Разработка автоматизированной системы управления микроклиматом жилых и общественных зданий

Особенности управления микроклиматом помещений, относящихся к административным зданиям. Необходимость организации управления микроклиматом. Разработка нечетких, нейронечетких контроллеров систем автоматизации зданий, их структурные и принципиальные схемы.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 22.09.2018
Размер файла 6,4 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

48

Разработка автоматизированной системы управления микроклиматом жилых и общественных зданий

РЕФЕРАТ

Работа содержит 108 страниц, 42 таблицы, 60 рисунков, список источников из 23 наименований.

МИКРОКЛИМАТ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, ПОМЕЩЕНИЕ, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, НЕЧЕТКАЯ ЛОГИКА, НЕЙРО-НЕЧЕТКИЕ СЕТИ. микроклимат помещение здание автоматизация

Разработана автоматизированная система управления микроклиматом жилых и общественных зданий.

В работе рассмотрены особенности управления микроклиматом помещений, относящихся к административным зданиям. Обоснована необходимость организации управления микроклиматом. Выполнена разработка нечетких, нейро- нечетких контроллеров систем автоматизации административных зданий, проведены экспериментальные исследования в среде моделирования MATLAB.Выполнена техническая реализация элементов автоматизированной системы управления с применением современных аппаратных средств, приведены структурные и принципиальные схемы.

В первом разделе данной работы рассматриваются основные понятия и определения микроклимата, приведены его основные показатели, перечень комфортных значений параметров микроклимата помещений.

Второй раздел посвящен выбору метода реализации системы эксплуатации здания. Выполнен анализ методов реализации систем управления. Приведены основные понятия и определения аппарата нечеткой логики, нейро-нечетких сетей.

Третий раздел посвящен разработке нечетких, нейро-нечетких контроллеров систем автоматизации здания. Осуществлен синтез терм-множеств лингвистических переменных, баз управляющих правил, обучающих выборок. Выполнено имитационное моделирование в среде Matlab.

Четвёртый раздел посвящен аппаратной реализации системы управления. Выполнен выбор аппаратных средств: вычислительных устройств, датчиков и др. Приведены структурная и принципиальная схемы.

Пятый раздел посвящен экономическому обоснованию разработки.

Шестой раздел посвящен оценке экологической безопасности разработки.

ВВЕДЕНИЕ

Особенностью человека является то, что он всегда стремится к организации комфортных условий для своей трудовой деятельности, жизни и отдыха. Такая тенденция возникла на заре становления человеческого общества и на сегодняшний день не исчерпала себя, с появлением современных средств автоматизации стала еще более ощутимой.

В процессе нашей жизни большинство людей сталкивается с необходимостью времяпрепровождения в промышленных, офисных и жилых зданиях. Это обусловлено особенностью организации пространства современных городских поселений, где наблюдается острый недостаток площадей.

Современные здания из бетона и стали представляют собой отдельные с точки зрения микроклимата объекты, управление которыми необходимо для обеспечения безопасной и комфортной работы, жизни и отдыха человека. Микроклимат _ это относительно сложное понятие, которое характеризует совокупность некоторых факторов, которые в свою очередь определяют такие параметры как температура, влажность окружающей среды, наличие вредных газообразных примесей в воздухе и мн. др.

Управления микроклиматом может быть организовано с применением различных методов теории автоматического управления, например, аппарата нечеткой логики.

Целью выпускной квалификационной работы являетсяразработка и исследование методов автоматизации систем управления микроклиматом административных зданий для обеспечения ресурсосбережения

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИКРОКЛИМАТЕ, ОСВЕЩЕНИИ ПОМЕЩЕНИЙ

1.1 Понятие о микроклимате помещений

Здание представляет собой совокупность помещенийограниченного объема, в пределах которого протекает жизнедеятельность человека. В процессе свой жизнедеятельности человек взаимодействует со средой помещения. Безопасные и эффективных условия пребывания человека в помещениях и здании в целом обеспечиваются правильной организацией их пространства.

Микроклиматом помещения принято называть характеристики его внутренней среды, которые проявляютсяв виде совокупностифакторов, воздействующих на человека (температура, влажность и т.д.)[1 - 4, 9 - 11].

Классификация факторов микроклимата, оказывающих наибольшее влияние на человека, приведена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1 - Классификация факторов микроклимата

Каждый из приведенных параметров нормируется, имеет определенный диапазон значений, принятых оптимальными. Для микроклимата значения параметров считаются оптимальными, в том случае, если число людей, испытывающих дискомфорт в помещении минимально (15% _ 30%) [4 _ 8].

Согласно [4, 7 _ 11] ориентация в процессе работы систем управления микроклиматом помещений на оптимальность поддерживаемых параметров не всегда является правильным, практически достижимым решением. В большинстве случаев является экономически целесообразным поддержание микроклиматических факторов в большем, чем считается оптимальным диапазоне значений. В качестве основного условия возможности такого допущения является отсутствие наблюдаемых отрицательных воздействий на организм человека.

Формирование микроклимата помещений может быть упрощенно представлено как показано на рисунке 1.2. Как видно основными факторами, оказывающими влияние на микроклимат, являются: наружная среда; технологический процесс осуществляемый в помещении; системы отопления, охлаждения (СО), вентиляции (СВ), кондиционирования воздуха (СКВ) [6, 10, 11].

В таблице 1.1 приведена краткая характеристика влияющих на параметры микроклимата помещений факторов.

До недавнего времени достижимая степень комфортности помещений обеспечивалась за счет определенных конструктивных решений при проектировании зданий, теплозащитой, применением относительно простых отопительно-вентилляционных устройств. Указанные подходы на сегодняшний день до конца не выработали себя и успешно эксплуатируются.

Современное понимание задачи управления микроклиматом [5 _ 9] предполагает более точное, ситуационно-зависимое регулирование, основанное на разработке и использовании относительно не сложных автоматических систем. Такой подход является устоявшимся, а к его достоинством является высокий уровень стабилизации значений параметров микроклимата считающихся комфортными, а так же надежность и экономичность.

Необходимость качественного управления микроклиматом обуславливается различными факторами [7, 8]. К таковым могут быть отнесены этажность здания, применение современных отделочных материалов и даже использование вычислительной техники.

