CC BY
31
Физико-математические науки
УДК 51-74
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА
Федорова Ирина Алексеевна
Старший преподаватель кафедры Математики и информатики Красноярского государственного аграрного университета Ачинский филиал Россия, город Ачинск
Аннотация: в статье рассмотрена проблема разработки и создания информационной системы для регулирования параметров микроклимата в теплице, решающей ряд задач, объединенных в подсистемы: диаграммы, отчет, сведения об изменении температуры в теплице. Это позволит в любой момент времени создать такую совокупность условий, которая бы обеспечила оптимальное значение критерия эффективности.
Ключевые слова: теплица, информационная система, параметры микроклимата, график, диаграмма, отчет.
A DESIGN OF THE ENERGYEFFECTIVE SYSTEMS OF AUTOMATIC CONTROL IS
IN BUILDING OF THE PROTECTED SOIL
Fedorova Irene Alekseevna
Senior teacher of department of Mathematics and informatics Krasnoyarsk state agrarian university Achinsk branch Russia, the city of Ачинск
Abstract: In the article the problem of development and creation of the informative system is considered for adjusting of parameters of microclimate in a hothouse, decision the row of the tasks incorporated in subsystems : diagrams, report, information about the change of temperature in a hothouse. It will allow at any moment to time to create such totality of terms, that would provide the optimal value of criterion of efficiency.
Keywords: hothouse, informative system, parameters of microclimate, chart, diagram, report.
Первым шагом к разработке системы автоматического управления температурным режимом в теплице является выявление математических моделей, т.е. выражений, определяющих связь между параметрами окружающей среды и выбранными критериями эффективности процесса [1, 2].
Каким бы сложным ни был выбранный критерий, математическая модель должна установить влияние факторов среды на урожайность, расход энергии, материальных ресурсов, эффективность труда обслуживающего персонала. Если энергетические затраты можно определить из условий теплового баланса, то для учёта влияния условий окружающей среды на биологические объекты нужно иметь достаточно достоверные математические модели продуктивности. Для получения
таких моделей необходимы постановка большого числа экспериментов и обработка полученного материала. Эксперименты могут быть активными, поставленными в фитотронах по планам второго порядка, и пассивными, выполненными путём непрерывного фиксирования значений параметров среды в процессе эксплуатации помещений.
Как было уже сказано, важнейшую группу ЭССАУ составляют системы, обеспечивающие оптимум какого-то заранее выбранного критерия. Экономия энергетических ресурсов является мощным средством снижения себестоимости сельскохозяйственной продукции, а сэкономленная энергия может быть использована для увеличения производства сельскохозяйственной продукции. Используя критерий удельных энергозатрат, можно получить самую дешевую с точки зрения потребления тепла сельскохозяйственную продукцию. Условие минимума энергозатрат имеет вид
2 / П ^ шт. (1)
В дальнейшем под 0 будем понимать затраты энергии на выполнение технологического процесса. Величину технологического расхода энергии, как правило, определяют из уравнения теплового баланса сельскохозяйственного сооружения:
т
2 = - /4 - 2з )Т, (2)
о
где - количество энергии, поступающей в теплицу в единицу времени за счёт радиации; к -коэффициент тепловых потерь; 14 - температура наружного воздуха, °С. 0з=яз8зпз, (3)
где Бз -площадь, занимаемая теплицей, м2; дз - поток солнечной радиации, кВт/м2; пз -коэффициент, характеризующий прозрачность ограждения теплицы (стекла, плёнки); К=Ко+К11ф2+К22У1+К12ф2У1, (4)
где Ко, К11, К22, К12 - постоянные коэффициенты, определяемые экспериментально; У1 -скорость ветра, м/с; ф2 - относительная влажность наружного воздуха, %;
Теперь введем понятие дискретного промежутка времени Ах. При моделировании можно сделать допущение, что в любые равные по величине промежутки времени, на которые можно разделить весь период выращивания растений формируется равная часть урожая. В течение этого промежутка времени величины У1, ф2, 11, 14, дз можно считать постоянными. Тогда количество энергии, поступающее за этот промежуток времени в теплицу:
А0=(К(11- 14)Б- 0з)Ат, (5)
где Б - площадь ограждения теплицы, м2. Условие минимума энергозатрат д примет вид: Д0/ДП=д~*1шп, (6)
где АО - затраты энергии на обогрев теплицы за промежуток времени Ат; АП - продуктивность растений за этот же промежуток времени; Ат - величина дискретного промежутка времени, в течение которого возмущение практически постоянно, принимается на порядок выше величины постоянной времени объекта регулирования, то есть теплицы, по каналу быстродействующего возмущения.
