CC BY
36
-►
Приборы, информационно-измерительные системы
УДК 519.8 681.5
А.В. Черников, О. Г. Пенский
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ
В ЖИЛОМ ЗДАНИИ
Одной из составляющих и неотъемлемых частей нашей повседневной жизни является климат. Особенно это касается помещений, в которых мы проводим большую часть времени. Движение воздушных масс, температура, влажность - всё это воздействует на нас. Поэтому очень важно поддерживать необходимый, комфортный для нас режим климата в помещении [1, 2].
В статье рассматривается система создания необходимой влажности в помещении, автоматически поддерживающая заданную влажность при появлении дополнительных источников осушения/орошения. Для разработки системы применён комплексный подход, основанный на использовании чёткой (для создания влажности) и нечёткой логики (поддержание влажности). В [3] описана система управления климатом в помещении, основанная на нечёткой логике, рассмотрены работы, посвящённые климатологии помещения, сделаны выводы о необходимых климатических параметрах. Но разработанная модель системы создания комфортного климата влечёт за собой и другую, не менее важную проблему: достижение комфортных климатических параметров и поддержание их.
Применение нечёткой и чёткой логики к конкретной задаче создания и поддержания необходимой влажности в помещении
Наилучший результат даёт объединение методов нечёткой и чёткой логики [4].
Система управления изменением влажности. Опишем техническую сторону системы -каналы приточной вентиляции. По каналу ВЛ забирается воздух из более влажной среды; по каналу СХ - из более сухой среды. Система специально включает эти два канала, т. к. это позволяет в ряде случаев отказаться от принудительного
осушения/орошения воздуха водяными парами, что в свою очередь приводит к уменьшению энергозатрат. Далее рассмотрим алгоритм работы системы.
Система создания влажности работает следующим образом:
при возникновении сигнала А и (сигнал, подаваемый с системы управления климатом [3]) -сигнала изменения влажности в помещении, больше или меньше нуля, система производит вычитание значений ипом (влажность в помещении на данный момент) и ивл (влажность в канале вентиляции ВЛ в блоке вычитания сигналов);
по получившемуся результату операции вычитания и Аи происходит выбор алгоритма работы системы, отслеживаются изменения влажности и подаются управляющие сигналы заслонками влажного, сухого воздуха и увлажнителя.
Далее описаны алгоритмы работы системы. Если Аи < 0 и результат выполнения процесса блоком вычитания < 0, то выполняется команда К1: заслонка СХ открыта полностью; заслонка ВЛ закрыта полностью, пока не выполнено условие У1:
идат = ипом - Аи + 5 %.
(1)
После выполнения условия У1 выполняется команда К2: Заслонка ВЛ открыта на 80 %; заслонка СХ открыта на значение, полученное по формуле:
Ъ = 0,8 ■ (ивл - ипом)/(ипом - исх - Аи). (2)
Если Аи < 0 и результат выполнения процесса блоком вычитания > 0, то выполняется команда К1: заслонка СХ открыта полностью; заслонка ВЛ закрыта полностью, пока не выполнено условие У1: формула (1). После выполнения условия У1 выполняется команда К2: заслонка ВЛ откры-
та полностью; заслонка СХ закрыта полностью; увлажнитель включен на значение, полученное по формуле:
Ь = (Цпом - ДЦ) - 0,8 ■ Цвл.
Если Ди > 0 и результат выполнения процесса блоком вычитания < 0, то выполняется команда К1: заслонка ВЛ открыта полностью; заслонка СХ закрыта полностью, пока не выполнено условие У1:
Цдат = Цпом + Ди - 5 %.
(3)
После выполнения условия У1 выполняется команда К2: заслонка ВЛ открыта на 80 %; заслонка СХ открыта на значение, полученное по формуле:
Ь = 0,8 ■ (Цвл - Цпом)/(Цпом - Цсх + ДЦ). (4)
Если Ди > 0 и результат выполнения процесса блоком вычитания < 0, то выполняется команда К1: заслонка ВЛ открыта полностью; заслонка СХ закрыта полностью, пока не выполнимо условие У1: формула (3). После выполнения условия У1 выполняется команда К2: заслонка ВЛ открыта полностью; заслонка СХ закрыта полностью; увлажнитель включен на значение, полученное по формуле:
Ь = (Цпом + ДЦ) - 0,8 ■ Цвл.