Рис. 1.2- Упрощенная схема процессов, влияющих на формирование микроклимата

Таблица 1.1- Характеристика факторов, которые оказывают влияние микроклимат

Факторы, оказывающие воздействия на микроклимат помещений

Характеристика

Наружная среда

Опосредованное влияние на тепловые параметры микроклимата через ограждающие конструкции и внутренние связи между помещениями (теплопередача, влагопередача, воздухопроницаемость, перемещение потоков воздуха)

Технологический процесс

Непосредственное и значительное влияние на параметры микроклимата помещения вследствие особенностей производимых технологических операций (выделение потоков тепла, влаги, газов, пыли и т.д.).

Системы отопления, охлаждения, вентиляции

Реализуют идею активного формирования внутреннего микроклимата.

Большое количество этажей строительных сооружений является причиной значительного изменения перепадов давления между воздухом находящимся снаружи и внутри зданий по его высоте. Результатом указанного явления является перетекание воздуха в вертикальной плоскости, возникновение интенсивных газовых и бактериологических загрязнений верхних этажей, существенное понижении температуры нижних этажей и повышение опасности их радонового загрязнения [7, 8].

Использование современных отделочных материалов, мебели, вычислительной техники может послужить причиной появления загрязнения воздуха следующими веществами: формальдегидами и др. токсичными веществами, органическими веществами, находящимися в летучей форме.

Указанные причины актуализируют необходимость наличия систем вентиляции и управления микроклиматом жилых и общественных помещений.

Решение задачи построения системы управления микроклиматом требует логического понимания влияния факторов, формирующих микроклимат.

1.2 Факторы, формирующие микроклимат

Процессы формирования микроклимата приставляют собой процессы изменения температуры, влажности воздуха во времени под влиянием определенных воздействий [9].

Микроклиматический режим представляет собой совокупность процессов, которые формируют отдельные параметры микроклимата или целые группы параметров.

Группы процессов,формирующих параметры микроклимата помещений представлены на рисунке 1.3.

В процессе формирования микроклиматических факторов в помещение поступают потоки влаги, теплоты, газовых примесей. Процесс поступления перечисленных потоков связан с несовершенством наружных ограждений зданий, влиянием окружающей среды и внутренних факторов, например, протекающими технологическими процессами.

Рис. 1.3- Физические процессы, формирующие микроклимат

В процессе попадания потоков влаги, теплоты, газовых примесей в помещение происходит их смешивании с потоками внутреннего объема, что вызывает трансформацию микроклиматических параметров [9 _ 11].

Различие между заданными значениями микроклиматических параметров и действительными, установившимися в данный момент в помещении могут бытькомпенсированы с помощью систем отопления, охлаждения, а также вентиляции, которые, в свою очередь, так же осуществляют подачу в помещения потоков теплоты, влаги и свежего воздуха, нейтрализующего вредные воздействия на микроклимат [1, 2, 10, 11].

Возмущающими воздействиями называются потоки, которые вызывают отклонения значений параметров микроклимата от заданных величин.

Регулирующими воздействиями называются потоки, которые приводят параметры микроклимата к норме.

Рассмотрим особенности каждого из физических процессов, оказывающих влияние на микроклимат помещений.

1.2.1 Теплообмен в помещении

Теплообменв помещении обуславливается поступлением тепловых потоков двух видов: лучистого и конвективного [1].

Теплообмен, который протекает между поверхностями ограждений, оборудования и воздухом помещения называется конвективным. Поступление конвективных потоков в помещение осуществляется совместно с нагретым (охлажденным) воздухом. Основными источниками конвективных тепловых потоков являются системы вентиляции _ кондиционирования воздуха.

Между поверхностями, обращенными в помещение, протекают процессы лучистого теплообмена.

Основными источниками теплоты, поступающей в помещения являются тепловыделения: рабочего персонала, технологического оборудования, систем искусственного освещения, отопления и тд.

Еще одним возможным источником тепловой энергии в помещении может являться солнечная радиация (образует потоки теплоты, которые направлены внутрь помещения, способные проходить через непрозрачные наружные ограждения, например, бесчердачные покрытия [1]).

Теплопотери, которые осуществляются через наружные ограждения, потоки охлажденного воздуха называются стоками теплоты[1, 10].

Природа источников и стоков может быть конвективной и смешанной, т.е. лучистоконвективной. Особенность тепловых потоков различной природы заключается в том, что они по-разному формируют температурные условия в помещении: лучистые потоки поглощаются поверхностями ограждений и мебели и приводят к их нагреву; конвективная теплота поступает непосредственно в воздух, который не обладает тепловой инерцией, что приводит к быстрому изменению температуры воздуха.

1.2.2 Перемещение потоков воздуха

Воздух может поступать в помещение различными способами: перетекать между различными помещениями в пределах здания, привноситься через наружные ограждения и систему вентиляции. Помимо поступления воздуха в помещение он может так же, и удаляться из него.

Попадание потоков воздуха в помещение из других помещений здания сопровождается возможностью привнесения загрязнений газовыми примесями,образующимися в ходе выполнения технологических операций. Наружный воздух более чистый и может быть использован для охлаждения.

Перемещение воздуха можно разделить на следующие группы: по вертикали здания и по горизонтали.Перемещение потоков воздуха в вертикальной плоскости обуславливается разностью в давлении снаружи и внутри помещений здания при разности объемного веса наружного и внутреннего воздуха.

Как правило, объемный вес наружного воздуха больше, и,следовательно, потоки воздуха движутся в направления снизу _ вверх [10].Перемещение потоков воздуха в горизонтальной плоскости обусловлено влиянием ветра на здание.

Процесс поступления воздуха через различные неплотности в наружных ограждениях с наветренной стороны здания называется инфильтрацией. Эксфильтрация _ процесс обратный инфильтрации.

Движение потоков воздуха обусловливается влиянием поверхностей имеющих высокую температуру, а именно поверхностей технологического оборудования, различных отопительных приборов. Так же на этот процесс оказывают свое воздействие и охлажденные поверхности наружных ограждений, так называемые конвективные источники, которые формируют конвективные струи.

