CC BY
1
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 681.5.017
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-528-529
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИСКРЕТИЗАЦИИ ПО УРОВНЮ И ОГРАНИЧЕНИЯ СИГНАЛОВ НА РАБОТУ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ СТАБИЛИЗАЦИИ
ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛИЦЫ
Е.В. Певчева, В.Н. Козловский, А.В. Стариков
Статья посвящена исследованию влияния основных нелинейностей на работу цифровой системы управления электротехническим комплексом стабилизации температуры теплицы. Разработаны расчетные модели рассматриваемого электротехнического комплекса, учитывающая квантование сигналов по времени и уровню климат-контроллера, а также ограничения сигналов электроприводов циркуляционных насосов и трехходовых клапанов. Методами компьютерного моделирования обоснован выбор величины периода замыкания программного циклы климат-контроллера, обеспечивающей требуемую точность поддержания температуры воздуха в теплице.
Ключевые слова: температура, квантование по времени и уровню, дискретная передаточная функция.
Современные промышленные теплицы имеют сложный электротехнический комплекс, предназначенный для регулирования и стабилизации температуры внутреннего воздуха при широком диапазоне изменения параметров окружающей среды [1 -3]. В структуру электротехнического комплекса теплицы входят электроприводы заслонок трехходовых клапанов и частотно-регулируемые электроприводы циркуляционных насосов. Комплекс управляется с помощью климат-компьютера, который обладает всеми особенностями цифрового устройства, связанными с квантованием сигналов по уровню и времени.
Для исследования влияния периода квантования по времени на устойчивость и динамические свойства цифровой системы управления электротехническим комплексом теплицы была найдена его дискретная передаточная функция [1]
W (z\_ b06z 4 + b16z 3 + b26z 2 + b36z + b46 (1)
ГГзт2\^)~ 5 4 3 2 4 ' V '
z + aX6 z + a26 z + a36 Z + a46 Z + a56
где коэффициенты b06, b16, b26 , b36 , b46 , a16 , a26, a36 , a46 и a56 имеют сложную взаимосвязь с параметрами цифровых регуляторов, электроприводов трехходовых клапанов и циркуляционных насосов, датчиков температуры, теплицы как объекта управления и периодом замыкания программного цикла (периода дискретизации) T климат-компьютера.
Она позволила сформулировать требования к периоду опроса датчиков температуры и определить ожидаемую погрешность поддержания температуры воздуха в
528
теплице.
Однако, полученные результаты справедливы только для линеаризованного представления замкнутой системы регулирования температуры воздуха. В действительности цифровая система управления электротехническим комплексом теплицы нелинейна и обладает ограничением сигналов по уровню. Действительно, с помощью трехходовых клапанов невозможно подать на вход регистра отопления теплоноситель с температурой выше, чем температура приходящей сетевой воды. Аналогично, скорость вращения асинхронных двигателей циркуляционных насосов также ограничена определенными рамками. Кроме того, цифровая система управления электротехническим комплексом теплицы обладает квантованием по уровню. В результате процессы квантования по времени и уровню вступают в противоречие с ограничением сигналов.
Для исследования влияния этих противоречий на точность поддержания средней температуры воздуха в теплице разработана структурная схема рассматриваемой цифровой системы с учетом ограничений и дискретизации сигналов по уровню (рис. 1).
Тв.нар (г)
Тт.3 (*) —
(*)
-ЦхНх) >
Жт (г)
У
Рис. 1. Структурная схема цифровой системы регулирования температуры воздуха в теплицы при переходе к дискретным передаточным функциям с учетом основных нелинейностей
Она содержит дискретные передаточные функции регуляторов температуры ЖрТ (г), ЖрТ2 (г), датчиков температуры внутреннего ЖосТ (г) и наружного ЖдТ2 (г)
воздуха, корректирующего устройства Ж (г) и тепловых процессов протекающих в
ку V '
теплице по отношению к изменяющимся возмущающим воздействиям по температуре
наружного воздуха ЖТтар (2) и внутренним источникам тепла (2) [1]. Кроме того,
приведенная на рисунке 1 структурная схема учитывает передаточные функции объекта по отношению управляющим воздействиям, а именно, температуре на входе в регистр отопления Ж0вд (2) и ее объемному расходу Ж0а (2) с учетом экстраполяторов нулевого порядка [1]. Рассматриваемая структурная схема содержит также ряд нелиней-ностей типа «квантование по уровню» и «ограничение по уровню», отражающих реальный характер функционирования электротехнического комплекса теплицы.
