ДонНТУ   Портал магистров

Савченко Александр Вильямович

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникации

Специальность «Системы управления и автоматизации»

Исследование и разработка системы автоматического управления отопления загородного дома

Научный руководитель: доц, к. т. н. Чернышев Николай Николаевич

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Анализ объекта автоматизации
• 1.1. Функциональная схема объекта
• 1.2. Состав и принцип работы системы
• 2. Синтез системы автоматического управления
• 2.1. Выбор типа и разработка структурной схемы САУ
• 2.2. Синтез и моделирование САУ
• Выводы
• Список источников

Введение

Система умный дом – это автоматизированная система управления, предназначенная для контроля и управления инженерными системами дома, к которым относятся электроснабжение, отопление, вентиляция и кондиционирование, освещение, системы безопасности и видеонаблюдения, мультимедиа и др.[2, 3]

Все устройства системы умный дом – панели оператора, пульты дистанционного управления, компьютеры, планшеты и мобильные телефоны – объединяются в информационную сеть для обмена данными между узлами системы. Принципиальным моментом является удаленный контроль и управление системой умный дом посредством Интернета.[4, 5, 6]

Всего несколько лет назад система умный дом считалась признаком состоятельности владельца жилого объекта ввиду высокой стоимости как самого оборудования, так и программного обеспечения. Все изменилось с развитием технологий автоматизации, каналов связи, а также мобильных устройств.

Системы умный дом с одной стороны с каждым годом становятся все более доступными и с другой – устанавливают новые критерии комфортной жизнедеятельности. Владельцы квартир и загородных домов теперь оценивают не только функциональность и удобство данных систем, но и их экономичность, практичность и надежность. Поэтому современные системы умный дом проектируются так, чтобы их в первую очередь отличала эргономичность, удобство и проста эксплуатации.[7]

1. Анализ объекта автоматизации

1.1. Функциональная схема объекта

Системы жизнеобеспечения (СЖО) в зданиях – это группа инженерно-технологических систем и сетей, которые позволяют любому человеку существовать в благоприятных условиях и решают задачи, нацеленные на поддержку приемлемого уровня жизнедеятельности. В обычных условиях повседневной деятельности человек находится в замкнутом пространстве почти круглосуточно. Поэтому в помещениях должна быть создана приемлемая среда для достижения нормального уровня существования жильцов и работы трудящихся. Данные условия целесообразно поддерживать на протяжении всего цикла пребывания людей внутри здания, предоставляя требуемые ресурсы, потребляемые человеком, и удаляя остатки и отходы жизнедеятельности.

СЖО в любом здании представлены набором из составляющих их инженерных систем и сетей. В зависимости от типа помещений определяются и средства жизнеобеспечения человека для них. Но для любых внутренних мест, которые посещаются людьми, могут быть выделены следующие классы СЖО:

• типовые (основные, классические);

• вспомогательные (дополнительные).

Главное предназначение систем в составе СЖО – это обеспечение в здании сменных режимов, являющихся пригодными в жизнедеятельности жильцов, как правило, для отдыха и для работающих сотрудников, в основном для труда. Человеческий организм не может функционировать без таких ресурсов, как воздух, вода, свет, тепло, то необходимые инженерные подсистемы и сети должны обеспечивать соответствующие условия жизнедеятельности внутри помещений, которые требуется снабжать электроэнергией, осуществлять воздухообмен, контролировать наличие воды и выполнять другие задачи в круглосуточном режиме.[2, 3, 6, 7]

На рис. 1.1 представлена функциональная схема системы автоматического регулирования отопления.

1.2. Состав и принцип работы системы

В результате анализа технологий, на базе которых реализована система управления умный дом можно выделить:

1. Управление через Internet.

   Для управления и настройки дома из офиса, машины и т.д. программа системы Умный Дом позволяет с помощью электронной почты передавать необходимые команды. Для этого основная программа разделяется на два независимых модуля, один из которых находится в доме и ждет команд. Другой же находится на рабочем компьютере пользователя.

2. Дистанционное управление.