Неравномерность распределения во внутреннем пространстве помещений газовых примесей, влажности, подвижности, а также температуры воздуха обуславливают наличие потоков его перемещений. В результате движения потоков воздуха в замкнутых помещениях могут образовываться зоны, содержащие высокие концентрациивредных веществ, многократно превышающих норму, что является недопустимым, опасным для жизни и здоровья персонала [10, 11].

1.2.3  Молекулярная диффузия паров и газов

Молекулярная диффузия паров и газов в воздухе возникает вследствие различия давлений поблизости от источника примесей и в отдалении от него. Диффузия вносит свой вклад в распространение вредных примесей в помещении, однако ее влияние гораздо меньше по сравнению с явлениями движения потоков воздуха вследствие разности температур.Это является основной причиной, по которой диффузияне способна оказывать существенного влияния на процессы формирование микроклимата, концентрации газовой вредности.

1.3 Комфортные значения температуры воздуха в помещении

При определенных сочетаниях параметров микроклимата появляется ощущение теплового комфорта. Обобщающим температурным показателем является температура помещения, которая в первом приближении равна средней между температурой воздуха tB и радиационной температурой tp [1 - 3, 10]:

.

Радиационная температура определяется как осредненная по некоторой площади внутренних поверхностей в помещении. Получение параметров температуры в помещении возможно путем использования шарового термометра.

Согласно [10] показатели комфорта имеют следующие значения:

- для холодного периода tp=1,57tп-0,57tв;

- для теплого периодаtp=1,5tп-0,57tв.

Показатели комфорта имеют следующий вид [10]:

tв+tp=42,2.

Зависимость параметров комфортного сочетанияtви tp по [10] показана на рисунке 1.4.

По диаграмме Хьюстоном, Яглоу и Мюллером, рисунке 1.5 [1], может быть определено сочетание эффективных параметров микроклимата: температуры воздуха и внутренних поверхностей помещения, скорости и относительной влажности воздуха.

Рис. 1.4- Комфортное сочетание температуры воздуха и радиационной температуры помещения

Рис. 1.5- Карта (диаграмма) нормально эффективных и эквивалентно эффективных температур

Помимо диаграмм определение комфортных значений температур помещений может осуществлять на основе аналитического выражения, предложенного П.О. Фангером [10, 11]:

(1.1),

где - удельное значение метаболической теплоты, Вт/м2; ? - механический коэффициент полезного действия; P - давление (парциальное) водяного пара содержащегося в воздухе, мм. рт. cт.; tод - температура одежды, oC; k - отношение площади поверхности тела человека, покрытой одеждой, к поверхности без одежды; бв - коэффициент теплообмена.

Уравнение комфорта (1.1) позволяет учитывать различные факторы микроклимата, которые определяют ощущения теплового комфорта (степень одежды человека, характер физической работы и т.д.). Зависимость (1.1) так же может быть представлена в виде специальной диаграммы.

П.О. Фангером был предложен метод расчета теплоощущения человеком. В настоящее время известен метод П.О. Фангера, который позволяет с помощью процесса сопоставления фактических и расчётных параметров микроклимата выявить степень возможного дискомфорта отдельных точек помещения.

Численная оценка субъективного психофизиологического ощущения человека [11] может быть получена на основе шкалы приведенной в таблице 1.2(PМV - predicted mеan vote _ предсказываемый средний отклик человека на сочетание метеопараметров) [11].

Таблица 1.2- Субъективная оценка степени комфортности температуры помещения

Для значений степени комфортности температуры в помещении П.О. Фангер предложил следующее аналитическое выражение [11]:

PMV=[0,303 exp (-0,036M)+0,028]Q0,

где M - характер физической работы.

Определение PMV по предложенной О.Д. Самариным аналитической зависимости имеет следующий вид:

,(1.2)

где tп - фактическая температура помещения; tп. опт. - оптимальный уровень температуры помещения соответствующий ее комфортному значению; сlo - коэффициент характеризующий одежду одетую на человека в помещении. В таблице 1.3 приведены соотношения между степенью одежды clo и метаболической теплотой выделяемой в процессе работы M.

Таблица 1.3- Значения clo для различных сочетаний одежды и метаболической теплоты М

Сочетания одежды

clo

Вид работы

M

Легкая летняя

0,45

Сон

0,6

Деловой костюм

0,80

Отдых

0,75

Демисезонная

(плащ, брюки)

1,40

Легкая работа

0,9-1,0

Зимняя обычная

2,00

Работа средней тяжести

1,35-1,7

Зимняя утепленная

2,55

Тяжелая работа

2-4

В дальнейшем степень комфортности температуры воздуха в помещении будем определять на основе соотношения (1.2) и таблице 1.3.

1.4 Комфортные значения влажности воздуха в помещении

Величина значения влажности в помещении напрямую влияет на ощущение теплового комфорта, воспринимаемого человеком. Ощущение теплового комфорта имеет прямую связь с дыхательным трактом человека, т.к. экспериментально установлено, что при низком уровне влажности воздуха наблюдается снижение скорости выделения слизи, которая покрывает носовую полость, дыхательные пути и альвеолы легких человека, что в свою очередь вызывает дискомфорт [11].

При значении влажности менее 40%сокращается подвижность эпителия, увеличивается вероятность проникновения в легкие бактерий и вирусов. В связи с этим рекомендованный диапазон значений влажности внутри помещений составляет 40-60%.

Влажность воздуха внутри помещения оказывает влияние на процессы скрытой теплоотдачи организма, а именно испарении влаги, которая отводится из легких и дыхательных путей человека. Экспериментально установлено, что в течении суток организм испаряет около 800-1000 г влаги, что в тепловом эквиваленте составляет 2100-2500 кДж (20-25% отдаваемой теплоты) [10, 11].

Величина температуры воздуха помещений определяет возможность протекания процессов скрытой теплоотдачи организма. При температуре окружающего воздуха равной 28-29оС начинается процесс потоотделения. При температуре выше 34оС охлаждение организма возможно только испарением.

Влажность оказывает существенное влияние на теплоощущения человека, восприятие качества окружающего воздуха, что подтверждается результатами гигиенических исследований проведённых П.О. Фангером.

