ДонНТУ   Портал магістрів

Савченко Олександр Вільямович

Факультет комп’ютерних наук та технологій

Кафедра автоматики і телекомуникацій

Спеціальність Системи управління і автоматизації

Дослідження і розробка системи автоматичного керування опалення заміського будинку

Науковий керівник: доц, к. т. н. Чернишев Миколай Миколайович

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Аналіз об’єкта автоматизації
• 1.1. Функціональна схема об’єкта
• 1.2. Склад і принцип роботи системи
• 2. Синтез системи автоматичного керування
• 2.1. Вибір типу і розробка структурної схеми САУ
• 2.2. Синтез і моделювання САУ
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Система розумний будинок – це автоматизована система управління, призначена для контролю і управління інженерними системами будинку, до яких відносяться електропостачання, опалення, вентиляція і кондиціювання, освітлення, системи безпеки і відеоспостереження, мультимедіа та ін.[2, 3]

Всі пристрої системи розумний будинок – панелі оператора, пульти дистанційного керування, комп’ютери, планшети і мобільні телефони - об’єднуються в інформаційну мережу для обміну даними між вузлами системи. Принциповим моментом є віддалений контроль і управління системою розумний дім за допомогою Інтернету.[4, 5, 6]

Всього кілька років тому система розумний дім вважалася ознакою заможності власника житлового об’єкта з огляду на високу вартість як самого обладнання, так і програмного забезпечення. Все змінилося з розвитком технологій автоматизації, каналів зв’язку, а також мобільних пристроїв.

Системи розумний будинок з одного боку з кожним роком стають все більш доступними і з іншого – встановлюють нові критерії комфортної життєдіяльності. Власники квартир і заміських будинків тепер оцінюють не тільки функціональність і зручність даних систем, а й їх економічність, практичність і надійність. Тому сучасні системи розумний дім проектуються так, щоб їх в першу чергу відрізняла ергономічність, зручність і проста експлуатації.[7]

1. Аналіз об’єкта автоматизації

1.1. Функціональна схема об’єкта

Системи життєзабезпечення (СЖЗ) в будівлях – це група інженерно-технологічних систем і мереж, які дозволяють будь-якій людині існувати в сприятливих умовах і вирішують завдання, націлені на підтримку прийнятного рівня життєдіяльності. У звичайних умовах повсякденної діяльності людина знаходиться в замкнутому просторі майже цілодобово. Тому в приміщеннях повинна бути створена прийнятна середовище для досягнення нормального рівня існування мешканців і роботи трудящих. Дані умови доцільно підтримувати протягом усього циклу перебування людей всередині будівлі, надаючи необхідні ресурси, що споживаються людиною, і видаляючи залишки і відходи життєдіяльності.

СЖЗ в будь-якій будівлі представлені набором зі складових їх інженерних систем і мереж. Залежно від типу приміщень визначаються і засоби життєзабезпечення людини для них. Але для будь-яких внутрішніх місць, які відвідуються людьми, можуть бути виділені наступні класи СЖЗ:

•  типові (основні, класичні);

•  допоміжні (додаткові).

Головне призначення систем в складі СЖЗ – це забезпечення в будівлі змінних режимів, які є придатними в життєдіяльності мешканців, як правило, для відпочинку і для працюючих співробітників, в основному для праці. Людський організм не може функціонувати без таких ресурсів, як повітря, вода, світло, тепло, то необхідні інженерні підсистеми і мережі повинні забезпечувати відповідні умови життєдіяльності всередині приміщень, які потрібно постачати електроенергію, здійснювати повітрообмін, контролювати наявність води і виконувати інші завдання в цілодобовому режимі.[2, 3, 6, 7]

На мал. 1.1 представлена функціональна схема системи автоматичного регулювання опалення.

1.2. Склад і принцип роботи системи

В результаті аналізу технологій, на базі яких реалізована система управління розумний будинок можна виділити:

1. Управління через Інтернет.

   Для управління і настройки будинку з офісу, машини і т.д. програма системи Розумний Дім дозволяє за допомогою електронної пошти передавати необхідні команди. Для цього основна програма поділяється на два незалежних модуля, один з яких знаходиться в будинку і чекає команд. Інший же знаходиться на робочому комп’ютері користувача.

2. Дистанційне керування.

   Для зручності управління побутовими пристроями в будинку, був створений пульт дистанційного керування, що дозволяє поєднувати в собі управління телевізором, відеомагнітофоном, музичним центром, супутниковим ресивером. Він так само дозволяє вмикати або вимикати: освітлювальні прилади, керовані електричні розетки, різні сценарії освітлення. За допомогою комбінацій декількох кнопок – відкрити ворота, поставити будинок на охорону і зробити багато інших різних дій

3. Управління з комп’ютера.

