Имитационная модель программного управления температурным режимом в теплицах блочного типа

В агропромышленном комплексе к числу наиболее энергоемких отраслей производства относится выращивание овощей в тепличных хозяйствах. При этом затраты на поддержание микроклимата в теплице составляют около 60 % от себестоимости продукции.

Так, например, в Европейской части России превышение температуры воздуха в теплице на 1 – 1,50С сверх нормы в среднем приводит к перерасходу 120 ч условного топлива за один год при обогреве 1 га тепличного хозяйства.

Поэтому, повышение точности управления режимом теплоснабжения теплиц экономически чрезвычайно эффективно. Такой результат достигается не только при внедрении современных, более совершенных технических средств управления, но и благодаря использованию методов и алгоритмов управления технологическими процессами, наиболее полно учитывающих особенности управляемых процессов.

В настоящей статье для выбора наиболее оптимальных алгоритмов управления температурным режимом в теплицах блочного типа используется имитационное моделирование в среде динамического программирования VisSim.

Имитационное моделирование позволяет исследовать технологический процесс, не прибегая к экспериментальным натурным наблюдениям.

Имитационная модель технологического объекта управления может быть использована для следующих целей:

• -    в стадии проектирования АСУ ТП для адекватной идентификации объекта управления и выбора оптимальных параметров управления;

• -    в стадии отладки для комплексной отладки подсистем АСУ ТП верхнего уровня;

• -    в тренажерном комплексе для обучения и аттестации управляющего персонала АСУ ТП;

• -    в оперативном контуре управления АСУ ТП для предсказания нежелательного поведения реальной системы, и выдачи предупреждений и рекомендаций управляющему персоналу.

Некоторые     примеры     имитационного     моделирования автоматизированных систем управления (АСУ) приведены в работах [1,2,3].

Автоматическая система управления (АСУ) температурным режимом в теплицах в зависимости от времени года существенно различаются. Выделяют две подсистемы управления [4]:

• -    АСУ температурным режимом для холодного (режимом обогре -ва);

• -  АСУ для теплого (режимом  вентиляции) времени года

существенно различаются.

В теплое время года управление температурным режимом в теплице не требует энергетических затрат на отопление теплиц и может быть обеспечено за счет изменения степени открытия форточек или за счет действия системы испарительного охлаждения. В настоящей статье этот режим управления не рассматривается.

В холодное время года управление температурным режимом в теплице может быть обеспечено за счет изменения температуры (качество) или расхода (количество) теплоносителя.

Температуру теплоносителя изменяют с помощью трехходового смесительного клапана, сконструированного таким образом, что при перемещении плунжера расходы горячей и охлажденной воды изменяются в равных долях, но с разным знаком. Поэтому суммарный расход воды через клапан от положения плунжера не зависит, но температура ее изменяется.

В ночные часы, когда фотосинтеза нет, температура в теплице должна быть понижена на 4...6 °С. Операция понижения температуры называется технологическим переходом «день - ночь» и выполняется по команде реле времени. Это реле должно быть настроено таким образом, чтобы к восходу солнца теплица была уже разогрета.

В дневные часы температура воздуха в теплице автоматически корректируется в зависимости от уровня естественной освещенности.

Математическая модель описания работы смесительного клапана разработана на основе двух уравнений (уравнение материального баланса и уравнение теплового баланса) и имеет вид:

Т3 = ^(Т1 - Т2) + Т2 (1)

0 < N < 1

Уравнение (1) описывает зависимость температуры на выходе смесителя Т₃ от положения плунжера N при температурах горячей и холодной воды Т 1 и Т₂ .

На рисунке 1. в среде динамического программирования VisSim приводится иллюстрация работы процесса смешения горячей и холодной воды (математическая модель работы трехходового смесительного клапана) при различных положениях плунжера N клапана (позиции 1, 2, 3 и 4). Для всех четырех позиций температура горячей воды Т 1 = 80⁰С и холодной воды Т 2 = 20⁰С.

Рис. 1- Математическая модель работы трехходового смесительного клапана

В позиции 1 положение плунжера N= 1 соответствует полному открытию проходного сечения патрубка поступления горячей воды и полному закрытию проходного сечения патрубка поступления холодной воды. На выходе смесителя температура Т 3 = 80⁰С, т.е. температуре горячей воды на входе смесителя.

В позиции 2 положение плунжера N= 0,5, что соответствует уменьшению площади проходного сечения патрубка поступления горячей воды в два раза и открытию проходного сечения патрубка поступления холодной воды на 50 %. На выходе смесителя температура Т 3 = 50⁰С, т.е. температуре смеси в равных долях горячей и холодной воды.

В позиции 3 положение плунжера N= 0, что соответствует полному перекрытию проходного сечения патрубка поступления горячей воды и полному открытию проходного сечения патрубка поступления холодной воды. На выходе смесителя температура Т3 = 200С, т.е. соответствует температуре холодной воды на входе смесителя.

В позиции 4 положение плунжера N= 0,25, уменьшению площади проходного сечения патрубка поступления горячей воды в четыре раза и открытию проходного сечения патрубка поступления холодной воды на 25 %. На выходе смесителя температура Т 3 = 35⁰С, т.е. температуре смеси горячей и холодной воды.