1.5 Комфортные значения подвижности воздуха в помещении

Подвижность воздуха участвует в формировании теплового комфорта наравне с температурой и влажностью. Недостаточное движение воздухасоздает впечатление затхлости, что обусловливается образованием тонкой воздушной оболочки вокруг тела человека, имеющей высокую температуру, насыщенную водяным паром.

Результатом малоподвижности воздуха является затруднение тепло- и влагообмена с окружающим воздухом. Минимальная скорость воздушного потока, который способен разрушить эту оболочку по данным работ различных авторов[8, 10 и др.] равна 0,05-0,1 м/с.

Ощущение сквозняка вызывается слишком высокой скоростью движения потоков воздуха, при этом нарушаетсятепловосприятие кожного покрова. В случае, если эффект охлаждения превысит некоторое критическое значение начинается сужение кровеносных сосудов [10].

Наиболее подверженными воздействию сквозняка частями человеческого тела являются затылок и лодыжки (скоростьперемещения потоков воздуха ограничена 0,15 м/с). Область комфортного сочетания подвижности и температуры указана на рисунке 1.6. [11]

Рис. 1.6 - Комфортное соотношение температуры и влажности воздуха

1.6 Понятие воздушного комфорта

На степень комфорта нахождения человека в помещении влияет состав воздуха, т.е. его близость к природному составу, определяемаяотсутствием неприятных запахов, вредных и ядовитых примесей.

Причинами, по которым нарушается комфортное ощущение окружающей среды,являются [10]:

- высокое содержание антропотоксинов;

- постепенное разрушениеполимерных материалов, находящихся в помещении;

- загрязнение наружного воздуха,связанное с несовершенством, нарушениями процессов его обработки в системах вентиляции, кондиционирования.

Реализуемые в здании технологические процессы, сопровождающиеся выделением ядовитых паров, газов, аэрозолей и пыли, обуславливают наличие загрязнений воздуха. Попаданиетоксичных веществ, содержащихся в воздухе в организм человека через кожу, дыхательные пути или пищевод может послужить причиной отравления.

Воздействие ядовитых веществ на организм человека определяется вредностью вещества, его концентрацией, а также продолжительностью влияния.Краткое описание наиболее распространенных загрязняющих веществ приведено в таблице 1.4.

Таблица 1.4- Описание наиболее распространенных загрязняющих веществ

1.7 Понятие о системах искусственного освещения

Обеспечение нормальной жизнедеятельности человека требует наличия источников света. Наиболее значимым естественным источником света является Солнце, однако его использование имеет свои особенности и часто не приносит желаемого результата (влияние времени суток, погодных условий и т.д.). Решение указанной проблемы освещения было найдено путем создания и использования искусственных источников освещения [10]. Искусственный источник освещения - это любые тела, вещества и устройства, в которых энергия любого вида преобразуется в свет [10].

Процесс испускания лучистой энергии при котором возникает ощущение свечения по своей физической природе является разновидностью электромагнитной энергии и в настоящее время известен под таким простым и всем знакомым понятием как свет.

Характеристики источников искусственного освещения делятся на две группы [11]: технические (физические), эксплуатационные.

К техническим параметрам источников искусственного освещения относятся [11]:

- световой поток;

- сила света;

- яркость света;

- спектр излучаемого света;

- мощность и рабочее напряжение лампы;

- конструктивные особенности и т. д.

К эксплуатационным параметрам источников искусственного освещения относятся [11]:

- КПД лампы;

- световая отдача лампы;

- надежность лампы.

Одним из самых важных с практической точки зрения параметров искусственных источников оптического излучения является надежность, который выражается в величине срока службы. Срок службы является составным параметров и включается в себя следующие показатели [11]:

- срок службы до выхода из строя источника света;

- полезный срок службы источника света до появления существенных отклонений егопараметров от номинальных значений;

- минимальная продолжительность горения, определяемая учетом вероятности безотказной работы лампы в течение заданного времени.

Классическим источником света в современных системах искусственного освещения является электрическая энергия. Классификация источников электрического освещения может быть осуществлена как показано на рисунке 1.7.В таблице 1.5 приведены краткое описание и характеристики некоторых из источников электрического освещения.

Таблица 1.5- Описание и краткие характеристики источников электрического освещения

Название

Описание

Тепловые источники оптического излучения

Различные лампы накаливания (свет излучается проводником, вольфрамовым телом накала при протекании через него электрического тока), электрические дуги (основной источник излучения _ поверхность электрода), газокалильные лампы (источник излучения - излучающие сетки, накаливаемые внешней теплотой), электрические инфракрасные излучатели.

Люминесцентные источники оптического излучения света

Люминесцентными источниками излучения света называются такие источники принцип действия, которых основан на люминесценции (физическое явление индивидуализированного перевода атомов и молекул вещества в возбужденное состояние, при возвращении из которого в нормальное состояние, они излучают накопленную энергию в виде света).

Представителям люминесцентных источников света являются: трубчатые люминесцентные лампы низкого давления, дуговые ртутные лампы,безлюминофорные газоразрядные лампы (тлеющего, дугового, высокочастотного и импульсного разрядов) и др.

Источника света смешанного излучения

Источники света, особенность которых заключается в одновременном протекании процессов люминесценции и теплового излучения.

Рассмотрим особенности часто встречающихся источников электрического освещения: лампы накаливания, люминесцентные лампы, светодиодные лампы.

Рис. 1.7- Классификация источников электрического освещения

Лампа накаливания. Лампа накаливания [11], рисунке 1.8, включает в себя стеклянную колбу, внутри которой на специальных крючках закреплена вольфрамовая нить. При подаче на электроды лампы, присоединенные к нити, напряжения вольфрамовая нить раскаляется, начинает излучать свет.

Одной из разновидностей классических ламп накаливания являются галогенные лампы накаливания (ГЛН). Их конструктивная особенность заключается в заполнении колбы лампы галогеном. Это позволяет продлить срок службы лампы и обеспечить сохранение ее прозрачности.

Газоразрядные лампы низкого давления. Трубчатые люминесцентные лампы низкого давления [10], рисунке 1.9, получили широкое распространение в системах освещения. Принцип действия люминесцентных ламп основан на различных способах превращения отдельных видов энергии в оптическое излучение.

