Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
В данной статье разработчики делятся опытом синтеза АСУ для системы искусственного микроклимата (СИМ) на базе МК «КонтрАС-500» (разработка ООО «ЭСТА») [1], в котором используются CISC-процессоры фирмы ATMEL. Для программирования МК используется пакет ПО [2], который одновременно является и моделирующим комплексом и програматором для микро-ЭВМ серии С51.
В пакете реализован язык структурных схем, где разработанный алгоритм управления транслируется в соответствующий бинарный мнемокод. Мнемокод через SPI-порт записывается в flesh-память однокристалки. Далее, ПО однокристалки интерпретирует записанный мнемокод, тем самым отрабатывая алгоритм управления. Основная задача, которая стояла перед специалистами ООО «ЭСТА» — разработка функциональных связей между входящими и исходящими сигналами МК для реализации АСУ микроклиматом промышленного помещения, с использованием метода «точки росы».
Проведенный литературный обзор [3, 4] относительно управления СИМ показал, что в границах АСУ известны разнообразные схемные решения контуров управления, в зависимости от типа и количественного состава технологического оборудования кондиционера. Для синтеза алгоритмических связей системы управления проведен анализ процесса искусственного микроклимата как объекта управления с использованием i-d-диаграммы [3, 4], рис. 1. Согласно методу «точки росы», сначала достигается температура «точки росы» (точка 3). Далее воздух нагревается до температуры, необходимой в помещении (точка 0). Реализуется данный метод следующим образом (рис. 2).
В холодное время года регулятор (поз. 1б) управляет клапаном (поз. 1д) калорифера 1≈ таким образом, чтобы воздух нагрелся до температуры, которая характеризуется точкой 2 (рис. 1). В оросительной камере воздух адиабатически охлаждается и увлажняется (прямая 2–3) до «точки росы». В теплое время года температура «точки росы» поддерживается регулятором (поз. 1б) посредствам клапана (поз. 1е) для изменения расхода холодной воды в оросительной камере (калорифер 1≈ не работает). На этом этапе происходит процесс охлаждения и насыщения воздуха влагой (прямая 1¢–3). Таким образом, независимо от начальных значений окружающий воздух после оросителя имеет одинаковые параметры, которые характеризуются точкой 3.
Воздух в помещении нагревается до комфортного значения калорифером 2≈ с помощью контура регулирования (поз. 2а–2в). Степень рециркуляции определяется оператором с помощью панели дистанционного управления (поз. 3а). Переключение между зимним и летним режимами работы кондиционера происходит при помощи коммутатора (поз. 1г) и датчика температуры (поз. 1в). Работоспособность алгоритма управления проверялась с помощью аналитических методов моделирования [2]. Учитывая структурную и функциональную сложность СИМ, математическое моделирование тепло- и массообменных процессов осуществлялось в виде функциональных блоков, где выходы одного блока являются входами другого.
Динамическая модель СИМ декомпанирована на блоки калориферов 1-го и 2-го подогрева, оросителя, помещения, смешивание окружающего и рециркуляционного воздуха, ПИД-регуляторов температуры. Рассмотрим функциональные связи для любого из блоков. Динамические модели тепло- и массообменных процессов технологического оборудования и помещения идентичные рис. 3, отличаются лишь коэффициентами передаточных функций W1(p), ..., W5(p). Как видно из рис. 3, динамику температурного режима оборудования и помещения моделировали с использованием передаточных функций (классический подход теории автоматического управления). Массообменные процессы моделировались с применением i-d-диаграммы, что позволило учесть нелинейность массообмена с незначительной погрешностью динамического моделирования (2–5%) [3, 4].
Для упрощения, в модели блока смешивания окружающего воздуха с воздухом рециркуляции отсутствуют динамические элементы. Фактически, представленный блок рассчитывает температуру и влажность пропорционально степени рециркуляции (0–100%) [4]. Функциональные блоки ПИД-регуляторов температуры реализуют рекуррентный алгоритм цифрового ПИД-регулирования [5]. Моделирование СИМ с использованием рассмотренных функциональных блоков проводилось с помощью пакета ПО [2]. Структурная схема СИМ, которая моделировалась, представлена на рис. 4. Исследование разработанной АСУ показало, что система управления кондиционером хорошо отрабатывает изменения температуры и влажности внешнего воздуха в разные времена года.
Для моделирования взяты числовые значения параметров модели СИМ из технических каталогов оборудования кондиционеров фирмы VTS CLIMA и справочных данных [3, 4]. Синтез параметров ПИД-регуляторов проводили согласно методикам отладки сложных систем с перекрестными связями [5]. Таким образом, с помощью математического моделирования была проверена адекватность алгоритма управления СИМ. Рассмотренная модель СИМ позволила «оценить субоптимальные» параметры ПИД-регуляторов с учетом существенной нелинейности массообмена. Полученный алгоритм управления дополнили подсистемами управления вентиляторами, сигнализации и блокировки для защиты оборудования в зимнее время года и транслировали в МК.
Проведенный анализ дал возможность обнаружить и устранить определенные неточности и ошибки на стадии проектирования АСУ, что позволило избежать дополнительных затрат при разработке ПО для микро-ЭВМ и выполнения пусконаладочных работ.
