Системы автоматического регулирования с применением микроэвм (анализ и синтез систем) (стр. 20 )

–  температура воздуха должна быть для теплолюбивых культур (томат, огурец, перец, баклажан) при солнечной погоде 24±4°С, в пасмурную погоду 22±4°С, ночью 18±2°С, для умеренно требовательных к теплоте культур (редис, салат, сельдерей, укроп и т. п.) 16±4°С;

–  температура почвы должна быть для теплолюбивых культур 24±2°С, а для умеренно теплолюбивых 20±2°С;

–  относительная влажность воздуха должна быть для рассады огурцов и баклажанов 70±5%, томата и перца 60±5%, салата и капусты 65±5%. В после рассадный период относительная влажность для огурцов и баклажанов – 90±5%, для томата и перца – 60±5%, а для салата и капусты – 80±5%;

–  влажность почвы необходимо поддерживать 82±8%.

Для того, чтобы обеспечить стабилизацию рассмотренных показателей технологического процесса на требуемом уровне, необходимо иметь систему автоматического регулирования с четырьмя контурами регулирования соответственно показателям qВ, qП, jВ, jП. Очевидно, что эти регулируемые величины тесно связаны между собой, так как изменения любой из них определенным образом влияет на остальные величины. Если учитывать данное обстоятельство, то при определении математического описания теплицы как объекта регулирования его следует представлять в виде многомерного и многосвязного объекта. В таком случае САР с четырьмя контурами регулирования будет автоматической системой, которая может быть отнесена к так называемому классу многосвязных САР, теория расчета и исследования которых достаточно сложна и не входит в программу дисциплины "Автоматика". Задачи аналитических расчетов и исследований многоконтурной САР показателями микроклимата в теплице существенно упрощается, если каждый контур регулирования рассматривать как автономную САР. В таком случае теплицу как объект регулирования можно представить в виде четырех одномерных объектов регулирования по каждому показателю технологического процесса. Такой подход был применен при исследованиях теплицы как объекта регулирования /5/, отдельные результаты которых приведены ниже.

Теплица как объект регулирования по температуре воздуха. Для обогрева теплиц широкое распространение нашел водяной обогрев, отличающийся от других видов обогрева (электрического, непосредственно сжигание газа) лучшими эксплуатационными и экономическими показателями. Для водяного обогрева воздуха под рамами остекления стен теплицы прокладывают металлические трубы диаметром не менее 50 мм, циркуляцию воды с температурой 70…90°С в которых создают принудительно с помощью электронасоса. Такая система обогрева в теплице выполняет роль исполнительного органа (элемента), изменяющего значение регулирующего воздействия на входе объекта регулирования, в качестве которого принимают температуру поверхности трубы qТ. За счет изменения температуры qТ, посредством изменения температуры воды qГ, обеспечивается компенсация влияния возмущающих воздействий на теплицу. Температура воды qТ регулируется путем изменения степени открытия смесительного клапана (в горячую воду, забираемую из котельной циркуляционным насосом, добавляют через смесительный клапан определенное количество возвратной воды, отдавшей теплоту для обогрева теплицы). К числу возмущающих воздействий на теплицу относятся: температура qА и влажность атмосферного воздуха jА, скорость ветра vВ и др. В качестве основного (главного) возмущения можно принять температуру атмосферного воздуха qА. В таком случае структурная схема теплицы как объекта регулирования по температуре совместно с исполнительным органом можно представить в виде, показанном на рис. 5.11.

Рис. 5.11 – Структурная схема теплицы совместно с системой водяного обогрева

Передаточная функция теплицы по регулирующему воздействию /5/

, (5.1)

где qВ(р) и qТ(р) – соответственно изображения по Лапласу при нулевых начальных условиях температуры воздуха в теплице и температуры поверхностей труб;

k1 – коэффициент передачи;

Т, Т1, Т2 – постоянные времени.

Передаточная функция теплицы по возмущающему воздействию

, (5.2)

где qА(р) – изображение по Лапласу при нулевых начальных условиях температуры атмосферного воздуха;

k2, Т3 – соответственно коэффициент передачи и постоянная времени.