Значение величины этой постоянной времени 10...15 минут получено экспериментальным путём в разработках кафедры автоматики ЧГАУ [1]. Поэтому величина Ат принимается равной 1.1,5 минуты.
К косвенным показателям продуктивности относятся интенсивность видимого фотосинтеза Ф и темнового дыхания Б. Между Ф и АП можно предложить зависимость: АПl=КlФАтSз, (7)
зависимость продуктивности от темнового дыхания: АП2=К2ФАтSз, (8)
где К1 и К2 - соответственно коэффициенты продуктивности являются функциональными зависимостями от возраста растений.
Исследование эффектов взаимодействия между всеми изучаемыми факторами среды возможно при использовании квадратичных полиномов для дневного и ночного периода [1, 2]. Для дневного периода (интенсивность фотосинтеза):
Ф=Аo+АlЕl+А2t2+АзТ2+А4Tl+А5T2+А6фl+АllЕl+ЕlАl2tl+АlзЕlТ2+Аl4ЕlTl+Аl5ЕlT2+Аl6Еlфl+А22tl +А23tlT2+А24tlTl+А25tlT2+А26tlф1+АззT2+Аз4TlТ2+Аз5Т2T2+Аз6Т2ф1+А44Tl+А45TlT2+А46Tlф1+А55T2+А56T
2Ф1+А66Ф1; (9)
для ночного периода (интенсивность дыхания):
D=Вo+ВlЕ2+В2Тl+Взt2+В4Tl+В5T2+В6ф1+ВllЕ2+Вl2Е2Тl+ВlзЕ2t2+Вl4Е2Tl+Вl5Е2T2+Вl6Е2ф1+В22Тl+ В2зТlt2+В24ТlTl+В25ТlT2+В26Тlф1+Вззt2+Вз4t2Tl+Вз5t2T2+Вз6t2ф1+В44Tl+В45TlT2+В46Tlф1+В55T2+В56T2ф1 +В66Ф1; (10)
где А0.. .А66, В0.. .В66 - коэффициенты регрессии; Ф, D - интенсивность видимого фотосинтеза и темнового дыхания мг СО2/дм2ч; ^ - температура воздуха внутри теплицы днём, °С; t2 -температура воздуха внутри теплицы ночью, °С; Т2 -среднеарифметическое значение температуры воздуха в теплице за истекшую ночь, °С; Е1 - текущее значение освещённости в теплице, клк; Е2 -среднеарифметическое значение освещённости за истекший день, клк; Т1 - длительность фотопериода (продолжительность светового дня), ч; Т2 - возраст растения, сут.; ф1 - влажность воздуха в теплице, %.
Математические модели вида (9) и (10) позволяют определить величину видимого фотосинтеза или темнового дыхания конкретного сорта для различных условий среды. С их помощью можно рассчитать сочетания факторов среды, обеспечивающие максимум видимого фотосинтеза, в том числе и при наличии таких факторов, как освещенность в начале и конце фотопериода при отсутствии искусственного освещения.
Для осуществления автоматического управления каким-либо технологическим процессом необходимо выбрать алгоритм функционирования системы, т.е. совокупность предписаний, определяющих характер изменения управляемой величины в зависимости от воздействий. В связи с тем, что в математическую модель продуктивности входят факторы, изменяющиеся во времени случайным образом (освещённость, длительность фотопериода, влажность воздуха и т.д.), система управления по алгоритму функционирования может быть либо следящей, либо самонастраивающейся.
