Мохаммед Али мехатронная система управления микроклиматом в зданиях на базе нечеткой логики

Вид материала

Содержание

Общая характеристика работы
Краткое содержание работы
Motorola mc56f8645

Подобный материал:

На правах рукописи

Аль Джубури Иссам Мохаммед Али

мехатроннАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ

В ЗДАНИЯХ НА БАЗЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Специальность 05.02.05 «Роботы, мехатроника

и робототехнические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск – 2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника»

Научный руководитель: Булгаков Алексей Григорьевич

доктор технических наук

заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты: Паршин Дмитрий Яковлевич

доктор технических наук

Гринченков Валерий Петрович

кандидат технических наук

Ведущая организация: Ростовский государственный

строительный университет

(г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится «12» февраля 2010 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д.212.304.04 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132, ауд.107 глав. корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехни-ческого института). С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ(НПИ) www.npi-tu.ru

Автореферат разослан « » января 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук В.С. Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К современным зданиям и сооружениям предъявляются повышенные требования с точки зрения комфортности и здоровых условий среды обитания человека, а также экономичности их эксплуатационных режимов. Постоянно растущие цены на электроэнергию, водо- и теплоснабжение, потребление которых в народном хозяйстве страны превышает 40% вырабатываемой первичной энергии, заставляют проектировщиков искать и использовать ресурсосберегающие технологии, теплоизоляционные материалы, с целью снижения потерь тепла в зимний и расхода электроэнергии на охлаждение воздуха – в летний периоды. Это позволяет, в итоге, снизить эксплуатационные расходы, но влечет за собой новые проблемы, связанные с качеством вдыхаемого воздуха. Снижение доли свежего воздуха в изолированном помещении при его обогреве или кондиционировании приводит к вредным для здоровья человека последствиям. В помещениях зданий при этом также провоцируется, например, образование плесени и грибков, что негативно сказывается на сроке его службы. Неконтролируемое спонтанное проветривание ведет, в свою очередь, к нецелесообразному расходу энергии и сводит на нет эффект от реализации указанных выше дорогостоящих мероприятий.

Использование классических методов для решения проблем оптимизации режимов теплоснабжения и регулирования микроклимата в помещениях зданий и сооружений связано с необходимостью проведения их математического моделирования в каждом случае, когда осуществляется перепланировка помещений или изменяется состав оборудования, используемого для их жизнеобеспечения. Связанные с этим затраты труда и времени высококвалифицированного персонала весьма велики. Применение для реализации этих целей информационно-измерительных средств и систем связано с инсталляцией сложных коммуникаций из-за необходимости непрерывного измерения разного рода многочисленных параметров и обработки постоянно меняющихся результатов.

В последнее время все большую популярность у застройщиков нового жилья и административных зданий приобретают технические решения, известные под названием «Интеллектуальные здания». Они представляют собой состоящие из мехатронных исполнительных устройств системы, которые должны уметь распознавать конкретные ситуации, имеющие место в здании, и соответствующим образом на них реагировать, в том числе, и для обогрева, охлаждения и проветривания. Надежного и экономичного обеспечения комфортности микроклимата возможно добиться, используя для управления ими методы нечеткой логики, базирующиеся на нечетком вербальном описании процесса за счет лингвистических правил и управляющих воздействий. Режимы работы исполнительных устройств могут выбираться и настраиваться системой в зависимости от характера деятельности людей в помещении, режимов работы находящегося в нем оборудования, дневных и сезонных внешних климатических условий. Пользователь сам в состоянии задавать параметры микроклимата: от максимального комфорта до максимальной экономичности.

Таким образом, для решения проблемы экономичного обеспечения комфортного микроклимата в зданиях необходимо разработать метод построения и алгоритм управления исполнительной мехатронной системой, гибко реагирующей на изменяющиеся условия внутренней и воздействия внешней окружающей среды, что составляет предмет данной диссертации.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГТУ (НПИ) «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов», утвержденного ученым советом 25.04.2001 г. и соответствует госбюджетной теме П.3.837 «Разработка принципов и средств автоматизации и роботизации производства на основе мехатронных технологий и систем» (2004-2008 гг.).