Исследование такой нелинейной системы рационально проводить методом компьютерного моделирования. В связи с этим разработана расчетная модель цифровой системы регулирования температуры воздуха с учетом процесса квантования сигналов по времени и уровню, а также с учетом ограничений сигналов при периоде дискретизации Т = 3 с (рис. 2).
10.23 20^+1
224.75г-221.75
Зг
¿К>Г
184.11; - 183.49
Зг
844.27; -891.27 10200; - 10200
Кэр1
Кзр2
□
Рис. 2. Расчетная модель нелинейной цифровой системы регулирования температуры воздуха в теплице при периоде дискретизации Т = 3 с и температуре наружного воздуха -31 °С
Она содержит подсистему, отражающую особенности тепловых процессов, протекающих в теплице, под воздействием управляющих и возмущающих воздействий [2], при самом тяжелом режиме работы - средней температуры наружного воздуха - 31 °С (рис. 3). Эта температура определяется паспортными данными рассматриваемой теплицы.
17010/+ 736^ + 1
7092800/ + 326610/ + 1249.1 + 1
0.063 Г
0.302
7092800/ + 326610/ + 1249.? + 1
181.154
7092800/ + 326610/ + 1249.? + 1
17010/+ 736^ + 1
7092800/ + 326610/ + 1249л + 1
Рис. 3. Расчетная модель тепловых процессов, протекающих в теплице, под воздействием управляющих и возмущающих воздействий
530
Цифровые регуляторы и корректирующее устройство по возмущающему воздействию имеют следующие дискретные передаточные функции [1]
^рТ (г) =
крт (V + Т)
>т
V + т
2(г)=
( крТ 2ТрТ 2 + Т )
Г крТ 2ТрТ2
рТ2
V -1)
КУ (г) =
К (ку + Т)
г --
ку
*ку + Т
(2) (3)
(4 )
где крТ и трТ - коэффициент передачи и постоянная времени пропорционально-
дифференциального регулятора в канале управления температуры воды на входе регистра отопления; крТ 2 и трТ 2 - коэффициент передачи и постоянная времени пропорционально-интегрального регулятора в канале управления циркуляционными насосами; £
ку
и т - коэффициент передачи и постоянная времени форсирующего звена в цепи инва-
ку
риантной связи.
30
15
10
0.2 0.4 0.6
0.8
1.2 1.4 1.6 1.8
х10ъ
г, с
Рис. 4. График изменения температуры воздуха теплицы при ступенчатом изменении управляющего и характерном изменении возмущающих воздействий при периоде дискретизации Т = 3 с
Параметры регуляторов рассчитываются по специально разработанной методике [3], и при периоде замыкания программного цикла климат-контроллера Т = 3 с дискретные передаточные функции (2) - (4) принимают следующие численные значения:
^ , ч 184,11г -183,49. ^ , ч 894,27г - 891,27. ^ , ч 224,75г - 221,75 (г) =-. ЖрТ2(г) =-. Ж (г) = —
10200г -10200
3г
Датчики температуры представлены на расчетной модели апериодическими звеньями с постоянными времени, равными 20 с.
Расчетная модель, приведенная на рис. 2 позволяет построить график изменения температуры воздуха в теплице при ступенчатом изменении управляющего воздействия и характерном изменении возмущающих воздействий (рис. 4 и 5).
Управляющее воздействие задает среднюю температуру воздуха в теплице равную 26 °С. Одно из возмущающих воздействий представляет собой ступенчатое
воздействие по входу ^ Q, соответствующее включению осветительной установки на
50% мощности. Второе возмущающее воздействие характеризует изменение в пределах ±5 °С от среднего значения температуры внешнего воздуха. Анализ графиков показывает, что при Т = 3 с динамический подъём температуры при включении осветительной установки составляет 3,4 °С, а погрешность подержания заданной температуры равна 0,56 °С.
