автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка аппаратно-программных средств для систем управления микроклиматом

На правах рукописи

Анохин Михаил Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ

05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел 2003

Работа выполнена в Орловском государственном техническом университете на кафедре "Проектирование и технология электронных и вычислительных систем".

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, профессор Прасов Михаил Тихонович

доктор технических наук, профессор Данилов Владимир Леонтьевич кандидат технических наук Андреев Владимир Олегович

Ведущая организация:

- ЗАО НТЦ "Модуль", г. Орел

Защита состоится 23 декабря 2003 г. в 14е2 часов на заседании диссертационного Совета Д212.182.01 при Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 40.

Автореферат разослан 21 ноября 2003 г. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу Совета университета: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета.

/

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д212.182.01 доктор технических наук, профессор

А. И. СУЗДАЛЬЦЕВ

гоо^-А \ ^о^о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Достоверный контроль параметров микроклимата и управление различным технологическим оборудованием при современных масштабах производства без соответствующих аппаратно-программных средств автоматизации практически не представляется возможным. Создание оптимального температурно-влажностного режима является одним из основных способов повышения эффективности хранения. Рациональное управление микроклиматом позволяет увеличить сохранность продукции, повысить ее качество, снизить затраты на энергоресурсы, уменьшить расходы на обслуживание и эксплуатацию оборудования.

Проблеме совершенствования автоматизированных систем управления микроклиматом хранилищ посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых. До настоящего времени повышение достоверности контроля осуществлялось путем уменьшения погрешности применяемых датчиков. Традиционно в хранилищах размещают минимальное количество датчиков, а определение параметров микроклимата каждой зоны, независимо от ее размера, осуществляется в одной точке. При увеличении протяженности зоны, даже при незначительном градиенте температуры, достоверность такого контроля заметно снижается.

Для повышения достоверности контроля необходимо решить проблему регистрации пространственного распределения параметров микроклимата и определения дополнительных точек сбора информации о температурно-влажностном поле среды хранения, что позволило бы повысить точность и достоверность полученных данных, а, следовательно, и качество регулирования.

В настоящее время все более широкое применение находят интеллектуальные датчики, но выполняемые ими функции и их структурный состав в большинстве случаев является избыточным. Поэтому, для увеличения количества контролируемых точек и определения пространственного распределения параметров микроклимата целесообразно использовать так называемые идентифицированные датчики, являющиеся промежуточным звеном между обычными и интеллектуальными. Такие датчики обеспечат подключение к одной общей линии связи, взаимодействие с другими устройствами на основе уникального индивидуального идентификационного кода и определение места своего расположения в пространстве. В связи с этим является актуальным создание автоматизированных систем управления микроклиматом с использованием идентифицированных датчиков.

Данная диссертационная работа выполнялась на кафедре ПТЭиВС ОрелГТУ в рамках хоздоговорных научно-исследовательских работ 2000-2003 гг. №380/4-01, №535/04-02(83) по созданию и совершенствованию автоматизированных систем контроля и управления микроклиматом в различных хранилищах.

Цель диссертационной работы — повышение достоверности контроля и регулирования параметров микроклимата хранилищ путем совершенствования аппаратно-программных средств в системах автоматизированного управления с применением идентифицированных датчиков.

К основным задачам исследования относятся:

— анализ существующих параметров технологических режимов хранения продукции, применяемых систем контроля и управления микроклиматом в хранилищах и их функциональных возможностей;

— разработка математической модели пространственного контроля температурно-влажностных параметров среды хранения;

— разработка модели и методики рационального размещения идентифицированных датчиков в пространстве;

— разработка алгоритмов функционирования автоматизированных систем, построенных на базе идентифицированных датчиков, с целью повышения качества регулирования за счет увеличения точности и достоверности информации;

— проведение экспериментальных исследований с целью проверки правильности разработанных теоретических положений для создания автоматизированной системы управления, их работоспособности и эффективности.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического и физического моделирования, теоретические основы информационно-измерительной техники и цифровой обработки сигналов. Применялся математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, численных методов, системного анализа, а также аппарат нечеткой логики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель регулирования температурно-влажностных параметров в верхней зоне, основанная на процессах тепломассообмена продукции с окружающей средой.

2. Предложены модели и методики пространственного размещения идентифицированных датчиков в верхней зоне при навальном способе хранения продукции, полученные на основе анализа температурного поля среды.

3. Разработаны модели и алгоритмы управления исполнительными механизмами с использованием аппарата нечеткой логики.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная и испытанная автоматизированная система управления микроклиматом хранилищ позволяет повысить качество и сохранность продукции.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математическая модель регулирования температурно-влажностных параметров в верхней зоне, основанная на процессах тепломассообмена продукции с окружающей средой.

2. Модели и методики пространственного размещения идентифицированных датчиков в верхней зоне при навальном способе хранения продукции, полученные на основе анализа температурного поля среды.

3. Модели и алгоритмы управления исполнительными механизмами с использованием аппарата нечеткой логики.

4. Методика поиска пространственного расположения идентифицированных датчиков в автоматизированной системе управления микроклиматом хранилищ.

Реализация и внедрение результатов исследований. На базе результатов исследований по хоздоговору №380/4-01 разработан опытный образец автоматизированной системы управления микроклиматом хранилищ. По результатам эксплуатационных испытаний в центральном овощехранилище СЗАО "Ленинское" (п/о Маливо Коломенского района Московской области) рекомендовано внедрение разработанной системы при модернизации имеющегося в хранилище оборудования.

Также, на основе проведенных исследований по хоздоговору №535/04-02(83) от 14 августа 2002 г. была модернизирована система сбора, обработки данных и управления комплексами средств автоматизации холодильных и нагревательных машин. На техническом совете в ЗАО "ОРЛЭКС" рекомендовано использовать предложенные разработки для создания подобной системы нового поколения.

Апробация и публикации результатов работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 5 конференциях, в том числе:

— международная научно-техническая конференция "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем", Тамбов, 2000 г.:

— международная научно-практическая конференция "Компьютеры. Программы. Интернет", Киев, 2003 г.;

— четвертая всероссийская научная ¡гКегпе^конференция "Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках". Тамбов, 2002 г.;

— шестая всероссийская научно-техническая конференция "Методы и средства измерений физических величин", Нижний Новгород, 2002 г.;

— 35 неделя науки, Орел, 2002 г.

По содержанию и результатам работы опубликовано 10 печатных работ, получены патент на изобретение №2208832 от 20.07.2003 г. "Устройство дистанционного контроля параметров микроклимата" и два свидетельства на полезную модель №25106 от 10.09.2002 г. "Устройство регулирования температуры" и №29596 от 20.05.2003 г. "Устройство контроля параметров микроклимата".

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержание которых изложено на 182 страницах, содержит 64 рисунка, 5 таблиц, список литературы, включающий 111 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, а также приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертации, показаны направления исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих технологических режимов хранения продукции, применяемых в настоящее время автоматизированных систем контроля и управления микроклиматом и используемых в них датчиков. На основании анализа показано, что качество продукции и ее сохранность в значительной степени зависит от точности поддержания параметров микроклимата в пределах установленных технологических нормативов.

Специфика теплового режима хранилищ накладывает повышенные требования к способности систем управления обеспечивать в период эксплуатации требуемый темпе-ратурно-влажностный режим внутренней среды. Система управления должна не только поддерживать заданные параметры микроклимата, но и снижать или предотвращать влияние недостатков ограждающей конструкции на хранимую продукцию.

Проанализированы автоматизированные системы контроля и управления микроклиматом, выпускаемые отечественными предприятиями и рядом зарубежных фирм. Большинство таких систем используют радиальную трех- или четырехпроводную схему подключения датчиков, что увеличивает число соединительных линий, а, следовательно, ограничивает количество контролируемых системой областей. Появление интеллектуальных датчиков позволило подключить их к общей магистрали сети и сократить расходы соединительного кабеля. Однако, несмотря на возможность увеличения числа точек контроля, в существующих системах количество датчиков и мест их размещения осталось прежним. Одна из причин этого связана с отсутствием исследований пространственного распределения параметров микроклимата хранилища, позволяющих определить

дополнительные точки контроля.

