ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2014, № 6, с. 124-135
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
УДК 681.513.6
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ МИКРОКЛИМАТОМ В ТЕПЛИЦАХ*
© 2014 г. Д. Н. Герасимов, М. В. Лызлова
Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский ун-т информационных технологий, механики и оптики Поступила в редакцию 10.01.14 г., после доработки 25.04.14 г.
Предлагается решение задачи адаптивного многоканального управления температурой и влажностью воздуха и концентрацией углекислого газа в теплице. В основе синтеза регулятора лежат параметрически неопределенная модель микроклимата теплицы, представленная системой нелинейных дифференциальных уравнений, и метод модального управления каскадными системами. Настройка параметров регулятора осуществляется в ходе функционирования системы с помощью интегрального алгоритма идентификации с ускоренной сходимостью. Для проверки работоспособности замкнутой системы проведено моделирование замкнутой системы в среде МаЛаЪ^шиИпк.
БО1: 10.7868/80002338814050072
Введение. Основным направлением деятельности тепличного производства является пополнение потребительского рынка местными свежими овощами и зеленью круглый год. Как показывает практика, такое производство является дорогостоящим, энергоемким и требует точного соблюдения технологии выращивания растений.
В настоящее время во всем мире ведутся разработки по созданию и развитию эффективных сельскохозяйственных аграрных комплексов, позволяющих максимизировать урожайность культуры при минимальных трудовых и энергетических затратах. Исследования ведутся как в области селекции растений, создания новых удобрений и гидропонных грунтов, производства энергосберегающих ламп и систем обогрева помещений, так и в области создания эффективных систем автоматического управления, позволяющих с высокой степенью точности поддерживать микроклиматические параметры теплицы.
Поддержание микроклимата в теплицах является одной из наиболее приоритетных задач, поскольку, даже несмотря на хорошие генетические свойства растений, качество удобрений и грунта, некорректное поддержание температурно-влажностного режима теплицы и плохая подкормка углекислым газом могут привести к значительному падению урожайности вплоть до гибели растений и, как следствие, многомиллионным убыткам.
Процесс изменения микроклимата теплицы является сложным, многопараметрическим, существенно нелинейным и зависит от множества внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся температура и влажность наружного воздуха, интенсивность солнечного излучения, направление и скорость ветра и т.п. К внутренним факторам относятся геометрические размеры теплиц, расположение элементов систем отопления и вентиляции, виды грунтов, генетические свойства и виды растений и т.п. Кроме того, в замкнутых контурах управления микроклиматом каналы управления могут значительно влиять друг на друга. Так, например, открытие форточки, направленное на снижение температуры воздуха, может привести к нежелательному снижению влажности и концентрации СО2. Все эти факторы невозможно учесть в полной мере, в связи с чем задачи управления микроклиматом целесообразно решать на основе современных методов теории нелинейных и адаптивных систем.
В настоящее время наиболее популярное решение задачи управления микроклиматом основывается на пропорционально-интегрально-дифференциальном (ПИД) регулировании [1, 2],
* Работа выполнена при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (субсидия 074-и01), поддержке Министерства Образования и Науки Российской Федерации (проект 14.Z50.31.0031) и поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по проекту "Интеллектуальные системы энергоэффективного сельскохозяйственного производства в закрытом грунте с использованием светодиодного освещения" (договор № 02.Г25.31.0090) в рамках постановления Правительства РФ № 218.
Рис. 1. Эскизный чертеж моделируемой теплицы
что объясняется простотой структуры ПИД-регуляторов и необходимостью в измерении всего одной переменной. В то же время этот тип регуляторов имеет значительные ограничения по качеству, поскольку не учитывает сложную нелинейную динамику и неопределенности процессов, а также действие возмущений. Альтернативным решением построения систем управления микроклиматом являются регуляторы, основанные на искусственных нейронных сетях [3—5]. Сети, с одной стороны, обеспечивают относительно высокую точность, а с другой — нуждаются в долговременной предварительной обработке значительного объема данных. При этом не гарантируется, что обученная на одних данных сеть будет эффективно работать при поступлении других данных, характерных для других режимов. Одним из наиболее перспективных направлений является синтез управления на основе математических моделей [6—8], которые позволяют учесть нелинейность и динамику микроклиматических процессов теплицы. В то же время в большинстве существующих методов, основанных на моделях, не учитывается неопределенность параметров моделей, что может привести к потере качества управления. В связи с этим актуально применение методов адаптивного управления и идентификации. Так, в рамках подхода, представленного в [9], рассматривается адаптивное управление температурой воздуха, в основе синтеза которого лежит математическая модель. Но при этом не учитывается влияние канала управления температуры на другие параметры микроклимата. В настоящей статье предлагается решение задачи адаптивного трехканального управления температурой, влажностью и концентрацией углекислого газа в теплице. В основе синтеза регулятора лежит параметрически неопределенная нелинейная модель микроклимата теплицы.