25.4
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
£, с105
Рис. 5. График изменения температуры воздуха теплицы при колебаниях температуры наружного воздуха ±5 °С от среднего значения -31 °С и Т = 3 с
Разработана также расчетная модель (рис. 6), которая позволяет построить аналогичные графики при периоде дискретизации Т = 5 с. При этом в соответствии с формулами (2) - (4) дискретные передаточные функции регуляторов станут равными
^ , ч 184,522-183,49. ^ , ч 896,272-891,27. ^ , ч 226,752-221,75
ЖрТ (2) =-. ЖрТ 2( 2) =-. Жку (2) =--
ртК } 52 рТ102002 -10200 ку^ 52
Графики изменения температур (рис. 7 и 8) показывают, что при Т = 5 динамический выброс температуры при включении осветительной установки на 50% мощности составляет 3,3 °С, а погрешность подержания заданной температуры равна 0,55 °С.
Разработана нелинейная расчетная модель и для случая, когда период дискретизации равен Т = 10 с (рис. 9).
Она учитывает то, что дискретные передаточные функции цифровых регуляторов будут иметь следующие численные значения
ТТГ , ч 185,552-183,49. ^ , ч 901,272-891,27. ^ , ч 231,752-221,75
) =-. ЖрТ2(2) =-. Ж (2) =--
ртК } 10 2 рТ 102002 -10200 куЛУ 10 2
График, построенный с помощью этой модели (рис. 10 и 11) позволяют сделать вывод, что дальнейшее увеличение периода дискретизации ухудшает показатели регулирования температуры воздуха электротехническим комплексом теплицы.
10.23 20*+ 1
226.75^-221,75 5г
Ш-9
184.52г- Ш.49
5г
ШЕ
- К91 :
Ю200г- 10200
Н002ЭГ;
X
Кар2
J -1
0
1Л1
1п2 . . . Ои11 а
1п4
10.23 20Л-1
Рис. 6. Расчетная модель нелинейной цифровой системы регулирования температуры воздуха в теплице при периоде дискретизации Т = 5 с
30
Т , °С
т 5
25
20
15
10
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1.2 1.4 1.6 1.8 2
г , с х105
5
Рис. 7. График изменения температуры воздуха теплицы при ступенчатом изменении управляющего и характерном изменении возмущающих воздействиях при периоде дискретизации Т = 5 с
Действительно, прежде всего появляется перерегулирование в переходном процессе по управляющему воздействию. Кроме того, динамический выброс при включении осветительной установки на 50% мощности становится равным 4 °С, а погрешность подержания заданной температуры составляет 0,59 °С.
533
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
хЮ5
Рис. График изменения температуры воздуха теплицы при колебаниях Температуры наружного воздуха ±5 °С от среднего значения -31 °С при Т = 5 с
10.23 г-Г
20л+ 1 ► ►
-►От*
185.55?-183.49
т
901.27;-891.27 10200; - 10200
Рис. 9. Расчетная модель нелинейной цифровой системы регулирования температуры воздуха в теплице при периоде дискретизации Т = 10 с
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что период дискретизации по времени климат-контроллера и период опроса датчиков температуры должен составлять порядка 5 секунд. Это полностью согласуется с исследованиями [1, 7], проведенными с помощью линеаризованной математической модели в виде дискретной передаточной функции (1). Однако, учет основных нелинейности цифровой системы управления электротехническим комплексом теплицы позволяет сделать адекватные оценки погрешности стабилизации температуры при характерных изменениях возмущающих воздействий.
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
I, С х 105
Рис. 10. График изменения температуры воздуха теплицы при ступенчатом изменении управляющего и характерном изменении возмущающих воздействиях
при периоде дискретизации Т — 10 с
Т , °С
т 5
I, С х 10
Рис. 11. График изменения температуры воздуха теплицы при колебаниях температуры наружного воздуха ±5 °С от среднего значения -31 °С при Т — 10 с
Подводя итог сказанному, следует отметить, что для решения задачи стабилизации температуры внутреннего воздуха рассматриваемой теплицы с погрешностью, не превышающей 1 °С, необходимо обеспечить период замыкания программного цикла климат-контроллера Т —10 с. Увеличение периода дискретизации приводит к возраста-
нию погрешности стабилизации температуры за счет снижения скорости реакции цифровой системы на изменяющиеся внешние и внутренние условия. Значительное уменьшение периода относительно полученного значения в 5 с также приводит к отрицательным результатам, поскольку при этом резко увеличиваются коэффициенты при производных, вычисляемых цифровыми регуляторами.
