автоматизация теплицы с 4 зонами управления: влажность воздуха, влажность почвы, температура воздуха, освещенность

Выходной сигнал с датчика – Y(t), поступает в сумматор, где сравнивается с вычисленным задающим воздействием Yзад(kT(t)).После соответствующих структурных преобразований схема примет следующий вид (Рисунок 4.21)Рисунок 4.21 - Структурная схема после преобразованияПредставим исследуемую САР в виде совокупности типовых звеньев:Рисунок 4.22 – Модель исследуемой системы в MathLABПринимаем коэффициент усиления интегрального канала регулятора равным Kи =1 , и соответственно остальные коэффициенты: Kп = 0,45; Kд = 0,0784.График переходного процесса с данными параметрами представлен на рисунке 4.24.Рисунок 4.23 – График переходного процесса исследуемой САРИз представленного на рисунке 4.23 графика можно сделать следующие выводы:Анализ результатов позволил установить, что характер переходного процесса колебательный сходящийся. Таким образом, хотя полученная система и является устойчивой, но качество процесса – неудовлетворительное, поэтому требуется либо обеспечить апериодический переходный процесс, либо уменьшить перерегулирование до рекомендуемых значений (σ<15%), за счет соответствующих настроек регулятора.Логарифмические частотные характеристики L1() и 1() исследуемой модели при исходных настройках регулятора показаны на рисунке 4.24.Рисунок 4.24 – Логарифмические частотные исследуемой модели при исходных настройках регулятораВ пределах ωс (не менее 0,6 дек в обе стороны) наклон ЛАХ должен составлять -20 дБ/дек. Уменьшив значение Kи = 0,5, вычислим новые значения пропорциональной и дифференциальной составляющей из уравнений:Kп = 0,225; Kд = 0,0394.Логарифмические характеристики соответствующие данным значениям параметров ПИД-регулятора показаны на рисунке 4.24 – кривые L2() и φ2() (PressureNew_2 на графиках Magnitude и Phase). Графики переходных процессов для рассмотренных сочетаний значений параметров ПИД-регулятора показаны на рисунке 4.25.Рисунок 4.25 – Переходные процессы для всех принятых настроек регулятораИтоговую оценку качества настроенной системы производим по графику переходного процесса и по логарифмическим характеристикам (кривые L3(ω) и φ3(ω) на рисунке 4.24):Время регулирования tпп находим по графику переходного процесса (рисунке 4.10 кривая PressureNew_3): tпп = 7,39 с.Запас устойчивости системы по фазе: .Запас устойчивости по амплитуде: дБ.Для переходных процессов САР параметр перерегулирования равен нулю. Система имеет избыточную устойчивость по амплитуде и фазе. Это означает полное использование возможностей системы. Поэтому мы считаем, что система отвечает всем требованиям стабильности и скорости.При моделировании учитывался влажностный режим. Моделирование начинается с влажности в пределах 0 %, затем заданная и фактическая влажность увеличивается до 40 %, затем совокупная и фактическая влажность увеличивается до 60 %.В данном разделе изучается система микроклимата в теплице, а именно система регулирования температуры. Система контроля влажности воздуха в помещении Система контроля влажности почвы и система контроля концентрации углекислого газаПолученные результаты и методы могут быть использованы для работы устройств управления в реальном времени или для анализа процессов в реальном времени.Результаты разделаВ этом разделе была разработана математическая модель микроклимата в теплице.Предложенная модель дает возможность дальнейшего развития и исследования систем управления микроклиматом в теплицах. Также были рассмотрены параметрические методы синтеза ПИД-регуляторов.4.5 Разработка алгоритма работыНа рисунке 4.26 представлена блок схема алгоритма работы микроконтроллера модуля измерения температуры и влагосодержания.