Использование микропроцессоров в составе датчиков позволяет перейти к величинам, характеризующим влажностные отношения. Например, определение влагосодержа-ния воздуха позволит точнее оценить объем влаги, вносимой приточным воздухом, предотвратить образование конденсата, оценить количество влаги, теряемой продукцией и соответственно скорректировать управляющее воздействие.

На основе проведенного анализа сформулированы актуальные задачи и направления исследований по созданию аппаратно-программных средств для автоматизации управления микроклиматом с использованием идентифицированных датчиков.

Во второй главе рассмотрены процессы тепломассообмена продукции с окружающей средой с целью создания математической модели, описывающей пространственное распределение параметров микроклимата среды хранения, и разработки методик его контроля и управления.

Как показали исследования, насыпь овощей значительных размеров при хранении должна быть разделена на две части — к первой относятся поверхностный слой, контактирующий с воздухом, ко второй — вся остальная масса. В поверхностных слоях толщиной 300-400 мм проходит тепломассообмен продукции с окружающей средой. Если в поверхностном слое температура изменяется от температуры поверхности до температуры в толще, то внутри насыпи она по высоте постоянна. Тепловыделение продукции во внутреннем объеме расходуется на разогрев насыпи. Расчеты показывают, что температура в толще насыпи продукции за счет самосогрева повышается медленно (например, для картофеля — на 0,01°С в час).

При прохождении через насыпь воздух удаляет накопившуюся на поверхности объектов хранения и выделяющуюся в процессе вентилирования влагу. Температура и влажность воздуха по мере прохождения через насыпь возрастает достаточно быстро. На выходе из насыпи при толщине слоя более 1 м температура воздуха равна температуре продукции, а его относительная влажность близка к 98%.

Для расчета параметров микроклимата помещения хранения при работающей активной вентиляции использовалась система уравнений тепловлажностного баланса сооружения. Данная задача решалась для двух случаев:

1. При наличии на поверхности объектов хранения капельно-жидкой влаги вентилирующий воздух, проходящий через слой такой продукции, быстро увлажняется почти до полного насыщения, и дальнейший процесс проходит при его постоянной относительной влажности, близкой к 98%. Капельно-жидкая влага может быть на поверхности продукции и при поступлении ее на хранение, и в процессе хранения в периоды, когда насыпь не вентилируют.

2. После удаления из насыпи поверхностной влаги вентилирующий воздух увлажняется только за счет влаги, испаряющейся из межклеточников ткани. При этом воздух увлажняется по крайней мере на порядок медленнее, чем в первом случае, вследствие чего вентилирующий воздух может и не достигнуть при прохождении через насыпь состояния, близкого к насыщенному.

Лучистый теплообмен в хранилищах является одним из главных видов теплопередачи. Правильность и точность применяемых расчетных формул лучистого теплообмена в таких условиях является одной из важных предпосылок достижения в хранилищах оптимальных режимов хранения. Для определения результирующих лучистых потоков в верхней зоне хранилища участвующие в теплообмене насыпь продукции и ограждения рассматривались как замкнутая система излучающих поверхностей. На основе решения системы уравнений, получены результирующие излучения каждой из поверхностей:

Рр! (1+2 у 12 Я, + у13 Я,) - Ор2 2 у12 ^ЛУ Я2 - рр3 у,з (Р,/Р3) Я3 = = 2 (Е02 - Ет) И] 4*12 + (Еоз - Е0]) Р, \|/13;

<3Р2 (1 + ¥.21ЫР,/Р2) + \|/23 Я2) - 0Р] Я, - Орз Угз (Р2/Р3) Я3 =

= (Еш - Ео2) Р, у12 + (Е03 - Е02) Р2 у23;

Ор3 (1 + 2 у32 (Р^з) + Яз (Р,^)) - С>Р, Ув Я. - <3Р1 2 уц Я2 = = (Ем - Еоз) ¥13 + 2 (Е02 - Е03) Р2 ?2з.

где 0Р], 0Р2- 0Рз — результирующее излучение поверхностей насыпи Рь стен Р2 и потолка Р3 соответственно; *|/ч — угловой коэффициент облученности поверхности ] поверхностью ¡; Е0ь Е02, Е0з — плотности собственного излучения поверхностей Рь Р2, Р3, Е0, = Б;Со(Т,/100)4; е, — степень черноты ьй поверхности; С0 — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; Т, — температура 1-го тела; Я — относительная рефлективность, Л = (е'1 - 1).

Для нахождения коэффициентов облученности с поверхности на поверхность при различном расположении поверхностей в помещении определены формулы:

\|/,2 = (Ь + Ьвз -т)/2Ъ; у13 = (ш-Ьвз)/Ь;

\|/23 = (Ь + Ьвз -т)/2Ьвз,

где Ь — ширина насыпи; И, 3 — высота верхней зоны; ш = (Ь2 + Ьв 3 2)"2.

Таким образом, полученные формулы позволяют достаточно точно (с погрешностью до 5%) рассчитать лучистый теплообмен в верхней зоне хранилища.

Размещение сенсоров температуры и влажности идентифицированных датчиков в одной точке пространства позволяет рассчитать дополнительные параметры микроклимата среды хранения. Одной из важных величин, характеризующих микроклимат, является влагосодержание воздуха 6.

Особенность микроклимата при хранении овощной продукции заключается в том, что для продукции и внутренней среды характерны температуры, близкие к 0°С, которые находятся в диапазоне от -5°С до 10°С. Существующие формулы не обеспечивают необходимой точности расчета в указанном интервале при различных режимах хранения. Для этого диапазона определена формула приближенного расчета влагосодержания воздуха:

622

Ж---,

ф-(0,046-1 +1,116-1 +45,76-1+ 610,95)

где (1 — влагосодержание воздуха, г/кг; ре — барометрическое давление, Па; ф — относительная влажность воздуха; I — температура воздуха, °С.

Погрешность расчета по предложенной формуле не превышает 0,4% (для диапазона температур I от -5°С до 30°С и ф от 0% до 100%). Для определения р6 можно использовать датчик барометрического давления. Предлагаемая методика расчета влагосодержания воздуха позволяет отказаться от использования этого датчика:

1. По статистическим данным о погоде в районе, где установлена система, определяется среднее барометрическое давление в течение всего периода хранения.

2. Считываются показания сенсоров температуры и относительной влажности идентифицированного датчика.

дукции с естественным охлаждением, представленные на рисунке 2.

У 6

£5 i

S.

G,

в 4 S

ь 3

1

О--1---г---г---т---г--1----.----1 Расстояние

0,0 0,5 1.0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 от стены, м Рисунок 1 — Распределение температуры воздуха в верхней зоне

р—!-------ф—

L

"t

,' Л

а) погрешность контроля 7-10%

ЙвН—4-1- 'Та 1 î-T-W-1--- t i 11 i 11 .J_L1 I I I >ff

I4-I—^— MI i MI i r I A 1 1 1 1 III 1 III

MI i MI i m-f- MI i I I t I 1 III 1 III -ttf! i iM

MI i LL_I_.A__ MIT I i iM --f-f-M

LLA._I___ I I T I --Ф" --1-Ф-Н

4-#-l--1--- »T-l--1--- ---1--4-Л + --

б) погрешность контроля 4%

Рисунок 2 — Размещение идентифицированных датчиков в верхней зоне при навальном способе хранения продукции с естественным охлаждением: L = 0,5... 1 м — расстояние от внутренней поверхности стены до датчика.

Первая модель размещения идентифицированных датчиков (рисунок 2, а) обладает средней точностью контроля пространственного распределения температуры воздуха в верхней зоне. В соответствие с этой моделью определена методика размещения датчиков:

1. В углах камеры хранения и по центру стен — предотвращение образования конденсата на ограждающей конструкции (контроль точки росы).

2. На расстоянии Ь = 0,5... 1 м от стен — контроль и регулирование минимальной температуры и максимальной влажности верхней зоны, предотвращение переохлаждения верхнего слоя продукции и выпадения в нем конденсата.

3. В центре камеры хранения — контроль и регулирование максимальной температуры и минимальной влажности верхней зоны, предотвращение чрезмерных потерь массы продукции за счет испарения.