Конструктивно люминесцентная лампа представляет собой стеклянную трубку, запаянную с обоих концов и заполненную аргоном. Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором (люминофоры - твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждений).

1 - колба; 2 _ спираль; 3 _ крючки; 4 _ линза; 5 _ штабик; 6 _ электроды; 7 _ лопатка; 8 _ шгенгель (стержень); 9 _ цоколь; 10 _ изолятор; 11 _ нижний контакт. Материалы: а _ вольфрам; б _ стекло; в _ молибден; г _ никель; д _ медь, сталь, никель; е _ медь; ж _ цокольная мастика; з _ латунь или сталь; и _ свинец, олово

Рис. 1.8- Конструкция лампы накаливания

Рис. 1.9- Общий вид ртутной люминесцентной лампы низкого давления

Когда на электроды, расположенные внутри люминесцентнойлампы, подводится напряжение определенной величины, возникает электрический разряд в газовой среде лампы, сопровождающийся выделением теплоты, мощным ультрафиолетовым излучением, часть которого люминофор преобразует в видимое излучение.

Еще одной разновидностью люминесцентных ламп являются газоразрядные лампы высокого давления. Принцип их действия схож с газоразрядными лампами низкого давления и здесь не рассматривается.

Ксеноновые лампы. В ксеноновых лампах, рисунке 1.10, дуговой разряд происходит в тяжелом инертном газе _ ксеноне. Это позволяет испускать лучи в близкой к ультрафиолетовой, видимой и близкой к инфракрасной областям спектра электромагнитного излучения. Испускаемый ксеноновыми лампами свет обладает ровным белым цветом, хорошей цветопередачей. Ксеноновые лампа классифицируются по следующим признакам: с естественным охлаждением, c водяным охлаждением, c естественным и принудительным воздушным охлаждением.

Рис. 1.10- Общий вид ксеноновых трубчатых ламп

Светодиоды. Светодиод [10] _ это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на р-n переходе и предназначенный для излучения света в видимом диапазоне. Выпускаемые промышленностью светодиоды состоят из кристалла полупроводника, заключенного в линзу из полимерного материала, рисунке 1.11. Конструкция светодиода призвана обеспечить минимальные потери излучения при выходе во внешнюю среду и фокусирование света в заданном телесном угле. Кроме того, обеспечивается эффективный отвод теплоты от кристалла.

а _ бескорпусный; б _ в металлостеклянном корпусе; в _ с полимерной линзой; г _ в полимерном корпусе; 1 _ кристалл; 2 _ полимерная зашита (линза); 3 _ ножка; 4 _ полимерный корпус

Рис. 1.11- Конструкция некоторых светодиодов

1.7.1 Классификация систем освещения

Системы искусственного освещения могут быть классифицированы как показано на рисунке 1.12. Краткая характеристика систем освещения приведена в таблице 1.6.

Рис. 1.12- Классификация систем искусственного освещения по назначению

Таблица 1.6- Характеристика систем освещения классифицированных по назначению

Название

Описание

Рабочее освещение

Создание уровня нормальной освещенности на рабочих местах

Аварийное освещение

Обеспечение безопасного уровня освещенность при внезапном отключении рабочего освещения (подразделяется на освещение безопасности и эвакуационное).

Освещение безопасности

Необходимо в случаях, когда отключение рабочего освещения может вызывать следующие события опасные для жизни и здоровья человека: взрыв, пожар, угрозу жизни и здоровью людей; длительное нарушение технологического процесса; нарушение работы ответственных объектов (электростанций, компрессорных, насосных, вентиляционных установок и т. п.); нарушение режима детских учреждений независимо от числа находящихся в них детей.

Эвакуационное освещение

Устанавливается в местах где существует опасность травматизма при проходе людей, например лестницах, если число эвакуирующихся превышает 50 человек; лестничных площадках жилых домов при числе этажей более шести; помещениях общественных, административных и бытовых зданий и бытовых зданий промышленных предприятий и т.д.

Охранное освещение

Является разновидностью рабочего освещения. Устраивается по периметру территории, охраняемой в ночное время. Должно обеспечивать не менее 0,5 лк на уровне земли в горизонтальной плоскости или на уровне 0,5 м от земли в вертикальной плоскости (с соответствующей стороны)

Дежурное освещение

Включается в нерабочее время. Область применения и величина дежурного освещения не нормируются.

По способу размещения осветительных приборов внутри помещения системы искусственного могут быть классифицированы как показано на рисунке 1.13. Краткая характеристика систем освещения классифицированных по способу размещения осветительных приборов приведена в таблице 1.7.

Рис. 1.13- Классификация систем освещения

по способу размещения осветительных приборов

Таблица 1.7- Характеристика систем освещения классифицированных по способу размещения осветительных приборов

Название

Описание

Общее освещение

Светильники освещают всю площадь помещения (рабочие места, оборудование и т.д.) Различают равномерное и локализованное общее освещение.

Местное освещение

Освещение непосредственно рабочих мест светильниками.Предусматривается в случае, если рабочей зоне помещения решаются различные зрительные задачи.

Использование только местного освещения не допускается по причине большой вероятности возникновения большой разностиуровня освещенности рабочих поверхностей окружающего пространства

Комбинированное освещение

Освещение проходов и зон помещений в которых непосредственная работа не производится. Так же используется как средство для выравнивания яркости освещения.

Выбор определенной системы освещения обуславливается особенностями выполняемой зрительной работыс учетом факторов блескости и затенения рабочих поверхностей технологическим оборудованием, рабочим персоналом.

Классификация помещений по видам осветительной работы приведена в таблице 1.8 [11].

Таблица 1.8- Классификация помещений по видам осветительной работы

Группа помещений

Вид зрительной работы

1

Различение объектов зрительной работы, при фиксированном направлении линии зрения работающих на рабочую поверхность (производственные помещения промышленных предприятий, рабочие кабинеты, конструкторские бюро, кабинеты врачей и операционные лечебных учреждений, групповые комнаты детских дошкольных учреждений, классные комнаты, аудитории, лаборатории, читальные залы и т.п.)