Цель исследования - разработка методов создания мехатронной системы управления микроклиматом в зданиях на базе нечеткой логики, для обеспечения комфортных условий и экономичных режимов эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

– провести критический анализ мехатронных средств и систем контроля и управления микроклиматом помещений в зданиях различного назначения;

– разработать методы математического моделирования среды помещений зданий как объекта управления;

– разработать методы построения реализуемой на базе нечеткой логики мехатронной системы управления микроклиматом в зданиях;

разработать методы управления мехатронной системой и реализующий их алгоритм для экономичного поддержания желаемого микроклимата в зданиях, позволяющий системе гибко реагировать на изменяющиеся условия их эксплуатации;
провести математическое моделирование мехатронной системы управления микроклиматом в зданиях, построенной на базе нечеткой логики;

– провести экспериментальные исследования разработанной мехатронной системы управления микроклиматом в зданиях на базе нечеткой логики;

– разработать рекомендации по применению мехатронной системы управления микроклиматом в зданиях, обеспечивающей экономичные режимы работы ее исполнительных устройств.

Идея работы. Идея этой работы состоит в использовании методов нечеткой логики и непрерывного формирования экспертных данных в алгоритме управления мехатронной системой для экономичного поддержания комфортного микроклимата в зданиях с возможностью постоянной самонастройки режимов ее эксплуатации.

Методы исследования. В работе использованы методы математического анализа, нечеткой логики, математического моделирования, теории автоматического управления, мехатроники и робототехники, дискретного интегрирования, экспериментальных исследований на натурных образцах с аналитической обработкой результатов на ЭВМ.

Научные положения, выносимые на защиту:

метод математического моделирования микроклимата зданий как объекта управления, базирующийся на экспертно-аналитической оценке среды;
метод построения мехатронной системы управления микроклиматом в зданиях, реализуемой на базе нечеткой логики и самонастраивающейся на изменяющиеся условия эксплуатации;

– метод нечеткого управления мехатронной системой и реализующий их алгоритм для экономичного поддержания комфортного микроклимата в зданиях, позволяющий непрерывно выбирать и реализовывать необходимые режимы работы исполнительных устройств.

Научная новизна работы заключается в разработке:

– метода математического моделирования микроклимата зданий как объекта управления, базирующегося на экспертно-аналитической оценке среды, отличающегося учетом теплоизоляционных свойств строительных конструкций;

– метода построения включающей в свою структуру нечеткий регулятор и самонастраивающейся на изменяющиеся условия эксплуатации мехатронной системы управления микроклиматом в зданиях, отличающегося использованием базы экспертных данных, непрерывно формируемых нечетко-логическим регулятором;

– метода нечеткого управления мехатронной системой и реализующего его алгоритма для экономичного поддержания комфортного микроклимата в зданиях, позволяющего непрерывно выбирать и реализовывать необходимые режимы работы исполнительных устройств, отличающегося использованием соответствующих множеств дискретных выходных величин, непрерывно формируемых программируемым нечетким регулятором на основании лингвистических функций принадлежности.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных законов физики, механики, робототехники, классической теории управления, теории электропривода, методов планирования эксперимента, корректными допущениями при составлении математических моделей и подтверждается данными экспериментов на модели системы управления микроклиматом, результатами физического и компьютерного моделирования. Расхождение результатов математического моделирования и проведенных экспериментов на натурных образцах не превысило 10%.