   Дружня для користувача програма, що працює в середовищі операційної системи Windows, Центр дозволяє включати і вимикати певні режими системи Розумний Дім, а також виробляти настройки її роботи, читати і виводити на друк протокол повідомлень.

   Важливим елементом системи є центральний блок управління. Комп’ютер забезпечує універсальність, гнучкість, розширюваність, простоту у використанні. За допомогою комп’ютера можна вирішувати величезну кількість абсолютно різних завдань в рамках однієї системи.

4. Управління з планшета.

   Більшість систем розумного будинку працюють в автоматичному режимі і не потребують будь-якого втручання людини. Однак завжди присутня інформація, яку потрібно повідомити користувачеві або яка йому була б в принципі корисна: температура на вулиці, прогноз погоди, зображення з камер спостереження, звіти про роботу автоматичних алгоритмів і так далі. Крім того, в ряді випадків необхідно мати можливість також дистанційно керувати деякими елементами, наприклад, світлом, побутовими приладами, вносити зміни в роботу кліматичних і охоронних модулів.

   

   Рисунок 1.1 – План управління за допомогою планшета.

   Таким чином, схематично Розумний Будинок складається ніби з трьох основних елементів: центральний процесор, керовані їм виконавчі механізми та інтерфейсні пристрої, за допомогою яких можна спілкуватися з центральним процесором.

   Центральний процесор – це сервер. Як сервер можна використовувати все, що завгодно, від суперкомп’ютера з гелієвим охолодженням до роутера і мікроконтролера.

5. Управління з промислового логічного контролера (ПЛК).

   Як і будь-яка автоматизована система, система розумний будинок по побудована трирівневого принципу: нижній рівень (датчики температури, силові контактори і реле), на середньому рівні використовуються програмований логічний контролер, модулі введення-виведення, GSM-модем. Верхній рівень (HMI, SCADA) включає в себе панель оператора і серверний комп’ютер, на якому реалізований веб-інтерфейс.

   Важливим етапом у розробці системи управління розумний дім є аналіз систем життєзабезпечення будівлі як об’єкта управління, тобто виявлення всіх істотних вхідних, вихідних і обурюють змінних.

2. Синтез системи автоматичного керування

2.1. Вибір типу і розробка структурної схеми САУ

У розробляється САУ буде використовуватися принцип управління зі зворотним зв’язком. Схема управління зі зворотним зв’язком набула найбільшого поширення на практиці. Система управління відстежує спостерігаються параметри (змінні) і на їх основі створює алгоритм управління[5].

Контроль і інформація про дійсних значеннях показників процесу опалення здійснюються за допомогою зворотних зв’язків.

Відхилення регульованої величини e (t) являє собою різницю між дійсним вимірюваним її значенням і заданим значенням. Під керуючим пристроєм розуміється технічний пристрій, за допомогою якого здійснюється автоматичне керування об’єктом управління.

Регульована величина y (t) визначається заданою дією r (t) на вході системи, тобто впливом, що вводиться в систему і визначальним необхідний закон зміни регульованої величини. На вхід системи в елемент порівняння крім задає впливу подається по ланцюгу зворотного зв’язку фактичне значення регульованої величини. На виході елемента порівняння, тобто на вході керуючого пристрою, з’являється відхилення або керуючий вплив яке забезпечує зміна регульованої величини по заданому закону.

У системах управління зворотний зв’язок можна визначити як інформаційний зв’язок, за допомогою якої в керуючу частину надходить інформація про наслідки управління об’єктом, тобто інформація про новий стан об’єкта, який виник під впливом керуючих дій.

На рис. 2.2 представлена структурна схема САУ теплової моделі будинку.

Температура в кімнаті вимірюється датчиком температури, отримане значення порівнюється з встановленим користувачем. Сигнал неузгодженості надходить на регулятор температури, який управляє до нагрівальних елементів. Тепловий потік від нагрівального елементу подається в систему опалення будинку, що призводить до підвищення (зменшення) температури в кімнатах будинку.

2.2. Синтез і моделювання САУ

Оскільки система опалення побудована таким чином, що нагрівальний елемент може працювати тільки в двох режимах:

• режим включений, тобто максимальна потужність;

• режим вимкнений, тобто мінімальна (нульова) потужність.

Як закон регулювання температури повітря в приміщенні виберемо двопозиційний регулятор. Він забезпечує хорошу якість регулювання для інерційних об’єктів з малим запізненням, не вимагають настройки і прості в експлуатації.

Структурна схема двохпозиційної системи регулювання приведена на рис. 2.3

На рис. 2.5 введені позначення: АР – двопозиційний регулятор; ОУ – об’єкт управління; SP – задане значення регульованої величини Е – неузгодженість регулятора; PV = X – регульована величина; У – керуючий вплив; Z – рівноваги вплив.