2

Различение объектов при нефиксированной линии зрения и обзор окружающего пространства (торговые залы магазинов, залы столовых, выставочные залы, картинные галереи, помещения для длительного пребывания детей, кроме групповых помещений в детских яслях-садах, производственные помещения, в которых ведется только надзор за работой технологического оборудования, и т.п.)

3

Обзор окружающего пространства при эпизодическом различении объектов (концертные и зрительные залы и фойе театров, клубов и кинотеатров, комнаты ожидания, рекреации, актовые залы, вестибюли, гардеробные общественных зданий и т.п.)

4

Общая ориентация в пространстве интерьера (проходы, коридоры, гардеробные производственных зданий, санузлы, закрытые стоянки автомашин и т.п. )

Блескость является одной из самых неприятных проблем освещения. В большинстве случаев блескость снижает остроту восприятия из-за усталости, следствием чего являются плохая концентрация и дефекты зрения.

1.7.2 Качество освещения

СНиП регламентирует следующие качественные показатели освещения. Для промышленных осветительных установок [11] (ОУ) _ показатель ослепленности, коэффициент пульсации освещенности и неравномерность распределения освещенности по рабочим поверхностям в производственных помещениях; для помещений общественных, жилых и вспомогательных зданий _ показатель дискомфорта, цилиндрической освещенности и коэффициент пульсации освещенности.

Показатель неравномерности распределения освещенности регламентирован нормами в пределах [11] 1,5 - 3,0 в зависимости от точности работы и вида осветительных приборов (ОП) (круглосимметричный или протяженный).

При проектировании систем общего освещения нужно ориентироваться на требование необходимости обеспечения равномерности распределения освещенности, которая в свою очередь регламентируется определенными нормами [11].

Неравномерность распределения освещенности по помещению зависит от такого параметра как светораспределениеосветительных приборов, определяемым их размещением в пространстве, расстоянием между ОП. Чем концентрированнее светораспределение при одинаковом размещении ОП, тем больше неравномерность распределения освещенности. Как правило, чрезмерное увеличение или уменьшение относительного расстояния между ОП приводит к увеличению неравномерности распределения освещенности.

В ОУ с люминесцентными лампами (ЛЛ) неравномерность распределения освещенности в основном зависит расстояния между ОП, другими словами величины отношения расстояния между соседними ОП или их рядами к расчетной высоте подвеса ОП. В связи с этим выработаны определенные рекомендации размещения ОП с ЛЛ, а именно они должны быть установлены рядами, преимущественно вдоль длинной стороны помещения или стены с окнами. Определенные преимущества имеют непрерывные ряды или ряды с небольшими разрывами между ОП.

Коэффициент пульсации освещенности - позволяет осуществлятьоценку глубины колебаний освещенности, получая ее численные значения.

Коэффициент пульсации ОУ зависит от следующих факторов:

- коэффициента пульсации светового потока источника света;

- светораспределения ОП в пространстве освещаемого помещения;

-размещения ОПв пространстве освещаемого помещения;

- схемы включения ОП в сеть электрического тока.

Значение коэффициента пульсации ОУ в любой точке освещаемого помещения не может быть больше коэффициента пульсации светового потока источника света, используемого в данной ОУ.

Наличие в помещении, рабочей зоне блеских источников вызывает снижение уровня практически всех функций зрения, т.к. они оказывают слепящее воздействие на человека.Для обеспечения нормальной зрительной работоспособности в помещении должны отсутствовать прямая и отраженная блескость (прямая блескость определяется характеристиками используемых источников света, отраженная _ степенью отражения светового потока от рабочей поверхности в направлении глаз работающего).

Показатель ослепленности является критерием на основе которого производится оценка слепящего действия, создаваемого ОУ. Величина прямой блескости ограничиваетсяпутем уменьшения яркости источников света, размещением ОП, например правильным выбором защитного угла, и т.д.

Ослабление отраженной блескости достигается выбором угла падения светового потока на рабочую поверхность, расположением или наклоном рабочей поверхности. При возможности блестящие поверхности заменяются матовыми.

Слишком яркие источники света, например,светильники, светящие потолки, панели и т. п. могут вызывать ощущения зрительного дискомфорта, что в свою очередь является начальной стадией ослепленности. Оценка зрительного дискомфорта производится на основе специального показателя.

Для определения показателя дискомфортана практике часто используют специальные таблицы.

Цилиндрическая освещенность - характеризует степень насыщенности помещения светом и рассчитывается как значение средней плотности светового потока на поверхности вертикально расположенного в помещении цилиндра, радиус и высота которого стремятся к нулю. Значение показателя цилиндрической освещенности должно находиться в пределах от 75 до 150 лк. для помещений общественных, жилых и вспомогательных зданий.

2 . ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТОДОВ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

2.1 Анализ методов реализации систем управления техническими объектами

Для реализации систем автоматического управления (САУ) в настоящее время разработаны и успешно применяются различные методы синтеза: классической теории управления, адаптивного управления,робастного управления, нечеткого, нейронного и нейро-нечеткого управления.Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки, а выбор определенного зависит от степени изученности объекта управления (ОУ).Рассмотрим особенности перечисленных методов синтеза САУ.

Методы классической теории управления.Классическая теория управления применяется для синтеза САУ в случае наличия объектауправления, формализованного в достаточной степени.Анализ достоинств и недостатков применения методов классической ТАУ для решения задач синтеза регуляторов приведен в таблице 2.1 [12 _ 16].

Таблица 2.1- Достоинства и недостатки методов классической теории управления

Достоинства

Недостатки

Высокая степень проработанности математического аппарата

Невозможность синтеза САУ без наличия математической модели ОУ

Простота и удобство использования при проектировании регуляторов

Невозможность синтеза плохо формализованных СУ

Логическая прозрачность

Методы адаптивного управления. Изменение параметров, а также структуры системы, управляющих действий на основе поступающих данных с целью достижения некоторого состояния (обычно оптимального) при начальной неопределенности называют адаптацией [12, 14]. Системы, реализованные, на основе принципа адаптации являются адаптивными.

Анализ достоинств и недостатков использования адаптивных систем управления показан в таблице 2.2.

