Автоматизация птичника по выращиванию цыплят-бройлеров на птицефабрике «Орель-Лидер»

Министерство образования и науки Украины Одесская Национальная Академия Пищевых Технологий

Курсовая работа

по дисциплине Идентификация и моделирование технологических объектов

На Тему: Автоматизация птичника по выращиванию цыплят-бройлеров на птицефабрике «Орель-Лидер»

Выполнил: студент 4-го курса Ф-ка. АКСиУП гр. А-41

Терехов В.С.

Руководитель: Хобин В.А.

Одесса 2009

Раздел 1. Выделение объекта управления из среды

1.1 Общий анализ технологического процесса, реализуемого агрегатом, целей и условий его ведения Составление схемы и описание сущности технологического процесса, реализуемого технологическим агрегатом, как целенаправленного преобразования материальных и энергетических потоков.

Технология выращивания птицы На данном предприятии применяется технология выращивания бройлеров фирмы «КОББ». Она предполагает под собой выращивание бойлеров с птенцов до взрослых курей, средним весом 2.7 кг, за 46 дней.

В период 46 дней, вначале цыплят, помещают в специально построенное и оборудованное помещение. В нём оборудована автоматическая подача питьевой воды и корма. А также поддержание температуры, влажности, вентиляции и состава воздуха.

Этот период можно поделить на определенные промежутки, в которых, в зависимости от возраста курей, меняются условия их выращивания. В частности температура, влажность воздуха, вентиляция. Допустимые нормы состава воздуха остаются не изменяющимися.

Таблица изменения заданных значений параметров микроклимата от срока выращивания курей

Описание конструкции технологического агрегата и особенности его эксплуатации Конструкция птичника Ну пожалуй начнем с начала, то есть опишем требования к построению и размещению самого птичника.

Для строительства птичника для бройлеров необходимо выбрать участок земли с хорошим дренажём обильной естественной вентиляции. Размещать птичник вдоль оси «восток-запад», для уменьшения воздействия солнечных лучей на боковые стены в период жаркого времени.

Требования к строительству:

· Навесы на крыше, необходимы для затенения по боковым сторонам птичника.

· Материал, из которого сделана крыша, должен быть из отражающих материалов, для снижения теплопроводности. Кроющий материал, должен иметь нижний слой изоляции.

· Изоляция должна быть не менее 10 см. из стекловаты или другого материала с аналогичными свойствами.

· Системы отопления должна обладать достаточной мощностью с учетом особенности местного климата.

· Системы вентиляции должны иметь конструкцию, обеспечивающую подачу достаточного объёма воздуха и поддержанием оптимальной температуры.

· Освещение должно быть таким, что бы обеспечить равномерное распределение света на уровне поля.

Пример конструкции птичника:

Формулирование условий, при которых возможно и целесообразно реализовать рассматриваемый технологический процесс К этой технологии выращивания существует также ряд жестких требований:

1. Требования к оборудованию.

· Системы поения

· Системы кормления

· Системы отопления

· Системы вентиляции

2. Требования к среде содержания птицы.

· Освещение

· Вентиляция

· Подстилка

3. Требования к выращиванию птицы

· Плотность посадки и содержания

· Брудерный период

· Основной период выращивания

· Завершающая фаза откорма Система поения Обеспечение чистой, холодной водой при соответсвующих объемах подачи является фундаментальным фактором для получения хороших результатов при выращивании птицы. Без соответсвующего потребления воды, потребление корма будет снижаться и привесы бойлеров будут поставлены под угрозу.

На данном предприятии применяется системы закрытого типа с высокой проточностью., позволяющие пропускать поток воды на уровне 80−90 мл/мин. Они обеспечивают доступ к воде на нижней кромке ниппеля и оборудованы микро чашечкой.

Эти полки регулируются в зависимости роста птицы. При питье птица должна слегка тянуться к ниппелю. Ниппельные полки должны работать при равномерном распределении по системе давления. Рекомендовано распределение 12 голов на один ниппель. Ниппеля должны быть расположены не более 35 см. друг от друга.

Ниппельные поилки закрытого типа имеют ряд преимуществ:

· загрязнение воды не настолько вероятно как в системах открытого типа

· уменьшена вероятность утечки

· не требуют ежедневной чистки Потребление воды птицей должно в 1.5 — 2 раза превышать потребление корма.

Существуют требования к температуре воды, см. таблицу ниже

Также необходимо предусмотреть резервный запас воды. В идеале необходимо иметь запас, соответсвующий полному потреблению воды за 24 часа. Для предотвращения застаивания, бак должен быть включен в общую систему водоснабжения.

Система кормления Системы кормления являются наиболее важным фактором в выращивании птицы. Если объем кормления не достаточен, то могут возникнуть проблемы с ростом бройлеров и в следствии потеря в весе. Распределение корма и близость кормушек к птице является моментом. Все системы кормления должны быть откалиброваны так, чтобы обеспечить подачу корма, при минимальных потерях.

На данной птицефабрике используются подвесные чашечные кормушки.

· Рекомендованная плотность посадки 60−70 голов на чашечку 33 см.

· Должен быть загружен в избытке при первом кормлении.

· Не должен препятсвовать свободному движению птицы по птичнику.

· Должен позволять полностью позволять птице съедать корм, во избежании его склеивания, но не должны быть полупустыми.

Для птичника моей модели допустимо оборудование 3 линий кормления.

Корм хранится и подается с бункера расположенного возле каждого птичника.

