CC BY
65
емого переменного облучения как энергоэкономич- высокий уровень накопления фотосинтезирующих пиг-
ный технологический прием, мы предлагаем циклич- ментов и на этом фоне интенсивный фотосинтез.
но, в соответствие с изменением уровня облученнос- Освоение инновационной концепции в овощеводстве
ти, оптимизировать в течение дня параметры микро- защищенного грунта позволит сократить сроки выращи-
климата теплиц [5]. вания рассады овощных культур на 20...25 % с одновре-
Сущность энергоэкономичной стратегии регулиро- менным повышением ее качества. Более качественная
вания, например, параметров воздушной среды, по из- рассада обеспечивает ранний и высокий урожай (приложенным критериям представлены функциональной бавка составляет в среднем 15.20 % [7].
схемой (рис. 2) и временной графической зависимос- Режим переменного освещения растений снижает тью параметров среды (рис. 3) [6]. расход электроэнергии на освещение растений, по срав-
Возможные изменения концентрации фотосинтези- нению с традиционным режимом досвечивания, на
рующих пигментов (б) и интенсивности фотосинтеза (в), 38.40 % [2].
если бы значения М2 уровней факторов внешней среды Выводы. Реализация предлагаемой инновацион-
(а) не изменяли до значения M1 после достижения фо- ной концепции регулирования параметров микроклиматосинтезом значения Ф2 (см. рис. 3) показаны штрихо- та позволит значительно сэкономить тепловую и элект-
выми линиями [6]. рическую энергии. При этом повышается качество рас-
Таким образом, для оптимизации параметров мик- сады и, следовательно, увеличивается урожайность ра-
роклимата теплиц необходим не один, а два критерия: стений защищенного грунта.
Литература.
1. Шарупич Т.С., Шарупич В.П. Технологии финансирования, энергосбережения, выращивания и строительства в защищенном грунте России. Учебник для вузов. - Орел: «Труд», 2005 г. - 276 с.
2. Молчанов А.Г., Авдеева В.Н. Инновационная технология выращивания тепличных овощных культур. // Инновации агарной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения/ Ставропольский государственный агарный университет. - Ставрополь: АГРУС, 2008. - С.83-86.
3. Леман В.М. Курс светокультуры растений. - М.: Высшая школа, 1976. - 272 с.
4. Мошков Б.С. Выращивание растений при искусственном освещении. - Л.: Колос, 1966. - 287 с.
5. Молчанов, А.Г., Авдеева В.Н. Регулирование облученности растений защищенного грунта // Физико-технические проблемы создания экологически чистых технологий в АПК: сборник по материалам V Российской научно-практической конференции / Ставропольский государственный агарный университет. - Ставрополь: АГРУС, 2009. - с. 3-6.
6. Пат. 2233577 Российская Федерация, МПК 7 A01G7/00. Способ регулирования факторов внешней среды при выращивании растений / Молчанов А.Г.; заявитель и патенообладатель Ставропольский государственный аграрный университет (RU). - № 2003110600/12; заявл. 14.04.2003; опубл. 10.08.2004, Бюл. № 22.
7. Молчанов А.Г. Результаты производственной проверки способа переменного облучения растений // Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства. Сборник научных трудов / ССХИ - Ставрополь, 1986. - С.18-24.
INNOVATIVE CONCEPT OF ENVIRONMENTAL FACTORS REGULATING PLANT
I.G. Minaev, A.G. Molchanov, V.V. Samoylenko
Summary. Conceptually the new direction of researches in the field of optimization factors of an inhabitancy of the glasshouse plants, offered in article, is perspective for creation enengysaving technologies of cultivation of vegetable cultures of the protected ground. Develop and introduce new technologies to implement the proposed concept would improve the quality and quantity of products manufactured in plants covered ground. Innovative technology will save up to 40% of the thermal and electrical energy while increasing the efficiency of plants up to 20%.
Key words: greenhouse, energy-saving technology, photosynthesis, microclimate, illumination.