Научное значение результатов исследований состоит в том, что предложенная в диссертации мехатронная система управления микроклиматом в зданиях на базе нечеткой логики может быть использована при проведении исследовательских работ по созданию эффективных систем жизнеобеспечения сооружений, предназначенных для повышения комфортности пребывания в них человека и снижения эксплуатационных затрат.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные в ней методы, модели и алгоритмы управления мехатронной системой управления микроклиматом зданий на базе нечеткой логики позволяют использовать их при проведении проектных работ и реконструкции жилых и офисных зданий и сооружений. Прикладная значимость результатов заключается в следующем:

разработанные метод и алгоритм управления мехатронной системой для экономичного поддержания комфортного микроклимата зданий готовы к использованию и могут быть применены при проектировании систем жизнеобеспечения «интеллектуальных зданий»;

– разработанная мехатронная система управления микроклиматом зданий на базе методов нечеткой логики, обеспечивает гибкую самонастройку режимов, нагрева, охлаждения, увлажнения и скорости потока вентилируемого воздуха в зависимости от реальных условий;

разработанные рекомендации по созданию систем управления микроклиматом в зданиях позволяют обоснованно, в зависимости от их конструктивных особенностей, выбирать системы и способы программной реализации предложенных методов и алгоритмов управления;
разработанный программный пакет может быть использован при управлении мехатронными системами при решении задачи непрерывного и точного управления микроклиматом зданий.

Внедрение результатов диссертационного исследования. Разработанные модели и методы приняты к внедрению в проектную и конструкторскую документацию ООО СП «ТОП-Дизайн» (г. Новочеркасск). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника» ЮРГТУ (НПИ) для студентов специальностей 22040165 «Мехатроника» и 22040265 «Роботы и робототехнические системы».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы мехатроники 2006» (Новочеркасск, 2006 г.), 9-й международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 2008 г.), 58-й научной конференции ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2009 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях, в том числе в трех изданиях, рекомендованных ВАК, получены два патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Общий объем работы составляет 188 страниц машинописного текста, содержит 65 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 142 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертационного исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна работы, подтверждена обоснованность и достоверность полученных результатов, а также их научно-практическое значение.

В первой главе рассмотрены этапы формирования понятия «Интеллектуальное здание» и технико-экономические аспекты эксплуатации зданий с автоматизированным регулированием микроклимата в помещениях, проанализированы современные концепции и методы управления микроклиматом в зданиях, особенности построения и функционирования систем поддержания и регулирования параметров микроклимата в помещениях зданий и сооружений на основе методов нечеткой логики.

На долю оборудования для отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха (ОВКB), компонуемого из мехатронных исполнительных устройств, приходится более 65% расхода электроэнергии от всего объема, требуемого для поддержания жизнеобеспечения в здании. Традиционные методы регулирования довольно широко представлены в системах ОВКВ, но они отличаются высокой стоимостью обслуживания и повышенным энергопотреблением. Альтернативным вариантом может быть переход к использованию методов нечеткой логики для управления микроклиматом помещений в зданиях и сооружениях. Это обусловлено еще и тем, что температурно-влажностный комфорт, как правило, субъективен в формальном описании, из-за того, что разные люди имеют различные представления о нем. Такие системы управления ОВКB в состоянии экстраполировать неполадки оборудования, тем самым, обеспечивая предпосылки для своевременного их предупреждения или устранения с минимальными затратами. Система управления микроклиматом в зданиях и сооружениях должна отличаться высоким быстродействием, экономичностью и устойчивостью в работе. Управление необходимо осуществлять своевременно во избежание недопустимых отклонений режимов работы от заданных значений. Так как подобные отклонения вызывают, как температурный дискомфорт, так и нестабильную работу, то они должны устраняться. Чрезвычайно важным является общая потребность системы ОВКB в энергии. Стабильность управления характеризуется точностью, рациональностью использования исполнительных устройств и надежностью управляющей программы.

Проведенный критический анализ современных разработок показал, что мехатронные системы управления, основанные на использовании аппарата нечеткой логики, предпочтительнее для регулирования параметров микроклимата помещений зданий и сооружений, чем традиционные и показывают лучшие результаты по трем критериям - поддержанию комфортных условий, энергопотреблению и быстродействию.