Стоит обратить внимание на то, откуда берутся формулы (2), (4). Влажность зависит от массы воздуха, прошедшего через трубы за ед. времени, и, следовательно, от объёма воздушных масс и количества паров воды в воздухе. Если две трубы (СХ и ВЛ) сходятся в один объём, причём площадь поперечного сечения труб одинакова, то конечную влажность можно найти по формуле:
Цпом = (а ■ Цвл + Ь ■ Цсх)/(а + Ь), где а, Ь - проценты величин открытия соответ-
ствующих заслонок. Заслонка канала ВЛ специально открывается на 80 % для того, чтобы осталась возможность регулирования этим параметром в дальнейшем.
Таким образом, мы описали систему создания влажности. Однако влажность важно не только установить на определённый уровень, но и уметь правильно и эффективно поддерживать в выбранном диапазоне. Система поддержания влажности будет описана ниже.
Система поддержания влажности в помещении. Описываемая система строится аналогично системе управления климатом в помещении [3]. Но она будет разделена нами на систему управления влажностью, где влажность меняется только в помещении, и систему управления влажностью, где влажность меняется в каналах. Будем рассматривать только первую систему, т. к. она нагляднее показывает все преимущества Н-логики в решении данной задачи.
В системе только два входных сигнала: изменение влажности в помещении и разность влажности в канале ВЛ и помещении (выбор последнего параметра не случаен, т. к. нет необходимости рассматривать влажность в обоих каналах и важна разница только между влажностями); выходные сигналы представляются следующими параметрами - процентом величины открытия заслонки СХ, процентом величины открытия заслонки ВЛ, процентом величины включения увлажнителя.
Процесс разобьём на этапы фаззификации, построение базы правил и дефаззификации.
Фаззификация. В процессе фаззификации в качестве терм - множества лингвистических переменных - будем использовать множества: изменение влажности в помещении - Цпом с функциями принадлежности, изображёнными на рис. 1; разность влажностей в канале ВЛ и в
-30 -20 -10 0 10 20
Рис. 1. Графики функций принадлежности для терма лингвистической переменной «изменение влажности в помещении»: а - большое уменьшение; б - среднее уменьшение; в - малое уменьшение; г - малое увеличение; д - среднее увеличение; е - большое увеличение
Рис. 2. Графики функций принадлежности для терма лингвистической переменной «разность влажности в канале ВЛ и помещении»: а - меньше много; б - меньше средне; в - меньше немного; г - меньше мало; д - больше мало; е - больше немного; ж - больше средне; з - больше много
4
Приборы, информационно-измерительные системы
База правил
Рис. 3. Графики функций принадлежности для терма лингвистической переменной «процент открытия заслонки СХ»: а - открыть много; б - открыть средне; в - открыть мало; г - закрыть мало; д - закрыть средне; е - закрыть много
Рис. 4. Графики функций принадлежности для терма лингвистической переменной «процент открытия заслонки ВЛ»: а - открыть много; б - открыть средне; в - открыть мало; г - закрыть мало; д - закрыть средне; е - закрыть много
Рис. 5. Графики функций принадлежности для терма лингвистической переменной «процент включения увлажнителя/осушителя»: а - убавить много; б - убавить средне; в - убавить мало; г - добавить мало; д - добавить средне; е - добавить много
помещении - Цраз с функциями принадлежности, изображёнными на рис. 2; процент открытия заслонки СХ - Усх с функциями принадлежности, изображёнными на рис. 3; процент открытия заслонки ВЛ - Увл с функциями принадлежности, изображёнными на рис. 4; процент включения увлажнителя/осушителя - Уув с функциями принадлежности, изображёнными на рис. 5.
Далее построим базу нечётких лингвистических правил для работы системы (табл.). Ниже приведена предлагаемая нами следующая база правил.