Используя критерий удельных энергозатрат, можно получить самую дешёвую с точки зрения потребления тепла сельскохозяйственную продукцию. Математические модели интенсивности фотосинтеза и темнового дыхания в общем виде получены и описаны ранее. Таким образом, для дневного периода суток вычисляемый критерий удельных энергозатрат примет вид [1]: ql=(K(tl-t4)S-qзnзSз)/klФSз . (11)
для ночи:
q2=(K(tl-t4)S)/kDSз. (12)
Минимум критерия удельных энергозатрат обеспечивается при:
dq/dt=0 (13)
Для определения температуры, оптимальной по критерию удельной энергоёмкости, необходимо исходить из условия (3.12). Тогда условие оптимума: d(ДQ/ДП)/dt=0, (14)
для дня:
d(ДQ/(К1S3ДтДФ))/dt=0 (15)
дифференцируя дробь в выражение (3.16), получим: ((ДQ)ДФ-(ДФ)ДQУ((ДФ)К1ДTS3)=0 (16) Подставляя (12), (14) в (16), имеем:
(10(dДQ/dt)10ln Ш(А2+А12Е1+А23Т2+А24Т1+А25Т2+А26ф1+2А22^)/10=0, (17) то есть:
dДQ/dtln10(А2+Аl2Еl+АlзТ2+Аl4Tl+А25T2+А26фl+2А22tl)ДQ=0, (18) дифференцируя, получим: dQ/dt=kSДт, (19)
подставим в (18), и получим уравнение:
К8= 1п10(А2+А12Е1+А2зТ2+А24Т2+А25Т2+А2бф1+2А2211)(к(11-14)Б-дзБзПз). (20) После упрощений и сокращений, располагая элементы уравнения (20) по степеням 11, получим: 11+((А2+А12Е1+А2зТ2+А24Т1+А2512+А26ф1)2А22-(14+(БздзПз)БК)11-1/(2А221п10)-(Л2+Л12Е1+А2зТ2+А24Т1+Л25Т2+Т2+Л26ф1)(14+(БздзПз)(БК))2Л22=0 (21)
Отношение (БздзПз)(БК) определяет изменение температуры в теплице благодаря солнечной радиации, тогда:
15=14-(Бздзпз)(БК), (22)
естественная температура воздуха в теплице, т.е. температура, которая устанавливается при отсутствии дополнительного обогрева. После подстановки (17) и (21) в (22) получим вид: 11+(121+15)11-1/(2Л221п10)+12115=0 (2з)
решение уравнения (2з) даёт:
1з1=(121+15)/2+(121-15)/4+1/2Л221п 10), (24)
Из выражения (16), (23) и (24) следует, что оптимальная по энергоёмкости температура помимо указанных выше параметров микроклимата в теплице (Е1,Т2,Т1,ф1) и возраста растений т2, зависит также от солнечной радиации дз, прозрачности ограждения пз, коэффициента тепловых потерь К, который в свою очередь зависит от скорости ветра У1 и относительной влажности наружного воздуха ф2.
Для ночного периода условие минимальной энергоёмкости имеет вид:
ё(А0/(К1БзАтАБ))/ё1=0, (25)
откуда:
(А0)Б-БА0=0, (26)
Подставляя в (26) значения (АО), Б и учитывая, что в ночное время 0з=0, получим: К101п10(Бз+Б1зЕ2+Б2зТ1+Бз4Т1+Бз5Т2+Бзбф1+Вз7Т5+2Бзз12)(12-14)=0, (27) после упрощения и сокращения получим:
12+((Вз+В1зЕ2+В2зТ1+Вз4Т1+Вз5Т2+Взбф1+Вз7Т5+2Взз12)/(2В33)-14)12-1/(2Бзз1п10)-4(Бз+Б1зЕ2+Б2зТ1+Бз4Т1+Бз5Т2+Бзбф1+Бз7Т5+2Бзз12)/(2Бзз)=0, (28) 12-(122-14)12-1/(2Б221п 10)+12214=0, (29)
решением уравнения (29) будет: 1з2=(122+14)/2(122-14)/4+ 1/(2Бзз1п 10) (з0)
Из выражения (30) и (20) следует, что оптимальная по энергоёмкости температура зависит как от параметров микроклимата в теплице (Е2, Т1, Т1, ф1), возраста растений и относительного времени суток Т2, так и от наружной температуры 14. [6]
Автоматизация расчета теплового баланса предполагает проектирование и создание информационной системы и разработку алгоритмов оптимизации энергопотребления.