Такое размещение датчиков позволит рассчитать температуру в любой точке верхней зоны с погрешностью 7-10%.

Вторая предложенная модель (рисунок 2, б) требует больших технических затрат по сравнению с первой, так как предполагает размещение датчиков в каждом узле сетки, но обеспечивает большую точность контроля пространственного распределения параметров. Методика размещения датчиков подобна первой предложенной модели, но в нее добавляется расчет шага сетки, в узлах которой необходимо разместить дополнительные датчики. Для этого предложено следующее соотношение:

2-8д < |Т(х) - Т(х + Дх)| < 3-6Л,

где 'Г(х) — значение температуры в точке х, °С; Дх — искомая величина приращения (шаг сетки), м; 5Д — погрешность датчика, °С.

Это соотношение необходимо применять для каждого узла, так как при удалении от внутренней поверхности стены шаг сетки будет увеличиваться. Например, для датчика температуры, обладающего бд = 0,2°С, координаты сетки будут равны 0 м; 0,15 м; 0,4 м; 1м; 2,5 м и в центре камеры хранения.

Вторая предложенная модель размещения позволит рассчитать температуру и влажность воздуха в любой точке верхней зоны с точностью, сопоставимой с точностью используемых идентифицированных датчиков. Погрешность расчета при этом не превысит 4%.

В третьей главе описаны разработанные модели и алгоритмы управления технологическим оборудованием хранилищ.

В соответствии с требованиями технологии хранения картофеля и плодоовощной продукции и норм технологического проектирования в разработанной системе предусмотрено ведение пяти режимов: а) осушка; б) лечебный; в) охлаждение; г) хранение; д) прогрев. Переход от одного режима к другому осуществляется автоматически или по команде оператора. Исключением является режим "Прогрев", который включается только оператором непосредственно перед реализацией продукции.

Выделены основные требования к программному обеспечению автоматизированной системы контроля и управления микроклиматом с использованием идентифицированных датчиков с учетом устранения основных недостатков существующих систем:

1. Автономное выполнения всех вышеперечисленных режимов: осушка, лечебный, охлаждение, хранение, прогрев.

2. Алгоритм регулирования параметров микроклимата, учитывающий изменение разностных температурных диапазонов при изменении температуры и влажности воздуха с целью предотвращения образования конденсата.

3. Косвенный контроль работы исполнительных механизмов на основе пространственно-временного изменения параметров микроклимата.

4. Алгоритм, адаптируемый к геометрии камеры хранения, применяемому оборудованию и режимам хранения на основе сведений, введенных оператором.

5. Получение информации о микроклимате на основе данных многоточечного контроля его параметров и последующей математической обработкой с целью повышения точности и достоверности.

Ни одна из рассмотренных существующих систем не обеспечивает выполнение всех

перечисленных требований.

В состав разработанного программного обеспечения для автономной работы системы вошли следующие модули: 1) модуль самотестирования; 2) модуль обработки сигналов дискретных датчиков; 3) модуль обработки аналоговых сигналов; 4) модуль взаимодействия с оператором; 5) модуль нечетких регуляторов; 6) модуль управления исполнительными механизмами; 7) модуль косвенного контроля работы исполнительных механизмов; 8) модуль обработки ошибок. Модули 1-4 реализуются стандартными для автоматизированных систем способами. В модули 5-8 были внесены существенные доработки и изменения.

Необходимость использования аппарата нечеткой логики вызвана тем, что функции, описывающие физические процессы в массе хранимой продукции, имеют нелинейную характеристику, отсутствует их строгое математическое описание. Существующие рекомендации описывают технологические процессы хранения в виде условных предложений (если условия такие-то, то управляющее воздействие такое-то).

Стандартный подход к реализации нечеткого регулятора предполагает создание единой базы знаний, содержащей все лингвистические переменные и нечеткие правила. Недостатком такого подхода является существенное увеличение объема базы применяемых нечетких правил при добавлении хотя бы одного входа или выхода, что в конечном итоге приводит к снижению эффективности работы нечеткой системы и ее значительному усложнению.

С целью устранения указанных недостатков предложено использовать разбиение на несколько взаимосвязанных нечетких моделей. При этом каждая нечеткая модель оперирует своим небольшим набором данных из базы знаний и может влиять на базы знаний связанных с ней других нечетких моделей.

В автоматизированной системе контроля и управления микроклиматом хранилищ выделены следующие нечеткие модели:

1. Нечеткая модель управления температурой приточного воздуха в режиме естественного охлаждения массы продукции с активным вентилированием.

2. Нечеткая модель управления скоростью изменения температуры массы продукции.

3. Нечеткая модель управления влажностью приточного воздуха.

На рисунке 3 представлена схема взаимодействия перечисленных нечетких моделей.

Нечеткая модель управления скоростью изменения температуры массы продукции активизируется в режиме естественного охлаждения или прогрева и лимитирует суточную скорость изменения массы продукции с целью предотвращения нежелательных физических изменений в структуре продукции или заболеваний. Ее входные переменные: температура массы продукции, скорость изменения температуры массы продукции за день, скорость изменения температуры массы продукции за 6 часов.

Нечеткая модель управления влажностью приточного воздуха используется в режимах осушка, лечебный и прогрев. В первых двух режимах допускается обдув массы продукции не только холодным, но и теплым (по сравнению с ней) воздухом. В последнем режиме используется только теплый воздух, а нечеткие правила динамически изменяются под воздействием модели управления скоростью изменения температуры массы продукции, уменьшая или увеличивая выходные значения относительно нуля при увеличении или уменьшении скорости соответственно. Во всех перечисленных случаях применения более теплого, по сравнению с продукцией, воздуха возможна (и достаточно вероятна) ситуация внесения дополнительной влаги. Это во всех режимах хранения крайне

нежелательно (а иногда и вовсе недопустимо, например, когда режим охлаждения подходит к завершению). Конечной целью рассматриваемой модели является подбор таких параметров для функций принадлежности лингвистических переменных нечеткой модели управления температурой приточного воздуха, которые обеспечивали бы условие невыпадения конденсата и препятствовали внесению дополнительной влаги в объем продукции. Входные переменные этой модели: температура массы продукции, перепад температур наружного воздуха и массы, разность влагосодержания массы продукции и наружного воздуха.

Флаг высокой скорости изменения температуры массы

Рисунок 3 — Схема взаимодействия нечетких моделей в составе автоматизированной системы контроля и управления микроклиматом хранилищ

Задачей нечеткой модели управления температурой приточного воздуха является формирование воздушной смеси с оптимальными для охлаждения массы продукции параметрами (в соответствие с технологическим режимом) путем изменения угла заслонки смесительного клапана. Ее входные переменные: разность между температурой массы продукции и наружного воздуха, разность между температурой массы продукции и приточного воздуха. Выходная переменная — изменение угла заслонки смесительного клапана.

Функции принадлежности и базы правил для нечетких моделей определены на базе уставок технологических режимов хранения различной овощной продукции и ранее рассмотренных математических моделей. Для дефаззификации (преобразования нечеткого вывода в четкую величину, которая используется для управления объектом) применен алгоритм Сугено, полученная при этом поверхность отклика представлена на рисунке 4.

Проведены испытания с помощью математических моделей в среде БтиНпк Ма&аЬ разработанного нечеткого регулятора. Его переходные характеристик при различных начальных условиях оказались лучше по сравнению с классическим ПИД-регулятором. Во всех режимах нечеткий регулятор обеспечивает апериодический характер переходного процесса без перерегулирования, в то время как характеристики классического регулятора имеют колебательный характер (в отдельных режимах декремент затухания % = 1,25) при больших значениях перепада температур массы и наружного воздуха, а перерегулирование достигает 15%, что крайне нежелательно при таких температурах.

При уменьшении перепада температур массы и наружного воздуха процесс становится апериодическим, но существенно возрастает время выхода в установившийся режим (в 5-10 раз больше по сравнению с нечетким регулятором). Все это говорит в пользу нечеткого регулятора и подтверждает целесообразность его применения в системе управления микроклиматом.