УДК 681.5(06)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОРРЕКТНОСТИ И КАЧЕСТВА НАСТРОЙКИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ В ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ СИСТЕМАХ АПК
А.Б. ЕРШОВ, кандидат технических наук, доцент И.В. АТАНОВ, кандидат технических наук, доцент Ставропольский ГАУ E-mail: [email protected]
Резюме. Рассмотрены вопросы обеспечения корректности и качества настройки микропроцессорных ПИД-регуляторов на примере системы регулирования температуры приточного воздуха в свинарнике-откормочнике на 2176 мест.
Ключевые слова: система автоматического регулиро-60 ----------------------------------------------
вания (САР), микропроцессорный пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регуля-тор), корректность настройки, качество настройки, автонастройка ПИД-регулятора.
Сегодня практически не оспаривается тот факт, что будущее в развитии и совершенствовании технических систем агропромышленного комплекса (ТС АПК) принадлежит микропроцессорным системам промышленной автоматики. Уникальные возможности цифровой техники уже сейчас подняли на качественно новый уровень процессы сбора, обработки, представления и хранения __ Достижения науки и техники АПК, №09-2010
информации. Однако в вопросах качества управления в ТС АПК прогресс оказался гораздо скромнее. Несмотря на растущее внимание к этой проблеме на практике наблюдается явное недоиспользование возможностей цифровой техники [1]. Среди большого количества разнообразных причин таких обстоятельств следует выделить одну, которую можно считать традиционной. Речь идёт о хронически низком качестве настройки регуляторов в замкнутых системах автоматического регулирования (САР) [2, 3]. Практика показывает, что работу подавляющего большинства систем управления высокотехнологичных ТС АПК можно существенно улучшить без каких-либо дополнительных затрат на модернизацию только путем грамотной настройки регуляторов и её оптимизации. Это означает, что пользователи ТС АПК несут неоправданные потери из-за снижения производительности оборудования, качества продукции, повышенного расхода сырья и энергоресурсов.
Заставить автоматику корректно и эффективно работать - задача непростая даже для специалистов. Причина в том, что традиционные инженерные методики настройки регуляторов либо чрезмерно трудоёмки, либо не обладают необходимой точностью. Как правило, грамотное их применение позволяет обеспечить корректную работу САР, но не гарантируют её качества. Задачу определения рациональных настроек регуляторов дополнительно усложняют различия в программной реализации законов управления у разных производителей. В результате при одинаковых настройках в одних условиях они обеспечивают различное качество работы САР В первую очередь это относится к ПИД-регуляторам (РЮ - Ргоро111опа1-!п1едга1-Оепуа11уе).
В последние годы принято считать, что наилучшее решение - это передача функций выбора параметров настройки самим цифровым регуляторам. С этой целью разрабатываются алгоритмы их автонастройки. К сожалению, в силу сложности проблемы известные алгоритмы «срабатывают» (то есть завершаются выдачей результата) на ограниченном классе объектов управления. Ещё более узок круг объектов, на которых эти алгоритмы приводят к рациональному (качественному) результату. Среди наиболее сложных следует выделить проблему обеспечения процесса программного регулирования, имея ввиду регулирование программно заданного, то есть изменяющегося по какому-либо закону, параметра объекта регулирования. Всё изложенное свидетельствует о том, что проблема настройки регуляторов в САР высокотехнологичных ТС АПК ещё не нашла своего окончательного решения.
Цель наших исследований - определить условия корректности и качества настройки микропроцессорных ПИД-регуляторов в замкнутых системах автоматического регулирования при больших скоростях изменения функции управляющего воздействия.
Условия, материалы и методы. Мы решили рас-мотреть теоретические аспекты процедуры корректной настройки параметров ПИД-регулятора на примере системы микропроцессорного регулирования температуры приточного воздуха в свинарнике-откормочнике на 2176 мест выполненного по проекту института «Став-ропольагропромпроект» при участии североамериканской фирмы «ОБ! иБА».
Технология выращивания свиней, используемая на комплексе, заключается в создании оптимальных условий микроклимата для выращивания животных с использованием минимальных затрат энергии и ручного труда. Низкое энергопотребление обеспечивается благодаря использованию при строительстве (рекон-Достижения науки и техники АПК, №09-2010 ____
струкции) основных сооружений особых конструктивных решений и применения прогрессивной технологии воздухообмена в помещениях для содержания животных в зимний и летний периоды.
