Синтез фукциональных блоков и всей схемы автоматизированной системы стабилизации параметров микроклимата в улье

Введение. Изменение экологической ситуации в лучшую сторону в сельском хозяйстве может быть достигнуты применением электротехнологий [1-3, 6, 10]. Доказано, что системы с использованием определенных концентраций озона оказывают положительное влияние на развитие и продуктивность пчелиных семей [4, 7-11], что выражается следующим образом: создают оптимальный температурный режим; снижают концентрацию болезнетворных микроорганизмов; снижают влажность внутриульевого воздуха; улучшают газовый состав внутриульевого воздуха. Следовательно, применение систем автоматического электрообогрева и электроозонирования создает наиболее благоприятные условия для развития пчелиных семей. Анализ литературы показал, что применяемые в России методы лечения болезней пчел, включающие неограниченное применение антибиотиков, фунгицидов и акарицидов делают производимую продукцию токсичной, а процесс обработки опасным для пчеловода. Наиболее перспективными являются электротехнологические способы лечения пчел, одним из которых является электроозонирование. Технологическая схема обработки улья озоном представлена на рисунке 1.

Технические особенности традиционных электроозонаторов барьерного типа с воздушным охлаждением, доступных для применения в пчеловодстве, дестабилизируют параметры обработки в результате изменения электротехнических, технологических и энергетических характеристик электроозонатора при нагреве разрядного устройства [7-8]. Таким образом, существующие неспециализированные электроозонаторы, применяемые для обработки пчел, не способны обеспечить требуемое качество электроозонирования ульев. вых

Рисунок 1 – Технологическая схема озонирования одного улья

Николаенко С.А и Овсянниковым Д.А. [7, 8] была произведена разработка системы озонирования для лечения болезней пчел со стабилизацией концентрации озона в ульях. Необходимо провести дальнейшее совершенствование разработанной системы в части повышения точности поддержания концентрации озона в улье и ввести коррекцию на температуру озоновоздушной смеси на входе в улей. Также нужно дополнить систему блоками, регулирующими индивидуальную подачу озоновоздушной смеси в зависимости от количества пчел в отдельном улье, так как общее количество обрабатываемых ульев может находиться в интервале от 10 до 100 штук.

Методика проведенных исследований и анализ результатов. Первоначально рассмотрим озонируемый улей, как объект управления. При озонировании улья, как для лечения болезней пчел, так и для стимуляции развития, основной управляемой величиной является концентрация озона в улье. Управляющим воздействием является производительность разрядного устройства озонатора. Температура наружного воздуха является основным возмущающим воздействием. Разрядное устройство совместно с компрессором является регулирующим органом РО (рис.2), формирующим входное воздействие на объект управления ОУ. Программный регулятор ПР является органом, который формирует сигнал управления на РО. При работе озонатора происходит нагрев диэлектрических барьеров и нагрев проходящего воздуха. Контроль температуры выходящего из озонатора воздуха осуществляется при помощи датчика температуры и в последующем обрабатывается специальным блоком ИО1, а корректирующий сигнал подается на программный регулятор ПР. При изменении температуры наружного воздуха, а также изменении температуры и концентрации озоновоздушной смеси, изменяется концентрация озона внутри улья, что связанно это с внутриульевым воздухообменом. Следовательно, система автоматического управления должна регулировать концентрацию озона в улье с изменением температуры окружающего воздуха и изменением внутриульевого воздухообмена. Процесс контроля температуры окружающего воздуха осуществляется также датчиком температуры, на функциональной схеме он представлен как измерительный орган ИО2. Задающим входным воздействием всей системы автоматического управления является концентрация озона, что производится задающим органом ЗО.

Рисунок 2. – Функциональная схема системы автоматического управления концентрацией озона в улье

Объектом управления в САУ концентрацией озона в улье является совокупность озонируемых ульев. Для проведения качественной обработки ульев озоном САУ должна обеспечивать стабилизацию концентрации озона C ОЗ в ульях в течение всего времени воздействия. Наиболее существенными дестабилизирующими факторами являются: температура озоновоздушной смеси из озонатора t _вых , влияющая на дополнительный воздухообмен создаваемый 76

пчелами в ульях; температура наружного воздуха t нв , влияющая на естественный внутриульевой воздухообмен; количество N У обрабатываемых ульев и их сила m_пч (масса пчел или количество занятых пчелами рамок). Управляющим воздействием является производительность разрядного устройства электроозонатора по концентрации озона. Таким образом, обрабатываемые озоном улья как объект управления можно представить в виде функциональной схемы, изображенной на рисунке 3.