В блок-схеме применены условные обозначения:N – счетчик выборок, переменная в которой хранится текущее количество сделанных выборок;K – счетчик времени.При подаче питания микроконтроллер инициализирует порты ввода-вывода, переводя их в высокоимпедансное состояние, производит настройку и запуск таймера.. Блок-схема подпрограммы таймера представлена на рисунке 4.27.После измерения временных интервалов происходит обработка результатов – вычисление температуры и влагосодержания жидкости вывод результата измерения на экран. Функция обработки запросов по интерфейсу UART-USB реализована в виде подпрограммы обработки прерываний (рисунок 4.28) После сохранения измеренных значений происходит возврат в основную программу [31].Рисунок 4.26 – Блок схема работы системыРисунок 4.27 – Блок-схема подпрограммы таймера4.6 Интегрированная система разработки AVRStudioAVRStudio – представляет собой программную среду отладки для разработки приложений для 8-битных RISC - микроконтроллеров семейства AVR (Tiny, Classic, Mega) (рис. 4.29). Рисунок 4.29 – Внешний вид программы AVRStudioПрограмма работы микроконтроллера написана на языке С++ восьмиразрядных RISC микроконтроллеров семейства AVR фирмы ATMEL и представлена в приложении 1.. ЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной курсовой работе была спроектирована система на основе работы микроконтроллера, которая осуществляет регулирование влажности и контроль температуры в теплице. В ходе выполнения данной работы был произведен анализ принципов работы систем управления поддержанием технологических параметров теплиц, измерения параметров, полное управления каждой отдельной подсистемой.В работе выполнены следующие задачи:выполнен анализ факторов, оказывающих влияние на параметры освещенности и управления данным процессом различных типов, а также рассмотреть методы и средств их для организации их мониторинга;разработаны алгоритмы работы системы управления;выполнено проектирование технической системы контроля освещения.АСУ тепличного комбината позволяет в автоматическом режиме поддерживать заданные параметры микроклимата и в теплице. Повышение гибкости системы возможно с помощью применения в качестве задающего и контролирующего устройства центральной ЭВМ тепличного комплекса. Разработанная система позволяет:повысить урожайность и улучшить качества продукции по сравнению с традиционными методами;эффективно использовать энергоресурсы, существенно уменьшая себестоимость производимой продукции;максимально эффективно использовать возможности исполнительных систем, возможности культивирование различных видов культур растений;поддерживать заданные параметры микроклимата в течение всего года.Основной причиной создания АСУ теплицы является высокая экономическая эффективность, получаемая как за счет повышения урожайности, так и вследствие значительной экономии ресурсов.Методологическую и теоретическую основу исследования составляют практические разработки и концепции авторов по измерению параметров с использованием телекоммуникационных технологий. Разработанное устройство полностью удовлетворяет всем требованиям технического задания. Разработана математическая модель устройства и произведена разработка программного обеспечения. Также было осуществлено моделирования работы спроектированной системы.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВATMEL 164 – разрядный AVR – микроконтроллер ATmega 164[Электронный ресурс]. – datasheet.–atmel, june 2005. – Режим доступа: http://atmel.ru. (дата обращения 4.08.2020).Datasheet BDP949. https://www.farnell.com/datasheets/45938.pdf. Электронный ресурс. Дата обращения 12.04.2020 г.DatasheetMAX1645. https://datasheets.maximintegrated. com/en/ds/1111.pdf. Электронный ресурс. Дата обращения 5.03.2020 г.DatasheetMT–16S2H. [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://files.amperka.ru/datasheets/MT – 16S2H.pdf. (дата обращения 7.06.2020).Datasheet MT–16S2H. http://files.amperka.ru/datasheets/MT-16S2H.pdf. Электронный ресурс. Дата обращения 5.08.2020 г.MAX 13410E. RS – 1645 Transceiver. datasheet.