В соответствии с проектом [4] в зимний период наружный воздух поступает через приточные шахты в чердачное пространство свинарника-откормочника, частично подогревается и через пластиковые решётки в подвесном потолке попадает в обслуживаемое помещение. Там под потолком установлено по два газовых обогревателя на каждую секцию, с помощью которых в свинарнике поддерживается заданная температура.
В летний период наружный воздух поступает через ячейки охладительной системы. Выпускное отверстие каждой из них закрыто тяжёлой шторой, которая поднимается или опускается в зависимости от статического давления, создаваемого вентиляторами. Чем выше температура наружного воздуха, тем больше вентиляторов работает и тем ниже опущена штора, увеличивающая подачу воздуха.
При превышении температуры наружного воздуха предельно допустимого уровня, контроллер вводит в действие водяной насос. Горячий воздух, поступающий снаружи, охлаждается в охладительных ячейках до тех пор, пока внутренняя температура не опустится ниже +270С. Тогда насос выключается, а при необходимости цикл повторяется.
Результаты и обсуждение. Микроконтроллер в соответствии с заложенными в него программами обеспечивает формирование управляющих сигналов для большого количества вентиляторов, насосов и обогревателей. Для обеспечения его работы используется внешняя система, задачи которой сводятся к формированию информационных величин о состоянии внешней среды. Температуру воздуха измеряют датчики, полученные величины оцифровываются и поступают на внутриконтроллерные устройства сравнения измеренного (ТИЗМ) и заданного значения (ТЗАД) температуры. Диапазон изменения сигналов ошибки (пропорциональный диапазон) задаётся параметром настройки пропорциональной части ПИД-регулятора - коэффициентом регулирования пропорциональной части регулятора - кр=ли/е, где е- входное воздействие на регулятор, равное отклонению регулируемой величины от заданного значения, ли - воздействие регулятора на объект, направленное на ликвидацию отклонения регулируемой величины от заданного значения. При этом аналоговый сигнал на выходе буферизированного устройства управления (регулятора) имеет вид:
и(Ц=и + ке, (1)
Рис. 1. Структурная схема пропорционально-интегральной компоненты ПИД-регулятора.
где ио - сигнал на выходе устройства управления при е=0.
В цепи регулирования рассматриваемого контура регулирования установлен исполнительный механизм - электродвигатель привода трёхходового клапана. Это интегрирующее звено и его влияние уменьшается использованием обратной связи. Динамические свойства участка, охваченного обратной связью, не зависят от динамических свойств прямого участка, а определяются в основном динамическими свойствами звена обратной связи. Для повышения коэффициента передачи прямого канала отрицательной обратной связью охватывается и усилительное звено регулятора. Таким образом, рассматриваемая часть регулятора -это позиционер теоретически представляемый в виде схемы из последовательного соединения собственно П-регуля-тора и балластного звена с постоянной времени Т0.
Для исключения статической ошибки, образующейся при пропорциональном регулировании в регулятор введено интегральное звено. Структурная схема (рис. 1) пропорционально-интегральной составляющей регулятора реализует закон:
Таким образом, образуется система астатическая по отношению к задающему воздействию. При этом она может быть как статической, так и астатической по отношению к возмущающим воздействиям. Следовательно, для рассматриваемой системы наиболее существенны учёт величины и формы возмущающих воздействий, а также запаздывания сигнала в контуре цифрового регулирования. Кроме того, необходимо учитывать влияние квантования на качество работы системы.
С учётом изложенных обстоятельств мы предложили блок-схему и структурную схему системы регулирования (рис. 2).
є ► сри —► Щр)
1 м
\-ет’р * Щр) у >->
1 Т, Р
р
а)
б)
где ТИ3 - постоянная времени изодрома. Передаточная функция этой части регулятора имеет вид:
Рис. 2. Блок-схема рассматриваемой системы микропроцессорного регулирования (а) и соответствующая ей эквивалентная структурная схема (б).
Переходный процесс в рассматриваемой рабочей системе автоматического регулирования имеет вид, представленный на рис. 3, кривая 2).
