CC BY
64
ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ
УДК 681.5:658.012.56.63 А. В. Сухов, А. Д. Семенов
ПОДСИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОЧКИ РОСЫ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ ТЕПЛИЦ
Аннотация. Предлагается подсистема автоматического регулирования точки росы для системы управления микроклиматом теплиц, которая за счет регулирования температурно-влажностного режима минимизирует выпадение конденсата на стенках теплиц.
Ключевые слова: система управления микроклиматом, теплицы, точка росы, температурно-влажностный режим.
Введение
На юге РФ выращивание растений является прибыльным делом. Таким образом, эффективность производства семян на Кубани составляет около 100 % [1]. Доля объема производства составляет 53 %. На большей части территории Российской Федерации преобладает материковый климат с прохладными зимами и теплым летом. Зимой в РФ температура воздуха может опуститься ниже 30 °С. В связи с этим в зимний период нет возможности для выращивания овощных культур, зелени.
По этой причине можно сделать заключение, что выращивание товаров питания в оранжереях (теплицах) считается актуальным и перспективным доходом в Российской Федерации. В наше время производство зелени и овощей требует разработки различных видов фабрик, построек (теплиц) с целью обеспечения возможности масштабного выращивания продукта.
Так как на территории России находится несколько климатических зон, где существует материковый климат, наиболее целесообразно выращивать различные культуры в теплицах.
В существующих автоматизированных теплицах имеются следующие недостатки:
1) используются стандартные отопительные системы - газовые, водяные;
2) учтены не все факторы, которые влияют на рост и развитие выращиваемых культур и растений.
Предлагаемая подсистема автоматического управления точки росы для концепции управления микроклиматом теплиц может помочь ускорить процесс выращивания любой культуры, а также гарантировать защиту от чрезмерного холода, нехватки света, влажности и т.д. При конструировании системы автоматического регулирования (САР) микроклимата в теплице необходимо решить следующие проблемы:
а) автоматическое урегулирование точки росы относительно температуры в оранжерее и температуры окружающей среды с целью устранения потеков (конденсата) на стенках теплиц и окон;
б) применение инфракрасного (ИК) нагревателя как системы отопления в теплицах;
в) автоматическое регулирование влажности атмосферы и грунта в теплице.
Проектирование такой САР теплицы дает реальную возможность для фермеров осуществлять крупное хозяйство по выращиванию разных культур и растений в условиях переменного климата.
Постановка задачи
С целью исследования системы управления микроклиматом теплицы с подсистемой автоматического регулирования точки росы необходимо установить все факторы, влияющие на рост и формирование выращиваемых растений.
Таким образом, по приобретенным экспериментальным кривым разгона температуры и влажности воздуха в оранжереях, которые представлены на рис. 1, 2, следует установить передаточные функции объекта по временным характеристикам [2].
40 50 60 Влажность, % расчетные значения,
• экспериментальные значения
Рис. 1. Аппроксимация кривой изменения температуры передаточной характеристикой 1-го порядка
Рис.
15 20 25 30 35 Температура, °С расчетные значения .
• экспериментальные значения
2. Аппроксимация кривой изменения влажности передаточной характеристикой 1-го порядка
С целью исследования подсистемы автоматического регулирования точки росы следует аппроксимировать значения температур точки росы для того, чтобы ликвидировать выпадение осадков на стенках оранжереи.
Разработка подсистемы автоматического регулирования точки росы для системы управления микроклиматом теплиц
Были обнаружены следующие ключевые факторы, которые оказывают наибольшее влияние на рост и развитие выращиваемых растений:
1) температура;
2) влажность;
3) конденсат.
По приобретенным опытным кривым разгона влажности и воздуха в оранжерее определяем передаточные функции по временным характеристикам данного объекта.
На рис. 3 представлена передаточная функция температуры в теплице, а на рис. 4 -передаточная функция влажности.
Transfer Fen
Рис. 3. Передаточная функция температуры
Transfer Fcn1
Рис. 4. Передаточная функция влажности
При проектировании и создании системы управления микроклиматом теплицы был изобретен температурно-влажностный режим для выращивания различных культур, так как любое растение или овощная культура принимает определенную температуру и влажность воздуха для благоприятного роста и развития. В данной работе оранжерея специализирована с целью выращивания таких овощных культур, как томаты и огурцы. Проанализируем режимы для данных культур.
Температурный и влажностный режимы [3] соразмерны росту растения, т.е. увеличивая температуру воздуха приблизительно на 5 °С, увеличиваем скорость формирования растения; так же происходит и с влажностью воздуха. Но необходимо учитывать благоприятные режимы для различных культур растений, так как для одного вида культуры температурный режим приблизительно в 30 °С будет благоприятным, а для другого -губительным.
Для различных видов овощных культур имеется собственное значение температуры, которое благоприятно влияет на рост растения в течение суток.
На рис. 5, 6 представлены осциллограммы перепадов температуры и влажности при программном урегулировании. В качестве образца были взяты осциллограммы для выращивания помидоров.
Рис. 5. Осциллограмма изменения температуры при программном регулировании
Рис. 6. Осциллограмма изменения влажности при программном регулировании
Из полученных передаточных функций проектируем БтиНпк-модель [4] системы управления микроклиматом теплиц; она представлена на рис. 7.
Рис. 7. БтиНпк-модель системы управления микроклиматом теплиц
Эта модель состоит из передаточных функций температуры и влажности атмосферы, которые являются стабилизирующими параметрами.