Рисунок 3. – Функциональная схема объекта управления

Основная задача системы регулирования поддерживать постоянную концентрацию озона в улье.

G

Cуоз =          ---------- = Const           (1)Qk + Q у (xi; x 2;... xn)

где G ОЗ - массовая подача озона, г/ч; Q k - подача озоновоздушной смеси от компрессора; Q У ( x 1 ; x 2 ;... x n ) -воздухообмен улья.

Воздухообмен улья зависит от нескольких параметров x1..xn -масса пчел в улье, температура наружного воздуха, тип улья и его положение на пасеке (в тени, на солнце), период года, наличие медосбора. Кроме того, как показано во 2-й главе воздухообмен улья зависит от применения электротехнологий – подогрев, озонирование. Подача озоновоздушной смеси обычно величина постоянная и зависит от вида озонирования – стимуляция или лечение. Таким образом поддерживать концентрация озона в улье постоянной лучше всего изменяя массовую подачу озона GОЗ , что осуществляется изменением подводимой мощности к разрядным промежуткам в озонаторе.

Формула для расчета необходимой концентрации озона на входе в улей, будет иметь вид:

C

GОЗ вх у ОЗ     .^.    .

Qk

Выразим в формуле (1) массовую подачу озона через остальные параметры и подставим в уравнение (2):

C вхуОЗ =

GОЗ _ CуОЗ ' [Qk + Q У(x1;x2;""

= CуОЗ +

Q k

Q У(x1; x2;...xn )

Q k

. (3)

Q k

' C уОЗ

Из полученной формулы (3) видно, что концентрация на входе в улей зависит от отношения воздухообмена улья к подаче смеси от компрессора. Например, возьмем случай стимуляции пчелиных семей в апреле месяце. Ранее установлено [9], что при подогреве и подаче озоновоздушной смеси воздухообмен улья становится постоянным и равным 0,33 м3/ч. Из предыдущего параграфа известно, что при стимуляции необходимо поддерживать концентрацию озона в улье 2 мг/м3 и подаче озонированного воздуха 0,05 м3/ч. Тогда, необходимая концентрация озоновоздушной меси на входе в улей составит:

C вхуОЗ

0,33               3

_ 2 +     • 2 _ 16 мг / м

0,05                  .

Аналогично рассчитаем необходимую концентрацию озона на входе в улей для летнего периода. Принимаем, что в один из летних месяцев расход меда будет в два раза больше чем в весенний период со стимуляцией, что приведет к увеличению воздухообмена также в два раза (без учета расхода меда на внутренние нужды и переработку меда). Из предыдущего параграфа имеем данные по подаче озоновоздушной смеси для лечения – 1 м3/ч и концентрации озона - 50 мг/м3. При такой подаче озонированного воздуха пчелы резко уменьшат воздухообмен, так как он практически равен их собственному, до минимального уровня (ранее установлено 0,1 м3/ч). Тогда необходимая концентрация озона на входе будет равна:

0,1

CвхуОЗ _ 50 + "у • 2 _ 50,2 мг / м3 .

Также нужно отметить, что следует из формулы (3.5), при необходимости, например, если известна сила подключаемых пчелиных семей, можно регулировать концентрацию подачей озоновоздушной смеси от компрессора путем установки регулирующих клапанов на воздуховодах.

В связи с тем, что к одной озонирующей установки будет подключено несколько ульев m , то для расчета концентрации озона на выходе из озонатора можно использовать следующую формулу:

m

C ОЗ ^ = C вхуОЗ ' ^ ¹ + i = 1 V

Q ik

В случае компоновки ульев по группам с одинаковой семей формула принимает вид:

C ОЗ ^ = C вхуОЗ ' N у

• 1 +--

V

Q ik

силой

.

Соответственно суммарный массовый выход озона из озонатора при общей производительности по озоновоздушной смеси, должен составлять:

m

GОЗ = C ОЗ^ '^ Qik = C ОЗ^ ' Nу ' Qik.(8)

i = 1

Также можно записать эту формулу и в виде:

Q i У (xi; x 2;... xn )

G ОЗ = CвхуОЗ ' ^ 1 +------У.-------- ' ^ Qik i=1 V            Qik

При формировании отдельных групп формула будет иметь вид:

G ОЗ = C вхуОЗ • N 2 '[Qik + Q i У (X1; x 2;-Xn )].(10)

Как уже отмечалось регулировку массовой производительности лучше всего осуществлять электрическими способами – изменением подводимой мощности. Из литературы [9] сделан вывод о зависимости воздухообмена от типа стимулирующей электротехнологии. В случае использования электроподогрева и озонирования основная зависимость воздухообмена связана с расходом корма (в виде уравнения аппроксимации). Тогда уравнение (6), при использовании комплексной электротехнологии в апреле месяце, можно представить в виде:

m

C ОЗ

= C вхуОЗ '

z> i=i <

+

0,052 • G Ki + 0,029'

Q ik

где G Кi - часовой расход корма i-м ульем, г/ч.

