Разработка и исследование алгоритмов управления жалюзийными экранами в условиях естественного освещения

Актуальность проблемы.

Непрерывный рост потребностей человечества, сопровождаемый последовательным усложнением технологических процессов и производств, ведёт к взрывному увеличению энергоёмкости как отдельных направлений, так и. целых отраслей экономики.

Наблюдающееся вместе с этим в настоящее времяквадратичное увеличение численности народонаселения Земли ведёт к стремительному увеличению потребности человечества в энергии [22]., .

Разведанные запасы углеводородовограничены и невосстановимы. Наблюдаютсяглобальные изменения климатических условий, возможно, напрямую связанные с антропогеннымфактором нагрузки на окружающую среду [2].

Вопросы энергосбережения и в первую очередь интенсификации ис-. пользования энергии солнечного излучения выходят на первый план.

На границе атмосферы Земли интенсивность облучения солнечными лучами достигает более одного киловатта на квадратный метр. Земной поверхности достигает поток интенсивностью в среднем от 100 до 250 ватт на квадратный метр. В видимом диапазоне волн вблизи поверхности земли энергия солнечного излученияможет составлять до 20 мегаджоулей на квадратный метр за сутки [77].

Существует ряд технологий, эффективность которых напрямую зависит от интенсивностиоблучения объектов различной, природы, тем или иным лучистымпотоком. Промышленное. производство: плодоовощной продукции на заводах-автоматах является, одной из таких технологий.

Количество произведённой биомассы и качество продукции1 напрямую зависят от энергии облучения за период вегетации, спектрального состава излучения, а также от мгновенной облучённости и цикличности облучения [74, 85].

При недостаточном количестве естественной солнечной радиации для производства плодоовощной продукции применяются искусственные источники облучения, потребляющие значительное количество электрической энергии [35].

Известен способ перераспределения светового потока и наиболее простое техническое решение светорегулятора в виде набора узких светоотражающих полос, способных менять угловое положение относительно продольной оси. Такие полосы возможно размещать под светопрозрачной кровлей вооружений так, чтобы в закрытом положении полосы перекрывали большую часть светового отверстия. Подобные конструкции носят название «жалюзийный узкополосный экран» — ЖУЭ [79].

Перспективным представляется' использование ЖУЭ в сооружениях защищённого грунта. Лучистый теплообмен между сооружением со светопрозрачной кровлей и окружающей средой влияет на микроклимат [6]. Изменяя интенсивность проникающего внутрь сооружения и уходящего наружу лучевых потоков можно добиться повышения качества регулирования параметров микроклимата с одновременным снижением энергетических затрат на функционирование таких систем поддержания микроклимата как системы подогрева и системы охлаждения (туманообразования).

Перераспределение светового потока должно быть таковым, чтобы мгновенная облучённость объекта облучения отвечала, экстремуму некоторой функции качества облучения, которая в свою очередь формируется на основе анализа требований процесса облучения [31].

Вид функциональной зависимости показателей качества облучения от углового положения жалюзи ЖУЭ меняется при’изменении конфигурации объекта облучения. Положения экстремумов показателей качества облучения неизвестны заранее и существенно изменяются в течение одного светового дня вслед за перемещением солнца по небосводу [81].

Задача автоматизации управления ЖУЭ требует системного подхода и формирования адекватной модели ЖУЭ с системой управления [10].

Анализ результатов-моделирования позволит сформировать обоснованные технические требования к системе автоматического управления жа-люзийным узкополосным экраном (САУЖУЭ).

В качестве объекта исследования выступает процесс преобразования естественного солнечного излучения жалюзийным узкополосным экраном, снабжённым системой автоматического управления.

Предмет исследования: алгоритмы и модели системы автоматического управления жалюзийным узкополосным экраном.

Цель диссертационной работы состоит в повышении уровня и пространственной равномерности лучистой экспозиции объектов в сооружениях, оборудованных жалюзийными узкополосными экранами, в условиях априорной неопределённостиконфигурацииобъекта облучения и характеристик естественного излучения.

Основные задачи исследования: анализ процесса облучения объектов естественным солнечным' излучениемразработка критериев оценки качества регулирования облучённости объектов облучения, оборудованных жалюзийными экранамиразработка алгоритмов автоматического управления жалюзийным экраном и способов их сравнительной их оценки-, разработка модели облучения объектов естественным солнечным излучением, и на её базе имитационной модели системы автоматического управления жалюзийным узкополосным экраномэкспериментальная проверка качества моделирования облучения объектов естественным солнечным излучениемэкспериментальное исследование алгоритмов автоматического управления жалюзийным экраном на имитационных моделяхразработка, реализация, натурные испытания системы автоматического управления жалюзийным узкополосным экраном (САУЖУЭ).

Методы и средства исследований.

Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, имитационного компьютерного моделирования, теории автоматического управления, экспериментальных исследований. В работе применялись элементы математической статистики, теории аппроксимации экспериментальных данных, теории цифровой обработки сигналов. Для формирования имитационной модели и обработки результатов моделирования и экспериментов использовались система управления базами данных, языки программирования высокого уровня, табличные и текстовые процессоры.