Контроль наличия корма в кормушках, контролируется таким образом. В последней кормушке стоит датчик уровня, который даёт показания о количестве корма. Если корма не достаточно, то контроллер включает двигатель который начинает качать корм из внутреннего бункера в кормушки, до заполнения последней, в которой датчик. После заполнения контроллер выключает мотор. Наличие корма во внутреннем бункере и досыпка его из внешнего, также контролируется датчиком уровня. Если уровень корма в внутреннем бункере минимальный, то включается насос, который по трубе подает корм из внешнего бункера во внутренний. Таким образом система является полностью автоматизированной и не требует ручного труда. Следить следует только за наполнением внешнего бункера.

Количество корма в наружном бункере должно соотствововать 5 дневному потреблению. А сам бункер должен быть влагоизолированным, воизбежании появления грибка.

Системы отопления Одним из ключевых элементов для достижения максимальных результатов при выращивании птицы, является обеспечение устойчивого микроклимата в птичнике. Колебания температуры, особенно на уровне пола могут вызвать стресс у маленьких цыплят.

К выбору типа отопления также существуют определенные требования:

· Минимальная температура окружающей среды.

· Требуемый температурный режим.

· Выделения тепла самой птицей.

· Потери тепла через стены, пол, крышу.

В птичнике моей конструкции, для поддержания температурного режима, использовалось отопление тёплым воздухом. Для этой цели в птичнике установлено 4 газовые пушками JP 95. Нагрев воздуха в которых осуществляется путём сжигания газа. Если температура в птичнике понижается, что показывает датчик, он передает сигнал на контроллер. Контроллер в свою очередь запускает горелки и открывает подачу газа.

Также пушки оснащены термо реле, которые в случае отказа или поломки контроллера будут включать горелки, когда температура достигнет установленного предела.

Системы вентиляции Для создания эффективной системы низкого давления, необходимо обеспечить контролируемый микроклимат, который включает контроль потоков воздуха, в том числе устранения не контролируемой утечки воздуха. Особенно это важно в период брудерного отопления, при котором сквозняки на уровне пола, могли пагубно сказаться на цыплятах. В следствии этого воздух должен поступать в птичник при таком пониженном давлении, который позволит входящему воздуху сначало устремиться под гребень крыши, прежде чем поток станет ниспадающим. Это является функцией сечения воздухозаборника, совмещенной с производительностью вентилятора при практическом снижении рабочего давления. Общая площадь воздухозабоника должна быть рассчитана на обеспечение необходимой величины понижения давления, что также зависит от ширины птичника. Требуемой давление воздуха достигается за счёт совмещения мощности воздухообменника и вентилятора.

Данные понижения давления, для птичника моей конструкции:

Воздухозабор должен быть под управлением давления для поддержания постоянной скорости движения воздуха на всех стадиях вентиляции. Также штора должна быть оборудовано уплотнителем, для герметичности.

Естественная вентиляция Целесообразность применения естественной вентиляции, являются её применение в регионах с относительной влажностью близким к необходимым параметрам в птичнике. Расположение птицефабрике «Ориль-Лидер», почти в полной мере соответствует этому требованию.

Туннельная вентиляция Также для более эффективного поддержания микроклимата в птичнике, используется туннельная вентиляция. Она сводит к минимуму влияние колебания температуры в период жаркой погоды. В системе туннельной вентиляции, все вентиляторы размещаются в одном торце птичника, а все воздухозаборники в противоположном торце. Воздух поступает со скоростью 2,4 м/сек, по всей длине птичника, при этом забирая влагу, жаркий воздух и пыль. Воздушный поток создает эффект охлаждения ветром, что позволяет снизить температуру на 5−7. Эффективная температура в птичнике не должна превышать 30. При этом полный воздухообмен происходить за 0,75−1,3 минуты.

Освещение Как фактор окружающей среды, влияющий на все стадии производства, освещенность в птичниках требует пристального внимания. Интенсивность освещения, равномерность освещения, цвет освещения и длительность, влияют на показатели развития и здоровье птицы.

То есть грамотно рассчитанная установка источников света, позволит цыплятам быстрее находить корм, воду и тепло на брудерной фазе выращивания.

Птичники должны быть оборудованы, возможность плавного выключения. Для этих целей хорошо подходят лампы накаливания или флуоресцентные лампы.

Вентиляция Вентиляция является наиболее важным фактором контроля над окружающей средой в птичнике. Вентиляция влияет на качество воздуха, температуру и относительную влажность. Без эффективной вентиляции, кормоконверсия, привесы и состояние птицы будут ухудшаться, что сопровождается увеличением количества птицы, требующей выбраковки. К тому же, слабая вентиляция потребует внесения изменения в параметры плотности посадки птицы.

Система вентиляции должна:

· Обеспечивать подачу воздуха в любой момент времени, покрыть потребность птицы в кислороде.

· Равномерно распределять свежий воздух, не создавать сквозняков.

· Поддерживать эффективную температуру.

· Выводить выделяемую влагу.

· Удалять резкопахнущие и побочные газы.

Качество воздуха оценивается на основе объёма подачи, присутствия аммиака, двуокиси углерода, окиси углерода и уровня относительной влажности.

Минимум вентиляции должен быть увеличен, если эти параметры не достигнуты.

Если этого не сделать, то возникнут проблемы с поддержанием микроклимата в птичнике, что в свою очередь приведет к проблемам с кормление и поением птицы, стрессами и потерей в весе.

Подстилка Подстилка является очень важным фактором в поддержании микроклимата. Хорошее состояние подстилки влияет на здоровье птицы, на получение высоких производительных параметров и качества тушки.

Она должна быть выложена ровным слоем, глубиной в 10,2 см.

Наиболее важные функции:

· Впитывание влаги.

· Поглощение выделений — что снижает контакт птицы с помётом.

· Создание изолирующего слоя от холодного пола.

Материалы подстилки могут быть различными, но все должны соблюдать определённые критерии. Такие как обладать абсорбирующими свойствами, быть лёгкой по удельному весу, не дорогой и не токсичной. Также характеристики материала должны допускать его дальнейшее применение как удобрения или топливо.