Во второй главе приведен предлагаемой метод математического моделирования микроклимата зданий, как объекта управления, базирующийся на экспертно-аналитической оценке среды, выполнено моделирование тепло-влажностных режимов и представлены его результаты.

Динамический режим здания описывается с помощью системы обычных линейных дифференциальных уравнений. Их можно переписать в виде матриц, а затем реализовать динамическую модель. Уравнения имеют следующий вид:

; (1)

; (2)

, (3)

где T₁ - температура воздушной зоны; T₂ - температура внутренней стороны конструкции; T₃ -температура наружной стороны конструкции; T_i - температура воздуха внутри помещения, C₁-теплоёмкость фасада здания; C₂,C₃– тепло-ёмкость конструкции внутри и снаружи; R₁- конвективное сопротивление фасада здания; R₂- конвективное сопротивление внутренней стороны констру-кции; R₃-конвективное сопротивление конструкции; R₄-конвективное сопротив-ление внешней стороны конструкции; q_изл – солнечное излучение;

- коэффициент солнечного излучения; A_стекл – площадь поверхности стекла.

Показатель конвекции

, (4)

где Q_вн – теплоотдача от внутренних источников тепла; Q_ви– согревающая/ охлаждающая энергия.

При решении уравнения (1-4) принимают следующий вид:

; (5)

; (6)

; (7)

. (8)

Уравнение (5-8) может легко привести к матричному виду:

_; (9)

(10)

со следующими векторами:

;

Анализ результатов моделирования и расчётов тепловых режимов здания выполнен путем использования тепловой модели здания (рис. 1). Он показал, что приведенное аналитическое описание динамических режимов здания не в состоянии в полной мере отразить все протекающие в нем процессы. Органичным дополнением к такому описанию служит аппарат нечеткой логики, не требующий точного знания значений регулируемых параметров во всех зонах помещения.

На температуру воздуха внутри здания существенное влияние оказывают материалы, применяемые при строительстве. Очевидно, при использовании теплоизолирующих материалов не только достижение заданного значения температуры будет происходить быстрее, но и потребуются меньше энергоресурсов для ее поддержания (рис. 2.). С другой стороны, в случае легких строительных конструкций с низкой теплоёмкостью (рис. 3), колебания температуры внутри помещения будут значительно больше и, соответственно, увеличатся затраты на поддержание комфортного микроклимата.

Рис.2. Внутренняя и внешняя температурные Рис.3. Внутренняя и внешняя температур-

характеристики массивных конструкций ные характеристики легких конструкций

Рис. 1. Структура тепловой модели здания

На рис. 4 и 5 показана температура пола, температура внутренней и внешней поверхности стен здания, которые со временем меняются. Температура наружной стены с низкой теплостойкостью равна внешней температуре. Температура пола и комнаты (рис. 4) колеблется относительно заданного значения. Эти колебания замечаются в здании, конструкция которого обладает высоким тепловым сопротивлением (рис. 5).

Рис. 4. Температурные характеристики конструктивных элементов здания низкой теплоемкости

Рис. 5. Температурные характеристики конструктивных элементов здания высокой теплоемкости

Модель позволяет эффективно рассчитывать температуру и влажность внутри помещения, учитывая теплопотери через ограждающие конструкции здания (стены, окна, потолок, пол, кровля). Основные расчетные зависимости, коэффициенты и порядок расчета приняты в соответствии с существующими стандартами. Использование модели дает возможность осуществлять расчет температуры и влажности непосредственно в программной среде, что дает возможность сэкономить время при трудоемком вводе исходных данных и производить визуальный контроль над их вводом. Так как любой проект ОВКВ подразумевает наличие в качестве технического задания архитектурной планировки здания, то для расчета теплопотерь в нем достаточно определить функциональное назначение помещений и ограждающих их конструкций. При составлении модели разработаны пользовательский интерфейс, рассчитанный на минимальное количество команд, и нелинейный алгоритм, т.е. не требующий строгой последовательности действий. В целом, все сводится к описанию помещения и ограждающих конструкций за счет использования соответствующих команд. В результате получена тепловая модель здания, с помощью которой могут проводиться соответствующие расчеты, а также становится возможной разработка интеллектуальной системы регулирования микроклимата в зданиях и сооружениях.