Передаточные функции системы регулирования с цифровым контуром в цепи регулирования имеют вид: (2) разомкнутой системы -
Щ(г) = КТо7 ; (7)
г -1
замкнутой системы -
(р ) = к
ТИЗ Р + 1. ТИЗ Р
(3)
Ф (7) = -
Таким образом, регулятор имеет взаимосвязанные параметры настройки статической и астатической частей по коэффициенту усиления кр, так как при его изменении будет меняться и постоянная интегрирования:
Т
Т
■ - И к„
(4)
В выражении (3) наиболее существенно наличие в цепи регулирования интегрального звена. Поэтому такое выражение будет справедливым по крайней мере для медленных изменений ошибки [5].
Представив передаточную функцию разомкнутой системы регулирования в общем виде получим [5]:
Щ(Р) = Щрег (Р)Щ,(Р) = (р), (5)
Р
где Шре(р), - соответственно передаточные
функции регулятора и объекта регулирования.
В установившемся состоянии (р=0) передаточная функция стремится к бесконечности: Ш0(р)^^. В результате первая составляющая ошибки при задающем воздействии д=д0=оопв1 обращается в нуль. Вторая составляющая, определяемая наличием возмущающих воздействий /, может не обращаться в нуль, поскольку в установившемся состоянии её числитель также может стремиться к бесконечности.
Поэтому нужно найти предел выражения:
-ЕЪ____ (8)
7-1 + КТ0
При определения условий устойчивости, используя алгебраический критерий устойчивости, получим характеристическое уравнение замкнутой системы: г - 1 + КТ0 = 0, (9)
условие устойчивости:
КТ0 < 2- (10)
В к0ачестве входной величины для рассматриваемой цифровой системы следует принять единичную ступенчатую функцию е(^=1(^. Переходный процесс получим путём разложения изображений входной величины в ряд Лорана. Например, КТ=1 передаточная функция замкнутой системы равна:
Ф (7) =
КТ
7-1 + КТ„
(11)
изображение входной величины
х = - 1 іт „
уст р^0
Щ ( Р ) /о , (6)
'1 + Щ (Р)
где Wj(p) - передаточная функция системы по возмущающему воздействию.
При f=fо=coпst он может быть как равным нулю, так и отличным от нуля.
62 -----------------------------------------------------------
Рис. 3. Теоретические кривые переходных характеристик при настройке ПИД-регулятора: 1 - режим двухпозиционного регулирования (режим стандартной авто настройки); 2...4 - кривые переходного процесса в режиме ручной настройки; ґСБ1...ґСБ3 - моменты наступления сбоя в системе стандартной автонастройки.
__ Достижения науки и техники АПК, №09-2010
ИЗ 0
z [i(t )]=G( г) = ;
изображение выходной величины
1 г
Y (г) = Wz)G( г) = - ■ г
1
(12)
(13)
г г -1 г -1 Разложение последнего выражения в ряд Лорана посредством деления числителя на знаменатель:
1
1 1 1
= - + —г + —т + ... ■
г -1 г г2 г3
(14)
даёт следующие значения функции у на выходе в дискретные моменты времени: при 1=0 у=0, при = Т0 у=1; при 1=2Т0 у=1; при 1=3Т0 у=1 и далее при всех значениях (рис. 4 кривая 1).
АО
▲ / з\ j уУ
►
2 Г.
371 471 /
сек
Рис. 4. Переходные характеристики для рассматриваемой системы с контроллером в цепи регулирования: 1- КТ0=1; 2 - КТ0=0,5; 3 - КТ = 1,5.
Аналогично получен ряд Лорана для КТ==0,5 (рис. 4, кривая 2):
К (2) = 0,5- + 0,75 — + 0,875 \ + 0,93 75 -у + . . .. (15)
г г г г
Для случая КТ=1,5:
0 ) г ) = ) ,5 - + 0, 7 5 )~ + ) , 1 2 5 о)- + 0,83 70 -О. + . . ,. (16)
2 2' 2 2
Стандартная [6] процедура автонастройки параметров ПИД-регулятора предполагает изначальную программную установку режима двухпозиционного регулирования и по колебаниям измеренного сигнала (рис. 3, кривая 1) расчёт параметров ПИД-регулятора, а затем перевод в режим ПИД регулирования (рис. 4, кривая 2). Дли-
тельность настройки - один период колебаний в системе.