На данной фабрике для этой цели выбрана подстилка из шелухи семечек.

Плотность посадки птицы Успех выращивания бройлеров существенно зависит от правильной плотности посадки, что обеспечивает эффективное использование площадей для получения оптимальных результатов. Кроме экономических и технических факторов, плотность посадки значительно влияет на благополучие птицы.

Для правильной оценки посадки, необходимо принимать во внимание такие факторы, как климат, тип птичника, убойный вес птицы, экологическое законодательство. Иначе могут быть проблемы и птица будет болеть.

Для нашего типа климата плотность посадки в 30 кг/ близка к идеальной.

Параметризованная схема технологического процесса и общая характеристика параметров и их взаимозависимостей.

График зависимости заданного значения температуры в птичнике от времени жизни птицы График зависимости заданного значения относительной влажности в птичнике от времени жизни птицы График зависимости заданного значения объема воздуха в птичнике от времени жизни птицы

1.2 Конкретизация регламентов и условий ведения процесса, его формализованное представление Выявление нормативов ведения технологического процесса и работы технологического агрегата Технологический регламент — определяет условия, при которых в результате технологического процесса получается продукт с заданными свойствами. Он представляет собой набор номинальных значений и допусков на отклонения от номинала технологических параметров.

Технологические регламент:

— температура внутри птичник, согласно технологии.

— относительная влажность воздуха, согласно технологии.

— объем воздуха в птичнике на одну голову.

— разряжение в птичнике.

Эксплуатационный регламент — определяет условия нормальной, безаварийной работы технологического оборудования. Он представляет собой набор номинальных значений и допусков на отклонения эксплуатационных параметров этого ТО.

Эксплуатационные параметры:

— освещение в птичнике.

— состав воздуха в птичнике.

Технико-Экономический и экологический регламент — определяет условия эффективности ведения процесса и его экологичности. Он представляет собой набор номинальных или предельно-допустимых значений технико-экономических и экологических параметров.

Технико-экономические параметры:

— затраты энергии на выращивание одного бройлера Анализ последствий выхода технологических параметров эксплуатационных параметров за регламентные допуски.

В зависимости от последствий, можно выделить два вида характерных типов нарушений:

1. Технологический процесс не прекращается и ликвидируется за счет управления процессом.

2. Технологический процесс прекращается полностью или частично, для его возобновления необходимо подготовка оборудования.

Целью автоматизации моего объекта является поддержание микроклимата в птичника, а именно основных параметров, температуры, относительной влажности и проходящего объема воздуха. Так как в своём объекте я имею дело с животными (курами), то регламентные зоны и ЗНО довольно широкие, поэтому второй тип не характерен для моего ТО. То есть все нарушения и выходы за регламентную зону, устраняются со временем.

Таблица регламентов:

Выявление параметров, характеризующих условия ведения технологического процесса и эксплуатации технологического оборудования Условия ведения ТП можно сгруппировать по некоторым признаками обьеденить в группы.

СЫРЬЕВЫЕ ПАРАМЕТРЫ — характеризуют свойства продукта идущего на переработку.

Сырьевые параметры:

— качество корма.

— температура воды.

ЭНЕРГЕТИЧЕСИКЕ ПАРАМТЕРЫ — характеризует энергию, которая подводится к технологическому оборудованию извне и расходуется на изменение свойств продуктов.

Энергетические параметры:

— давление в газовом трубопроводе.

— температура газа.

— состав газа (качество).

— скорость наружного ветра.

— освещаемость птичника солнцем.

— влажность наружного воздуха.

— скорость перемещения воздуха в птичнике.

— освещаемость птичника.

— влажность подстилки.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ — параметры технологического оборудования, характеризуют состоянии её рабочих органов.

Механические параметры:

— регулирование скорости 1−2 вентилятора .

— регулирование скорости 3−4 вентилятора .

— регулирование скорости 5−6 вентилятора .

— включение торцевых вентиляторов 1−8.

— расход газа на отопление.

— засорение фильтров, решеток.

Формализованная параметрическая схема Формализованная параметрическая схема, это максимальный уровень формализованного описания ТП, и одновременно наиболее общая концепция ОУ.

1.3 Разработка структурной схемы объекта управления В дальнейшем мы будем рассматривать в качестве объекта регулирования разряжение в птичнике, а в качестве управляющих воздействий, положение боковых приточных задвижек.

Конкретизация целей и задач управления объектом, выявление регулируемых и оптимизируемых переменных Общей целью функционирования предприятия является выполнение плановых заданий по объему продукции и получению определенного экономического эффекта. Декомпозиция этой цели приводит к следующим целям:

а) на уровне технологического процесса — координация вытяжной вентиляции со степенью открытия боковых приточных задвижек. То есть распределение работы системы вентиляции согласно системе мульти степ, а также активное перемешивание воздуха, для более достоверного снятия показания с датчиков, и для предотвращения затрат энергии на увеличение скорости вентилятора.

б) на уровне отдельных единиц технологического оборудования — оптимизация положения боковых приточных задвижек и скорости вращения вытяжного вентилятора.

Отсюда задачи управления можно подразделить на :

а) необходимо обеспечить требования регламента (поддержание разряжения на определенном уровне).

б) задачи оптимизации процесса. (В данной курсовой работе не рассматривается).

Подчеркну что главное задачей является обеспечить наименьший процент брака, то есть избежать смерти курей или их неправильному (не своевременному) росту.

Выбор управляющих воздействий объекта управления В качестве управляющих воздействий целесообразно выбирать воздействия, которые могут целенаправленно изменить расходы ТО материальных и технологических потоков. В моем случае, я выбрал такие воздействия как, положение боковых задвижек, которые непосредственно влияют на разряжение в птичнике.