Задача управления формулируется и решается в предположении, что теплица имеет форму, представленную на рис. 1, включает в себя две форточки, один контур водяного отопления со штатной системой автоматики, одну автоматическую систему туманообразования и один канал подачи СО2. Предполагается, что система полива и принудительного дренажа отсутствует.
Статья построена в следующей последовательности: в разд. 1 формулируется задача управления; в разд. 2 приводится и анализируется математическая модель микроклимата теплицы; в разд. 3 в предположении, что параметры модели известны, синтезируется ненастраиваемый регулятор, обеспечивающий цель управления; в разд. 4 параметры модели предполагаются неизвестными и в регуляторе заменяются на оценки. Далее строится адаптивный идентификатор, формирующий эти оценки. Для простоты изложения материала переменные и константы, представленные в модели, сведены в табл. 1.
1. Постановка задачи управления. Задача управления заключается в компенсации нелинейной динамики, возмущений и неопределенности параметров микроклимата теплицы и достижения следующих целевых неравенств:
\7п_- Т„(/) V/ > 71,
К_Ле() - <Д2 V/ > Т2,
_- Хы(/)\ <Д3 V/ > Тз
2
(1.1) (1.2) (1.3)
Таблица 1. Основные обозначения переменных и констант модели
Наименование Обозначение Значение (для физических констант при моделировании)
Суммарная площадь крыши и стен теплицы, м2 Ac 352
Площадь теплицы, м2 Ag 250
Площадь соприкосновения нагревательного элемента с нагреваемым воздухом, м2 Ah 55
Эффективность вентиляционной решетки Av 0.9
Параметр модели эвапотранспирации, кг/с c0 2.8 х 10-5
Параметр модели эвапотранспирации, м3/с ci 1.3 х 10-3
Параметр модели эвапотранспирации, кг/(К с) c2 9.2 х 10-8
Параметр модели эвапотранспирации, кг м2/Дж c3 7.9 х 10-8
Коэффициент преобразования тепла в системе отопления, Вт/(К м2) ch 25
Удельная теплоемкость воздуха, Дж(кг К) Cp 1005
Эффективность нагрева теплицы солнцем cr 0.7
Коэффициент эффективности ветра c 0.9
Ускорение свободного падения, м/с2 g 9.8
Вертикальное положение форточки, м H -
Скорость эвапотранспирации, кг/с E -
Ширина вентиляционной решетки, м l 3
Теплота испарения воды, Дж/кг L 2.3 х 106
Длина вентиляционной решетки, м Lv 10
Коэффициент передачи модели автоматической системы водяного обогрева теплицы kh 1
Коэффициент передачи модели системы туманообразования kw 1
Коэффициент передачи модели системы управления СО2 kX 1
Коэффициент передачи модели электропривода форточки kv 1
Производительность системы туманообразования, кг/с Qf -
Уставка производительности системы туманообразования, кг/с Q* -
Освещенность солнечного излучения, Вт/м2 Sr -
Время, с t -
Температура нагревательных элементов (труб) или воды в системе отопления теплицы, К Th -
Уставка температуры автоматической системы водяного отопления, К T'h -
Температура воздуха в теплице, К T * in -
Температура наружного воздуха, К T A out -
Производительность системы подкормки СО2, кг/с Uc -
Уставка системы регулирования СО2, кг/с U* -
Угол поворота форточки, рад uv -
Уставка электропривода форточки, рад * uv -
Обогреваемый объем теплицы, м3 VT 750
Увлажняемый объем теплицы, м3 Vw 750
Скорость ветра, м/с Vwind -
Абсолютная влажность воздуха в теплице, кг/м3 win -
Абсолютная влажность наружного воздуха, кг/м3 wout -
Таблица 1. Окончание
Наименование Обозначение Значение(для физических констант при моделировании)
Концентрация СО2 в воздухе внутри теплицы, кг С02/кг воздуха Х1ш -
Концентрация СО2 в наружном воздухе, кг С02/кг воздуха Хоы1 -
Плотность воздуха, кг/м3 р 1.29
Удельная теплота парообразования воды, Дж/кг V 2256000
Коэффициент передачи тепла из теплицы в окружающую среду, Вт/(К м2) фс 5.5
Поток воздуха, обеспечиваемый естественной вентиляцией, м/с ф^
Угол уклона крыши, на которой установлена вентиляционная решетка, рад (град) V 0.785 (45)
Постоянная времени модели автоматической системы водяного обогрева теплицы, с ч 10
Постоянная времени модели системы туманообразования, с ^ 10
Постоянная времени модели системы управления СО2, с тх 10
Постоянная времени модели электропривода форточки, с 30
где Ты, X п — текущие значения температуры, влажности и концентрации СО2 соответственно, Ты йе5, w¡п йе5, X ы йе5 — желаемые значения регулируемых переменных, А!,..., А3 — максимальные ошибки
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.