружений новыми отечественными средствами технологического и коммерческого учета, локальной и комплексной автоматизации является крайне недостаточным.

В связи с этим актуальным является разработка и внедрение новых отечественных энергосберегающих приборов, оборудования и систем, электронной компонентной базы, обеспечивающих существенный экономический эффект в области энерго- и ресурсосбережения.

Целью данной работы является разработка и внедрение новых отечественных приборов, оборудования и системы управления температурным режимом для производственных помещений специального назначения, обеспечивающих существенный экономический эффект в области энерго- и ресурсосбережения, а также работающих в режиме реального времени, что является неотъемлемой частью технологического процесса при производстве.

Интеллектуальная энергосберегающая система управления температурным режимом предназначена для обеспечения климат контроля производственных помещений специального назначения. Она должна иметь возможность работать в автономном режиме, предусматривающем использование независимых источников тепла, таких как автоматический газовый водонагреватель.

В первой главе диссертации проведен анализ современных аппаратных и программных средств и созданных на их основе интеллектуальных энергосберегающих систем в рамках концепции «умное здание». Показаны недостатки существующих систем и определены основные направления их совершенствования применительно к особенностям поддержания температурного режима помещений специального назначения.

В настоящее время важным вопросом является создание интеллектуальной энергосберегающей системы управления температурным режимом, которая предназначена для обеспечения климат контроля специализированных производственных помещений и производственных цехов. Она должна иметь возможность работать в автономном режиме, не зависящем от возможностей централизованного отопления, тем самым обеспечивая автономность работы и возможность развёртывания производственных площадей в любом удобном месте.

Вопросами создания методов управления температурным режимом занимались западные ученые Кевин Эштон, Адам Данкелс, Стефано Марцано, Дональд Норман, Роланд Пипер, Josef Preishuber-Pflugl, Джон Сили Браун, Брюс Стерлинг, Марк Вейсер, а также отечественные ученые В.Архипов, А.Волков, В.Логвиненко, Е.Кириллов, В. Савин, О.Веселов, А.Осин, Д.Паршин, В.Гринченков и другие. Существенный вклад в теорию интеллектуального управления динамическими системами внесли: Аверкин А.Н., Вагин В.Н., Емельянов В.В., Еремеев А.Г., Мелихов А.Н., Поспелов Д.А., Осипов Г.С. и другие.

Ведущими предприятиями и научными организациями, работающими в этой области являются АМХ (Даллас, США), BECKHOFF, Clipsal, Crestron, Panasonic, Philips, Siemens.

Результаты математического моделирования тепловых процессов в типовом помещении здания рассмотрены во второй главе данной работы. Математическая модель предназначена для управления системой задвижек тепловых контуров посредствам выдачи управляющей команды.

Методы, использующиеся при построении математической модели, являются универсальными и могут применяться в решении схожих задач в области автоматизированного управления системами различного назначения.

Математическая модель системы принятия решения основывается на информации о текущей ситуации и призвана обеспечить энергосберегающий эффект при её использовании в системах управления температурным режимом производственных помещений.

В основе построения математической модели лежит метод искусственного интеллекта, основанный на использовании базы нечётких знаний, подсистемы логического вывода, адаптации и самообучения. Применение данной методики, позволяет управлять назначенными параметрами температурного режима в условиях неопределённости и быстроменяющейся внешней обстановки, что крайне важно при использовании ее в моделях управления температурным режимом производственных и иных помещений, критичных к изменению температуры. Адаптация математической модели основана на подстройки коэффициентов

атомов правил и фактов. Коэффициенты меняются в зависимости от внешних условий по средствам модифицированного метода группового учета аргументов.

Третья глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов теплопередачи в типовых помещениях современного здания. В частности, рассмотрены действующие нормативные рекомендации по параметрам наружной среды и параметрам микроклимата в помещениях различного назначения, которые следует учитывать при определении рациональных параметров системы автоматического регулирования температурного режима в помещениях.

В этой главе также дана методика и приведены основные результаты экспериментальных исследований сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций современного здания.

Разработан алгоритм работы, позволяющий унифицировать процесс принятия решения и самообучения систем, расположенных удаленно друг от друга и организовать возможность использовать ее не только в рамках одного единственного помещения производственного назначения, но и в производственной системе с удаленными друг от друга помещениями.