Плунжер трехходового смесительного клапана (рис.4) приводится в движения с помощью исполнительного механизма IM- редуктора от однооборотного тихоходного электродвигателя типа МЭО с ограничителями ORG и плунжером N .

Сигнал управления на исполнительный механизм поступает с регулятора PI-KONTR. Коэффициенты К 1 и К 2 - настроечные коэффициенты пропорционального и интегрального звеньев ПИ-регулятора.

Задатчик температуры настроен на оптимальное значение температуры в теплице 250С.

С контроллера через исполнительный механизм в смеситель SMESITEL поступают холодная и горячая вода в соответствующих пропорциях.

Объектом управления является сложная система тепличного хозяйства, состоящая из отдельных блоков теплиц, занимающих площадь более 1 Га. Питание горячей водой осуществляется от автономной котельной. В данной работе обязательным условием является автономность питающей котельной. Очевидно, что такой объект управления обладает большой инерционностью и не прост в управлении.

Построим имитационную модель системы автоматического управления температурным режимом в теплицах для условий наиболее активной нагрузки тепличного хозяйства (для центральной части России – февраль- апрель). Все значения технологических параметров для расчета примем для выращивания томатов.

Для обогрева теплиц применяются трубные нагревательные регистры, в которых теплоносителем является вода с установленной температурой, поступающая из смесителя (смесителей) посредством трехходового смесительного клапана.

Имитационная модель системы автоматического управления температурой в блоках тепличного хозяйства представлена на рисунке 2.

В теплицах происходят сложные теплообменные процессы. Имеют место два контура теплообмена:

• -    внутренний контур, определяющий температурный режим в теплицах (поступление тепла от водяных радиаторов во внутреннюю среду теплиц);

• -    внешний контур, определяющий потери тепла во внешнюю среду;

Передаточная функция объекта управления для данного случая имеет вид:

0,26

VKCs) = 1-------=---------------

114 * s2 + 1200 * s + 1

- блок временной задержки, характерный для всех

теплиц. Время задержки около 5 мин.

• -    дополнительная передаточная функция

процесса, определяющего температуру   Т 2

обратного контура охлажденной воды, поступающей вторично на вход смесителя (замкнутый водяной цикл).

На осциллограммах:

• 1-    график переходного процесса температуры в теплице. Из графика видно, что заданное значение температуры 25 ⁰С достигается за 1,5 часа, что соответствует реальным условиям. На графике видно небольшое перерегулирование не представляющее опасности для системы регулирования. Перерегулирование можно избежать, если включить систему вентиляции. Для выбранного периода эксплуатации (внешняя температура Т 0 = 10⁰С) не целесообразно.

• 2-    график показывает зависимость температуры воды на выходе из смесителя. В начальный период температура воды Т 3 = 90⁰С, что соответствует температуре воды, поступающей из котельной.

• 3-    график иллюстрирует работу плунжера трехходового смесительного клапана. В начальный период процесса (N=1) из смесителя поступает только горячая вода. В установившемся температурном режиме (температура в теплице 25⁰С) клапан открыт на примерно 50%, а температура теплоносителя составляет около 60⁰С.

На рисунке 3. приводятся графики переходных процессов при различных значениях температуры внешней среды.

На нижней осциллограмме приводятся графики работы трехходового смесительного клапана для различных температур внешней среды (100С и 150С). На верхней осциллограмме приводятся графики переходных процессов температуры в теплице и температуры теплоносителя.

Для проверки качества спроектированной системы автоматического управления введем внешнее возмущение по температуре (рисунок 4). В момент времени 4 часа температура скачкообразно уменьшилась на 5 0С. САУ справляется с внешним возмущением в течении 0,5 часа и выводит управляемую на заданное значение - 250С.

Рис.3 -Графики переходных процессов при различных значениях температуры внешней среды

Рис. 4 - Реакция системы автоматического управления на внешнее температурное возмущение.

На рисунке 5 представлен алгоритм программы (технологическая карта) задания температурного режима «день- ночь».

Рис. 5 - Ачгорипш (задатчик) суточного (день- ночь) температурного режима

Имитационная модель САУ реализует заданное программное управление температурой с большой точностью (рисунок 6).

Рис. 6. Имитационная модель процесса управления температурой

На рис. 7. представлен алгоритм программы (технологическая карта) задания температурного режима «день- ночь» в течении четырех суток.

Дневная суточная температура остается неизменной- 260С, а ночная повышается на 0,50С на каждые сутки.

На рисунке 8 представлена имитационная модель АСУ температурой в течение нескольких суток.

Из осциллограммы видно, что полученные значения температуры в теплице (синий график) с приемлемой точностью совпадают с заданными по технологической карте (алгоритму) значениями температуры (красный график).

Рис. 7- Алгоритм (задатчик) температурного режима в течении четырех суток.

Рис. 8- Имитационная модель процесса управления температурой в тепличном хозяйстве в течение четырех суток

График недельных значений температуры в реально работающей теплице, выращивающей томаты, приводится на рисунке 9 [5].

Рис. 9- График недельных температур реально работающей теплицы, выращивающей томаты .