АЦпом А [/раз %1/сх %1/вл Увлажнение
БУ мм ЗН - ДМ
БУ мс зн - дм
БУ мн зн - дм
БУ МА зн - дм
БУ БА - - дм
БУ БН - - дн
БУ БС зн - ДН
БУ БМ зн - -
СУ ММ - - ДС
СУ МС зн - ДС
СУ МН - - ДС
СУ МА - - ДС
СУ БА - - ДС
СУ БН зн - -
СУ БС зн - УН
СУ БМ зн - УС
МУ ММ - - дн
МУ МС - - ДН
МУ мн - - ДС
МУ МА - - ДН
МУ БА зн - ДН
МУ БН зн - -
МУ БС зн - УН
МУ БМ зн - УС
мв ММ - - УН
мв МС - - УН
мв МН - - УН
мв МА - - УН
мв БА - зн -
мв БН зн зн -
мв БС зс зн -
мв БМ зс зс -
СВ ММ - - УС
св МС - - УС
СВ мн - - УС
св МА - - УС
св БА зн зн -
св БН зс зн -
св БС зс зс -
св БМ ЗМ зс -
БВ ММ - - УМ
БВ МС - - УМ
БВ мн - - УМ
БВ МА - - УМ
БВ БА - зс -
БВ БН зн зс -
БВ БС зн зм -
БВ БМ зс ЗМ -
Примечание к таблице: ДЦпом, Дираз - изменение влажности в помещении и разность влажностей в канале ВЛ и помещении; %Цсх, %Цвл - процент открытия заслонок каналов СХ и ВЛ; Увлажнение - процент включения увлажнителя; БУ - большое уменьшение; СУ - среднее уменьшение; МУ - малое уменьшение; МВ - малое увеличение; СВ - среднее увеличение; БВ - большое увеличение; ЗМ - закрыть много; ЗС - закрыть средне; ЗН - закрыть немного; УМ - убавить много; УС - убавить средне; УН - убавить немного; ДС - добавить средне; ДН - добавить немного; ДМ - добавить много; ММ - меньше много; МС - меньше средне; МН - меньше немного; МА - меньше мало; БА - больше мало; БН - больше немного; БС - больше средне; БМ - больше много.
Дефаззификация. Процесс дефаззификации аналогичен процессу управления климатом [3]. Ниже приведены полученные нами графики зависимостей выходных параметров от исходных данных процесса дефаззификации.
Анализ графиков и проведённые опыты над испытуемыми различного возраста показали, что система управляет всеми выходными сигналами при определённых входных сигналах так, что пользователю системы комфортно находиться в помещении. Такое управление эффективно с точки зрения достижения цели - сокращение времени на 10 % и сокращение энергозатрат на 10 %. Основное управление влажностью происходит за счёт работы увлажнителя/осушителя во всей области изменений влажности в помещении
и разности влажностей между каналом ВЛ и помещением, кроме области, где входных переменные имеют положительные значения, где основное изменение влажности происходит за счёт заслонок каналов ВЛ и СХ. Такой метод управления выбран из соображения быстроты достигаемости необходимого регулирования.
В статье описана работоспособная система, построенная с помощью простых, интуитивно понятных правил, что даёт возможность разработчику быстро и эффективно добиваться результата в построении систем управления с помощью нечёткой логики.
Выделим преимущества применения предлагаемого метода в построении систем управления:
1. Простота разработки: система строится на интуитивно понятных правилах при минимальных знаниях о процессах.
2. Даже при достаточно приблизительном подборе терм - множеств входных/выходных переменных и построений, их функции принадлежностей - система дает приемлемый результат для правильной работы.
3. Система включает минимум необходимых правил.