Выделение и классификация возмущающих воздействий После выделения мной управляющих воздействий, все остальные входные переменные попадают в разряд возмущений, т. е. таких воздействий среды, изменение которых нарушает ход ТП и режимы ТО.

Контролированных возмущений и шумов в моем случае нет.

К неконтролируемым возмущениям относят все остальное. Например перемешивание воздуха между секциями или скорость ветра за бортом.

Обобщенная структурная схема САР

Раздел 2. Идентификация моделей каналов преобразования координатных воздействий объекта управления

2.1 Априорный анализ статических и динамических свойств объекта управления Априорный анализ и выбор структуры моделей динамических свойств (статистические, астатические, стационарные, нестационарные) каналов управления и контролируемых возмущений на основе знания физических закономерностей технологического процесса Осуществив анализ физической сущности процессов, были сделаны выводы следующего характера:

Регулирование значения разряжения воздуха внутри помещения.

Переходной процесс является статическим, так как это определяет граница отношения скорости вращения вентиляторов к процентам хода РО (открытия боковых приточных задвижек). Также он имеет нестационарные свойства, так как физически невозможно реализовать постоянство разряжения ввиду влияния различных параметров и особенностей конструкции помещения (протечки потоков наружного воздуха, обусловленные щелями в перекрытиях основных конструкций здания). Однако за время переходного процесса в системе стабилизации, параметры объекта управления изменяются не значительно и поэтому можно принять гипотезу о квазистационарности.

Априорный анализ и принятие решения о допустимости линеаризации статических свойств каналов управления и возмущений объекта регулирования, исходя, в частности, из диапазонов изменения регулируемых переменных при работе САР, для разработки которой ведется идентификация объекта.

В процессе рассмотрения допустимости линеаризации статических свойств каналов управления были приняты следующие решения:

По каналам u1-Pр.в. в 1 з., u2-Pр.в. в 2 з., u1-Pр.в. в 3 з.

Линеаризация статических свойств данного канала управления является допустимой, так как заданное значение Рр.в.=const и регулирование Рр.в. не требует широкого диапазона изменения х.р.о. и статическая характеристика на выбранном участке не имеет значительной кривизны. Это позволяет принять решение о допустимости линеаризации статических свойств объекта по этому каналу управления.

2.2 Оценка статических характеристик и идентификация линеаризованных моделей динамики каналов управления объекта регулирования в окрестности его рабочих режимов.

Проведение классического активного эксперимента и оценка статических характеристик объекта регулирования.

Получение статических характеристик прямых каналов объекта управления:

а) Получение статической характеристики по каналу u1-Рр.в. в 1 зоне

Для построения статической характеристики я провел активный эксперимент. Для чего я поставил регулирующий орган открытия заслонок («люков») в положение равное 0% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рр.в.=60Па. И в следствии получил первую точку статической характеристики.

Для получения второй точки статической характеристики, я подождал, пока значения не перестанет меняться. Затем поставил РО в положение равное 10% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рр.в.=45Па. Для получения третьей точки статической характеристики, я подождал, пока новое значения не перестанет меняться. Затем поставил РО в положение равное 20% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рразр=35Па. Для получения четвертой точки статической характеристики, я подождал, пока новое значения не перестанет меняться. Затем поставил РО в положение равное 30% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рразр=26.5Па. Для получения пятой точки статической характеристики, я подождал, пока новое значения не перестанет меняться. Затем поставил РО в положение равное 40% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рразр=20Па. Для получения шестой точки статической характеристики, я подождал, пока новое значения не перестанет меняться. Затем поставил РО в положение равное 50% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рразр=15Па. Для получения седьмой точки статической характеристики, я подождал, пока новое значения не перестанет меняться. Затем поставил РО в положение равное 60% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рразр=11.5Па. Для получения восьмой точки статической характеристики, я подождал, пока новое значения не перестанет меняться. Затем поставил РО в положение равное 70% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рразр=8.9Па. Для получения девятой точки статической характеристики, я подождал, пока новое значения не перестанет меняться. Затем поставил РО в положение равное 80% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рразр=7.2Па. Для получения десятой точки статической характеристики, я подождал, пока новое значения не перестанет меняться. Затем поставил РО в положение равное 90% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рразр=6Па. Для получения одиннадцатой точки статической характеристики, я подождал, пока новое значения не перестанет меняться. Затем поставил РО в положение равное 100% х.р.о. Это будет соответствовать значению Рразр=5Па. По окончанию проведения экспериментов поставим РО открытия заслонок («люков») в положение, равное 40% х.р.о. для проведения экспериментов по исследованию переходных характеристик перекрестных каналов объекта регулирования.

б) Получение статической характеристики по каналу u2-Рр.в. в 2 зоне

Получение статической характеристики во второй зоне производится аналогичным образом.

в) Получение статической характеристики по каналу u3-Рр.в. в 3 зоне

Получение статической характеристики во третьей зоне производится аналогичным образом.

Краткий сравнительный анализ и выбор целесообразных входных воздействий для экспериментального исследования с целью получения необходимой информации о свойствах каналов объекта для случая, когда входные переменные доступны для целенаправленного изменения.

В качестве входных воздействий будут выбраны управляющие воздействия, так как именно они имеют наибольшее влияние на регулируемые переменные. Для упрощения организации проведения эксперимента и минимизации затрат времени на проведение эксперимента и обработку полученных результатов будут использованы ступенчатые воздействия.

Эксперимент будем проводить таким образом, чтоб все переходные процессы находились в пределах регламентных зон ведения ТП. Входные воздействия должны быть такими, чтоб реакция системы на них была заметной на фоне помех и возмущений.