Таблица 2.2- Адаптивные системы управления

Достоинства

Недостатки

Поисковые адаптивные системы

Возможность настройки параметров САУ в процессе управления

Необходимость подачи идентификационных сигналов на вход ОУ

Возможность управления плохо формализованными объектами

Длительный процесс идентификации

Зависимость процесса идентификации от параметров ОУ и внешних условий

Беспоисковые адаптивные системы с эталонной моделью

Отсутствие воздействий на ОУ с целью егоидентификации

Необходимость знания эталонной математической модели ОУ

Возможность управления плохо формализованными объектами

Беспоисковые адаптивные системы с идентификатором

Идентификация неизвестных параметров объекта

Необходимость использования идентификатора

Возможность управления плохо формализованными объектами

Методы робастного управления.Альтернативой классическим адаптивным методам синтеза САУ являются робастные. Робастные САУ, как и адаптивные, решают задачи управлениятехническими объектами описание которых содержит параметрические, сигнальные и функциональные неопределенности.

Анализ достоинств и недостатков робастного подхода к синтезу САУ приведен в таблице 2.3 [14].

Таблица 2.3- Робастные системы управления

Достоинства

Недостатки

Возможность управления плохо формализованными ОУ

Невозможность изучения ОУ в процессе управления

Отсутствие чувствительности к изменениям параметров ОУ в определенном диапазоне

Методы нечеткого управления.Нечеткое управлениябазируется на понятии нечёткого множества, которое было введённо Лотфи Заде, как объект с функцией принадлежности элемента к множеству, принимающего любые значения в интервале [0, 1], а не только 0 или 1.

Достоинства и недостатков нечетких САУ приведены в таблице 2.4 [12 _ 20].

Таблица 2.4- Нечеткие системы управления

Достоинства

Недостатки

Управление плохо формализованными ОУ

Отсутствие стандартной методики конструирования нечетких систем

Использование опыта экспертов предметной области

Логическая прозрачность

Отсутствие возможности математического анализа

Повышение быстродействия работы САУ

Сложность определения функций принадлежности и базы правил

Точность работы САУ

Уменьшение вероятности ошибочных решений

Сложность проведения операции адаптации

Простота технической и программной реализации

Методы нейросетевого управления.Методы нейросетевого управления основаны на идеях реализации биологически подобных вычислительных сетей, коннективистком подходе. Достоинства и недостатки нейросетевых САУ приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5- Нейронные системы управления

Достоинства

Недостатки

Возможность использования неопределенных данных

Отсутствие возможности предварительного определения подходящих архитектур

Сохранение работоспособности при выходе из строя отдельных элементов

Необходимость обучения перед началом использования

Способность обучаться, обобщать информацию

Проблематичность использования опыта экспертов предметной области

Наличие универсальности

Отсутствие логической непрозрачности

Методы нейро-нечеткого управления. Использованиеаппаратов искусственных нейронных сетей, нечеткой логики совместно, в рамках одного решения, является основной идеей нейро-нечеткого подхода [13 _ 16]. Указанный подход может реализовываться различными способами, но наиболее интересным в настоящее время является гибридный способ объединения, который предполагает разработку и использование нейро-нечетких сетей (ННС). Отдельные элементы ННС, нейроны, функции активации и т.д., являются нечеткими.

Достоинства и недостатки применения ННС в САУ приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6- ННС системы управления

Достоинства

Недостатки

Возможность работы с неопределенными данными

Отсутствие возможности предварительного определения подходящих архитектур

Сохранение работоспособности при выходе из строя отдельных элементов

Способность обучаться, обобщать информацию

Необходимость проведения обучения перед началом использования

Относительная простота использования опыта экспертов предметной области

Наличие логическойпрозрачности

В таблице 2.7 приведен сравнительный анализ достоинств и недостатков перечисленных выше методов применительно к управлению сложными техническими объектами в условиях неполноты данных. Перспективными для применения в условиях неполной информации об ОУ являются методы на основе нечеткой логики, искусственных нейронных и нейро-нечетких сетей, свойства которых приведены в таблице 2.8.

Таблица 2.7- Обобщенный анализ методов управления

Требования применимости

Методы управления

Класси-ческие

Адап-тивные

Робаст-ные

Нечет-кие

Нейрон-ные

Нейро-нечеткие

Управление существенно нелинейными объектами

-

+

+

+

+

+

Управление объектами содержащими неопределенности

-

+

+

+

+

+

Необходимость использования ММ объекта управления

+

±

±

-

-

-

Необходимость идентификации ОУ посредством внешних воздействий

-

±

-

-

-

-

Способность обучаться

-

+

-

-

+

+

Использования опыта экспертов в предметной области

-

-

-

+

-

+

Таблица 2.8- Сравнительный анализ нечеткого, нейросетевого и нейро-нечеткого управления

Способности

НК

НС

ННС

Способность к обучению

Нет

Да

Да

Возможность использования опыта экспертов

Да

Нет

Да

Механизм вычисления логического вывода

Эвристи-ческий поиск

Параллельные вычисления

Эвристический поиск и параллельные вычисления

Скорость вычисления логического вывода

Низкая

Высокая

Высокая

Устойчивость к ошибочным входным данным

Низкая

Очень высокая

Очень Высокая

Механизм адаптации

Нет

Да

Да

Необходимость обучения

Нет

Да

Да

Логическая прозрачность

Высокая

Низкая

Высокая

Гибкость языка описания системы

Высокая

Низкая

Высокая

Возможность обработки неопределенных данных

Да

Да

Да

В таблице 2.9 приведены этапы синтеза НК, НС, ННС, определяющие последовательность действий по их разработке.

Таблица 2.9- Этапы синтеза НК, НС, ННС

Этап

НК

НС

ННС

1

Определение наиболее важных параметров управления

Определение наиболее важных параметров управления

Определение наиболее важных параметров управления

2

Определение функций принадлежности, правил управления

Поиск наиболее подходящей архитектуры сети

Поиск наиболее подходящей архитектуры сети

3

Уточнение функций принадлежности

Обучение сети

Определения функций принадлежности

4

Удаление не использующихся/не-корректных правил

Удаление не использующихся нейронов, связей сети

Обучение сети: уточнение функций принадлежности и базы правил

5

-

-

Удаление не использующихся нейронов, связей сети

Для реализации элементов системы эксплуатация административных зданий будут использованы: нечеткая логика, искусственные нейро-нечеткие сети. Рассмотрим его основные понятия и определения перечисленных методов искусственного интеллекта.

