CC BY
196
Сергеева Татьяна Евгеньевна, инженер, kafelene@rambler.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет
SEACHING OF THE ADAPTIVE SYSTEM AUTOMATIC CONTROL OF THE MICROCLIMATE
S. V. Ershov, T.E. Sergeeva
The methodology of research of adaptive systems of maintenance of the required parameters of the microclimate in the room. Mathematical model of adaptive control system parameters of the microclimate.
Key words: heat supply, microclimate, heating, ventilation, automatic control system.
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, er-schov. serr2@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University.
Sergeeva Tatiana Evgenyevna, engineer, kafelene@rambler.ru. Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.331
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОМЕЩЕНИЙ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНО - АДАПТИВНЫХ СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МИКРОКЛИМАТА
С.В. Ершов, Т.Е. Сергеева
Рассмотрены методы и модели моделирования микроклиматических параметров помещений, в которых применяются системы автоматического регулирования параметров микроклимата. В основу методики моделирования положен комбинированный способ управления параметрами микроклимата помещений.
Ключевые слова: теплоснабжение, микроклимат, отопление, вентиляция, проектирование.
Поддержание требуемых микроклиматических условий в помещениях многоэтажных зданий с разветвленной структурой является сложной задачей, поскольку микроклиматические условия в помещениях создаются работой систем теплоснабжения, вентиляции, обогрева, кондиционирования и воздействием внешней среды. [1, 2].Значительно улучшить поддержание требуемых параметров микроклимата позволит применение интеллектуально-адаптивной системы автоматического регулирования. Однако,
в данном случае возникает проблема описания температурного состояния помещения как объекта регулирования.
Для моделирования помещения как объекта регулирования необходимо структурировать интеллектуально-комбинированную систему автоматического поддержания микроклимата. Этого можно добиться описанием элементов системы автоматического регулирования отдельными звеньями.
Каждое звено системы характеризуется выходной величиной или регулируемым параметром. Все воздействия на звено будут подразделяться на возмущающие и управляющие. Возмущающее воздействие отклоняет регулируемый параметр от заданного значения. Управляющее (регулирующее) воздействие используется для того, чтобы вернуть регулируемый параметр к заданному значению. Контур регулирования — последовательный ряд звеньев объекта и регулятора, которые могут иметь обратные связи. В контур регулирования (рис. 1) входит ряд элементов системы, объединяемых общим понятием «объект регулирования», первичный преобразователь (датчик), вторичный преобразователь и исполнительный механизм. Последние три элемента объединены понятием «автоматический регулятор». Так, для регулятора температуры входной величиной является температура, а выходной — перемещение исполнительного механизма (в %). Регулятор в задаче выбора настроек будем считать безынерционным звеном.
Звенья системы автоматического регулирования, как правило, расположены по отношению друг к другу и с учетом направления движения воздуха. Так, отдельные аппараты систем образуют последовательно расположенные звенья. Одноименные звенья в зональных контурах автоматической стабилизации будут являться параллельными.
Рис. 1. Функциональная схема интеллектуально-адаптивной системы управления в помещении (а) и структурная схема системы (б) с двумя контурами стабилизации: ВД — воздуховод; К Л — воздушный клапан; ВН — воздухонагреватель; ОК — оросительная камера;
ВР — вентилятор; РО — регулирующий орган; ПОМ — помещение;
РЕГ — регулятор
Для корректной работы интеллектуально-адаптивной системы автоматического поддержания параметров микроклимата требуется оценивать статические и динамические характеристики помещения как объекта стабилизации температуры. Математическое описание процесса осложнено рядом факторов. Рассмотрим их подробнее. Источники теплоты произвольным образом распределены в объеме помещения; места подачи воздуха тоже расположены произвольно; мощности источников и расходы воздуха в отдельных частях помещения не сбалансированы. Вследствие этого температура воздуха как регулируемый параметр оказывается распределенной сложным образом в объеме помещения. Особенно значительная неравномерность наблюдается в той части, откуда поступает приточная неизотермическая струя (обычно в верхней зоне). Источники теплоты в помещении лучисто-конвективные, при этом конвективная теплота поступает в воздух, а лучистая — на поверхность ограждений и оборудования. Плотность теплового потока на разных поверхностях неодинакова. Вместе с изменением температуры воздуха происходит изменение температуры ограждений и оборудования, зависящее от размеров и теплофизических характеристик материалов, периода колебаний температуры (в периодическом процессе). Оборудование может иметь достаточно сложную форму и представление его простейшим телом (пластиной, шаром или цилиндром) может привести к существенной погрешности. При некоторых возмущениях, таких как воздухоприток помещения ^пом и температура наружного воздуха ?нар изменяется как лучистая, так и конвективная теплота. При других воздействиях — управляющих, таких как температура приточного воздуха ?пр, и массовый воздухообмен GB — вносится только конвективная теплота. Описание конвективного теплообмена осложнено тем, что его интенсивность, оцениваемая коэффициентом теплообмена ак, переменная и может быть определена только приближенно, так как зависит от разных факторов. Из них наиболее существенны схема организации воздухообмена, вид струй по отношению к поверхности ограждений (настилающиеся, отрывные), форма струй (плоские, коноидальные, осесимметричные), кратность воздухообмена в помещении.