Планирование активного эксперимента на объекте для выбранных входных воздействий и получение реакций во времени на них в ходе натурного или мысленного экспериментов.

Получение динамической характеристики по каналу u1-Рр.в. в 1 зоне

При помощи изменения управляющих воздействий (открытие боковых приточных задвижек на 40%) добились значения Рр.в., равного 20Па, дождались окончания переходных процессов. Изменили положение боковых приточных задвижек скачкообразно на 10% ступенчатым образом, получив 30% открытия РО. При этом значение Рр.в. составило 26.5 Па. После этого изменили положение РО, добившись исходного.

Зарегистрировав изменение регулируемой переменной, получили следующий график:

Получение динамической характеристики по каналу u2-Рр.в. в 2 зоне

Получение динамических характеристик по каналу u2-Рр.в. в 2 зоне, происходит аналогичным образом. График получается также идентичным.

Получение динамической характеристики по каналу u3-Рр.в. в 3 зоне

Получение динамических характеристик по каналу u3-Рр.в. в 3 зоне, происходит аналогичным образом. График получается также идентичным.

Получение динамической характеристики по каналу u1-Рр.в. в 2 зоне

При помощи изменения управляющих воздействий (открытие боковых приточных задвижек на 40%) добились значения Рр.в., равного 20Па, дождались окончания переходных процессов. Изменили положение боковых приточных задвижек на 10% ступенчатым образом, получив 30% открытия РО. При этом значение Рр.в. в 2 зоне составило 21.7 Па. После этого изменили положение РО, добившись исходного.

Зарегистрировав изменение регулируемой переменной, получили следующий график:

Получение динамической характеристики по каналу u3-Рр.в. в 2 зоне

Получение динамических характеристик по каналу u3-Рр.в. в 2 зоне, происходит аналогичным образом. График получается также идентичным.

Получение динамической характеристики по каналу u2-Рр.в. в 1 зоне

При помощи изменения управляющих воздействий (открытие боковых приточных задвижек на 40%) добились значения Рр.в., равного 20Па, дождались окончания переходных процессов. Изменили положение боковых приточных задвижек на 10% ступенчатым образом, получив 30% открытия РО. При этом значение Рр.в. в 1 зоне составило 21.2 Па. После этого изменили положение РО, добившись исходного.

Зарегистрировав изменение регулируемой переменной, получили следующий график:

Получение динамической характеристики по каналу u2-Рр.в. в 3 зоне

Получение динамических характеристик по каналу u2-Рр.в. в 3 зоне, происходит аналогичным образом. График получается также идентичным.

Анализ полученной в ходе эксперимента информации, обоснование и выбор структуры моделей каналов (структурная идентификация моделей).

Смысл структурной идентификации состоит в выборе вида модели по виду графика переходного процесса, полученного в ходе активного эксперимента. Исходя из результатов проведенных активных экспериментов, можно сделать следующие выводы:

— каналы ОУ имеют ярко выраженные статические свойства.

— каналы ОУ имеют запаздывание, что обусловлено особенностями конструкции ОУ, в частности, его геометрическими размерами.

Передаточная функция ОУ по каналам регулирования Рр.в. будет иметь следующий вид.

Модель 1-го порядка:

Поскольку модель первого порядка не идеально отображает наш переходный процесс, а в большей степени служит для определения параметров объекта по инженерным методикам. Мы также будем использовать модель 2-го порядка:

Выбор методик и проведение параметрической идентификации моделей первого и второго порядков. Параметрическая идентификация моделей первого и второго порядка.

Для моделей первого порядка статических объектов наиболее целесообразны к применению методики «касательной 3» Ротача и «двух общих точек» Мининой. Для идентификации моделей первого порядка выбираю методику «двух общих точек» Мининой, так как полученная модель переходной характеристики будет наиболее точно отображать реальный переходной процесс, так как она имеет с ним две общие точки, в отличие от методик касательных, где реальная переходная характеристика и ее модель имеют лишь одну общую точку.

Идентификация моделей первого и второго порядков канала регулирования разряжения воздуха в нутрии помещения.

Идентификация по модели 1-го и 2-го порядка по каналу u1-Рр.в в 1 зоне, u2-Рр.в в 2 зоне, u3-Рр.в в 3 зоне

«Идентификация модели первого и второго порядков канала регулирования разряжения воздуха внутри помещения при помощи методики „двух общих точек“ Мининой»

Передаточная функция объекта первого порядка по каналу u1-Рр.в, в 1 зоне:

Для идентификации модели второго порядка выбираю методику «двух общих точек» Мининой.

Передаточная функция объекта второго порядка по каналу u1- Рр. в, в 1 зоне:

Идентификация по модели 1-го и 2-го порядка по каналу u1-Рр.в в 2 зоне, u3-Рр.в в 2 зоне

«Идентификация модели первого и второго порядков канала регулирования разряжения воздуха внутри помещения при помощи методики „двух общих точек“ Мининой»

Передаточная функция объекта первого порядка по каналу u1-Рр.в, в 2 зоне:

Для идентификации модели второго порядка выбираю методику «двух общих точек» Мининой.

Передаточная функция объекта второго порядка по каналу u1- Рр. в, в 2 зоне:

Идентификация по модели 1-го и 2-го порядка по каналу u2-Рр.в в 1 зоне, u2-Рр.в в 3 зоне

«Идентификация модели первого и второго порядков канала регулирования разряжения воздуха внутри помещения при помощи методики „двух общих точек“ Мининой»

Передаточная функция объекта первого порядка по каналу u2-Рр.в, в 1 зоне:

Для идентификации модели второго порядка выбираю методику «двух общих точек» Мининой.