– maxim, october 2007[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://atmel.ru. (дата обращения 4.06.2020).Беккер А. Системы вентиляции– М.: Техносфера Евроклимат. 2015. - Сс. 18-21.Белов А.В. Микроконтроллеры AVR: от азов программирования до создания практических устройств., 2-е изд., перераб. и доп. . — М.: Наука и техника, 2020. – 544 с.Белов А.В. Разработка устройств на микроконтроллерах AVR: шагаем от чайника до профи. СПб.: Наука и техника, 2016. – 528 с. Бершадский И. А. Микроконтроллеры и микропроцессорные устройства в электроэнергетике. Учебное пособие. — М.: Инфра-Инженерия, 2021. – 216 с.Бондарева О.Б. Устройство теплиц и парников. М.: АСТ; Донецк: Сталкер, 2017. — 92 с.: ил. Бондарь Е.С., Гордиенко А.С., Михайлов В .А.. Нимич Г.В. // Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха. ISBN 966-8571-15-0. - К.: ТОВ Видавничий будинок «Аванпост-Прим», 2005. - Сс. 521-527.Борисов А.М., Нестеров А.С., Логинова Н.А. Программируемые устройства автоматизации. Учебное пособие. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. — 186 с.Бохан С.Г., Каштальян И.А. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов Минск : БНТУ, 2013. - 23 с. В.А. Лашин конспект лекций по дисциплине «МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ». РГРТУ. Рязань 2018Васьковский, А.М. Программирование микроконтроллеров AVR (Atmel) [Текст]: учебное пособие/ А.М. Васьковский, О.И. Максимычев, А.Б. Маврин, Л.А. Литвинов. – М.: Московский автомобильно – дорожный институт, 2016. – 96 с.Гапеев В.В., Бекбай А.Т., Мусиралиев Т.К., Николаев В.Е. Техническое решение по автоматизации производства. Учебное пособие. — Нур-Султан: НАО «Холдинг «Кəсіпқор», 2019. — 167 с. — ISBN 978–601-333–703–6.Голубцов М.С., Кириченкова А.В. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному Изд. 4-е, испр. и доп. — М.: Солон-Пресс, 2014. — 314с. — (Библиотека инженера). — ISBN 5-98003-141-3.ГОСТ 32144 – 2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения[Текст]. Введ. 2014 – 07 – 01. – Москва: Изд-во стандартов, 2014. – 16 с. ГОСТ Р 8.673 – 2009 Государственная система обеспечения измерительные единства измерений. Извещатели интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 2010. – 9 с.Грановский, В.А., Сирая, Т.Н. Проблема адекватности моделей в измерениях [Текст]// Sensors & Systems №10. 2013. С. 52 – 61. Гудко, Н.И. Синтез цифровых устройств циклического действия [Текст]. – М.: Горячая линия – Телеком, 2014. – 96 с.: ил. – ISBN 978 – 5 – 9912 – 0427 – 9.Джексон, Р.Г. Новейшие извещатели. Справочник пер. с англ. / М.: Техно – сфера, 2015. – 380 с.Дятлова, Е.П. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами [Текст].: учебно – методическое пособие/ Е.П. Дятлова. – Санкт – Петербург: ВШТЭ СПбГУПТД, 2019. – 68 с.Ёлшин Ю.М. Инновационные методы проектирования печатных плат на базе САПР Р-CAD 200х М.: Солон-Пресс, 2016. — 464 с. — ISBN 978-5-91359-196-8.Жерлыкина М. Н., Яременко С. А.Системы обеспечения микроклимата зданий и сооружений. Учебное пособие. — М.:Инфра-Инженерия, 2019. — 164 с.Защитное заземление электроустановок: метод. указания к курсовому и дипломному проектированию [Текст] / НГТУ ; cост.: Т.М. Щеголькова, Е.И. Татаров [и др.] – Н. Новгород, 2011. – 19с. Карлащук, В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на базе Elektronics Workench и MATLAB. Издание 8 – е. – М.: САЛОН – Пресс, 2014. –800 с. Кокорин О.