Рисунок 4 — Поверхность отклика нечеткого регулятора с использованием алгоритма дефаззификации Сугено

Известные подходы к реализации программы управления исполнительными механизмами предполагают разбиение алгоритма на блоки, кажцый из которых соответствует определенному технологическому режиму. Такой подход используется во всех существующих автоматизированных системах управления микроклиматом. Его недостатком является привязка каждого режима к конкретному оборудованию, что снижает гибкость системы, так как добавление или изъятие хотя бы одного исполнительного механизма приводит к необходимости изменения всех или части блоков программы, которые связаны с ним.

На базе известных был разработан универсальный алгоритм управления оборудованием для всех режимов хранения. В нем для каждого исполнительного механизма выделяется собственная подпрограмма управления, а переход от одного режима хранения к другому осуществляется за счет изменения уставок. Это позволило повысить гибкость системы по сравнению со стандартным подходом и снять жесткую привязку к конкретному оборудованию. В случае изменения состава исполнительных механизмов достаточно добавить новую подпрограмму управления, не затрагивая уже существующие.

Особенность предложенного алгоритма в том, что он сам и составляющие его подпрограммы выполняются некоторый определенный квант процессорного времени. Это эквивалентно работе микропроцессора в режиме невытесняющей многозадачности, то есть отдельные подпрограммы работают псевдопараллельно и самостоятельно определя-

ют, когда можно передать управление другим подпрограммам, что накладывает на них определенные ограничения. При разработке отдельных подпрограмм необходимо так составить их алгоритм, чтобы при заданных входных воздействиях он за небольшое время определял новое состояние соответствующего исполнительного механизма. С учетом указанного ограничения были разработаны следующие алгоритмы: управление рециркуляцией воздуха и обогревом верхней зоны; управление подогревом прослойки; управление искусственным воздухоохладителем; управление подогревом клапана; управление клапаном; управление приточным и вытяжным вентиляторами.

Автоматизированная система использует сеть идентифицированных датчиков для контроля параметров микроклимата среды хранения и наружного воздуха. При этом в верхней зоне контролируется пространственное распределение параметров (температуры и влажности) множеством датчиков по описанной ранее методике, а остальные параметры (температура массы продукции, температура приточного воздуха, температура прослойки, наружные температура и влажность) — на основе точечных замеров. Кроме того, рассчитываются очаги возмущений и, в случае их обнаружения, выдается соответствующий сигнал.

Регулирование параметров верхней зоны ведется на основании величины разности между температурой верхней зоны и массы продукции, а также относительной влажности. Регулирование осуществляется только в паузах работы приточного вентилятора, должно обеспечить заданную разность температур (в диапазоне 1-3°С) и не допустить выпадение конденсата и излишние потери массы продукции. Для предотвращения колебательных процессов на границе диапазона регулирования введен гистерезис величиной 0,5°С.

Для повышения надежности работы системы предложено использовать косвенный контроль работы исполнительных механизмов. Все рассмотренные системы не определяют фактический режим работы оборудования, ограничиваясь откликом от контактов их пускателей. Этого отклика недостаточно для установления реального состояния оборудования, а снабжение всех исполнительных механизмов устройствами контроля их текущего состояния в условиях хранилища является достаточно трудоемкой и дорогостоящей задачей. Поэтому было введено косвенное наблюдение за механизмами на основе данных изменения параметров микроклимата в камере хранения. Для контроля фактического режима работы исполнительных механизмов, предложен следующий алгоритм:

— включение приточного вентилятора контролируется:

а) в случае, если смесительный клапан открыт — по времени нахождения разности температур между массой продукции и приточным воздухом вне задаваемого технологическим режимом диапазона. Как было экспериментально установлено, для выхода на заданный режим нечеткому регулятору требуется не более 10 циклов. Следовательно, при нахождении названной разности температур вне заданного диапазона более 15-20 циклов, можно утверждать, что приточный вентилятор не работает;

б) если смесительный клапан закрыт, то температура приточного воздуха при включенном вентиляторе не должна отличаться от температуры верхней зоны на величину более ± 0,5°С. Экспериментально установлено, что при исправно работающем приточном вентиляторе указанный диапазон значений устанавливается не более чем за 5 минут;

— работа калориферов обогрева верхней зоны и прослойки контролируется по изменению соответствующих значений температуры, которые при включенном оборудовании должны возрастать (в зависимости от типа калорифера и его мощности). Точно установить скоростью изменения температуры достаточно сложно, но для практического использования предлагается использовать временной интервал величиной в 1 час. Этого

времени недостаточно, чтобы даже при неисправном оборудовании возникла критическая ситуация. Если в течение всего этого времени подавалась команда включения калорифера, а температура не увеличилась, калорифер можно считать неисправным. Кроме того, анализируя скорость изменения температуры, можно примерно оценить время регулирования и сделать вывод о необходимости смены оборудования при недостаточной (или наоборот избыточной) величине.

— воздухораспределительная система может отказать при загрузке грязной продукции, соответственно, ухудшатся условия вентилирования массы. Распознать сильное засорение (более 60% поверхности) можно по режиму работы нечеткой модели "Управление скоростью изменения температуры массы продукции". Если существуют условия, обеспечивающие возможность охлаждения и по прошествии 18 часов нечеткий регулятор по-прежнему работает в граничном режиме, пытаясь повысить скорость охлаждения, можно утверждать, что воздухораспределительная система неисправна.

— исправность подогрева клапана определяется по скорости перемещения заслонки. Для этого предварительно система измеряет среднюю скорость перемещения заслонки при положительных значениях наружной температуры (такие условия существуют на начальных этапах хранения продукции — сентябрь-октябрь). Если по прошествии заданного времени подогрева клапана заслонка не перемещается, то необходимо увеличить время подогрева на 50%. Если и после этого его параметры не восстановились, можно сигнализировать о поломке самого клапана или неисправности механизма подогрева.

Указанные выше взаимосвязи учитывают выход из строя только одного компонента системы, но и этого достаточно, чтобы существенно упростить обслуживающему персоналу поиск неисправности, более оперативно реагировать на неполадки, уменьшая время поиска неисправности и простоев оборудования.

На устройство, использующее вышеописанный алгоритм для обнаружения и сигнализации о неисправностях, было получено свидетельство на полезную модель.

В блоке обработки ошибок выполняется обнаружение и сигнализация аварийных состояний системы и ошибок оператора. К аварийным состояниям системы относят такие, из которых автоматизированная система не может выйти самостоятельно, а, следовательно, требуется вмешательство оператора. Среди них выделены: неисправности исполнительного оборудования; неисправности датчиков или линий связи; неисправности отдельных узлов самой системы; выход одного или нескольких параметров микроклимата за допустимые границы, определяемые технологией хранения как аварийные.

В четвертой главе рассмотрены способы сопряжения автоматизированной системы контроля и управления микроклиматом с идентифицированными датчиками и ЭВМ, приведены результаты эксплуатационных испытаний разработанной автоматизированной системы управления микроклиматом хранилищ.

Увеличение числа датчиков и изменение способа их подключения к системе порождает ряд практических вопросов: выбор физической среды связи идентифицированных датчиков с системой; разработка структуры и алгоритмов функционирования идентифицированного датчика; пространственная идентификация расположения датчиков. Обоснован выбор проводной связи в качестве физической среды взаимодействия идентифицированных датчиков с системой.

Разработано и запатентовано устройство дистанционного контроля параметров микроклимата, использующее в своем составе идентифицированные датчики с парными сенсорами температуры и влажности. Его структура представлена на рисунке 5. Предложен алгоритм взаимодействия идентифицированных датчиков с системой.

АСУ

И1 11 ш 42

к

пт, ПВ, 1 пт2 пв2

4- ...

СТ1 СВ! • ст2 св2

I

ии,

ю

пт„

ст„

пв„

Е,

св„

_ИДп_.

Рисунок 5 — Структурная схема АСУ с идентифицированными датчиками: ИД! ... ИД, — идентифицированные датчики; ИИ1 ... ИИП — блоки индивидуальной идентификации; ПТ1... ПТП — преобразователи параметров сенсоров температуры; ПВ,... ПВ„ — преобразователи параметров сенсоров влажности; СТ1 ... СТ„ — сенсоры температуры; СВ!... СВ„ — сенсоры влажности.