Передаточная функция объекта второго порядка по каналу u2- Рр. в, в 1 зоне:

Раздел 3. Идентификация моделей входных воздействий объекта управления

3.1 Априорный анализ входных воздействий Анализ физической сущности, возможных диапазонов изменения частотных свойств входных воздействий и их последствий Кроме управляющих воздействий на объект регулирования в реальных условиях действуют возмущения. В нашем случае действуют координатные возмущения (контролируемые и неконтролируемые) и параметрические, которые по своей природе являются неконтролируемыми.

Сущность координатных возмущений в том, что на значение регулируемых переменных, кроме управляющих воздействий оказывают влияние и другие параметры, такие как сырьевые и энергетические. Последствия некоторых необходимо устранять, следовательно, эти параметры контролируемые координатные возмущения. Все остальные параметры объединяются в группу неконтролируемых координатных возмущений.

Сущность параметрических возмущений в том, что параметры характеризующие динамику объекта, могут изменяться под воздействием различного рода входных воздействий. Ясно, что все эти воздействия изменяются в достаточно малых диапазонах и при этом являются низкочастотными. Однако, при их объединении, суммарный сигнал будет обладать высокочастотными свойствами. Последствиями наличия координатных возмущений является снижение динамической точности САР.

Неконтролируемые параметрические возмущения изменяются в маленьких диапазонах, это ясно из того, что нет входных воздействий, которые могли бы привести к существенному изменению параметров, характеризующих динамику объекта. Параметрические возмущения являются существенно низкочастотными. Последствием параметрических возмущений является возможное возникновение неустойчивости САР.

Анализ возможностей идентификации моделей координатных и параметрических возмущений различного уровня детализации и выбор общей структуры моделей Координатные возмущения возможно идентифицировать только с использованием статистических методов идентификации, так как невозможно целенаправленно их изменять. Методом статистической идентификации является пассивный эксперимент. Сущность этого метода заключается в том, чтобы на достаточно длинных интервалах времени синхронно фиксировать во времени существенные изменения входных и выходных переменных каналов объекта управления. Возмущения, как входные воздействия можно принять детерминированными или стохастическими.

Достоинством детерминированных моделей является:

A. простота идентификации модели и моделирования;

B. простота и наглядность методов анализа САУ;

C. простота синтеза САУ простейшей структуры за счёт возможности использования типовых методик.

Недостатки детерминированных моделей перед стохастическими:

A. приближенно описывают характер воздействий среды на объект управления;

B. не дают возможности дать единую оценку качества САУ при различных сочетаниях входных воздействий из-за необходимости проведения большого количества единичных экспериментов с моделью, в особенности для нелинейных САУ;

C. не дают возможности ставить и решать задачи управления, которые требуют оперирования с вероятностными характеристиками управляемых переменных.

Из всего выше сказанного ясно, что в нашем случае необходимо воспользоваться стохастической моделью для повышения точности описания воздействия.

Стохастическую модель можно представить в форме случайного процесса с несколькими аддитивными составляющими:

где

F (t) — детерминированная медленно изменяющаяся составляющая;

— стохастическая среднечастотная центрированная составляющая — центрированный случайный процесс;

— высокочастотная составляющая ;

— шумы;

В реальных условиях объект нестационарный, но выявление и последующий контроль всех причин нестационарности практически невозможен. Практически невозможно так же собрать сколь-нибудь представительные статистические данные об этих возмущениях. Это потребовало бы решить проблему текущей параметрической идентификации моделей и организации весьма длинных наблюдений, так как спектральный состав параметрических возмущений является значительно более низкочастотным в сравнении с спектральным составом координатных возмущений. Это часто позволяет принять гипотезу о постоянстве значений параметрических возмущений на отрезках времени, длина которых достаточна для затухания переходных процессов в САУ, вызванных координатными возмущениями. Это допущение позволяет исследовать САУ как стационарную, но при этом необходимо многократное повторение исследований для различных значений коэффициентов. Однако учёт неопределённости позволяет существенно упростить описывающие функции за счёт сокращения их размерности и упрощения процедуры их получения. В конечном итоге, это обеспечивает построение САУ, обеспечивающей выполнение поставленных перед ней целей и достаточно грубой.

Априори мы можем предположить, что с учетом специфики моего процесса, а именно контролирование разряжения воздуха, то далее мы будем рассматривать стохастическую модель в форме случайного процесса с преобладающей среднечастотной составляющей.

Предполагаем, что не возникают в моем процессе. Т.к. атмосферное давление не может изменяется с высокой скоростью.

Предполагаем также, что не могут возникать и шумы. Т.к. все наши датчики и приборы заземлены, а провода экранированы, поэтому маловероятно что мы получим шумы измерений.

В нашем случае можно предположить, что в неконтролируемых координатных возмущениях преобладающей является среднечастотная составляющая.

3.2 Идентификация моделей детерминированных и случайных составляющих координатных возмущений Планирование пассивного эксперимента для сбора информации о координатных возмущениях, предварительный выбор скорости протяжки ленты самописцев или период записи информации в ПЭВМ, длительность записи, представление реализаций записанных в ходе эксперимента либо сгенерированных специальной программой переменных.

Пассивный эксперимент будем проводить следующим образом: запишем в памяти ЭВМ достаточно длинную реализацию выходного сигнала при достаточно низкой скорости протяжки диаграммной ленты. При записи в ЭВМ сигнал предварительно профильтруем. Для записи неконтролируемого координатного возмущения необходимо определить необходимую длину реализации, шаг квантования по времени и число точек.

1.Длина реализации Тр выбирается из следующих соображений:

где — оценка среднеквадратического периода колебаний СП.

где: S0 — число пересечений Тр с на интервале времени

— интервал для оценки среднеквадратического периода.