Блок Задание на влажность задает значение влажности, которое необходимо получить в объекте управления.
Блок Задание на температуру задает значение температуры, которое необходимо получить в объекте управления.
Регуляторам температуры и влажности являются блоки PID controler.
Небольшое запаздывание системы обеспечивают блоки TransportDelay и Trans-portDelay1, запаздывание влажности составляет 100 с, для температуры запаздывание составляет 150 с.
С целью проектирования подсистемы автоматического управления точки росы применяется таблица значений температуры сравнительно с влажностью в теплице [5].
C помощью программного средства MatLab 2014b аппроксимируем значения температур точки росы для определения ошибки аппроксимации.
На рис. 8 представлены результаты аппроксимации значений температур.
Рис. 8. Результат аппроксимации значений температур относительно влажности воздуха
Условно при установленных значениях температур в теплице (от 25 до 35 °С) в среднем ошибка аппроксимации составляет 0,12 %.
Установив значение точки росы, можно определить, что математическая модель системы регулирования микроклимата в оранжереях будет иметь следующий вид (рис. 9):
Рис. 9. Simulink-модель САР микроклимата в теплице
Simulink-модель состоит из следующих основных блоков:
- блоки Step и Stepi - программно задаваемые параметры температуры и влажности в теплице;
- PID Contrôler - для получения устойчивого состояния объекта управления;
- «Передаточная функция влажности» - это объект управления влажности в теплице, который реализован блоком TransferFcn;
- «Передаточная функция температуры» - это объект управления температуры в теплице, который реализован блоком TransferFcn;
- TransportDelay - запаздывание объекта управления влажности;
- TransportDelayi - запаздывание объекта управления температуры;
- «Таблица значений точки росы» реализована с помощью блока LookupTablen-D и необходима для определения точки росы, которая в дальнейшем сравнивается с температурой холодного угла в теплице;
- Relay и Relayi - блок реле, отвечающий за включение/выключение инфракрасного нагревателя во избежание появления конденсата;
- «Температура холодного угла» - это внешний фактор, влияющий на теплицу, который реализован блоком TransferFcn;
- блоки Scope - средства отображения переходного процесса системы;
- блоки Display - средства отображения значения системы;
- блоки Sum - элементы сравнения;
- Integrator - блок интегрирования влажности в теплице.
Принцип работы Simulink-модели заключается в следующем:
а) ставим определенную температуру и влажность в оранжерее (входные данные), потому что для разных растительных культур необходима конкретная температура и влажность, которые поступают на элементы сравнивания, где приравниваются к выходным значениям объектов управления (передаточные функции температуры и влажности);
б) затем сигналы поступают на блок «Таблица значений точки росы», где уже определяется температура, при которой имеется риск выпадения осадка (конденсата). С выхода таблицы сигнал приравнивается с температурой прохладного угла в оранжерее. Если температура прохладного угла меньше температуры точки росы, то в таком случае выпадает осадок. Ликвидирование осадка осуществляется вспомогательными обогревателями в точках выпадения конденсата;
в) в случае если подсистема выйдет из спектра температур, которая благоприятна для роста и развития выращиваемой культуры, в подсистему автоматически включается регулирование влажности воздуха с целью сохранения температурно-влажностного режима.
Заключение
Согласно полученным опытным данным разгона температуры и влажности атмосферы оранжереи были получены передаточные функции объекта управления по временным характеристикам.
Полученные передаточные функции использовались для создания Simulink-модели теплицы в среде MATLAB.
Для системы был произведен расчет параметров ПИД-регулятора.
Для входных характеристик системы были спроектированы программаторы влажности и температуры атмосферы в оранжерее. Они дают возможность задавать в оранжерее влажность и температуру атмосферы в зависимости от типа выращиваемого растения или овощных культур, а также от стадии развития растения (семена, рассада или дальнейшее развитие).
Произведено исследование таблицы температуры точки росы, произведена аппроксимация 2-го порядка в среде MATLAB. Она дала возможность отыскать статическую ошибку аппроксимации для ликвидации выпадения потеков на стенках, т.е. конденсата. По этим данным была спроектирована и разработана подсистема автоматического регулирования точки росы для системы управления микроклиматом оранжерей, теплиц или парников.
Библиографический список
1. Экономика и бизнес. - URL: http://special.tass.ru (дата обращения: 11.05.2016).
2. Семенов, А. Д. Основы теории управления и идентификации в технических системах : учеб. пособие / А. Д. Семенов, М. А. Щербаков. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2008. - 211 с.
3. Нормы по проектированию теплиц. - URL: http://vasha-teplitsa.ru (дата обращения: 15.05.2016).
4. Авдеева, О. В. Проектирование систем управления : учеб. пособие / О. В. Авдеева, Д. В. Артамонов, А. Д. Семенов, Д. Х. Акчурин. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2015. - 192 с.
5. Определение точки росы. - URL: http://teplo61.ru (дата обращения: 21.05.2016).
Сухов Алексей Владимирович, студент, Пензенский государственный универститет. E-mail: [email protected]
Семенов Анатолий Дмитриевич, доктор технических наук, доцент, профессор, кафедра «Автоматика и телемеханика», Пензенский государственный университет. E-mail: [email protected]
УДК 681.5:658.012.56.63 Сухов, А. В.
Подсистема автоматического регулирования точки росы для системы управления микроклиматом теплиц / А. В. Сухов, А. Д. Семенов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2018. -№ 1 (21). - С. 99-105.
