авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

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

-- [ Страница 1 ] --

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; Ti - 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; qизл – солнечное излучение; - коэффициент солнечного излучения; Aстекл – площадь поверхности стекла.

Показатель конвекции

, (4)

где Qвн – теплоотдача от внутренних источников тепла; Qви – 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.

 Структура тепловой модели здания На-15Рис. 1. Структура тепловой модели здания



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.