Следующий важный вопрос использования идентифицированных датчиков в составе автоматизированной системы — пространственная идентификация контролируемых ими параметров среды хранения с целью воссоздания объемной модели микроклимата хранилища.

Для поиска пространственного расположения датчиков были предложены и проанализированы несколько подходов. Предлагаемая методика предполагает предварительное разбиение пространства среды хранения на зоны. Каждой зоне присваивается свой код в форме, близкой и понятной обслуживающему персоналу ("продукция", "приточный канал" и т.п.). После этого на датчиках, помещаемых в определенные зоны, индивидуально ручным способом устанавливается соответствующий ей код. В случае использования нескольких датчиков в одной зоне, их конечное размещение задается программно и привязывается к их индивидуальному идентификационному коду. Это, во-первых, облегчает задачу наладчиков — они четко видят, в какое место необходимо установить датчик, во-вторых, снижает влияние человеческого фактора — система, после проведения контрольного цикла можегг определить ошибочно установленные датчики путем сравнения всех показаний и сопоставления их соответствующим зонам.

При хранении продукции в нескольких камерах, не составляет большого труда проконтролировать все обслуживающие их системы. Такая ситуация характерна для небольших хозяйств, имеющих дело с малыми объемами продукции. В более крупных масштабах, когда количество камер хранения исчисляется несколькими десятками, визуальный контроль такого числа автоматизированных систем становится крайне затруднительным и малоэффективным. Выйти из этой ситуации поможет объединение всех систем сетью связи с ЭВМ, что позволит создать двухуровневую автоматизированную систему управления микроклиматом хранилищ. Для такой системы были выделены наиболее важные требования к взаимодействию составляющих ее компонентов.

Эксплуатационные испытания разработанного опытного образца автоматизированной системы управления на базе контроллера КМХ-1 проводились в сезон хранения с

сентября 2001 г. по май 2002 г. в СЗАО "Ленинское".

При проведении испытаний ставились задачи по определению работоспособности опытного образца системы в производственных условиях на реальном объекте. Среди основных задач можно выделить: проверку основных технических характеристик системы; контроль за правильностью поддержания режимов хранения продукции в соответствии с технологическими требованиями и нормативной документацией; оценку работоспособности и эффективности предложенных алгоритмов управления исполнительными механизмами; корректировку параметров нечетких моделей на основании экспериментальных данных; сравнение полученных результатов с характеристиками аналогов. Сравнительные характеристики результатов работы разработанной системы на базе контроллера КМХ-1 и системы УМХ приведены в таблице.

Таблица — Сравнительные характеристики разработанной системы на базе контроллера КМХ-1 и системы УМХ____

Характеристики КМХ-1 УМХ Норматив

1. Максимальный темп охлаждения за 3 дня, °С/сутки 0,61 1,2 0,5

2. Отклонение максимального темпа охлаждения за 3 дня от норматива, % 22 140 Не более 50

3. Максимальное колебание температуры массы в режиме хранения за сутки, °С 0,2 0,5 Не более 0,3

4. Выпадение конденсата Отсутствует Имеется Недопустимо

Отдельные результаты исследований использованы при модернизации системы сбора, обработки данных и управления комплексами средств автоматизации холодильных и нагревательных машин, которая успешно прошла испытания в ЗАО "ОРЛЭКС" и рекомендована к внедрению.

Итоги эксплуатационных испытаний на реальном объекте подтверждают правильность разработанных теоретических положений, моделей и алгоритмов, их работоспособность, эффективность, а также соответствие технологическим нормам и требованиям на хранение продукции.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Решена задача разработки аппаратно-программных средств с применением идентифицированных датчиков для автоматизации управления микроклиматом.

2. Выявлены закономерности пространственного распределения температуры воздуха в верхней зоне. Их анализ позволил разработать модели и методики размещения идентифицированных датчиков в пространстве, повышающие достоверность информации о параметрах микроклимата.

3. Разработаны нечеткие модели и алгоритмы управления исполнительными механизмами для регулирования параметров микроклимата во всех технологических режимах хранения продукции.

4. На основе предложенных моделей и алгоритмов разработана и запатентована автоматизированная система управления микроклиматом с применением идентифицированных датчиков.

5. Проведены эксплуатационные испытания разработанной системы. В течение всего сезона четко соблюдались технологические нормативы на хранение продукции.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Анохин М. Н. Некоторые вопросы ввода аналоговых сигналов для автоматизированной обработки информации / М. Н. Анохин, М. Т. Прасов, А. А. Рабочий // Материалы международной научно-технической конференции "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем". — ТТТУ, 2000. — С. 24-26.

2. Анохин М. Н. Автоматизация хранилищ сельскохозяйственной продукции / М. Н. Анохин, М. Т. Прасов, А. А. Рабочий, А. В. Тютякин // Твоя земля. — 2001. — №3-4. — С. 30.

3. Анохин М. Н. Автоматизация контроля и регулирования параметров среды хранения на базе специализированного контроллера / М. Н. Анохин, М. Т. Прасов, А. А. Рабочий // Проектирование и технология электронных средств. — 2001. — №2. — С. 5758.

4. Свидетельство 25106 на полезную модель, МПК G05D23/19. Устройство регулирования температуры / М. Н. Анохин, М. Т. Прасов, А. А. Рабочий. — Опубл. 10.09.2002. бюл. №25.

5. Анохин М. Н. Автоматизированная система управления микроклиматом овощехранилищ на основе адаптируемой модели процессов и среды хранения / Материалы 4-й всероссийской научной internet-конференции "Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках". — ТГУ, 2002. — С. 33.

6. Анохин М. Н. Некоторые вопросы применения идентифицированных устройств в АСУ микроклиматом / Тезисы докладов на 35-й неделе науки. — ОрелГТУ, 2002. — С. 47-52.

7. Анохин М. Н. Некоторые вопросы цифровой обработки результатов многоточечного измерения параметров среды хранения при помощи идентифицированных устройств в составе АСУ микроклиматом / Материалы 6-й всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин". — Нижний Новгород,

2002, —С. 27.

8. Свидетельство 29596 на полезную модель, МПК G05D27/02. Устройство контроля параметров микроклимата / М. Н. Анохин, А. А. Рабочий, М. Т. Прасов. — Опубл. 20.05.2003. бюл. №14.

9. Патент 2208832 РФ, МПК G05D27/02. Устройство дистанционного контроля параметров микроклимата / М. Т. Прасов, А. А. Рабочий, М. Н. Анохин (РФ). — Опубл. 20.07.2003. бюл. №20.

10. Анохин М. Н. Многопараметрическая интеллектуальная система контроля и управления / М. Н. Анохин, М. Т. Прасов, А. В. Печеровый // Материалы международной научно-практической конференции "Компьютеры. Программы. Интернет. 2003". — Киев,

2003. С. 7-8.

Отпечатано в полиграфическом отделе ОрелГТУ Сдано в набор 20.11.2003 Подписано в печать 20.11.2003 Формат 30x42/5 Бумага офсетная Печать изография Усл. иеч. л. 1 Тираж 100 экз. Заказ № / Орловский государственный технический университет 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

119020

ВВЕДЕНИЕ

Г 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Микроклимат, контролируемые параметры и режимы хранения

1.2 Теплотехнические параметры среды хранения

1.3 Технологическое оборудование хранилищ

1.4 Системы управления микроклиматом хранилищ, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью

1.5 Датчики, используемые в системах управления микроклиматом

1.5.1 Измерение температуры воздуха и продукции

1.5.2 Измерение влажности воздуха

1.6 Недостатки существующих систем управления микроклиматом в хранилищах

1.7 Цель и задачи исследования

1.8 Выводы 45 2 ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СРЕДЕ ХРАНЕНИЯ

2.1 Процесс тепломассообмена продукции с окружающей средой

2.2 Расчет температурно-влажностных параметров верхней зоны хранилищ

2.3 Теплообмен в верхней зоне хранилищ

2.4 Методика расчета влагосодержания воздуха

2.5 Модели и методики размещения идентифицированных датчиков в пространстве среды хранения

2.6 Выводы

3 АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ХРАНИЛИЩ И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ

3.1 Режимы работы системы и управление отопительно-вентиляционным оборудованием

3.2 Анализ и разработка требований к программному обеспечению автоматизированной системы контроля и управления микроклиматом хранилищ с использованием идентифицированных датчиков

3.3 Разработка структуры и алгоритмов программного обеспечения автоматизированной системы контроля и управления микроклиматом хранилищ

3.3.1 Модуль нечетких регуляторов

3.3.2 Модуль управления исполнительными механизмами

3.3.3 Модуль косвенного контроля работы исполнительных механизмов

3.3.4 Модуль обработки ошибок

3.4 Выводы 142 4 РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ ХРАНИЛИЩ

4.1 Разработка способа сопряжения автоматизированной системы управления микроклиматом с идентифицированными датчиками

4.2 Расширение возможностей автоматизированных систем управления микроклиматом

4.3 Экспериментальные исследования работы автоматизированной системы управления микроклиматом хранилищ

4.4 Выводы 172 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 173 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 174 ПРИЛОЖЕНИЯ

Достоверный контроль параметров микроклимата и управление различным технологическим оборудованием при современных масштабах производства без соответствующих аппаратно-программных средств автоматизации практически не представляется возможным. Создание оптимального темпера-турно-влажностного режима является одним из основных способов повышения эффективности хранения. Рациональное управление микроклиматом позволяет увеличить сохранность продукции, повысить ее качество, снизить затраты на энергоресурсы, уменьшить расходы на обслуживание и эксплуатацию оборудования.

Проблеме совершенствования автоматизированных систем управления микроклиматом хранилищ посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых. До настоящего времени повышение достоверности контроля осуществлялось путем уменьшения погрешности применяемых датчиков. Традиционно в хранилищах размещают минимальное количество датчиков, а определение параметров микроклимата каждой зоны, независимо от ее размера, осуществляется в одной точке. При увеличении протяженности зоны, даже при незначительном градиенте температуры, достоверность такого контроля заметно снижается.

Для повышения достоверности контроля необходимо решить проблему регистрации пространственного распределения параметров микроклимата и определения дополнительных точек сбора информации о температурно-влажностном поле среды хранения, что позволило бы повысить точность и достоверность полученных данных, а, следовательно, и качество регулирования.

В настоящее время все более широкое применение находят интеллектуальные датчики, но выполняемые ими функции и их структурный состав в большинстве случаев является избыточным. Поэтому, для увеличения количества контролируемых точек и определения пространственного распределения параметров микроклимата целесообразно использовать так называемые идентифицированные датчики, являющиеся промежуточным звеном между обычными и интеллектуальными. Такие датчики обеспечат подключение к одной общей линии связи, взаимодействие с другими устройствами на основе уникального индивидуального идентификационного кода и определение места своего расположения в пространстве. В связи с этим является актуальным создание автоматизированных систем управления микроклиматом с использованием идентифицированных датчиков.

Данная диссертационная работа выполнялась на кафедре ПТЭиВС Орел-ГТУ в рамках хоздоговорных научно-исследовательских работ 2000-2003 гг. №380/4-01, №535/04-02(83) по созданию и совершенствованию автоматизированных систем контроля и управления микроклиматом в различных хранилищах.

Цель диссертационной работы — повышение достоверности контроля и регулирования параметров микроклимата хранилищ путем совершенствования аппаратно-программных средств в системах автоматизированного управления с применением идентифицированных датчиков.

К основным задачам исследования относятся: анализ существующих параметров технологических режимов хранения продукции, применяемых систем контроля и управления микроклиматом в хранилищах и их функциональных возможностей; разработка математической модели пространственного контроля тем-пературно-влажностных параметров среды хранения; разработка модели и методики рационального размещения идентифицированных датчиков в пространстве; разработка алгоритмов функционирования автоматизированных систем, построенных на базе идентифицированных датчиков, с целью повышения качества регулирования за счет увеличения точности и достоверности информации; проведение экспериментальных исследований с целью проверки правильности разработанных теоретических положений для создания автоматизированной системы управления, их работоспособности и эффективности.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического и физического моделирования, теоретические основы информационно-измерительной техники и цифровой обработки сигналов. Применялся математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, численных методов, системного анализа, а также аппарат нечеткой логики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель регулирования температурно-влажностных параметров в верхней зоне, основанная на процессах тепломассообмена продукции с окружающей средой.

2. Предложены модели и методики пространственного размещения идентифицированных датчиков в верхней зоне при навальном способе хранения продукции, полученные на основе расчета температурного поля среды.

3. Разработаны модели и алгоритмы управления исполнительными механизмами с использованием аппарата нечеткой логики.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная и испытанная автоматизированная система управления микроклиматом хранилищ позволяет повысить качество и сохранность продукции.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математическая модель регулирования температурно-влажностных параметров в верхней зоне, основанная на процессах тепломассообмена продукции с окружающей средой.

2. Модели и методики пространственного размещения идентифицированных датчиков в верхней зоне при навальном способе хранения продукции, полученные на основе расчета температурного поля среды.

3. Модели и алгоритмы управления исполнительными механизмами с использованием аппарата нечеткой логики.

4. Методика поиска пространственного расположения идентифицирован

НЫХ датчиков в автоматизированной системе управления микроклиматом хранилищ.

Реализация и внедрение результатов исследований. На базе результатов исследований по хоздоговору №380/4-01 разработан опытный образец автоматизированной системы управления микроклиматом хранилищ. По результатам эксплуатационных испытаний в центральном овощехранилище СЗАО "Ленинское" (п/о Маливо Коломенского района Московской области) рекомендовано внедрение разработанной системы при модернизации имеющегося в хранилище оборудования.

Также, на основе проведенных исследований по хоздоговору №535/04-02(83) от 14 августа 2002 г. была модернизирована система сбора, обработки данных и управления комплексами средств автоматизации холодильных и нагревательных машин. На техническом совете в ЗАО "ОРЛЭКС" рекомендовано использовать предложенные разработки для создания подобной системы нового поколения.

Апробация и публикации результатов работы. th Основные результаты работы доложены и обсуждены на 5 конференциях, в том числе: международная научно-техническая конференция "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем", Тамбов, 2000 г.; международная научно-практическая конференция "Компьютеры. Программы. Интернет", Киев, 2003 г.; четвертая всероссийская научная internet-конференция "Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках", Тамбов, 2002 г.; шестая всероссийская научно-техническая конференция "Методы и средства измерений физических величин", Нижний Новгород, 2002 г.;

35 неделя науки, Орел, 2002 г.

По содержанию и результатам работы опубликовано 10 печатных работ, получен патент на изобретение №2208832 от 20.07.2003 г. "Устройство дистанционного контроля параметров микроклимата" и два свидетельства на полезную модель №25106 от 10.09.2002 г. "Устройство регулирования температуры" и №29596 от 20.05.2003 г. "Устройство контроля параметров микроклимата".

В первой главе диссертации проведен обзор и анализ существующих технологических режимов хранения продукции, применяемых в настоящее время автоматизированных систем контроля и управления микроклиматом и используемых в них датчиков.

Во второй главе рассмотрены процессы тепломассообмена продукции с окружающей средой с целью создания математической модели, описывающей пространственное распределение параметров микроклимата среды хранения, и разработки методик его контроля и управления.

В третьей главе описаны разработанные модели и алгоритмы управления технологическим оборудованием хранилищ.

В четвертой главе рассмотрены способы сопряжения автоматизированной системы контроля и управления микроклиматом с идентифицированными датчиками и ЭВМ, приведены результаты эксплуатационных испытаний разработанной автоматизированной системы управления микроклиматом хранилищ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.4 Выводы

1. Обоснован выбор проводной связи в качестве физической среды взаимодействия идентифицированных датчиков с автоматизированной системой управления.

2. Предложена структурная схема построения идентифицированного датчика с несколькими сенсорами и алгоритм его взаимодействия с системой.

3. Предложен подход к определению пространственного расположения идентифицированных датчиков.

4. Выделены наиболее важные требования к взаимодействию систем управления и ЭВМ в составе двухуровневой автоматизированной системы управления микроклиматом хранилищ.

