Использование логических выводов в управлении микроклиматом теплиц.

Современные технологии выращивания овощей, рассады, цветов и зеленных культур требуют постоянного поддержания определенных режимов микроклимата в теплицах.
Тепличное производство относится к числу наиболее энергоемких производств. В среднем затраты на обогрев теплиц составляют 40-80% от себестоимости продукции. К примеру, на обогрев 1 Га зимних теплиц расходуется более 200 тонн условного топлива в год, поэтому повышение эффективности его использования имеет важное значение.

Автоматизация систем управления микроклиматом в защищенном грунте позволяет экономить 15-25% тепла при росте урожайности, улучшения условий труда персонала и повышении общей культуры производства.

Современная теплица как объект управления температурно-влажностным режимом характеризуется крайне неудовлетворительной динамикой и нестабильностью параметров, вытекающими из особенностей технологии производства. В то же время агротехнические нормы предписывают высокую точность стабилизации температуры (+/-1градус), своевременное её изменение в зависимости от уровня фотосинтетически активной облученности, фазы развития растений и времени суток. Все эти обстоятельства предъявляют высокие требования к функционированию и техническому совершенствованию оборудования автоматизации управления микроклиматом в теплицах.

Научно-производственная фирма "ФИТО" в течении 3-х лет работает в области автоматизации поддержания микроклимата в теплицах. За это время была разработана промышленная система с возможностью согласованного управления семью контурами водяного обогрева, вентиляционными фрамугами, экранами, подкормкой СО2 и вентиляторами, для поддержания необходимой температуры, влажности, содержания СО2. В качестве алгоритмов управления используется, хорошо исследованный и широко используемый в аналогичных системах, ПИД закон регулирования.
Но, как правило, в практической работе встречаются ситуации, которые не могут быть учтены такого рода алгоритмами:

- нелинейность влияния внешних факторов на микроклимат теплицы (внешняя температура, солнечная радиация)

- ограниченные возможности подсистем управления (скачки температуры и давления в подсистеме отопления, повышенные люфты исполнительных механизмов)

- неисправности, возникающие в процессе эксплуатации системы (выход из строя смесительного клапана или измерительного датчика)

Поэтому мы считаем, что дальнейшее улучшение качества управления должно идти за счет внесения в систему интеллектуальных функций, позволяющих ей подстраиваться к возникающим в процессе эксплуатации ограничениям, а также позволяющих ей своевременно выявлять разного рода неисправности, оперативно информировать оператора и по возможности предлагать методы их устранения. Для решения этой задачи мы используем трехуровневую модель управления.

Первый уровень. Управляющий контроллер.

Первый уровень представляет собой, автономно работающий управляющий контроллер, который с помощью аппаратно-программных средств обеспечивает измерение параметров внутреннего и внешнего микроклимата, вычисление графиков суточных задания микроклимата и управление всеми установленными исполнительными механизмами. Управление каждой из подсистем осуществляется за счет, заложенного в контроллер ПИД закона регулирования.
Для повышения эффективности регулирования, контроллер содержит базу знаний, состоящих из правил-продукций. Пример выявления и по возможности компенсирования недостатка температуры теплоносителя:
ЕСЛИ (температура воды контура N)<>(рассчитанная температура воды N) ТО { Уменьшить (Эффективность контура обогрева N) на 10% } ИНАЧЕ { Увеличить (Эффективность контура обогрева N) на 10% }


ЕСЛИ {(Эффективность контура обогрева N) <60%) ТО { Увеличить (X-коэффициент контура N+1) на 3% }


ЕСЛИ { (температура воздуха)>(заданная температура воздуха) и (Эффективность контура обогрева N)<50% и (температура воды контура N)<(рассчитанная температура воды) }
ТО { (Рассчитанная температура воды N =температура воды контура N) }


ЕСЛИ {(Эффективность контура обогрева N) <30%) ТО {(Выдать сообщение "Неэффективное управление контура N")}

Контроллер каждую минуту производит вычисление всех логических правил. Согласно этим двум правилам, если в течении 10 минут рассчитанная температура воды будет больше реальной температуры воды, то параметр "Эффективность контура обогрева N" будет равен 0%. Следовательно, если на тот момент температура в теплице будет выше задания, то сработает третье правило и контроллер выведет сообщение о неэффективности управления и уравняет рассчитанную температуру воды с измеренной. Из простых правил строятся сложные конструкции, учитывающие множество факторов, на основе которых контроллер делает логические выводы о работоспособности системы и подстраивается под создавшиеся условия. Например, если температура воды в контуре достигла заданного максимума или температура теплоносителя не растет, то система не будет рассчитывать воду выше, а попытается активней управлять другими контурами (второе правило). Также в контроллер заложена часть диагностических функций, таких как: диагностика измерительных датчиков, диагностика управляющих механизмов. Все сообщения и сделанные контроллером выводы передаются на второй уровень управления.

Второй уровень. Диспетчерский компьютер.

Второй уровень управления состоит из диспетчерского компьютера, который объединяет группу контроллеров. Для него разработан специальный программный комплекс, который позволяет в удобной графической форме представлять всю информацию с контроллеров о состоянии объекта, задавать режим микроклимата, изменять параметры регулирования и т.д. Одна из основных задач программы состоит в том, чтобы анализировать данные, полученные от группы контроллеров и обращать внимание пользователя на отклонения от заданного режима, а также указывать причину отклонения и возможные методы ее устранения. Для обеспечения вышеперечисленных функций в программу заложена специальная база экспертных знаний. На основании базы знаний по получаемым данным и сообщениям контроллера формируется четырехбалльная оценка работоспособности контроллера (красная, желтая, синяя и зеленая). Если оценка выше синей, то программа обращает внимание оператора графическими и звуковыми сообщениями, указывая при этом причину попадания в каждую цветовую зону. База знаний компьютера, по сравнению с той, что заложена в контроллер, может редактироваться. Она также состоит из правил, которые сохранены в специальном файле. В случае если система не смогла определить причину какого-либо сбоя, существует возможность прямо на объекте модифицировать базу знаний и сделать возможным определения и такого вида сбоев. Если же в процессе эксплуатации возникают проблемы, которые не удается решить на объекте, то существует возможность решения этой проблемы на третьем уровне с помощью экспертов.

Третий уровень. Экспертный анализ

Программный комплекс, работающий на втором уровне, позволяет с помощью локальных вычислительных сетей или глобальной сети ИНТЕРНЕТ, передавать и получать данные с удаленных диспетчерских компьютеров. Программа разработана таким образом, что все сведения о заданном режиме микроклимата, текущих коэффициентах влияния и реальном поведении системы управления за каждые сутки сохраняются в специальном файле на компьютере с указанием даты. В случае выявления диспетчерским компьютером проблем в управлении, файл с данными за эту дату по сети ИНТЕРНЕТ передается экспертам в организацию-разработчик. То есть, в случае возникновения проблем на втором уровне, эксперты, находящийся на удаленном расстоянии, могут получить данные о проблеме и не только дать ответ о причинах возникшей проблемы, но и дополнить базу знаний для второго уровня управления. Скорректированная база знаний, в случае типичности проблемы, передается на другие диспетчерские компьютеры, для последующего определения подобных ситуаций на соответствующих объектах управления.

Заключение

Внесение элементов логического анализа данных в системы управления микроклиматом теплиц, не только позволяет оперативно обнаруживать неисправности и информировать оператора об отклонениях от режима, но и улучшить качество автоматического управления многопараметрическими объектами при одновременном снижении влияния человеческого фактора.