Автоматизация технологического процесса облучения объектов, оборудованных жалюзийными узкополосными экранами

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБЛУЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ, ОБОРУДОВАННЫХ ЖАЛЮЗИЙНЫМИ УЗКОПОЛОСНЫМИ ЭКРАНАМИ

Донцов В.М.

This paper considers the computer simulation model of the manufacturing method of irradiance of the objects equipped by the louver narrow-strip screen. The performance criterions of daylight automated control systems was defined and different operation algorithms was analyzed.

имитационная модель управление дневной свет

Актуальной задачей в промышленном тепличном овощеводстве является снижение энергоемкости производства. Объем затрат на энергоносители в структуре цены единицы продукции в ряде регионов России может достигать 70%. В зимний период, в основном, это затраты на обогрев и искусственное облучение растений светом. В летнее время серьезной проблемой становится, напротив, борьба с повышенной температурой внутри теплиц.

Задача энергосбережения зимой успешно решается применением шторных экранов. Такие экраны представляют собой полотна, разворачивающиеся на некотором расстоянии от светопропускающей кровли сооружения в темное время суток. Экран и кровля совместно создают «эффект термоса», препятствуя тем самым утечке тепла.

Существенным шагом в развитии идеи экранирования является жалюзийный узкополосный экран (ЖУЭ) [1].

Конструктивно такой экран представляет собой набор узких (150-300 мм) параллельных полос светоотражающего (зеркального) материала, расположенных под крышей теплицы и вращающихся вокруг продольной оси.

В «закрытом» положении (когда отдельные жалюзи перекрывают друг друга), эффект воздействия жалюзийного экрана на микроклимат в теплице аналогичен эффекту шторного экрана. Однако, дополнительно в светлое время суток, регулируя угловое положение жалюзи, можно, во-первых, снижать приток избыточной солнечной радиации в помещение, уменьшая тем самым возможный перегрев растений летом, во-вторых, обеспечивать более равномерное облучение растительных ценозов в разных зонах (на разной высоте) теплицы. Таким образом, установка в промышленные теплицы жалюзийных узкополосных экранов позволяет перейти к более прогрессивным интенсивным технологиям в защищенном грунте.

Если автоматизация управления шторным экраном не представляет собой существенных трудностей, то построение системы автоматизированного управления жалюзийным экраном не является тривиальной задачей.

Сложность реализации управляющего алгоритма связана, в первую очередь, с тем, что изменять положение жалюзи надо постоянно в течение светлого времени суток вслед за перемещением солнца по небосводу и изменением метеоусловий с тем, чтобы в каждый момент времени обеспечить достаточный приток солнечной радиации. Невозможно заранее предсказать расположение растений внутри теплицы относительно жалюзийного экрана и, таким образом, невозможно заранее определить требуемое угловое положение жалюзийного экрана. С другой стороны, в соответствии с теорией фотосинтеза, в отсутствии перегрева растений необходимо обеспечивать приток фотосинтетически активной радиации (ФАР) с плотностью потока не менее некоторой заданной агротехническими нормами величины ко всем зеленым частям всех растений. Следовательно, автоматизированная система, управляющая работой жалюзийного узкополосного экрана, должна являться системой поиска экстремума [2].

Обобщенная функциональная схема внешних связей системы автоматизированного управления облученностью представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Обобщенная функциональная схема связей системы управления облученностью

- распределение плотности потока естественного солнечного излучения;

- распределение плотности потока искусственного излучения;

- распределение облученности объекта облучения;

- сигнал датчика внешней облученности;

- сигнал датчика температуры в помещении;

- сигналы датчиков облученности объекта облучения;

- дискретная команда на пуск и останов электропривода ЖУЭ;

 - сигнал датчика угла поворота жалюзи;

Целями представленного исследования являются, во-первых, определение функции качества, которая будет использоваться в алгоритме функционирования автоматизированной системы управления в режиме отсутствия перегревов растений и воздуха, во-вторых, определение при помощи компьютерного моделирования основных характеристик системы автоматизированного управления.

Компьютерная модель реализована поэтапно, рис. 2.

Рисунок 2 - Схема работы имитационной модели процесса облучения

На первом этапе формировались простейшие геометрические модели жалюзийного узкополосного экрана, конструкций теплицы, растительных ценозов.

На втором этапе вычислялись картины распределения светового поля внутри теплицы при различных положениях жалюзийного экрана, в различное время суток и в разные времена года.

На третьем этапе проводился анализ работы автоматизированной системы с использованием различных алгоритмов функционирования. Для сравнения результатов работы этих алгоритмов был выбран критерий качества регулирования.