В третьей главе рассмотрены возможности применения нечеткой логики для решения задач регулирования микроклимата, представлена обобщенная процедура проектирования нечеткого регулятора, предложены методы построения реализуемой на базе нечеткой логики и самонастраивающейся на изменяющиеся условия эксплуатации системы управления микроклиматом, описаны метод нечеткого управления мехатронной системой и реализующий его алгоритм, представлены результаты моделирования разработанной системы.

При проведении исследований рассматривается регулятор с нечеткой логикой (фаззи-регулятор) с двумя входными и с тремя выходными параметрами. К входным параметрам относятся разность действительных и заданных значений температуры (е) и скорости изменения температуры воздуха (Δе):

, (11)

где T_зад,T_тек – заданная и текущая температуры, ^оС; t - время, мин.

. (12)

К выходным параметрам относятся уровень охлаждения, нагрева, а так же скорость воздушного потока, создаваемого вентилятором. Аналоговый сигнал поступает на вход цифро-аналогового преобразователя, выходное значение которого является входным значением системы управления.

Для лингвистических переменных e, Δe определяются нечеткие множества с соответствующими идентификаторами для функций принадлежности μ(e), μ(Δe) и формируются две функции принадлежности. В одном случае аргументом является параметр e и Δe (рис. 6). Для μ(e), μ(Δe) идентификаторы формулируются следующим образом: «отклонение положительное большое» (РB), «отклонение положительное среднее» (PM), «отклонение положительное малое» (PS), «отклонение нулевое» (Z), «отклонение отрицательное малое» (NS), «отклонение отрицательное среднее» (NM) , «отклонение отрицательное большое» (NB).

а) б)

Рис. 6. Входные лингвистические функции принадлежности

С помощью функции принадлежности (рис. 7a) задается требуемый режим работы системы нагрева и охлаждения μ(p). Нечеткие переменные,.

a) б)

Рис. 7. Выходные лингвистические функции принадлежности

имеют идентификаторы: «сильное охлаждение» (C3), «среднее охлаждение» (C2), «малое охлаждение» (C1), «без изменений» (NO), «нагрев1» (H1), «нагрев2» (H2). Подобным способом вычисляется также скорость вращения вентилятора μ(fs) (рис. 8б). Нечеткие переменные, соответствующие скорости вентилятора, имеют следующие идентификаторы: «высокая» (Fast), «нормальная» (Med), «низкая» (Low), «нулевая» (Z).

З

a) б)

Рис. 8. Графики зависимостей между входными и выходными величинами

а – для кондиционера; б – для вентилятора.

ависимость между входными и выходными величинами каждого нечеткого регулятора для кондиционера и вентилятора можно представить в виде трехмерных графиков (рис. 8 а,б).

Алгоритм работы системы управления микроклиматом помещения представлен на рис. 9.

Рис.9. Алгоритм работы системы управления микроклиматом помещения

Принцип работы интеллектуальной системы управления микроклиматом в здании представлен на рис. 10.

Связь между входными и выходными данными осуществляется через лингвистическую трансформацию. Нахождение входной функции принадлежности можно осуществлять через импликацию и суммирование, используя базу правил и дефаззификацию лингвистических выходных данных в числовые значения величин (степень нагрева, охлаждения и скорость вращения вентилятора). Окружающая среда представляется в виде блоков: «Средняя внешняя температура» и «Суточное изменение внешней температуры». Результирующие значения выходов блоков, соответствующих нагревателю, охладителю и вентилятору являются входными для блока «Здание». Полученное значение внутренней температуры помещения поступает в контур обратной связи и сравнивается с заданным значением.