2.Квантование по времени () определяется следующим образом:

3. Количество точек определяем по соотношению Представим полученную в результате эксперимента реализацию контролируемого координатного возмущения. В данной курсовой работе будут предоставлены графики выходных воздействий, сгенерированных посредством программного обеспечения кафедры АПП по условиям функционирования данного ОУ.

Анализ реализаций, обоснование и конкретизация условий отнесения её отдельных составляющих общей структуры модели координатных возмущений к определённым видам, выбор процедуры преобразования (фильтрации) сигналов для их разделения Начало идентификации связано с тем, чтобы в соответствии с выбранной моделью f (t) принять решение об отнесении составляющих реального сигнала к той или иной составляющей модели. Для того, чтобы сделать это относительно надёжно, необходимо иметь предварительную информацию о свойствах объекта по каналам управления. Если представить их моделью первого порядка с запаздыванием t0, то по соотношению средних периодов Tп этих составляющих и t0, можно провести разделение сигнала:

1. если для составляющей Tп <4* t0, то её целесообразно отнести к шумам;

2. если для составляющей 40*t0> Tп > 4* t0, то её целесообразно отнести к квазидетерминированной и стохастическим составляющим.

3. если для составляющей Tп > 40* t0, то её целесообразно отнести к детерминированной составляющей.

В качестве фильтров можно использовать фильтры низких частот, которые могут реализовать процедуры выделения скользящего среднего с равномерным или экспоненциальным усреднением.

Для равномерного усреднения: Wфр (р)= (1-exp (-Tор*р))/(Tор*р);

Для экспоненциального усреднения: Wфэ (р)=1/(Tо э*р+1);

Значения Tор выбираются 3…5 Тп (Тп — среднеквадратический период колебания той случайной составляющей которую хотят убрать). Тоэ= Ѕ Тор, т. е. при использовании для фильтрации инерционного звена (что наиболее просто на практике), его постоянная времени должна выбираться равной половине необходимого интервала усреднения.

В нашем случае в неконтролируемом координатном возмущении преобладающей, согласно изложенным выше принципам, является случайная составляющая, поэтому остальные составляющие можно не рассматривать.

Предварительная обработка (фильтрация) записанной реализации входного воздействия (если это не проводилось одновременно с записью) и формирование файлов реализаций составляющих сигнала, которые соответствуют выбранной структуре модели координатных возмущений.

Фильтрация была проведена при записи неконтролируемых координатных возмущений, поэтому проводить её сейчас нет необходимости (шумы устранены). Сформируем файл случайной составляющей неконтролируемого координатного возмущения, в котором будет записана информация о значениях переменных на каждом шаге квантования, о количестве точек и шаге квантования.

Оценивание вероятностных характеристик случайной составляющей координатного возмущения, анализ оценки плотности вероятности, корреляционной функции, спектральных плотностей и уточнение структуры модели (структурная идентификация), в частности оценка присутствия существенной скрытой периодической составляющей.

Сформированный файл с случайной составляющей неконтролируемого координатного возмущения считаем и будем обрабатывать в программе IdSoft, которая определит оценки случайной составляющей неконтролируемого координатного возмущения, т. е. получит плотность вероятности, корреляционную функцию и спектральную плотность.

Проведём структурную идентификацию модели, т. е. необходимо провести структурную идентификацию плотности вероятности, корреляционной функции и спектральной плотность.

Структурная идентификация плотности вероятности Р (х) сводится к определению, по виду Р (х) её модели. Модель плотности вероятности может соответствовать модели нормального (гауссовского) случайного процесса, гармонического процесса с случайной начальной фазой или суммы нормального случайного и гармонического с случайной начальной фазой процессов. В нашем случае из рис. № 3.2.4.1. по виду плотности вероятности видно, что наилучшим образом оценку Р (х) опишет модель нормального (гауссовского) случайного процесса:

;

В качестве моделей корреляционной функции обычно используется корреляционные функции, случайные процессы которых могут быть получены прохождением случайного процесса типа, белый шум" через линейные динамические звенья. Структурную идентификацию моделей спектральной плотности и корреляционной функции необходимо проводить одновременно, т.к. эти модели не должны противоречить друг другу. Следует отметить, что при этом определяется наличие колебательной составляющей.

Структурная идентификация моделей спектральной плотности и корреляционной функции проводится с помощью сравнения их вида с видом спектральной плотности и корреляционной функции, предложенной в специальной таблице.

Нам наилучшим образом подходят модели, находящиеся в пункте № 3, следовательно, имеем следующие модели спектральной плотности и корреляционной функции:

Параметрическая идентификация моделей вероятностных свойств случайных составляющих, оценка результатов идентификации, и при необходимости возврат к предыдущему пункту Параметрическая идентификация сводится к определению. Проведём параметрическую идентификацию в программе IdSoft с помощью оптимизационных методов. В предыдущем пункте мы выбрали 3-й вид спектральной плотности и корреляционной функции, но кроме № 3 нам может подойти и № 4. Правильность нашего выбора проверим в ходе параметрической идентификации:

Итоги идентификации моделей случайных процессов По результатам идентификации видно, что структурную идентификацию провели правильно.

Найденные значения =0.5461 подставим в зависимости, найденные при параметрической идентификации и получим следующие модели:

3.3 Выбор моделей и параметрическая идентификация параметрических возмущений.

Описание целесообразной процедуры (экспериментальных, аналитических или эвристических исследований и т. д.) получения информации о параметрических возмущениях.

Практически невозможно собрать сколь-нибудь представительные статистические данные об параметрических возмущениях. Это потребовало бы решить проблему текущей параметрической идентификации моделей и организации весьма длинных наблюдений, так как спектральный состав параметрических возмущений является значительно более низкочастотным в сравнении с спектральным составом координатных возмущений. Из этого ясно, что проводить эксперименты, для получения информации о параметрических возмущениях не имеет смысла. Аналитические исследования требуют больших затрат и не гарантируют сколь-нибуть правильного результата из-за большого количества допущений и предположений. Следовательно, нам остаётся только один путь — эвристических исследований.