Практическая реализация САУЖУЭ выполнялась с использованием методов теории конечных автоматов, теории надёжности, теории цифровой обработки сигналов. Использовались программно-аппаратные средства кросс-компиляции и отладки программного обеспечения микроконтроллеров.

Научная новизна работы.

1 Предложен новый критерий оценки качества управления жалюзийным узкополосным экраном, основанный на сравнении уровня и пространственной равномерности лучистой экспозиции площади поверхности объекта облучения за световой день с уровнем и пространственной равномерностью лучистой экспозиции для тождественного объекта облучения, не оборудованного жалюзийным узкополосным экраном, при заданных ограничениях на мгновенную облучённость.

2 Разработан новый алгоритм автоматического управления жалюзийным узкополосным экраном, основанный на законе экстремального управления по облучённости объекта облучения, включающий а) коррекцию измеренных значений облучённости объекта облучения с учётом динаи мики внешней облучённости во время поискового движенияб) вычисление поправки по равномерности облучения с введением её в момент формирования управляющего воздействия.

3 Разработана имитационная модель процесса облучения, включающая модели системы автоматического управления жалюзийным узкополосным экраном, объекта облучения, а также программу расчёта естественной облучённости, основанную на способе трассировки лучей и отличающуюся учётом динамики облачности.

Практическая значимость работы и внедрение результатов.

1 Использование разработанной имитационной модели в процессе проектирования систем автоматического управления жалюзийными экранами даёт возможность анализировать особенности алгоритмов управления экранами в широком диапазоне внешних условий, а также определять показатели качества облучённости объектов, оснащаемых жалюзийными экранами.

2 С применением предложенного алгоритма функционирования САУЖУЭ разработана проектно-конструкторская документация опытного образца системы автоматического регулирования облучённости растений в теплицах «САРОРТ-7». Проведены испытания опытного образца «СА-РОРТ-7» в экспериментальной теплице.

Положения, выносимые на защиту.

1 Критерий оценки качества управления жалюзийным узкополосным экраном в условиях априорной неопределённости характеристик внешнего естественного облучения и конфигурации объекта облучения.

2 Алгоритм функционирования системы автоматического управления жалюзийным узкополосным экраном, учитывающий динамику внешней естественной облучённости во время поискового движения и формирующий поправку по равномерности облучения.

3 Имитационная модель процесса облучения, включающая модели объекта управления, оборудованного жалюзийным узкополосным экраном с системой автоматического управления и модель естественного облучения, учитывающая динамику облачности.

Апробация и публикация результатов работы. Основные результаты диссертационного исследования доложены и обсуждены на научных конференциях и семинарах: международный научный симпозиум «Техника и технология экологически чистых химических производств», — Москва, 1997; первая Всероссийская научно-техническая конференция «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» — Нижний Новгород, 1999; шестая всероссийская научно-технической конференция «Методы и средства измерений физических величин» — Нижний Новгород, 2002; региональная научно-техническая конференция «Новые технологии в научных исследованиях, проектированииуправлении, производстве» -Воронеж, 2003;

The Third International Conference on Neural Networks and Artificial Intelligence. ICNNAI-2003 — Минск, Республика Беларусь, 2003; регулярно в процессе работы над диссертацией материалы рассматривались на научных семинарах кафедры «Проектирование и технология электронных и вычислительных систем» Орловского государственного технического университета.

По содержанию диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертационных работ.

3.6 Выводы.

1 Имитационный эксперимент показал, что оснащение объектов облучения жалюзийными узкополосными экранами, снабжёнными системой автоматического управления, ведёт в идеальных условиях а) к повышению лучистой экспозиции естественного облучения площади объекта облучения в разное время года на 10−30%- б) к улучшению вертикальной равномерности облучения на 30−35%.

2 Динамика облачности оказывает негативное влияние на работу системы, приводя к снижению уровня и пространственной равномерности лучистой экспозиции площади объекта облучения.

Введение

в алгоритмы функционирования САУЖУЭ модуля коррекции влияния динамики облачности позволяет компенсировать снижение экспозиции на 5−8% в летний, весенний и осенний периоды и на 3−5% в зимний.

3 Отклонение углового положения жалюзи от точки экстремума на четыре угловых градуса ведёт к снижению лучистой экспозиции на 3−5% и пространственной равномерности облучения на 2−3%.

4 Функционирование САУЖУЭ в режиме «Светоловушка» в зимний период на заводах-автоматах по производству плодоовощной продукции даёт прямую экономию электроэнергии, расходуемой на искусственное облучение растений до 3%, что составляет удельную экономию до 18 киловатт-часов на квадратный метр.

Заключение

.

Проделанная работа позволила практически реализовать один из вариантов интенсификации использования солнечной энергии — внедрение в промышленное производство жалюзийных узкополосных экранов, оборудованных системой автоматического управления. Достигнута поставленная в диссертационной работе цель, заключающаяся в повышении уровня и пространственной равномерность естественного облучения объктов.

Сформулируем основные теоретические итоги работы.