Под средствами проектирования информационных систем (СП ИС) понимают комплекс инструментальных средств, обеспечивающих в рамках выбранной методологии проектирования поддержку полного жизненного цикла (ЖЦ) ИС, который включает в себя, как правило, стратегическое планирование, анализ, проектирование, реализацию, внедрение и эксплуатацию. Каждый этап характеризуется определенными задачами и методами их решения, исходными данными, полученными на предыдущем этапе, и результатами. При анализе СП их следует рассматривать не локально, а в комплексе, что позволяет реально охарактеризовать их достоинства, недостатки и место в общем технологическом цикле создания ИС.
В общем случае стратегия выбора средств проектирования для конкретного применения зависит от следующих факторов:
характеристик моделируемой предметной области;
целей, потребностей и ограничений будущего проекта ИС, включая квалификацию участвующих в процессе проектирования специалистов; используемой методологии проектирования.
Тенденции развития современных информационных технологий приводят к постоянному возрастанию сложности ИС, создаваемых в различных областях экономики. Современные сложные ИС и проекты, обеспечивающие их создание, характеризуются, как правило, следующими особенностями:
сложность предметной области (достаточно большое количество функций, объектов, атрибутов и сложные взаимосвязи между ними), требующая тщательного моделирования и анализа данных и процессов;
наличие совокупности тесно взаимодействующих компонентов - подсистем, имеющих свои локальные задачи и цели функционирования;
иерархическую структуру взаимосвязей компонентов, обеспечивающую устойчивость функционирования системы;
иерархическую совокупность критериев качества функционирования компонентов и ИС в целом, обеспечивающих достижение главной цели - создания и последующего применения системы;
отсутствие прямых аналогов, ограничивающее возможность использования каких-либо типовых проектных решений и прикладных систем;
необходимость достаточно длительного сосуществования старых приложений и вновь разрабатываемых БД и приложений;
наличие потребности как в традиционных приложениях, связанных с обработкой транзакций и решением регламентных задач, так и в приложениях аналитической обработки (поддержки принятия решений), использующих нерегламентированные запросы к данным большого объема;
поддержка одновременной работы достаточно большого количества локальных сетей, связываемых в глобальную сеть масштаба предприятия, и территориально удаленных пользователей;
функционирование в неоднородной операционной среде на нескольких вычислительных платформах;
разобщенность и разнородность отдельных микроколлективов разработчиков по уровню квалификации и сложившимся традициям использования тех или иных инструментальных средств;
существенная временная протяженность проекта, обусловленная, с одной стороны, ограниченными возможностями коллектива разработчиков, и, с другой стороны, масштабами организации-заказчика и различной степенью готовности отдельных ее подразделений к внедрению ИС.
C# - компилируемый статически типизированный язык программирования общего назначения. Поддерживая разные парадигмы программирования, сочетает свойства как высокоуровневых, так и низкоуровневых языков. В сравнении с его предшественником — языком C, — наибольшее внимание уделено поддержке объектно-ориентированного и обобщённого программирования. Название «С#» происходит от языка C, в котором унарный оператор # обозначает инкремент переменной.
Являясь одним из самых популярных языков программирования, C# широко используется для разработки программного обеспечения. Область его применения включает создание операционных систем, разнообразных прикладных программ, драйверов устройств, приложений для встраиваемых систем, высокопроизводительных серверов, а также развлекательных приложений (например, видеоигры). При создании C# стремились сохранить совместимость с языком C. Множество программ, которые могут одинаково успешно транслироваться как компиляторами C, так и компиляторами C#, довольно велико — отчасти благодаря тому, что синтаксис C# был основан на синтаксисе C.
Программное изделие должно иметь доступный интерфейс, быть независимо от среды программирования, обеспечивать ввод и вывод данных, быть совместимо с современными версиями операционных систем семейства Windows, содержать помощь пользователю. Кроме того, изделие должно обеспечивать:
- работу с различными входными данными;
- корректность и точность вводимых данных;
- простоту в использовании;
- графическое представление результатов работы;
- открытость для дополнения другими функциями
- сохранение результатов расчета автономно от программы.
Работа с подсистемами программного обеспечения сводится к работе с формами. Каждая подсистема имеет одну или несколько форм для работы. Так подсистема «Диаграммы» имеет одну единственную рабочую форму, а подсистема «Справочники» имеет четыре формы.
Разработанная информационная система решает ряд вышеописанных задач, которые объединены в подсистемы: справочники, диаграммы, расчеты.