5. Проведенные эксплуатационные испытания разработанного опытного образца автоматизированной системы управления микроклиматом хранилищ подтвердили работоспособность и эффективность разработанных алгоритмов и моделей контроля параметров микроклимата и управления исполнительным оборудованием.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Решена задача разработки аппаратно-программных средств с применением идентифицированных датчиков для автоматизации управления микроклиматом в хранилищах.

2. Выявлены закономерности пространственного распределения температуры воздуха в верхней зоне. Их анализ позволил разработать модели и методики размещения идентифицированных датчиков в пространстве, повышающие точность и достоверность информации о параметрах микроклимата.

3. Разработаны нечеткие модели и алгоритмы управления исполнительными механизмами для регулирования параметров микроклимата во всех технологических режимах хранения продукции.

4. На основе предложенных моделей и алгоритмов разработана и запатентована автоматизированная система управления микроклиматом с использованием идентифицированных датчиков.

5. Проведены эксплуатационные испытания разработанной системы. В течение всего сезона четко соблюдались технологические нормативы на хранение продукции.

1. Аверин А. Н., и др. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под. ред. Д. А. Поспелова. — М.: Наука, 1986. — 312 с.

2. Алиев Р. А. Управление производством при нечёткой исходной информации. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 240 с.

3. Андреевский А. К. Отопление. — Минск: Высшая школа, 1982. — 364 с.

4. Баранов А. С. Экономические основы реализации сельскохозяйственной продукции. — М.: Колос, 1976. — с. 148-149.

5. Берлинер М. А. Измерения влажности. —М.: "Энергия", 1973. — 400 с.

6. Богословский В. Н. Строительная теплофизика. — М.: Высшая школа, 1982.—415 с.

7. Богословский В. Н. и др. Отопление и вентиляция. Ч. 1. Отопление. — М.: Стройиздат, 1975. — 483 с.

8. Ю.Богословский В. Н. и др. Отопление и вентиляция. Ч. 2. Вентиляция. — М.: Стройиздат, 1976. — 439 с.

9. П.Богословский В. Н. Тепловой режим зданий. — М.: Стройиздат, 1979. —248 с.

10. Богословский В. Н., Щеглов В. П., Разумов Н. Н. Отопление и вентиляция. —М.: Стройиздат, 1980. — 295 с.

11. Бурцев В. И. Кантерин Ю. А Тепловой баланс наземных картофеле- и овощехранилищ с навальным способом хранения и вентилируемой прослойкой у наружних стен // Труды института Гипронисельпром выпуск 7. — М.: Стройиздат, 1976. —С. 165-170.

12. Бурцев В. И., Кантерин Ю. А К вопросу теплотехнического проектирования стен наземных картофеле- и овощехранилищ // Труды института Гипронисельпром выпуск 7. — М.: Стройиздат, 1976. — С. 171-179.

13. Внутренние санитарно-технические устройства: В 2 ч. Ч. 1: Отопление, водопровод, канализация: Справочник проектировщика. / Под ред. И. Г. Староверова. — М.: Стройиздат, 1990. —430 с.

14. Волкинд И. JI. Комплексы для хранения картофеля, овощей и фруктов. — М: Колос, 1981. — 224 с.

15. Волкинд И. JI. Конденсация влаги в хранилищах и борьба с ней // Консервная и овощесушильная промышленность. — 1976. — №8. — С. 26-29

16. Волкинд И. JI. Промышленная технология хранения картофеля, овощей и плодов. — М.: Агропромиздаг, 1989. — 230 с.

17. Волкинд И. JI. Рациональное размещение устройств для искусственного охлаждения картофеля и овощей в хранилищах // Пищевая и перерабатывающая промышленность. — 1986. —№8. — С. 43-45.

18. Волкинд И. Л., Позин Г. М. Система уравнений тепломассообмена для хранилищ с активной вентиляцией. — В кн.: Проектирование, строительство и эксплуатация хранилищ для картофеля и овощей. / Гипронисельпром. — Орел, 1972. —С. 252-270.

19. Герасимов С. Г. Теоретические основы автоматического регулирования тепловых процессов. — М.: Высшая школа, 1967. — 206 с.

20. Геращенко О. А., Гордов А. Н., Лах В. И., Стаднык Б. И., Ярышев Н. А. Температурные измерения / Справочник, Академия Наук Украинской ССР. — Киев: "Наукова думка", 1984. — 495 с.

21. Гуль П. Картофелехранилища. Перев, с нем. — Изд-во иностр. лит.,1959. —160 с.

22. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс. — Санкт-Перербург: Питер, 2000. — 432 с.

23. Гусев С. А. Хранение картофеля. — М.: Московский рабочий, 1985. —143с.

24. Гусев Н. М., Климов П. П. Строительная физика. — М.: Стройиздат, 1965. —228с.

25. Гусев С. А. Метлицкий JI. В. Хранение картофеля. — М.: Колос, 1982. —222 с.

26. Гусев В. М., Ковалев Н. Н., Попов В. П., Потрошков В. А. Теплотехника, отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. — М.: Стройиздат, 1981. —343 с.

27. Дли М. И. Локально-аппроксимационные модели сложных объектов. М.: Наука, Физматлит, 1999. — 112 с.

28. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. — Санкт-Петербург: Питер, 2001. — 480 с.

29. Дьяченко B.C. Хранение картофеля, овощей и плодов. — М.: Агро-промиздат, 1987. — 196 с.

30. Егизаров А. Г. Общая теплотехника, теплоснабжение и вентиляция. — М.: Стройиздат, 1982. — 215 с.

31. Еременко В. Д., Трусова М. А. Хранение картофеля на складах и базах. — М.: Госторгиздат, 1962. — 39 с.

32. Жадан В. 3. Влагообмен в плодоовощехранилищах. — М.: Агропром-издат, 1985. — 198 с.

33. Жадан В. 3. Теплофизические основы хранения сочного растительного сырья на пищевых предприятиях. — М.: Пищевая промышленность, 1976. — 238 с.

34. Заде Л. А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. — М.: Мир, 1976. — 168 с.

35. Змитрович А. И. Интеллектуальные информационные системы. — Минск: НТООО "ТетраСистемс", 1997. — 367 с.

36. Иванцов Г. П., Любов Б. Я. Прогрев неподвижного слоя шаров потоком горячего газа. — Труды / Академия наук СССР, т. XXXVI, 2. М. — 1952.

37. Ивахнов В. И., Мальцева Е. М. Выбор рациональных режимов активного вентилирования картофеля и овощей при охлаждении и хранении // Холодильная техника. — 1985. — № 11. — С. 21-26.

38. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. Пособие для вузов /Н. Н. Евтихиев, Я. А. Купершмидт, В. Ф. Папуловский, В. Н. Скуго-ров; Под общ. ред. Н. Н. Евтихиева. —М.: Энергоатомиздат, 1990. — 352 с.

39. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергия, 1969. — 440 с.

40. Копченова Н. В., Марон И. А. Вычислительная математика в примерах и задачах. — М.: Наука. — 1972. — 386 с.

41. Корнеев В. В., Греев А. Ф., Васютин С. В., Райх В. В. Базы данных. Интеллектуальная обработка информации. — М.: Нолидж, 2000. — 352 с.

42. Кофман А., Алуха X. Хил. Введение теории нечетких множеств в управление предприятием. — Минск: Высшая школа, 1992. — 223 с.

43. Краснощекое Е. А., Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче. — М.: Энергия, 1969. — 264 с.

44. X 48. Круглов В. В. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. —

45. М.: Физматлит, 2001. —237 с.

46. Лариков Н. Н. Общая теплотехника. — М.: Стройиздат, 1985. — 432с.

47. Мартынов Н. Н., Иванов А. П. MATLAB 5.x. Вычисление, визуализация, программирование. — М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2000. — 336 с.

48. Метлицкий Л. В. Основы биохимии плодов и овощей. — М.: Экономика, 1976. —349 с.

49. Метлицкий JI. В., Волкинд И.Л. Хранение картофеля в условиях ак-j( тивного вентилирования. — М.: Экономика, 1966. — 93 с.

50. Метлицкий Л. В., Гусев С. А., Тектониди И. П. Основы биологии и технология хранения картофеля. — М.: Колос, 1972. — 207с.