Система водяного обогрева (исполнительный орган) представляет собой звено запаздывания с передаточной функцией

, (5.3)

где qГ(р) – изображение по Лапласу при нулевых начальных условиях температуры воды, подаваемой в трубы;

t – время чистого (транспортного) запаздывания, определяемое по формуле ,

где L – длина труб;

l – расстояние от клапана до точки контроля температуры;

V – объем теплицы;

Q – производительность циркулярного насоса.

Числовые значения параметров передаточных функций (5.1)-(5.3) зависят от типа теплицы и ее конструктивных параметров. Так, например, для блочной теплицы площадью 1 га: V=100 м3; Q=250 м3/ч; t=360 с; Т=36 с; Т1=1362 с; Т2=624 с; k1=0,31.

При практических расчетах и исследованиях САР температуры в конкретной теплице эти параметры определяют, основываясь на известных аналитических и экспериментальных методах исследования динамических характеристик объектов и элементов автоматических систем. Для учебных целей (при выполнении расчетных и курсовых работ) можно использовать их ориентировочные значения, приведенные в таблице 5.11, а в качестве возмущения следует принимать скачкообразное изменение температуры атмосферного воздуха DqА от первоначального значения qА.

Таблица 5.11 – Значения параметров передаточных функций (5.1)-(5.3)

Вариант	Параметры
k1	k2	T, c	Т1, с	Т2, с	Т3, с	τ, с	ΔqА, °С	qА, °С
1	0,31	0,6	36	1362	624	3600	360	-10	-20
2	0,35	0,6	40	1400	700	3600	400	-12	-28
3	0,4	0,6	50	1600	800	3600	450	-15	-22
4	0,5	0,7	30	1100	550	3000	300	-20	-15
5	0,55	0,75	25	450	450	2800	280	-13	20

Почва теплицы как объект автоматического регулирования по температуре. Для водяного обогрева почвы в теплице на определенной глубине закладывают трубы, по которым циркулирует горячая вода. За счет изменения ее температуры qГ изменяют температуру труб qТ, которая является регулирующим воздействием. Возмущающими воздействиями, вызывающими изменение температуры qП, являются изменения температуры воздуха qВ и его влажности jВ, влажности почвы jП и др. факторы. Главным (основным) из них можно рассматривать влажность почвы jП. В таком случае математическую модель почвы как объекта автоматического регулирования совместно с системой водяного обогрева можно представить структурной схемой, показанной на рис.5.12.

Рис. 5.12 – Структурная схема почвы как объекта автоматического регулирования по температуре

Передаточная функция почвы по регулирующему воздействию qТ W4(р), из-за сложности физических процессов в капиллярно-пористой среде почвы, определена приближенно исходя из следующих упрощений: общую толщину обогреваемого слоя почвы х=15…20 см разбивают на n=3…4 зоны, каждая толщиной Δ=4…5 см (рис. 5.13) и каждую зону представляют апериодическим звеном первого порядка, а весь обогреваемый слой почвы – как последовательное соединение этих звеньев /3/. При таком представлении почвы при n=4 передаточная функция

, (5.4)

где qП(р) – изображение по Лапласу при нулевых начальных условиях температуры почвы в точке ее контроля (в четвертом слое);

qТ(р) – изображение по Лапласу при нулевых начальных условиях температуры поверхности труб;

k1, k2, k3, k4 – передаточные коэффициенты соответственно каждого слоя;

T1, T2, T3, T4 – постоянные времени соответственно каждого слоя.

Если принять, что физические свойства всех слоев одинаковые, то Т1=Т2=Т3=Т4=Т и k1=k2=k3=k4=k. Тогда передаточную функцию почвы как объекта автоматического регулирования по температуре (5.4) можно записать как

. (5.5)

Рис. 5.13 – Многослойная модель почвы: 1, 2, 3, 4 – номера слоев почвы

Передаточная функция почвы как объекта регулирования по возмущению jП

, (5.6)

где jП(р) – изображение по Лапласу при нулевых начальных условиях возмущающего воздействия (влажности почвы);

k5, T5 – соответственно коэффициент передачи и постоянная времени контролируемого слоя почвы.

Передаточная функция исполнительного органа (системы водяного обогрева) будет аналогична передаточной функции (5.3), то есть

. (5.7)

При практических расчетах САР температуры почвы параметры передаточных функций (5.5)-(5.7) определяют экспериментально. Для учебных целей (при выполнении расчетных и курсовых работ, дипломных проектов и работ) следует пользоваться априорными данными, приведенными в таблице 5.12.