Обычно применяемый метод расчета теплового баланса исходит из основных заданий (расчет теплопотерь, теплового потока, мощность систем отопления) и использует ряд величин и формул из практики проектирования систем обеспечения микроклимата растениеводческих помещений.
Допустим, в автоматизированную информационной системе находятся сведения об изменении температуры внутреннего воздуха в теплице. Открываем рабочую форму, переходим по вкладке «Время» и «Месяц» и получаем данные, которые отображаются на графиках. На рисунке 1 представлена рабочая форма «Отчет».
Выберите диаграмму
[ Месяц ] | День
Рисунок 1 - Рабочая форма «Отчет»
После проведения расчета данные отображаются на экране (рисунок 2). *
Выходные данные
Теплопотери через почву 34,76
Тепловой поток, расходуемый 330.05 на испарение влаги из почвы
Тепловой поток излучения 144.53 поверхности почвы
Тепловой поток излучения на 69.64 наружной поверхности ограждения
Конвективный тепловой поток на 70,55 наружной поверхности ограждения
Тепловой поток, затрачиваемый на 1.4 подогрев вентиляционного воздуха
Тепловая мощность системы 75.35 обогрева
Общая мощность системы отопления 8198.35
Суммарная площадь поверхности труб 452,95 обогрева
Общая длина греющих труб 1887.28
Тепловой поток от подпочвенного 373,29 обогрева
Необходимая длина труб системы 45,29 обогрева
Созранитъ в Файл
Рисунок 2 - Вывод данных Аналогичным образом осуществляется построение диаграмм и графиков. Следует также отметить, что в подсистеме «Диаграммы» решается такая задача, как построение графиков зависимости мощности систем отопления и графиков температур за выбранный месяц. На рисунке 3 приведена рабочая форма «Диаграмма».
Рисунок 3 - Рабочая форма «Диаграмма» Кратко опишем процедуру построения диаграммы по исходным температурным параметрам. Процедура обращается к рабочей форме «Расчет» и отыскивает параметры для конкретного здания - и «запоминает» их. Далее возвращается в таблицу «Расчеты» и затем в поле «Построить диаграмму/график» строит диаграмму для конкретного расчета.
Рисунок 4 - Построение диаграммы общей мощности Автоматизированная информационная система по расчету и выбору системы обеспечения микроклимата для помещения теплицы предназначена для ведения учёта теплоутилизаторов, контроля электроэнергии, проведения расчетов, формирования необходимых диаграмм, графиков и отчетов.
Системные требования для сервера.
а) операционная система не ниже Windows NT 4.0 SP5,
б) оперативная память от 256 Mb,
в) свободное место на жестком диске не менее 400 Mb,
г) процессор не ниже Pentium III с частотой от 500 Mg,
д) открытые порты 1433 на вход и выход. Системные требования для программы клиента.
а) операционная система Windows 98 SE/NT/2000/XP,
б) оперативная память от 256 Mb,
в) свободное место на жестком диске не менее 20 Mb,
г) процессор не ниже Pentium III с частотой от 500 Mg,
д) Microsoft Visual Studio 2008.
Список литературы:
1. Попова С.А. Энергосберегающая система автоматического управления температурным режимом в теплице: Диссертация к.т.н. - ЧГАУ 1995.
2. Изаков Ф.Я., Попова С.А. Энергосберегающие системы автоматического управления микроклиматом. - ЧГАУ 1988. - 52 с.
3. Рысс А.А., Гурвич Л.И. Автоматическое управление температурным режимом в теплицах. -М.: Агропромиздат, 1986.
4. Беликов Ю.М. Автоматизация управления микроклиматом в тепличных комбинатах. Техника в сельском хозяйстве №1, 1984.
5. Толстой, А.Ф. Повышение эффективности тепловых процессов в системах защищенного грунта. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Москва, 2001.
6. Цугленок Н.В, Долгих П.П., Кунгс Я.А. Энергетическое оборудование тепличных хозяйств / Учебное пособие. КрасГАУ, Красноярск, 2001- 139 с.
7.Пустыгин А.Н. Повышение эффективности энергосберегающей системы автоматического управления температурным режимом в теплице путем улучшения характеристик чувствительности и точности регулирования. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Челябинск, 2004.