2.2 Основные понятия и определения нечеткой логики

2.2.1 Определение нечеткого множества, функции принадлежности

Решая задачи, приходится встречаться с ситуациями, когда элемент в некоторой степени принадлежит определенному множеству. Одним из способов математического описания нечеткого множества является определение степени принадлежности элемента нечеткому множеству. Степень принадлежности задается числом из интервала [12 _ 14]. Границы интервала _ 0, 1, означают, соответственно, «не принадлежит» и «принадлежит». Принадлежность элемента x множеству А записывается в формализованном виде xА. Данная запись может быть представлена в виде характеристической функции:

.(2.1)

Принадлежность множеству может быть представлена в графическом виде. Например, в одномерном арифметическом пространстве R заданы два множества AR и BR. Принадлежность xА можно представить в виде прямоугольника ПА, показанного на рисунке 2.1, а принадлежность xВ _ в виде прямоугольника ПВ, показанного на рисунке 2.2. Принадлежность x объединению множеств xАВ представлена прямоугольником ПАВ, показаны на рисунке 2.3. Принадлежность двухмерному множеству будет представлена параллепипедом в трехмерном пространстве, а принадлежность n-мерному множеству _ (n+1)-мерным параллепипедом.

Нечетким подмножеством A множества X называется множество двоек . Функция A, являющаяся отражением элементов xX в элементы множества [0,1] (a: X[0,1]), называется функцией принадлежности нечеткого множества , а X _ базовым множеством.

Конкретное значение A(x), заданное для элемента x, называется степенью принадлежности элемента x нечеткому множеству . Носителем нечеткого множества называется подмножество X, содержащее те элементы xX, для которых значение функции принадлежности больше нуля.

2.2.2 Определение нечеткой и лингвистической переменной

Методами теории нечетких множеств описывают смысловые понятия, например, для понятия «надежность работы узла» можно определить такие составляющие, как «небольшая величина надежности узла», «средняя величина надежности узла», «большая величина надежности узла», которые задаются как нечеткие множества на базовом множестве, определяемом всеми возможными значениями величин надежности.

Обобщением описания лингвистических переменных с формальной точки зрения является введение нечетких и лингвистических переменных [12].

Нечеткой переменнойназывается тройка множеств:

,

где  _ наименование нечеткой переменной, X _ область определения,  _ нечеткое подмножество в множестве X, описывающее ограничения на возможные значения переменной .

Лингвистической переменной называется набор множеств:

<,T(),X,G,M>,

где  _ название лингвистической переменной, T() _ множество лингвистических (вербальных) значений переменной , называемое еще терм _ множеством лингвистической переменной, X _ область определения, G _ синтаксическое правило, имеющее форму грамматики, порождающее наименования T() вербальных значений лингвистических переменных , М _ семантическое правило, которое ставит в соответствие каждой нечеткой переменной нечеткое множество,  _ смысл нечеткой переменной .


Подобные документы

  • Разработка микропроцессорной системы управления микроклиматом в теплице. Требования пользователя в автоматизированной системе, алгоритм ее функционирования. Мониторинг и индикация температуры и влажности в соответствии с выбранным режимом работы.

    курсовая работа [455,4 K], добавлен 21.12.2015

  • Обзор системы управления микроклиматом FC-403-65. Разработка структурной схемы системы управления температурным режимом теплицы. Выбор датчиков и исполнительных механизмов, принципиальная схема их подключения. Разработка инструкций по эксплуатации.

    дипломная работа [1,8 M], добавлен 10.04.2017

  • Разработка структурной схемы системы контроля микроклимата теплицы. Формирование выходных сигналов для запуска исполнительных устройств проветривания, нагрева, полива. Выбор температурного датчика. Пульт управления и устройство визуальной индикации.

    курсовая работа [1,0 M], добавлен 25.03.2015

  • Общая характеристика электроэрозионного оборудования. Описание существующего проволочного станка AC Classic V2. Разработка структурной схемы автоматизированной системы управления. Техническая реализация проекта системы управления и диагностики параметров.

    дипломная работа [7,1 M], добавлен 05.04.2012

  • Разработка конструкции исполнительных механизмов платформы шагающего робота. Разработка универсальных контроллеров и системы управления высокого уровня. Проектирование базовых алгоритмов управления, обеспечивающих автономное и супервизорное управление.

    дипломная работа [6,3 M], добавлен 07.07.2012

  • Разработка проекта внедрения SAP CRM. Анализ организации, анализ процессов, подлежащих автоматизации. Решение SAP Best Practices в организации управления клиентами и продажами. Функции системы, основные вопросы предпосылки к внедрению ее на предприятии.

    курсовая работа [2,0 M], добавлен 12.05.2014

  • Классификация (типы) бортовых систем автотранспортного средства. Система автоматического управления трансмиссией автомобиля. БИУС – вид автоматизированной системы управления, предназначенной для автоматизации рабочих процессов управления и диагностики.

    дипломная работа [1,5 M], добавлен 26.07.2017

  • Изучение укрупненных характеристик системы, подлежащей автоматизации, как первый этап создания автоматизированной системы управления. Выявление глобальной цели исследуемой системы. Структура системы, таблица функций организации и рабочего процесса.

    контрольная работа [470,2 K], добавлен 25.10.2010

  • Разработка общей структуры промышленной сети программируемых контроллеров в рамках автоматизированной системы расчета технологии измерения размеров образца металла с использованием компьютерных сетей связи. Проведение технического контроля аппарата.

    дипломная работа [96,3 K], добавлен 06.03.2010

  • Сварочный автомат в среде аргона, его исполнительные устройства, датчики. Циклограмма работы оборудования. Перечень возможных неисправностей, действие системы управления при их возникновении. Построение функциональной электрической схемы блока управления.

    курсовая работа [745,9 K], добавлен 25.05.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.