Выбор вида (детерминированная или стохастическая) модели и задание её параметров.

Известно, что параметры, характеризующие динамику объекта (, Т, К), изменяются под влиянием внешних воздействий очень незначительно.

Примем вид модели параметрических возмущений изменяющихся по линейному закону. 3 974 400

После технических осмотров и чисток элементов системы, они возращаются к первоначальным значениям.

Из этого следует, что за время протекания нашего переходного процесса, параметрические возмущения очень не значительны, поэтому можно принять гипотезу о квазистационарности.

Раздел 4. Реализация моделей на ЦВМ.

4.1 Реализация на ЦВМ моделей каналов преобразования воздействий Представление моделей динамики в виде соединений типовых звеньев, имеющихся в библиотеке по цифровому моделированию.

Моделирование проводится в среде MatLab5.2, реализовать в ней модели динамики каналов преобразования воздействий можно при помощи следующего соединения типовых звеньев, входящих в состав библиотеки MatLab5.2:

Модель динамики первого порядка каналов управления имеет следующий вид:

к*e-p

Wu-y (p)= ————;

Тp + 1

Теперь в виде соединения типовых звеньев:

Модель динамики второго порядка каналов управления имеет следующий вид:

К*e-p

Wu-y (p)= —————;

(Тp + 1)2

Теперь в виде соединения типовых звеньев:

Представление моделей статики в виде базовых функций языка программирования.

Так как каналы преобразования входных воздействий обладают линейными статическими свойствами, то модель статики канала, как функция языка программирования, не задаётся, статические свойства каналов выражаются через коэффициент передачи модели динамических свойств моделируемого канала.

4.2 Реализация на ЦВМ моделей входных воздействий Представление моделей случайных составляющих воздействий в виде последовательно включённых базового генератора белого шума и формирующего фильтра, выбор шага генерации и расчёт параметров фильтра.

Чтобы смоделировать случайный процесс с характеристиками адекватными реальному случайному процессу, которые были получены при проведении исследования в п. 3.2., необходимо рассчитать параметры формирующего фильтра, сам процесс воспроизведения модели случайного процесса можно представить следующей формализованной схемой:

fБШ — случайный процесс типа «белый шум», вырабатывается генератором базового случайного процесса.

f — моделируемый случайный процесс с заданными свойствами.

Сущность метода формирующего фильтра заключается в преобразовании случайных входных воздействий подаваемых на него, в выходные, являющиеся воспроизводимым случайным процессом с заданными характеристиками. Непосредственной задачей является отыскание передаточной функции формирующего фильтра Wxy (p) с помощью специальных методов.

Известно, что спектральные плотности входного и выходного сигналов взаимосвязаны:, где Sx ()—спектральная плотность выходного сигнала, Sy ()—спектральная плотность входного сигнала, Wxy (j) — передаточная функция формирующего фильтра.

Её можно выразить так:

или иначе: — произведение комплексно-сопряжённых частей.

Видно, что искомой передаточной функции соответствует выражение в правой части.

Имеем:, теперь заменяем j на p, и теперь получаем передаточную функцию формирующего фильтра: Wxy (p)=(p) .

Таким образом:

— спектральная плотность входного сигнала;

— спектральная плотность выходного сигнала;

Dx=1, Sx ()=0.87;

Видно, что

После замены Значит передаточная функция формирующего фильтра имеет следующий вид:

В операторной форме:

Где, ,

Рассчитаем ФФ Следует отметить, что в процессе воспроизведения модели случайного процесса и оценивания характеристик случайного процесса, проводилась коррекция параметров формирующего фильтра.

При идентификации с использованием данного фильтра я получил не корректные результаты, а именно =0.32

Поэтому, что бы получить заданные коэффициенты я применил метод итераций.

В результате подходящий нам фильтр принял вид:

Рис. 7. Результаты статистической обработки смоделированного случайного процесса.

Итоги идентификации моделей случайных процессов

4.3 Реализация на ЦВМ полной модели ОУ Разработка полной структурной схемы моделирования ОУ.

Под полной структурной схемой моделирования ОУ понимают схему с указанием всех необходимых звеньв для реализации регулирования разряжения на ЭВМ.

Проведение с моделью машинных экспериментов Сравним, результаты активного эксперимента, по главным каналам регулирования разряжения u1-Рр.в. в 1 зоне, u2-Рр.в. в 2 зоне, u3-Рр.в. в 3 зоне, с их моделями 1,2-го порядка.

Сравним, результаты активного эксперимента, по перекрестным каналам регулирования разряжения u1-Рр.в. в 2 зоне, u3-Рр.в. в 2 зоне, с их моделями 1,2-го порядка.

Сравним, результаты активного эксперимента, по перекрестным каналам регулирования разряжения u2-Рр.в. в 1 зоне, u2-Рр.в. в 3 зоне, с их моделями 1,2-го порядка.

Переходная характеристика каналов u1-Рр.в. в 1 зоне, u2-Рр.в. в 2 зоне, u3-Рр.в. в 3 зоне, полученные в результате проведения активного эксперимента на модели Переходная характеристика каналов u1-Рр.в. в 2 зоне, u3-Рр.в. в 2 зоне, полученные в результате проведения активного эксперимента на модели Переходная характеристика каналов u2-Рр.в. в 1 зоне, u2-Рр.в. в 3 зоне, полученные в результате проведения активного эксперимента на модели Сравнивая полученные переходные характеристики с экспериментальными можно сказать, что они полностью соответствуют реальному изменению разряжения в птичнике.