График изменения внутренней и внешней температуры и погрешностей для системы управления микроклиматом здания изображен на рис. 11.

Рис.10. Блок-схема мехатронной системы управления микроклиматом

Реакция на ступенчатое изменение заданной температуры приведена на рис. 12. Эти зависимости показывают, насколько точно система отслеживает заданную температуру.

Рис.11. Внутренняя и внешняя температура воздуха

Рис.12. Поведение системы при ступенчатом

изменении заданной температуры

Мехатронная система управления микроклиматом способна эффективно работать при любых объемах помещений, что является важной технической особенностью данной разработки, а также не требует постоянной переналадки и настройки, в случае изменения состава оборудования или конфигурации помещения.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований, описан состав аппаратных средств и назначение экспериментальной мехатронной системы управления микроклиматом, в качестве стратегии исследований нечетких регуляторов использована методика факторного планирования эксперимента, разработаны рекомендации по созданию мехатронных систем управления микроклиматом в зданиях и сооружениях.

Аппаратная часть системы состоит из блока управления, комплекса датчиков для сбора измерительной информации о параметрах микроклимата помещения, блока ручного управления и релейной коммутации.

Для реализации регулятора опытного образца системы управления микроклиматом выбран микропроцессор фирмы MOTOROLA MC56F8645. На его базе разработан опытный образец системы управления микроклиматом. Экспериментальная установка (рис.13), использованная в работе, включает в себя исполнительные устройства: 1 - кондиционер, имеющий 4 режима работы, выполняющий так же роль вентиляционной системы; 2 - нагреватель, имеющий 2 режима работы; 3 - паровой увлажнитель; 4 - нечеткий контроллер; 5 - компьютер, 6 – блок датчиков температуры и влажности. Датчики и исполнительные механизмы разнесены внутри физической модели таким образом, чтобы обеспечить наименьшее взаимовлияние контуров управления при работе системы.

Рис.13. Экспериментальная установка системы управления микроклиматом

Особенностью представляемой системы управления является возможность формирования стратегии использования исполнительного оборудования и, соответственно, акцентирование управления на выполнении либо экономических, либо других требований, учитывающих функциональную предназначенность помещения. Стратегия управления задается в табличной форме, в которой проставляются экспертные оценки предпочтения использования контуров обогрева и вентиляции для поддержания заданных значений температуры и влажности воздуха.

Регулятором непрерывно на основе сравнения внутренних и внешних факторов рассчитываются прогнозируемые тепло-влажностные параметры в здании. При этом используются не только данные, полученные с датчиков в текущий момент, но и предыстория состояния микроклимата здания. Особенностью данного алгоритма является:

возможность поддержания заданного микроклимата;
согласованное управление всеми системами поддержания микроклимата для оптимального соотношения экономии энергоресурсов и качества регулирования микроклимата;
слежение за фактическими показателями контуров отопления, охлаждения, увлажнения и вентиляции.

Для дистанционного мониторинга системы управления микроклиматом и регистрации получаемых ею данных она имеет возможность подключения к персональному компьютеру через последовательный порт. Внешний вид интерфейса взаимодействия с пользователем представлен на рис. 14.

Рис.14. Внешний вид интерфейса взаимодействия с пользователем

Отмеченная на нем область 1 позволяет пользователю выбирать представляемые на экране отдельные графики (область 3), соответствующие зависимостям влажности и температуры внутри и снаружи помещения, а также потребляемой мощности от времени. Кроме того, отображается обобщенный график для всех параметров вместе взятых. Область 4 дает возможность пользователю помимо контроля данных, отображаемых на графиках, производить контроль значений этих параметров. При необходимости имеется возможность внесения изменений в работу системы управления микроклиматом посредством задания желаемых параметров функций принадлежности, отображаемых в области 4.