Расчет распределения светового поля внутри теплицы был также разделен на подкатегории. Расчет прохождения прямого солнечного света выполнялся методом прямой трассировки лучей [3]. Расчет прохождения рассеянного атмосферой и земной поверхностью света выполнялся методом обратной трассировки лучей [3]. Расчет света, рассеянного на элементах конструкций теплиц и растений выполнялся методом обратной трассировки лучей.

В процессе проведения расчетов принимались во внимание следующие факторы [4]:

- положение солнца на небосклоне, интенсивность солнечного света вблизи атмосферы земли (солнечная постоянная);

- затухание и рассеяние солнечного света при прохождении через атмосферу земли;

- характер отражающей способности материала жалюзи [3].

При определении картины распределения светового поля в теплице учитывалась только фотосинтетически активная радиация [5]. Таким образом, были получены результаты для ясного неба. Влияние условий облачности было учтено на третьем этапе моделирования.

Основной особенностью функционирования систем экстремального регулирования является наличие поисковых движений [2]. Система воздействует на объект управления и, анализируя изменения некоторых выходных величин, организует движение к экстремуму и стабилизацию в точке экстремума.

Технические особенности имеющегося на настоящий момент механизма управления положением жалюзийного узкополосного экрана накладывают на работу системы ряд ограничений. В первую очередь, это касается поисковых движений. Ресурс механизмов довольно мал, частый реверс электропривода крайне нежелателен. Во-вторых, в процессе работы накапливается рассогласование в положении отдельных жалюзи друг относительно друга, что требует периодической перекалибровки механизма. Однако, солнце перемещается по небосклону относительно медленно (азимут меняется на 1 градус приблизительно за 4,5 минуты), а полный поворот жалюзи вокруг своей оси занимает около 15 секунд.

Названные соотношения позволяют реализовать перестройку положения жалюзи со значительным интервалом - 20...30 минут [5], а в процессе перестройки выполнить следующую последовательность действий:

- повернуть все жалюзи в положение «0 градусов» по сигналам концевых выключателей, что позволяет перекалибровать механизм;

- повернуть все жалюзи в положение «180 градусов», одновременно записывая отсчеты, формируемые датчиками облученности растений, датчиками внешней облученности и датчиками угла поворота жалюзи;

- проанализировать полученные функциональные зависимости сигналов датчиков облученности от угла поворота жалюзи и определить угол, отвечающий экстремуму заданной функции качества;

- перевести жалюзи в найденное положение.

Третий этап компьютерного моделирования работы системы имитирует вышеописанный процесс перестройки положения жалюзийного экрана.

Для анализа работы системы следует сформировать единый критерий, позволяющий сравнивать использование разных функций качества. Урожайность растений непосредственно связана с поступлением к ним фотосинтетически активной радиации. Пусть в каждой точке зеленого покрова интенсивность ФАР задана как , где - координаты этой точки, - время.

Доза облучения за светлое время суток от момента времени  до момента будет определена как:

.(1)

Средняя доза облучения некоторой площади :

.(2)

Средняя доза облучения за светлое время суток по всей теплице может служить основным критерием качества работы автоматизированной системы управления жалюзийным узкополосным экраном [5]. Следует заметить, что с точки зрения теории фотосинтеза [6] формулу (1) надо несколько модифицировать, учитывая вклад в суммарную дозу только ФАР с интенсивностью .

Исследования показывают, что распределение светового поля по поверхности растительного покрова может быть существенно неравномерным. Особенно это заметно тогда, когда в теплице находятся высокорослые растения или растения на нескольких ярусах. Многоярусное расположение растений приводит к появлению большого отрицательного градиента плотности мощности светового потока сверху вниз. Численная оценка равномерности облученности была получена следующим образом. Проводилось разбиение поверхности растительного покрова на несколько зон по высоте с последующим определением средней дозы облучения по каждой зоне и сравнением минимального результата с максимальным:

.(3)

Равномерность облучения растений служит вторым критерием качества работы системы управления жалюзийным экраном.

В процессе моделирования было принято допущение, что облученность растений определяется датчиками, измеряющими интенсивность света, рассеянного различными областями растительного покрова для углов положения жалюзи . Вначале были проанализированы алгоритмы работы автоматизированной системы управления при условии, что в процессе перестройки положения жалюзи метеоусловия неизменны.

В модели были имитированы следующие алгоритмы работы и функции качества экстремального управления:

1) поиск глобального максимума облученности растений:

;(4)

2) поиск глобального максимума по сигналам датчиков, измеряющих облученность нижней зоны (1/2, 1/3 и 1/4) высокорослых растений:

;(5)

3) синтетический алгоритм: выделение множества углов положения жалюзи , для которых , где , поиск минимума неравномерности сигналов датчиков в этих углах:

,(6)

где - среднее значение отсчетов датчиков облученности растений,

.(7)

Моделирование работы автоматизированной системы управления жалюзийным узкополосным экраном выполнялась для географического региона Орловской области в разные времена года.