Предполагается, что найденные таким образом параметры сохраняются в энергонезависимой памяти, поэтому при работе с одной и той же системой настройка проводится один раз. Однако на практике режим стандартной автонастройки невозможен по следующим обстоятельствам. Как упоминалось, в контуре регулирования находится электропривод трёхходового крана. Отсутствие реактивного импеданса рабочей обмотки машины постоянного тока электропривода при его включении (режим позиционного регулирования) вызывает резкое (в 5-6 раз по отношению к номинальному значению) увеличение рабочего тока машины. Это, в свою очередь, приводит к формированию ещё большего сигнала ошибки, абсолютная величина которой обусловливает наступление сбоя в работе цифровой системы. В результате происходит своеобразное «обрешечивание» физической функции управления, которое, кроме того, может привести к негативным последствиям в работе системы (например, к снижению надёжности), а в некоторых случаях вообще сделать невозможной её работу. Так для Р1С контроллера при машинном цикле равном 4-м периодам тактового генератора «выпадение» функции регулирования происходит на 2...3 машинных цикла, что, например, при использовании кварца на 4 МГц означает провалы функции регулирования на 2.3 мкс.
Таким образом, в этом случае процедуру настройки следует начинать с установки начальной (защитной) величины постоянной времени дифференцирования. При этом следует учитывать снижение зоны пропорционального регулирования, что в свою очередь означает невозможность использования стандартной процедуры автонастройки регулятора. В таких условиях практически любое аппаратное изменение в системе означает, как минимум, процедуру ручной настройки, а, как максимум, - перепрограммирование микроконтроллера.
Выводы. В большинстве случаев в высоко технологичных системах нужно использовать полную процедуру ПИД-регулирования, при этом возможность применения стандартных алгоритмов их автонастройки обусловлена величиной дифференциальной компоненты управляющего воздействия в законе ПИД-регулирования. При значительной ее величине процедуру ручной настройки следует начинать с установки начальной (защитной) величины постоянной времени дифференцирования с учётом снижения зоны пропорционального регулирования.
Литература.
1. Д.А. Левиков, инж., В.В. Солдатов, д.т.н. Метод адаптивной настройки систем управления температурными режимами теплиц. // Вестник агроинженера. №5, - 2008.
2. В.Л. Бажанов Метод масштабирования для определения параметров настройки регуляторов в замкнутых САР. // Промышленная автоматизация в России. - 04/2003. - http://industrialauto.ru
3. Патент США №7035695, G05 B 13/02. Метод и устройство для настройки ПИД-регулятора, Бойко И.М., 2006.
4. Gvardia piggery project. - «GSI USA»., Реконструкция репродукторных ферм под свинокомплекс в пос. Штурм. - ОАО Институт Ставропольагропромпроект. - 2564-21-1-2004.
5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М.: Наука, 1975.-768 с.
6. Дмитриев Н.А., Ёхин М.Н., Ковригин Б.Н., Павлов М.Ю. - Научная сессия МИФИ-2007. Т.12 Информатика и процессы управления. Компьютерные системы и технологии, 2007
MAINTENANCE OF A CORRECTNESS AND QUALITY OF ADJUSTMENT OF MICROPROCESSOR REGULATORS IN HI-TECH SYSTEMS OF DOMESTIC AGRARIAN AND INDUSTRIAL COMPLEX A.B.Ershov, I.V. Atanov
Summary. Questions of maintenance of a correctness and quality of adjustment microprocessor proportional-integral-derivative regulators on an example of system of microprocessor regulation of temperature air in a pigsty-otkormochnike on 2176 places complex for pigs, the Stavropol project institute “ Stavropolagropromproekt” executed under the project with the assistance of North American firm «GSI USA» are considered.
Key words: system of automatic regulation (SAR), microprocessor-based proportional-integral-differential regulator (PID-regulator), regulator adjustment correctness, regulator adjustment quality, PID-regulator autoadjustment procedure. Достижения науки и техники АПК, №09-2010 ___________________________________________________ 63