Г

а) Изменение температуры во времени б) Изменение влажности во времени

в) Потребляемая мощность

Рис.15. Графики изменения параметров микроклимата при автоматическом управлении
рафики, отображающие реализацию желаемого микроклимата, полученные в результате проведенных экспериментов, представлены на рис. 15.

В
Табл.1.

Каталог функций принадлежности

ходе экспериментальных исследований опытного образца системы как в ручном, так и в автоматическом режиме управления был составлен каталог функций принадлежности, каждая из которых обеспечивает приведение микроклимата в помещении к комфортным условиям при разных значениях параметров, указанных в табл.1.

Время достижения заданной температуры и имеющая при этом место ошибка, а также энергопотребление существенно зависят от вида функции принадлежности (ФП) (табл.1). В соответствии с ней сужение диапазона нулевого терма (Z) обеспечивает гарантированный выход на заданную величину. Это подтверждается снижением ошибки на этапе приближения температуры в помещении к заданному значению. Если необходима высокая точность для поддержания заданной температуры, то целесообразно применить диапазон ФП №1, но это влечет за собой увеличение энергопотребления и времени работы системы. Если же желательно высокое быстродействие и экономия электроэнергии, то целесообразно выбрать диапазоны ФП №4–6. Но в данном случае возрастет разница между заданной и текущей температурой. ФП №2 и 3 наиболее подходят для использования, так как обеспечивают умеренное энергопотребление при небольшой ошибке поддержания заданных значений параметров микроклимата.

В соответствии с методикой факторного планирования эксперимента были определены уровни факторов и интервалы их варьирования, шаг функции принадлежности (X1) и месторасположения датчиков (X2). Регрессионный анализ проведен для неполной квадратической модели. Уравнение регрессии для потребляемой мощности имеет вид:

.

Уравнение регрессии для ошибки выглядит следующим образом:

.

Среднеквадратическая ошибка эксперимента имеет вид:

- для потребляемой мощности

;

- для ошибки между заданной и установившейся температурой

.

Расхождение результатов моделирования и экспериментальных исследований не превысило 10 %.

Сравнивая полученные результаты нечеткого и ручного управления, можно сделать следующий вывод: нечеткая система обладает более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением. Время, необходимое для достижения заданной температуры, уменьшилось на 19 %, а удельное энергопотребление при управлении на базе нечеткой логики снизилось на 20 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача разработки мехатронной системы управления микроклиматом зданий, реализуемой на базе методов нечеткой логики, с целью обеспечения в них комфортных условий для пребывания человека, а также экономичных режимов эксплуатации. В ходе выполнения работы получены следующие результаты, имеющие как научное, так и практическое значение.