   Для удобства управления бытовыми устройствами в доме, был создан пульт дистанционного управления, позволяющий совмещать в себе управление телевизором, видеомагнитофоном, музыкальным центром, спутниковым ресивером. Он так же позволяет включать и отключать: осветительные приборы, управляемые электрические розетки, различные сценарии освещения. При помощи комбинаций нескольких кнопок – открыть ворота, поставить дом на охрану и совершить много других различных действий.

3. Управление с компьютера.

   Дружественная для пользователя программа, работающая в среде операционной системы Windows, позволяет включать и выключать определённые режимы системы Умный Дом, а также производить настройки её работы, читать и выводить на печать протокол сообщений.

   Важным элементом системы является центральный блок управления. Компьютер обеспечивает универсальность, гибкость, расширяемость, простоту в использовании. С помощью компьютера можно решать огромное количество совершенно различных задач в рамках одной системы.

4. Управление с планшета.

   Большинство систем Умного Дома работают в автоматическом режиме и не требуют какого-либо вмешательства человека. Однако всегда присутствует информация, которую нужно сообщить пользователю или которая ему была бы в принципе полезна: температура на улице, прогноз погоды, изображение с камер наблюдения, отчеты о работе автоматических алгоритмов и так далее. Кроме того, в ряде случаев необходимо иметь возможность также дистанционно управлять некоторыми элементами, например, светом, бытовыми приборами, вносить изменения в работу климатических и охранных модулей.

   

   Рисунок 1.2 – План управления с помощью планшета.

   Таким образом, схематически Умный Дом состоит как бы из трех основных элементов: центральный процессор, управляемые им исполнительные механизмы и интерфейсные устройства, с помощью которых можно общаться с центральным процессором.

   Центральный процессор – это сервер. В качестве сервера можно использовать все, что угодно, от суперкомпьютера с гелиевым охлаждением до роутера и микроконтроллера.

5. Управление с промышленного логического контроллера (ПЛК).

   Как и любая автоматизированная система, система умный дом построена по трехуровневому принципу: нижний уровень (датчики температуры, силовые контакторы и реле), на среднем уровне используются программируемый логический контроллер, модули ввода-вывода, GSM-модем. Верхний уровень (HMI, SCADA) включает в себя панель оператора и серверный компьютер, на котором реализован web-интерфейс.

   Важным этапом в разработке системы управления умный дом является анализ систем жизнеобеспечения здания как объекта управления, т.е. выявление всех существенных входных, выходных и возмущающих переменных.

2. Синтез системы автоматического управления

2.1. Выбор типа и разработка структурной схемы САУ

В разрабатываемой САУ будет использоваться принцип управления с обратной связью. Схема управления с обратной связью получила наибольшее распространение на практике. Система управления отслеживает наблюдаемые параметры (переменные) и на их основе создает алгоритм управления.[5]

Контроль и информация о действительных значениях показателей процесса отопления осуществляются с помощью обратных связей.

Отклонение регулируемой величины e (t) представляет собой разность между действительным измеряемым её значением и заданным значением. Под управляющим устройством понимается техническое устройство, с помощью которого осуществляется автоматическое управление объектом управления.

Регулируемая величина y (t) определяется задающим воздействием r (t) на входе системы, т.е. воздействием, вводимым в систему и определяющим необходимый закон изменения регулируемой величины. На вход системы в элемент сравнения кроме задающего воздействия подается по цепи обратной связи фактическое значение регулируемой величины. На выходе элемента сравнения, т.е. на входе управляющего устройства, появляется отклонение или управляющее воздействие которое обеспечивает изменение регулируемой величины по заданному закону.

В системах управления обратная связь можно определить как информационную связь, с помощью которой в управляющую часть поступает информация о следствиях управления объектом, то есть информация о новом состоянии объекта, который возник под влиянием управляющих действий.

На рис. 2.2 представлена структурная схема САУ тепловой модели дома.

Температура в комнате измеряется датчиком температурой, полученное значение сравнивается с установленным пользователем. Сигнал рассогласования поступает на регулятор температуры, который управляет к нагревательным элементов. Тепловой поток от нагревательного элемента подается в систему отопления дома, что приводит к повышению (уменьшению) температуры в комнатах дома.