Результаты моделирования показывают, что алгоритм 1) дает, как и следовало ожидать, максимальный выигрыш в суточной дозе облучения, а алгоритмы 2) и 3) обеспечивают значительно лучшую равномерность распределения света (см. также рис. 3).

Исследование подмножества алгоритмов 2) показывает, что они не являются достаточно робастными, при изменении положения датчиков возможно снижение среднесуточной дозы облучения ниже значений, достигаемых без применения жалюзийного экрана. Результаты моделирования для безоблачного неба различных алгоритмов в разное время года приведены в таблице.

Таблица - Результаты моделирования для безоблачного неба.

Заметим, что когда световой день короток, солнце поднимается невысоко над горизонтом и нижняя зона растений может получать явно недостаточное количество световой энергии, и даже небольшой выигрыш в равномерности облучения растений положительно влияет на урожайность и экономию энергоресурсов.

Общим итогом проделанной работы явилось не только сравнение алгоритмов работы регулятора облученности растений, но и определение допустимого интервала времени между перестройкой положения жалюзи.

Дополнительно было исследовано влияние динамики облачности на работу системы автоматизированного управления. Динамика облачности вызывает изменение интенсивности как прямого солнечного света, так и света, рассеянного атмосферой. Интенсивность рассеянного света зависит в основном от общего количества облаков на небе [4] и меняется медленно относительно времени перестройки положения жалюзи. Прямой же солнечный свет может быстро варьироваться в широких пределах. Изменение интенсивности поступающего в теплицу светового потока является случайным возмущением, недоучет которого может привести к существенным ошибкам в поиске положения жалюзи. Пусть - зависимость среднего значения сигналов нескольких датчиков внешней облученности, измеренная при повороте жалюзи. Тогда функциональная зависимость отсчетов сигналов датчиков облученности растений может быть скорректирована следующим образом:

, (8)

где - скорректированная зависимость отсчетов датчиков облученности растений с учетом изменения внешней облученности, - среднее значение отсчетов датчиков внешней облученности за время поворота жалюзи:

.(9)

Коэффициент связан с соотношением прямого и рассеянного света. Он должен быть различен для различных условий облачности. Этот коэффициент можно было бы оценивать посредством раздельного измерения прямого и рассеянного света, но реализация таких измерений в автоматическом режиме затруднена [4]. Нами было выбрано некоторое усредненное значение =0.15, дающее приемлемые результаты для условий малой и средней облачности. При наличии сильной облачности вероятность колебаний прямого солнечного света мала, и возможна работа системы без дополнительной коррекции.

Результаты моделирования функционирования системы управления облученностью с учетом динамики облачности представлены в графическом виде на рис. 3.

Рисунок 3 - Сравнение алгоритмов функционирования системы управления облученностью с учетом динамики облачности

Применение в промышленном овощеводстве системы автоматизированного управления облученностью на базе жалюзийного узкополосного экрана позволяет повысить эффективность использования естественной солнечной радиации в технологическом процессе облучения растений путем оптимизации использования полезного объема теплиц, увеличения продолжительности вегетационного периода. Рост эффективности использования естественной солнечной радиации ведет к экономии электрической энергии и позволяет снизить затраты на энергоносители в структуре цены единицы продукции.

Литература

1. Шарупич, В.П. Радиационный режим и светотехническое оборудование теплиц 0 - VII световых зон СССР [Текст] / В.П. Шарупич / Орел, МИИП «Поиск», 1992, 216 с.

2. Красовского, А.А. Справочник по теории автоматического управления [Текст] / под ред. А.А. Красовского. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987, 712 с.

3. Роджерс, Д. Алгоритмические основы машинной графики [Текст]: / Д. Роджерс / пер. с англ. - М.: Мир, 1989, 512 с.

4. Атмосфера. Справочник (справочные данные, модели) [Текст] / - Л.: Гидрометиоиздат, 1991, 510 с..

5. Асосков, Е.Н. Формирование принципов построения регуляторов радиационного режима теплиц [Текст] // Е.Н. Асосков, Ю.В. Колоколов, В.М. Донцов / Проблемы автоматизации энергосберегающих технологий. Межвузовский сборник научных трудов. Издательство БГТУ, Брянск, 1998. с. 12-18

6. Тарчевский, И.А. Основы фотосинтеза [Текст] / И.А. Тарчевский / - М.: Высшая школа, 1977, 253 .

Размещено на Allbest.ru