Также рамках третьей главы для корректной работы системы была разработана интеллектуальная схема управления температурным режимом (ИСУТР). поддержание теплового режима, принцип работы который определяется технологическим процессом, реализуемым в производственном помещении, а так же задается пользователем, независимо от показателей температуры наружного воздуха, температуры внутри производственного цеха, выделяемой тепловой энергии производственными объектами и персоналом, находящимся в данный момент внутри данного помещения.

Получены экспериментальным путем основные критерии, влияющие на температурный режим производственного помещения:

1. Наружная тем пература;

2. Наружная температура на солнце;

3. Температура внутри помещения;

4. Количество людей в помещении;

5. Суммарная мощность оборудования, работающего в помещении.

Четвертая глава посвящена реализации программной системы. Разработана структура программной системы для управления температурным режимом производственного цеха по изготовлению хлебобулочной продукции.

Рассмотрены возможные способы реализации данной системы и выявлены наиболее подходящие технологии. Представлена алгоритмическая и структурная модель программной системы.

В процессе работы над программной реализацией рассматриваются современные технологические особенности реализации программного и аппаратного назначения и приводится обоснование их выбора.

Объектом исследования в рамках данной работы является программно-аппаратная (микропроцессорная) система управления температурным режимом специализированных производственных помещений.

Предметом исследования является математическое и программное обеспечение для решения задачи интеллектуальной обработки информации с датчиков температуры для поддержания температурного режима специализированных производственных помещений.

Целью диссертационной работы является поддержание заданных температурных параметров в производственных помещениях за счет разработки математического и программного обеспечения микропроцессорной системы, обеспечивающей решение комплекса задач обработки информации об изменении.

Указанная цель достигается решением следующих задач:

•1 V

1. Проведен анализ современных аппаратных и программных средств и созданных на их основе интеллектуальных энергосберегающих систем в рамках современных разработок автономного теплообеспечения.

2. Разработана математическая модель, алгоритмы и программы, реализующие концепцию автономного поддержания температурного режима в специализированных производственных помещениях, в основе которой лежит метод искусственного интеллекта, основанный на использовании базы нечётких знаний, подсистемы логического вывода, адаптации и самообучения. Его применение позволяет управлять назначенными параметрами температурного режима в условиях неопределённости и быстроменяющейся внешней обстановки (сквозняк, открытие и закрытие дверей, изменение температуры вне помещения).

3.Проведено математическое моделирование тепловых процессов в типовом помещении здания. Результаты проведенных оптимизационных расчетов, гарантирующих повышенную эффективность разрабатываемых программных и аппаратных средств.

4. Разработано программное обеспечение для управления температурным режимом производственных помещений и осуществлена его экспериментальная проверка базе

предлагаемых в данной работе математических и информационных моделей процессов управления температурным режимом.

В рамках данной работы можно обозначить следующие критерии научной новизны:

1.Разработанная система позволяет использовать текущую информацию о ситуации (температура, фоновую обстановку в помещении, выполняемые действия над системой, текущие процессы в системе к которой применяется интерфейс, состояние управляющей системы и т.д.) и обеспечивает необходимое быстродействие в режиме реального времени.

2. Впервые в основе построения программной системы для управления автоматическим регулятором температурного режима лежит метод искусственного интеллекта, основанный на использовании базы нечётких знаний, подсистемы логического вывода, адаптации и самообучения. Его применение позволяет управлять назначенными параметрами температурного режима в условиях неопределённости и быстроменяющейся внешней обстановки, что не позволяет делать стандартная аналитическая математическая модель.

3. Разработанная математическая модель на основе анализа текущей и прошедшей ситуаций система способна коррелировать управленческие сигналы от человека с проанализированной ситуацией, что позволило сократить потребление энергии на 42%.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием математического аппарата аналитической, машинной графики, методов искусственного интеллекта, теории управления, теории алгоритмов и структур данных, методов математического программирования, имитационным моделированием на ЭВМ в среде МАТЬАВ и экспериментальными исследованиями на испытательном стенде.

Полученные в диссертационной работе научные результаты позволят решать актуальные задачи построения алгоритмов управления температурным режимом для решения комплекса задач интеллектуальной обработки информации с использованием ЭВМ. Разработанные алгоритмы управления температурным режимом могут практичес