51. Методическое пособие по теплотехническому расчету зданий картофеле- и овощехранилищ. — Орел: МСХ. СССР, Главсельстройпроект, 1975. — 107 с.

52. Митчелл Дж., Смит Д. Акваметрия (перевод с английского). — М.: Химия, 1980. —600 с.

53. Нестеренко А. В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. — М.: Высшая школа, 1971. — 459 с.

54. Осипова В.А. Экспериментальные исследования процессов теплообмена. — М.: Энергия, 1969. — 392 с.

55. Отопление, вентиляция и кондиционирование. СНиП 2.04.05-86. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987. — 61 с.

56. Патент 2208832 РФ, МПК G05D27/02. Устройство дистанционного контроля параметров микроклимата / М. Т. Прасов, А. А. Рабочий, М. Н. Анохин (РФ). — Опубл. 20.07.2003. бюл. №20.

57. X 62. Пеклов А. А., Степанова Т. А. Кондиционирование воздуха. — Киев:

58. Вища школа. 1978. — 328 с.

59. Позин Г. М. Моделирование тепловоздушных процессов в помещении при нестационарном режиме // Сборник докладов III съезда АВОК — М.,1993. —С. 100-103.

60. Полищук С. Ф., Адамчук JI. 3., Гороховская Т. JI. Фазы развития клубней картофеля, находящихся в периоде покоя // Научные основы хранения и переработки плодоовощной продукции и картофеля. — М.: Агропромиздат,1987. —С. 18-23.

61. Пособие по теплотехническому расчету зданий для хранения и переработки картофеля и овощей (к СНиП 2.10.02-84). Гипронисельпром Госагро-прома СССР. — М.: Стройиздат, 1988. — 64 с.

62. Прасов М. Т., Анохин М. Н., Печеровый А. В. Многопараметрическая интеллектуальная система контроля и управления // Материалы международной научно-практической конференции "Компьютеры. Программы. Интернет. 2003". — Киев, 2003. — С. 7-8.

63. Прикладные нечеткие системы / Под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугэно. — М.: Мир, 1993. — 368 с.

64. V 71. Путинцева J1. Ф., Иванова Т. Н. Хранение овощей. — Кемеровское кн.изд-во, 1987. — 104 с.

65. Рекомендации по системам автоматического регулирования температурного режима в хранилищах картофеля, овощей и лука. — Орел: Минсельхоз

66. СССР, Главсельстройпроект, Гипронисельпром, 1975. — 36 с.

67. Рекомендации по хранению картофеля с активным вентилированием. — М.: Колос, 1974. — 46 с.

68. Свидетельство 25106 на полезную модель, МПК G05D23/19. Устрой-j( ство регулирования температуры / М. Н. Анохин, М. Т. Прасов, А. А. Рабочий. — Опубл. 10.09.2002. бюл. №25.

69. Свидетельство 29596 на полезную модель, МПК G05D27/02. Устройство контроля параметров микроклимата / М. Н. Анохин, А. А. Рабочий, М. Т. Прасов. — Опубл. 20.05.2003. бюл. №14.

70. Сканави А. Н. Отопление. — М.: Стройиздат, 1988. — 416 с.

71. Скрипников Ю. Г. Хранение и переработка овощей, плодов и ягод. — М.: Агропромиздат, 1986. — 208 с.

72. Средства и системы компьютерной автоматизации Электронный ресурс. — Электрон, дан. — М., 2003. — Режим доступа: http://www.asutp.ru. — Загл. с экрана.

73. Строительные нормы и правила. СНиП 11-3-79*, ч.П. Нормы проекти-ЧС рования, гл. 3. Строительная теплотехника. — 31с.

74. Теплозащита картофелехранилищ. — М.: ВНИИИС, обзорная информация, вып. 4. — 56 с.

75. Тихомиров К. В., Сергеенко Э. С. Теплотехника, тепло-газоснабжение и вентиляция. — М.: Стройиздат, 1991. — 480 с.

76. Трисвятский JI. А., Лесик Б. В., Кудрина В. Н. Хранение и технология сельскохозяйственных продуктов. — М.: Агропромиздат, 1991. — 415 с.

77. Холмквист А. А. Хранение картофеля и овощей. — Л.: Колос, 1972. —386 с.

78. Цыпкин Я. 3. Информационная теория идентификации. — М.: Наука, * 1995. —340 с.

79. Чочиев Т. 3. О фундаментальной функции нелинейного температурного поля // Владикавказский математический журнал. — 2000. — Т.2, вып. 1. — С. 32-44.

80. Чочиев Т. 3. Изменение нелинейного температурного поля, связанное с коэффициентом теплопроводности // Владикавказский математический журнал. — 2000. — Т.2, вып. 3. — С. 42-51.

81. Чудновский А.Ф. Теплообмен в дисперсных средах. — М.: Изд-во X технико-теоретической литературы, 1954. — 444 с.

82. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. — М.: Физматиздат, 1962. — 444 с.

83. Широков Е. П. Практикум по технологии хранения и переработки плодов и овощей. — М.: Агропромиздат, 1985. — 192 с.

84. Широков Е. П. Технология хранения и переработки плодов и овощей с основами стандартизации. — М.: Агропромиздат, 1988, — 319 с.

85. Широков Е. П., Полегаев В. И. Хранение и переработка плодов и овощей. — М.: Агропромиздат, 1989. — 301 с.

86. Широков Е. П. Хранение и переработка плодов и овощей. — М.: Агропромиздат, 1989. — 302 с.

87. Advances in fuzzy set theory and applications / Ed. by M. M. Gupta, R. M. чС Ragade, R. R. Jager. — Amsterdam: North-Holland, 1979. — 684 p.

88. Burton W., Mann G., Wager H. The Journal of agricultural Science, vol. 46, Part I. — 1966. — №6. — P. 150-163.

89. Burton W. Recent developments inpotate storage. — Agr. Engr., 1977. —200 p.

90. Canadion code farm buildings. — Ottawa, 1990. — 218 p.

91. Delin K. A., Jackson S. P., Some R. R. Sensor webs // NASA Tech Briefs, 1999. —Vol. 23.— P. 80.

92. Hylmo В., Johansson A. Potatislagerets Konstruktions-Lantmannen,1996. — №11/12. — P. 25-28.

93. Jantzen J. Tuning of Fuzzy PID Controllers Электронный ресурс. — Электрон, дан. — 2003. — Режим доступа: http://fuzzy.iau.dtu.dk/download/ fpid.pdf. — Загл. с экрана.

94. Jantzen J. Design of Fuzzy Controllers Control Электронный ресурс. — Электрон, дан. — 2003. — Режим доступа: http://fiizzy.iau.dtu.dk/ download/design.pdf. — Загл. с экрана.

95. Jun J. Skladovani bramboru a jeho problematika. — Krmivaotvii, 1986. —v. 12. №1. —P. 22-23.

96. Jun J. Zakladnu podmiky pro skladovani brambor. — Mech. Zemed., 1985. — v. 25, №8. — P. 281-283.

97. Kapsa M. Pzzechowalnie ziemniakow w Czechoslowacyi. — Budown. roln, 1997, —№9. —P. 12-14.

98. Lager fur Saat-oder Speisekartoffel. Arbeitsgemeinsohaft Norm Planung. — Bern: Normale GmbH, 1995.

99. Lagerung und Aufbereitung von Kartoffeln. — Frankfurt am Mein,1997. — 124 s.

100. Leppack E. Qualitaserhaltung bei Kartoffellagerung und aufbereitung. — Kuratorium Technik Bauwesen Landwirtschaft, 1997. — №222. — S. 39-61.

101. Pinternagel E. A., Anders U. Lagerbauten fur Kartoffeln. — In: Land-wirtschaftliche bauten der Lagerhaltung. — Berlin, 1997. — S. 149-174.

102. PROFInet architecture description and specification. Электронный pe-сурс. — Электрон, дан. — 2003. — Режим доступа: http://www.profibus.com. — Загл. с экрана.

103. Tong R. М. The construction and evaluation of fuzzy models. — Amsterdam: North-Holland, 1999. — 159 p.