Для запобігання коливання вихідного пристрою і нагрівального елементу задавання SP (занадто частого включення нагрівача), передбачається гістерезис Н.

Опис роботи двохпозиційної системи регулювання температури в приміщенні за допомогою нагрівача, може бути представлене в такий спосіб:

• Нагрівач включений, поки температура в приміщенні (X = PV) не досягне значення заданої точки SP + Н, вихід регулятора Y (нагрівач) відключається, якщо регульована величина (температура) вище заданої точки SP + Н;

• Повторне включення нагрівача відбувається після зменшення температури до значення SP-H, тобто з урахуванням гістерезису H елементу перемикача.

На підставі отриманих математичних співвідношень побудуємо схему системи автоматичного управління температурою в заміському будинку в Matlab & Simulink [1].

Досліджуємо поведінку системи при відпрацюванні сигналу завдання і обурення. Задане значення температури, яка повинна підтримуватися в приміщенні – 25 градусів Цельсія за замовчуванням.

Температуру навколишнього середовища моделюємо як середню температуру повітря на вулиці і добові коливання температури зовнішнього середовища.

Після запуску процесу моделювання відбувається їх візуалізації в блоці Графіки.

На графіку 2.8 і 2.9 показані перехідні процеси зміни температури стін, вікон і даху будинку, а так само теплові втрати через них протягом двох діб. Аналіз графіків дозволяє зробити висновок, що найбільші теплові втрати в будинку відбуваються через стелю і стіни. Отже, щоб зменшити оплату за опалення потрібно вжити заходів з утеплення цих конструктивних елементів будинку.

На графіку 2.9 представлено зміна температури навколишнього середовища, що впливає на приміщення.

Регулятор настроєм таким чином, що якщо температура в приміщенні падає до 23 градусів, то включається нагрівач і підвищує температуру до 27 градусів. Після чого нагрівальний елемент відключається.

Температура зовнішнього змінюється за синусоїдальним законом, в той час як температура в приміщенні підтримується в межах ±2 градуса за Цельсієм щодо заданого значення. На графіку 2.12 можна простежити, як змінюються енергетичні витрати на опалення. Вони збільшуються, коли система опалення починає нагрівати приміщення.

Выводы

З’ясовано, що до категорії типових підсистем у складі СЖО зазвичай відносять інженерні системи, наявні в кожному будинку незалежно від його класифікації: вентиляція, електропостачання, опалення, водопостачання, освітлення, газопостачання, система відеоспостереження та охоронно-пожежна сигналізація.

Аналіз існуючих технологій побудови систем типу розумний дім показав, що перспективним є реалізація систем управління життєзабезпеченням будівель не тільки на базі контролером, але з доповненням їх персональним комп’ютером або планшетом. Тому що розумний будинок може управляти не тільки комунікацією, кліматом і обладнанням, а й середовищем для обміну і трансформацією даних, медіа-сервером, контент-сервером і при наявності веб-інтерфейсу система на базі комп’ютера є перспективним і цікавим рішенням.

Виділено основні змінні впливають на підтримання параметрів систем життєзабезпечення будівлі.

У розділі розроблено структурну схему САУ температурних режимів в приміщенні. Розроблено математичну модель об’єкта управління і всієї САУ. Імітаційна модель системи зібрана в додатку Simscape Пакета Matlab & Simulink.

Як закону регулювання обраний релейний регулятор. Проаналізувавши отримані графіки можна зробити висновок, що розроблена система є стійкою і показники якості перехідних процесів задовольняють вимогам замовника.

Перелік посилань

1. Чен К. MATLAB в математических исследованиях [пер. с англ.] / Чен К., Джиблин П., Ирвинг А. – М.: Мир, 2001. – 346 С.
2. Шугаев С. Система умный дом / С. Шугаев // Автоматизация технологических процессов. – 2013. – №2(13). – С. 15–17.
3. Шишкин С. Умный дом на программируемых логических / С. Шишкин // CONTROL ENGINEERING РОССИЯ. – 2014. – №6(54). C. 25–29.
4. Гололобов В. Н. «Умный дом» своими руками / В. Н. Гололобов. – Москва: НТ Пресс, 2007. – 416 С.
5. Чернышев Н. Н. Использование беспроводных технологий при построении современных информационно-управляющих систем / Н. Н. Чернышев, И. А. Гарматенко // Научно-технический сборник Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики, часть I. – Ростов-на-Дону.: ПЦ Университет СКФ МТУСИ, 2014. – C. 45–48.
6. Марк Э. С. Практические советы и решения по созданию «Умного дома» / Э. С. Марк. – Москва: НТ Пресс, 2007. – 421 С.
7. Cистема Умный Дом – технология экономии, удобства и комфорта высокого уровня [Электронный ресурс].