4. Наличие микропроцессоров с заложенными
Рис. 6. График зависимости изменения процента включения увлажнителя/осушителя от изменения влажности в помещении и разности влажностей в канале ВЛ и помещении: А - процент включения увлажнителя/осушителя; В - разность влажностей в канале ВЛ и помещении; С - изменение влажности в помещении
Приборы, информационно-измерительные системы -►
Рис. 7. График зависимости изменения процента открытия заслонки СХ от изменения влажности в помещении и разности влажностей в канале ВЛ и помещении: А - процент открытия заслонки СХ; В - разность влажностей в канале ВЛ и помещении; С - изменение влажности в помещении
А
0
-10
-20
Рис. 8. График зависимости изменения процента открытия заслонки ВЛ от изменения влажности в помещении и разности влажностей в канале ВЛ и помещении: А - процент открытия заслонки ВЛ; В - изменение влажности в помещении; С - разность влажностей в канале ВЛ и помещении
методами нечёткой логики позволяет реализовать данные системы.
5. Система управления обладает свойством комплексности и является более эффективной по сравнению с существующими, т. к. в ней используется для управления чёткая и нечёткая логика, определяющая преимущество быстроты и эффективности обработки информации и модульного построения конечной аппаратной части. Послед-
СПИСОК Л
1. Сканави А.Н. Отопление. М.: Стройиздат, 1988. 416 с.
2. Зоколей С.В. Архитектурное проектирование, эксплуатация объектов, их связь с окружающей средой. М.: Стройиздат, 1984. 617 с.
3. Черников А.В. Система управления климатом в помещении, основанная на нечеткой логике // III конф.-
нее является неоспоримым достоинством в разработке аппаратных средств данной системы.
6. В системе предусмотрены условия приведения к целочисленным значениям. Это значительно упрощает работу её аппаратной реализации.
Практическая реализация системы управления влажностью позволила уменьшить энергопотребление в помещении площадью 14 кв. м на 10 % по сравнению с аналогичными системами.
ГЕРАТУРЫ
конкурс грантов аспирантов и молодых ученых ММФ ПермГУ / Сб. тезисов науч. докл. 10-11 декабря 2008. ПермГУ Пермь: ООО «Учебный центр Информатика», 2008. С. 83-90.
4. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде Ма1ЬаЬ и FuzzyTech. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 736 с.
УДК 621.391.3
А.В. Полянский, А.С. Львов, А.В. Ларичев
МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИИ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ДОМЕННОГО КОКСА НА БАЗЕ ПРИБОРОВ С НЕЙРОСЕТЕВОЙ ОРГАНИЗАЦИЕЙ
Основными показателями, определяющими качество доменного кокса, являются зольность, насыпная плотность и влажность. Так, увеличение зольности на 1 % вызывает снижение производительности доменной печи (ДП) на 1,3 %, при этом возрастает расход топлива. Зола уменьшает прочность кокса, что может привести к его разрушению столбом вышележащей шихты в печи [1]. Следствием неучитываемых колебаний количества влаги во взвешиваемом коксе при дозировании становится несоответствие фактического и расчётного объёмов топлива, поступившего в ДП, а это нарушает заданный тепловой режим её работы. При автоматическом управлении шихто-подачей также осуществляется контроль запаса кокса (насыпной массы) в расходных бункерах бункерной эстакады (БЭ) [2].
Задача непрерывного бесконтактного контроля показателей качества кокса находит решение в применении неразрушающих ядерно-физических методов, основанных на взаимодействии
ионизирующих излучений (гамма-, нейтронное) с веществом. При измерении влажности фактически единственной альтернативой остаются нейтронные приборы. Так, контроль влажности топлива в бункере БЭ ДП № 5 ЧерМК ОАО «СеверСталь» осуществляется нейтронным влагоплотномером ВПН-03. Недостаток такого прибора - время на вычисление влажности может достигать 100 с, а канал плотности является вспомогательным.
Большинство существующих радиоизотопных приборов (РИП) не удовлетворяют требованию связанного контроля параметров кокса. Новые разработки РИП, несмотря на многофункциональность своего назначения (например, используемый в качестве плотномера на ЧерМК ОАО «СеверСталь» радиоизотопный преобразователь РП-24 [3]), при эксплуатации позволяют производить измерение единственного параметра твёрдого топлива. Технологический контроль зольности доменного кокса осуществляют при помощи золомеров (например, РКТП-6), содержащих до-