1 В результате анализа процесса промышленного производства плодоовощной продукции выявлено: а) в условиях средней полосы России облучённость естественным солнечным излучением выступает фактором, лимитирующим продуктивность производстваб) фактором, снижающим продуктивность промышленного производства плодоовощной продукции является повышенная температура в помещениив) использование жалюзийных узкополосных экранов позволяет увеличивать облучённость и пространственную равномерность облучения объектовг) использование жалюзийных узкополосных экранов позволяет снимать небольшие перегревы объекта облучения без значительных энергетических затрат и стрессовых воздействий, присущих известным системам снижения температуры.

2 На основе анализа процесса облучения объектов, оборудованных жалюзийным экраном, предложены критерии оценки качества управления экраном, заключающиеся: а) в определении лучистой экспозиции площади поверхности объекта облучения за световой деньб) в определении пространственной равномерности лучистой экспозиции площади объекта облучения за световой день.

3 На основе анализа процесса облучения объектов, оборудованных жалюзийным экраном, и предложенных критериев качества разработан новый алгоритм автоматического управления жалюзийным экраномоснованный на законе экстремального управления и включающий: а) коррекцию сигналов-датчиков облучённости объекта облучения по сигналу датчика внешней облучённости, позволяющую учесть динамику облачностиб) поиск экстремума облучённости объекта облученияв) вычисление поправки по равномерности и введение её в момент формирования управляющего воздействия.

4 Использование астрономических, климатических, светотехнических данных и современных методов светотехнических расчётов позволило построить адекватную задачам анализа функционирования системы управления жалюзийным экраном имитационную модель процесса облучения. Результаты компьютерного. моделирования распределения облучённости по поверхности объекта облучения и натурного эксперимента отличаются не более, чем<�на> 15%.

5 Имитационный эксперимент показал, что оснащение объектов облучения жалюзийным узкополосным экраном с системой управления, функционирующей по предложенному алгоритму позволяет: а) повысить уровень лучистой экспозиции площади поверхности объекта облучения в разное время года на 5−25%- б) повысить пространственную равномерность лучистой экспозиции в разное время года на 27−30%;

6 Имитационный эксперимент показал, что неблагоприятные внешние условия и неидеальность функционирования жалюзийного узкополосного экрана следующим образом сказываются на качестве облучения: а) динамика облачности ведёт к изменению формы экстремальной характеристики облучения и снижению облучённости на 5−8%, однако, введение в алгоритм функционирования системы автоматического управления операции коррекции сигналов датчиков облучённости объекта облучения по сигналу датчика внешней облучённости позволяет компенсировать неблагоприятное воздействиеб) отклонению углового положения жалюзи от точки экстремума на каждые четыре градуса, даёт снижение лучистой* экспозициина 3−5% и снижение равномерности облучения на 2−3%.

7 Функционирование жалюзийного узкополосного экрана, снабжённого * системой автоматического управления, в режиме «Светоловушка» в условиях заводов-автоматов по производству плодоовощной продукции позволяет экономить электроэнергию, расходуемую на искусственное облучение растений. В зимний период удельная экономия составляет 18 киловатт-часов на квадратный метр площади теплицы.

Практические итоги работы.

1 Определён подход к инженерному проектированию систем. управления жалюзийными экранами, заключающийся в использовании имитационной модели процесса облучения для отработки особенностей алгоритмов управления экранами.

2 Сформулированы общие технические требования, к системе автоматического управления жалюзийным узкополосным экраном, предназначенной для установки, в промышленных теплицах на завода-автоматах по производству плодоовощной продукции.

3 Разработана эскизная конструкторская документация, проведены сборка и испытания опытного образца системы автоматического регулирования облучения растений в теплицах типа «САРОРТ-7».

Перспективы исследований.

В работе подробно анализировался односкатный плоский жалюзий-ный экран. Однако конструкции регуляторов потока светового излучения могут быть весьма разнообразны. Это двускатные жалюзийные экраны, размещаемые непосредственно под крышей сооружения. Это фасетчатые конструкции, позволяющие отражать солнечное излучение и излучение искусственных источников под любым углом.

Среди задач управления двускатным жалюзийным экраном на< первое место выходит вопрос сокращения времени поиска положения жалюзи, отвечающего экстремуму функции качества облучения, так как наличие двух скатов определяет и двумерный алгоритм поиска.

Будущие исследования могут коснуться проблем, связанных с реализацией жалюзийных экранов, регулирующих спектральный состав облучения [15, 53]. Здесь также возникает проблема многомерного поиска.

Узким местом практической реализации жалюзийных узкополосных экранов по-прежнему остаётся механизм передачи момента вращения от электропривода к жалюзи.

Интересным представляется продолжение исследований по реализации датчиков облучённости в виде систем, формирующих цветное растровое изображение, что позволит точнее измерять облучённость и снизит требования к точности установки датчиков.

Важнейшее направление исследований — дальнейшая интеграция систем управления температурой, влажностью, естественной и искусственной облучённостью.

Применение современных систем управления естественной и искусственной облучённостью позволяет не только интенсифицировать использование солнечной энергии, но и совершенствовать технологические процессы и целые производства, приводя к последовательному экономическому росту Российской и мировой экономики.