Аналогично уравнение (10) представится в виде:

Gоз = CвхуОЗ • N2 • (Qik + 0,052 • GKi + 0,029).

Таким образом, в системе регулирования необходимо установить обратную связь по весу улья (контроль суточного расхода корма) и по расходу озоновоздушной смеси (контроль количества подключаемых ульев).

Если в весенний период будет применяться только озонирование, то воздухообмен будет зависеть не только от расхода корма, но от температуры наружного воздуха (соответствующие уравнения аппроксимации). Так для апреля месяца уравнение (6), при использовании только озонирования, можно представить в виде:

m

^C ОЗ = ^C вхуОЗ •^ ^{1 +} 1=F I

- 0,0036 • t н + 0,2477

Q ik

при

GK = 2,15 г / ч

m

^C ОЗ = ^C вхуОЗ •^ ^{1 +}

1-TI

—

0,0028 • tн + 0,3253

Q ik

при

GK = 4,3 г / ч

Тогда, в системе регулирования необходимо установить обратную связь по весу улья (контроль суточного расхода корма), по расходу озоновоздушной смеси (контроль количества подключаемых ульев) и температуре наружного воздуха.

Перемещение озонированного воздуха к ульям осуществляется по гибким воздуховодам, в результате чего существует транспортное запаздывание подачи озона. Экспериментально установлено, что величина данного запаздывания составляет 6…30 с. Воздуховод, как элемент системы автоматического управления концентрацией озона в улье, далее в САУ не приводятся. Тогда функциональная схема обобщенной системы автоматического управления стабилизацией концентрации озона может быть представлена в виде, изображенном на рисунке 4.

Принимаем следующие допущения и ограничения. Одинаковой температурой обладают поверхности стекла, соприкасающиеся с электродами. Теплопередачей через боковые поверхности канала пренебрегаем из-за их малой толщины. Не учитываем также теплоемкость электродов по причине их малой массы. Весь поток теплоты от диэлектрических барьеров направлен в сторону воздушного канала. Теплоотдачей свободной конвекцией в горизонтальном канале пренебрегаем и условия охлаждения верхнего и нижнего диэлектрического барьера будем считать одинаковыми. Поглощение воздухом лучистой энергии не учитываем. При равных параметрах диэлектрических барьеров их внутренние поверхности, соприкасающиеся с воздухом, будут изотермичными. В связи с этим тепловой поток лучистого теплообмена между внутренними поверхностями канала разрядного устройства будет равен нулю [7, 8]. Нагрев происходит за счет выделения тепла от стримеров и от переходного сопротивления между воздухом и стеклом. При этом нагреваются как воздух, так и диэлектрический материал – стекло. С достаточной точностью для практических расчетов можно считать, что охлаждение диэлектрических барьеров происходит преимущественно за счет конвективного теплообмена с воздухом, продуваемым через канал разрядного устройства.

С учетом проведенных аналитических исследований общую структурную схему автоматической системы управления стабилизацией концентрации озона в улье можно представить в виде изображенном на рисунке 5.

Рисунок 4. – Функциональная схема обобщенной системы автоматического управления стабилизацией концентрации озона

Перед каждым ульем добавлено звено чистого запаздывания, которое моделирует задержку поступления озоновоздушной смеси по шлангам до улья.

Q вых

Ульи

Рисунок 5. – Структурная схема автоматической системы управления стабилизацией концентрации озона в улье

Заключение. Синтез функциональных схем блоков автоматической системы стабилизации электротехнологических параметров с использованием теории автоматического регулирования позволил получить структурные схемы, которые можно проанализировать в широко распространенных программных продуктах МАТЛАБ, МВТУ. После анализа работы на компьютерных моделях можно будет приступить к физической реализации на контроллерах, описанных в [5], написав соответствующие программы в основе которых будут положены разработки, защищенные свидетельствами на программные продукты [9].