Помещение будем рассматривать как объект в сосредоточенных параметрах, поэтому уравнение теплового баланса будем составлять относительно температуры уходящего воздуха, принимаемой в общем случае не равной температуре в рабочей (обитаемой) зоне. Основные ограждения рассматриваются как пластины, в которых тепловой поток в продольном направлении отсутствует. Коэффициент теплообмена рассматривается как средний по площади ограждений. Теплофизические параметры ограждений и оборудования в рассматриваемом диапазоне температур постоянны.
В зависимости от физического характера возмущающих (при разомкнутой САР) и управляющих (при замкнутой САР) воздействий могут потребоваться как переходные, так и амплитудно-частотные характеристи-
ки помещения. Например, при работе регулятора могут возникать затухающие колебания. Периодически изменяются отдельные составляющие тепловой нагрузки, температура наружного воздуха. Те же составляющие и солнечная радиация могут меняться неупорядоченно (иначе стохастически).
Рассмотрим характерное управляющее воздействие — температуру приточного воздуха - и составим исходное уравнение теплового баланса за малый отрезок времени d т
где dQпp, dQвн, dQyx, dQогp, dQоб и dQв — соответственно количество теплоты, поступающей с приточным воздухом, выделяемой источниками и уходящей с воздухом в ограждения и оборудование и идущей на повышение температуры воздуха в помещении.
При рассматриваемом управляющем воздействии возмущение в виде переменного количества теплоты будет поступать конвективным путем. Каждое из слагаемых уравнения теплового баланса помещения (1) может быть записано отдельно.
Наибольшие сложности связаны с выражением количества теплоты, поглощаемой ограждениями и оборудованием. При использовании граничных условий третьего рода можно записать.
Приближенно будем полагать, что температура внутренней поверхности будет изменяться экспоненциально при скачкообразном изменении температуры воздуха. Тогда справедливы уравнения.
где Когр Коб — коэффициенты передачи для поверхностей ограждения и оборудования как звена САР (для оборудования он равен единице); Тогр, Тоб — постоянные времени для поверхности ограждений и оборудования. Эти величины определяются по формулам:
(2)
^у^орг УЛв± орг\1ух 1в.пов;'Л
^об ~ ав^об (ух — 1в.пов )й^.
(3)
(4)
К =
Корг
п-1
1 + аокр / ав (1 — В *окр )
окр ' ^юкр
Тогр = (ср'^>')огр / аокр + ав (1 — В^окр )
Тогр = (сР^)об / 2ав.
Значение ав при отсутствии данных можно принять приближенно в зависимости от кратности воздухообмена и вида струй по данным [2]:
0 7
ав»(1^2) Кр ’ , где коэффициент, равный единице, принимают при отрывных струях, а равный двум — при настильных.
После решения систем уравнений (1)—(4) с помощью преобразования Лапласа оказалось, что динамические свойства помещения зависят от кратности воздухообмена Кр, обобщенного размера помещения /у как отношения объема помещения Упом к площади поверхности ограждений и оборудования ¥, статических и динамических характеристик ограждений и оборудования.
При управляющем воздействии — изменении температуры приточного воздуха — для реальных значений Кр, /у, Когр и Тогр получена передаточная функция помещения в виде
Тогрр+1
^ (р) = г+, к,юм .
Тр +1
Этой передаточной функции соответствует апмлитудно-частотная характеристика (АЧХ)
А(ш) = К„т(^1 + Т2тр ш2 ] / (1 + Т2 ш2) =
Г / П—1
= К Т / Т
Т/ЧП ГЛОУЛ ' Т
1 + ав/ (срвРвККр)
Кривая переходного процесса изменения температуры воздуха в помещении показана на рис. 2. В ее начальной части изменение температуры происходит быстро. Это объясняется тем, что поступающая в помещение теплота идет на изменение температуры воздуха в объеме помещения и не аккумулируется ограждениями и оборудованием. Последнее ста-
2
новится заметным при значении критерия Фурье Б о = ат / И > 0,2, что
2
соответствует времени т > 0,2И / а.
Скорость изменения температуры в начальной части кривой зависит от интенсивности вентилирования помещения, характеризуемой кратностью воздухообмена Кр. Этот отрезок времени по литературным данным
составляет (3 ^ 4) К—1.
По мере аккумуляции теплоты ограждениями и оборудованием скорость изменения температуры воздуха замедляется и переходный процесс в помещении зависит от инерционных свойств ограждений (постоян-
ной времени Тогр, составляющей порядка десятка часов), поэтому теоретический конец переходного процесса достигается спустя несколько суток.