Список литературы
1. Грудинин В.С. Адаптивное итерационное управление температурой в теплице / В. С. Грудинин, В. С. Хорошавин, А. В. Зотов, С. В. Грудинин // Инженерные технологии и системы. Т. 29. № 3. 2019. С. 383-395.
2. Доманов В.И. Система управления температурой теплицы / Доманов В.И., Певчева Е.В. // Промышленные АСУ и контроллеры. Приборы и системы для автоматизации промышленных предприятий. 2019. №8 С. 3-8.
3. Токмаков Н.М. Математическая модель системы управления микроклиматом аграрных теплиц / Н.М. Токмаков, В.С. Грудинин // Гавриш, № 3. С. 28 - 32.
4. Доманов В.И. Дискретная математическая модель цифровой системы регулирования температуры воздуха теплицы / Доманов В.И., Певчева Е.В. // Вопросы электротехнологии, № 4 (37), 2022. С. 63 - 71.
5. Стариков А.В. Математическая модель теплицы как объекта управления электротехническим комплексом / А.В. Стариков, В.И. Доманов, Е.В. Певчева // Вопросы электротехнологии, № 1, 2022. С. 66 - 74.
6. Певчева Е.В. Синтез электротехнического комплекса стабилизации температуры теплицы с комбинированным управлением / Е.В. Певчева, А.В. Стариков, В.И. Доманов, В.Н. Козловский // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2023. Выпуск 8. С. 498 - 507.
7. Козловский В.Н. Надежность системы электрооборудования легкового автомобиля / В.Н. Козловский, В.Е. Ютт // Электроника и электрооборудование транспорта. 2008. № 3. С. 37-40.
Певчева Елена Викторовна, аспирант, pevche@yandex. ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Стариков Александр Владимирович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
STUDY OF THE INFLUENCE OF LEVEL DISCRETIZATION AND SIGNAL LIMITATIONS ON THE OPERATION OF THE DIGITAL CONTROL SYSTEM FOR THE ELECTRICAL COMPLEX FOR STABILIZING THE GREENHOUSE TEMPERATURE
E.V. Pevcheva, V.N. Kozlovsky, A.V. Starikov
The article is devoted to the study of the influence of main nonlinearities on the operation of a digital control system for an electrical complex for stabilizing the temperature of a greenhouse. Calculation models of the electrical complex under consideration have been developed, taking into account the quantization of signals by time and the level of the climate controller, as well as the limitations of signals from electric drives of circulation pumps and three-way valves. Computer modeling methods are used to justify the choice of the closing
536
period of the climate controller software cycle, which ensures the required accuracy of maintaining the air temperature in the greenhouse.
Key words: temperature, time and level quantization, discrete transfer function.
Pevcheva Elena Viktorovna, postgraduate, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Starikov Alexander Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 621.311
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-537-538
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Р.Н. Хамитов, Г.А. Хмара, В.Р. Махмутова
В статье рассмотрены типы накопителей энергии, их возможность применения с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) и влияния на параметры качества и надежность системы электроснабжения нефтегазодобывающих месторождений. Разработан алгоритм определения параметров систем накопления энергии (СНЭ) совместно с гибридными системами электроснабжения для нефтегазодобывающих месторождений с целью определения мощности и емкости СНЭ для повышения параметров качества поставляемой электроэнергии, обеспечения резервных мощностей и непрерывного питания.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, система накопления энергии, параметры надежности энергосистемы, коэффициент свойства заряда, параметры качества электроэнергии.
Ветер используется как возобновляемый источник энергии (ВИЭ) с нулевыми затратами на топливо и отсутствием углеродных выбросов в атмосферу, на основании этого многие страны поставили перед собой цель включить значительную долю ветровой энергии в свои энергосистемы. Однако мощность ветровой генерации сильно варьируется и контролируется оператором лишь в ограниченной степени из-за ее прерывистого характера.
Скорость ветра имеет переменный характер и представляет серьезные проблемы в интеграции ветровых ресурсов, т.к. ветровой поток может быть минимальным в тот момент, когда система электроснабжения действительно нуждается в мощности ветрогенерации и это является одной из причин затруднения использования ветровых ресурсов [1].
Основной способ, который используют системный оператор для управления изменчивостью и прерывистостью ветра заключается в повышении уровня резервов, например, применение системы накопления энергии (СНЭ).
Одними из ключевых препятствий для использования систем хранения электроэнергии на территории Российской Федерации являются [2,3]:
537