2.2. Синтез и моделирование САУ

Поскольку система отопления построена таким образом, что нагревательный элемент может работать только в двух режимах:

• режим включен, т.е. максимальная мощность;

• режим выключен, т.е. минимальная (нулевая) мощность.

В качестве закона регулирования температуры воздуха в помещении выберем двухпозиционный регулятор. Он обеспечивает хорошее качество регулирования для инерционных объектов с малым запаздыванием, не требуют настройки и просты в эксплуатации.

Структурная схема двухпозиционной системы регулирования приведена на рис. 2.3

На рис. 2.4 введены обозначения: АР – двухпозиционный регулятор; ОУ – объект управления; SP – заданное значение регулируемой величины Е – рассогласование регулятора; PV=X – регулируемая величина; У – управляющее воздействие; Z – возмущающее воздействие.

Для предотвращения дребезга управляющего выходного устройства и нагревательного элемента вблизи задания SP (слишком частого включения нагревателя), предусматривается гистерезис Н.

Описание работы двухпозиционной системы регулирования температуры в помещении с помощью нагревателя, может быть представлено следующим образом:

• нагреватель включен, пока температура в помещении (X=PV) не достигнет значения заданной точки SP+Н, выход регулятора Y (нагреватель) отключается, если регулируемая величина (температура) выше заданной точки SP+Н;

• повторное включение нагревателя происходит после уменьшения температуры до значения SP-H, т.е. с учетом гистерезиса H переключательного элемента.

На основании полученных математических соотношений построим схему системы автоматического управления температурой в загородном доме в Matlab&Simulink.[1]

Исследуем поведение системы при отработке сигнала задания и возмущения. Заданное значение температуры, которая должна поддерживаться в помещении – 25 градусов Цельсия по умолчанию.

Температуру окружающей среды моделируем как среднюю температуру воздуха на улице и суточные колебания температуры наружной среды.

После запуска процесса моделирования происходит их визуализации в блоке Графики.

На графике 2.7 и 2.8 показаны переходные процессы изменения температуры стен, окон и крыши дома, а так же тепловые потери через них в течении двух суток. Анализ графиков позволяет сделать вывод, что наибольшие тепловые потери в доме происходят через потолок и стены. Следовательно, чтобы уменьшить оплату за отопление нужно предпринять меры по утеплению этих конструктивных элементов дома.

На графике 2.9 представлено изменение температуры окружающей среды, влияющее на помещение.

Регулятор настроем таким образом, что если температура в помещении падает до 23 градусов, то включается нагреватель и повышает температуру до 27 градусов. После чего нагревательный элемент отключается.

Температура наружного изменяется по синусоидальному закону, в то время как температура в помещении поддерживается в пределах ±2 градуса по Цельсию относительно заданного значения. На графике 2.10 можно проследить, как изменяются энергетические затраты на отопление. Они увеличиваются, когда система отопления начинает нагревать помещение.

Выводы

Выяснено, что к категории типовых подсистем в составе СЖО обычно относят инженерные системы, имеющиеся в каждом здании независимо от его классификации: вентиляция, электроснабжение, отопление, водоснабжение, освещение, газоснабжение, система видеонаблюдения и охранно-пожарная сигнализация.

Анализ существующих технологий построения систем типа умный дом показал, что перспективным является реализация систем управления жизнеобеспечением зданий не только на базе контроллером, но с дополнением их персональным компьютером или планшетом. Потому что умный дом может управлять не только коммуникацией, климатом и оборудованием, но и средой для обмена и трансформацией данных, медиа-сервером, контент-сервером и при наличии Web-интерфейса система на базе компьютера является перспективным и интересным решением.

Выделены основные переменные оказывающие влияние на поддержание параметров систем жизнеобеспечения здания.

В разделе разработана структурная схема САУ температурных режимов в помещении. Разработана математическая модель объекта управления и всей САУ. Имитационная модель системы собрана в приложении Simscape пакета Matlab&Simulink.

В качестве закона регулирования выбран релейный регулятор. Проанализировав полученные графики можно сделать вывод, что разработанная система является устойчивой и показатели качества переходных процессов удовлетворяют требованиям заказчика.

Список источников

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].