Рис. 2 Кривая переходного процесса изменения температуры воздуха в помещении: 1 - опытная кривая; 2 — теоретическая экспонента, Д&в'Уст-теоретически установившееся значение; Ж'в.уст — температура воздуха к моменту начала аккумуляции теплоты ограждениями
На кривой переходного процесса изменения температуры в помещении обычно наблюдаются две части. В начальной части процесс изменения температуры происходит быстро. Затем, спустя несколько часов, в кривой происходит некоторый перелом, и рост температуры замедляется, что объясняется аккумуляцией теплоты ограждениями и оборудованием. Верхним пределом инерционности помещения является постоянная времени ограждения (порядка десятка часов).
Свойства помещения при колебаниях высокой частоты можно аппроксимировать апериодическим звеном первого порядка с коэффициентом передачи Кпом и постоянной времени Тпом
Тпом - 2у]Т (Т - Тогр ) - Т; Кпом - 1 + Могр (1 - Когр )
где
Т -
югр
Кр (1 + Могр ) + Тогр ! / (1 - КвКорг )
огр
}
в орг
Кв - (1 + М-1 )-1;
Могр -ав / срвгв 1УК
‘-в Vх ■ ^г^орг; 5 ^'^огр ^в ' ^рвгв^у*^р-
Помещение как объект регулирования температуры может «работать» на существенно различных частотах колебаний возмущающих и управляющих воздействий. Колебания с периодом порядка десятка минут характерны для работы автоматического регулятора. Периоды от нескольких минут до часов характерны для изменения составляющих тепловой нагрузки помещения. Генерирование колебаний с периодом 1-3 ч происхо-
1
I
дит в помещениях, где требуется создать динамический температурный режим. Изменение солнечной радиации, если оно упорядоченно, имеет суточный период. В разложении хода температуры наружного воздуха наибольшие амплитуды приходятся на период «сутки» и «год».
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) помещения как объекта стабилизации температуры показана на рис. 3. При низких частотах колебаний (ю> 0) АЧХ приближается к коэффициенту передачи Кпом- На промежуточных частотах АЧХ помещения меняется; при определя-
ется выражением А(ю) = КпомТогр / Т. Ограждения и оборудование учитывают в пределах толщины, определяемой слоем резких колебаний Я8Х= 1, где £т - коэффициент теп- лоусвоения материала при периоде т.
Д(ю)п
Кппьл
К - 7~огр
''пом— у
' ----------------------------------------►
о <°
Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика помещения как объекта стабилизации температуры
Таким образом, в задачах, где периоды колебаний малы, можно пренебрегать инерционностью ограждений. В этом случае переходный процесс характеризуется постоянной времени, обратной кратности воздухообмена.
Список литературы
1. Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха/ Е.С. Бондарь, А.С. Гордиенко, В.А. Михайлов, Г.В. Нимич / под общей редакией Е.С. Бондаря. К.: ТОВ «Видавничий будинок Авантпост-Прим» 2005. 560 с.
2. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции: учеб. для вузов/ А. А. Калмаков, Ю.Я. Кувшинов, С. С. Романова, С. А. Щелкунов; под ред. В.Н. Богословского. М.: Стройиздат, 1986. 469 с.
3. Гусев В.М., Ковалев Н.И., Попов В.П., Потрошков В.А. Теплотехника, отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: уч. для вузов. М: Стройиздат, 1981. 343 с.
4. Мухин О.А. Автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции: уч. для вузов. Минск: Высшая школа, 1986. 304 с.
94
5. Фаликов B.C., Витальев В.П. Автоматизация тепловых пунктов. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1989. 255 с.
Ершов Сергей Викторович, канд. техн. наук, проф., доц., erschov.serrg@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сергеева Татьяна Евгеньевна, инженер, kafelenearambler.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет
MA THEMA TICAL MODELLING OF PARAMETERS OF THE PREMISES IN THE
INTELLECTUAL - ADAPTIVE SYSTEMSAUTOMATIC CONTROL OF THE
MICROCLIMATE
S. V. Ershov, T.E. Sergeeva
Methods and models modeling microclimatic parameters of the premises, which apply the system of automatic control of parameters of the microclimate are considered. The methodology of modeling laid combined method of control of parameters of microclimate in premises.
Key words: heat supply, microclimate, heating, ventilation, engineering.
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, er-schov. serrga.mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sergeeva Tatiana Evgenyevna, engineer, kafelene®,rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University.
УДК 621.833
МНОГОКАНАЛЬНАЯ СХЕМА ЗАЩИТЫ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В НАГРУЗКЕ НА БАЗЕ РЕЛЕ НАПРЯЖЕНИЯ
В.М. Степанов, А.О. Казаков
Рассмотрены преимущества использования реле напряжения для защиты цепей питания постоянного тока от короткого замыкания в нагрузке. Авторами разработана оригинальная схема защиты двухполярного блока питания и защита нескольких питающих цепей от короткого замыкания в нагрузке.
Ключевые слова: реле, цепь питания, постоянный ток, оперативный ток, короткое замыкание.
Для защиты электронных устройств от короткого замыкания в нагрузке используют плавкие вставки - предохранители. Данный способ защиты достаточно дешев, но имеет ряд существенных недостатков. Главные из них, это низкое быстродействие из-за высокой тепловой инерции
95