Научно обоснована целесообразность разработки мехатронной системы управления микроклиматом зданий, реализуемой на базе нечеткой логики с регулированием режимов работы исполнительных мехатронных устройств на основе экспертных данных.
Разработан метод математического моделирования микроклимата зданий как объекта управления, базирующийся на экспертно-аналитической оценке среды.
Разработан метод построения включающей в свою структуру нечеткий регулятор и самонастраивающейся на изменяющиеся условия эксплуатации мехатронной системы управления микроклиматом в зданиях, за счет использования базы экспертных данных, непрерывно формируемых нечетко-логическим регулятором.
Разработаны метод нечеткого управления мехатронной системой и реализующий его алгоритм для экономичного поддержания комфортного микроклимата в зданиях, позволяющий непрерывно выбирать и реализовывать необходимые режимы работы исполнительных устройств, за счет использования соответствующих множеств дискретных выходных величин, непрерывно формируемых программируемым нечетким регулятором на основании лингвистических функций принадлежности.
Разработана математическая модель мехатронной системы управления, построенная на базе нечеткой логики, работающей с использованием экспертных данных.
Разработаны рекомендации по применению мехатронной системы управления микроклиматом в зданиях, обеспечивающей экономичные режимы работы ее исполнительных устройств.
Разработанные методы и алгоритмы мехатронной системы управления микроклиматом зданий готовы к использованию и могут быть применены при проектировании систем жизнеобеспечения «интеллектуальных зданий».
Разработанная мехатронная система управления микроклиматом зданий на базе методов нечеткой логики, обеспечивает гибкую самонастройку режимов нагрева, охлаждения, увлажнения и скорости потока вентилируемого воздуха в зависимости от реальных условий.
Разработанные рекомендации по созданию систем управления микроклиматом в зданиях позволяют обоснованно, в зависимости от их конструктивных особенностей, выбирать системы и способы программной реализации предложенных методов и алгоритмов управления.
Разработанный программный пакет может быть использован при управлении мехатронными системами при решении задачи непрерывного и точного управления микроклиматом зданий.
Достижимое снижение энергопотребления при эксплуатации мехатронных систем управления микроклиматом в зданиях и сооружениях за счет внедрения предлагаемой разработки составляет 20 %.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Аль Джубури Иссам Мохаммед Али. Building Automation Technologies. Известия вузов. Северо-кавказский регион. Технические науки. - 2007.- Спец. вып. “Проблемы мехатроники-2006”. - С. 94-98.
Аль Джубури Иссам Мохаммед Али. Нечеткая система управления микроклиматом помещений зданий. / Булгаков А.Г., Аль Джубури Иссам Мохаммед Али // Известия вузов. Северо-кавказский регион. Технические науки. -2009.- № 3. - С. 31-37.
Аль Джубури Иссам Мохаммед Али.Моделирование тепловых режимов эксплуатации зданий с использованием систем MATLAB/Simulink.Известия вузов.Северо-кавказский регион.Технические науки.-2009.-№1.-С. 95-99.
Аль Джубури Иссам Мохаммед Али. Управление энергопотреблением ин-теллектуальных зданий. Новые технологии управления движением технических объектов. Сб. ст. по материалам 9-й Международной научно-техн. конф./Юж.-Рос.гос.техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: Лик, 2008. –Т.1.-С.22-26.
Аль Джубури Иссам Мохаммед Али. Автоматическое регулирование микроклимата в зданиях и сооружениях на базе нечеткой логики. Строительный вестник Российской инженерной академии. Тр. секции «Строительство» Рос. инженер. акад. 2008.-Вып.9. - С. 193-198. (п.л. 0.72)
Аль Джубури Иссам Мохаммед Али. Интеллектуальное управление в системах кондиционирования воздуха. 58-й науч.-техн. конф. проф.-преп. состава, науч. работн., асп. и студентов ЮРГТУ(НПИ)/Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009.- С. 24-25.
Патент на полезную модель 86709 РФ, МПК F24F 11/00. Система управления микроклиматом помещений внутри здания / Булгаков А.Г., Аль Джубури Иссам Мохаммед Али; патентообладатель ГОУ ВПО Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (Новочерк. политехн. ин-т).–№2009119640/22 (027095); заявл.25.05.09; опубл. 10.09.2009, Бюл. № 25.
Патент на полезную модель 89672 РФ,МПК F24F 11/00. Система управления микроклиматом внутри здания / Булгаков А.Г, Аль Джубури Иссам Мохаммед Али // патентообладатель ГОУ ВПО Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (Новочерк. политехн. ин-т).–№2009107680/22 ; заявл.03.03.09; опубл. 10.12.2009, Бюл. № 34.

Аль Джубури Иссам Мохаммед Али

мехатроннАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ

В ЗДАНИЯХ НА БАЗЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Подписано в печать 30.12.2009.

Формат 60´84 ¹/₁₆. Бумага офсетная. Печать цифровая.

Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,85. Тираж 120 экз. Заказ 819.

_________________________________________________________________

Отпечатано в Издательстве ЮРГТУ (НПИ)

346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Blog

Мохаммед Али мехатронная система управления микроклиматом в зданиях на базе нечеткой логики

Содержание

ЗАКЛЮЧЕНИЕ