Я. Системы и оборудование для создания микроклимата помещений.Учебное пособие. — М.:Инфра-М, 2022. — 219 с.Сервантес Х. Учебник начинающего агронома. Джордж Ван Патенн – БХВ-Петербург, 2017. – 231 с.Приложение 1. Текст программыПодключение внешних файлов#include #include #include Аналогично выполнены и другие части программы.Программ не имеет конца и после входа в основной циклfor (;;){ – выполняется циклически. Реакция на внешние сигналы выполнена в виде прерываний и используемых в них функций. #include //-----------------------------------------------------------------/* ПРИОСТАНОВКА (stop_interrupt()) ИПРОДОЛЖЕНИЕ (continue_interrupt()) ПРЕРЫВАНИЙ *///-----------------------------------------------------------------// восновележатготовыепарыфункций: __enable_interrupt(), __disable_interrupt() и// __old_interrupt=__save_interrupt(), __restore_interrupt(__old_interrupt)#define stop_interrupt(old_i) old_i=__save_interrupt();__disable_interrupt()#define continue_interrupt(old_i) __restore_interrupt(old_i)//----------------------------------------------------------------------------------------------------------/* ОПЕРАЦИИСБИТАМИ *///----------------------------------------------------------------/* преобр. номерабитавпозициювбайте */#define BIT(B) (1<9) m[0]=Temp+'A'-10; else m[0]=Temp+'0'; Temp=c&0x0F; if(Temp>9) m[1]=Temp+'A'-10; else m[1]=Temp+'0'; return(m); }*///=====================прерываниедляТаймера0===============#pragma vector=TIMER1_COMPA_vect__interrupt void sempl2(void);#pragma type_attribute=__interruptvoid sempl2(void) // РАЗ МЫ СЮДА ПОПАЛИ ТО ЗНАЧИТ ПРИШЛО ВРЕМЯ ;)#definea 6 //2^6=64//определение постоянной фильтра//===================определение глобальных переменныхchar ser_num;long Sum_U,Sum_I,Sum_P;int n;__eeprom int Pe;__eeprom char cos_fe;uint32_t key[8] = {0x11111111, 0x22222222, 0x33333333, 0x44444444, 0x55555555, 0x66666666, 0x77777777, 0x88888888};uint32_t plain[2] = {0xAAAAAAAA, 0xBBBBBBBB};uint32_t cipher[2];uint32_t result[2];//Инициализация "крипторядра"kboxinit();//---------------- управление светодиодами --------------------#define on_led_line1() (SETBIT(PORTC,PC4))#define off_led_line1() (CLRBIT(PORTC,PC4))#define on_led_line2() (SETBIT(PORTC,PC3))#define off_led_line2() (CLRBIT(PORTC,PC3))#define on_led_alrm() (SETBIT(PORTC,PC2))#define off_led_alrm() (CLRBIT(PORTC,PC2))#define on_sound_alrm() (SETBIT(PORTC,PC1))#define off_sound_alrm() (CLRBIT(PORTC,PC1))#define on_led_ctrl() (SETBIT(PORTC,PC5))#define off_led_ctrl() (CLRBIT(PORTC,PC5))#define off_all_led() (PORTC=0) //------------------- работаскнопками ------------------------#define tst_key_line1() (TSTBIT0(PIND,PD1))#define tst_key_line2() (TSTBIT0(PIND,PD2))#define tst_key_ctrl() (TSTBIT0(PIND,PD3))//=====================прерываниедляТаймера0===============#pragma vector=TIMER1_COMPA_vect__interrupt void sempl2(void);#pragma type_attribute=__interruptvoid sempl2(void) // РАЗ МЫ СЮДА ПОПАЛИ ТО ЗНАЧИТ ПРИШЛО ВРЕМЯ ;){//------------Обработчик прерывания от Таймера 0------------//===================Определение локальных переменных======int Iv,Uv,i,u;static int Su,Si;//====================измерение тока========================SETBIT(ADMUX,MUX0); // выбор источника ADC1(PC1)SETBIT(ADCSRA,ADSC); //начало преобразованияwhile (TSTBIT0(ADCSRA,ADIF));Iv=ADC; //созранение результата преобразованияSETBIT(ADCSRA,ADIF);//==================измерение напряжения================CLRBIT(ADMUX,MUX0); // выбор источника ADC0(PC0)SETBIT(ADCSRA,ADSC); //начало преобразованияwhile (TSTBIT0(ADCSRA,ADIF));Uv=ADC; //созранение результата преобразованияSETBIT(ADCSRA,ADIF);//================Обработка результатов===============Si=Si+(Iv-(Si>>a)); //Вычисление среднего значения // тока и напряженияSu=Su+(Uv-(Su>>a));i=Iv-(Si>>a);u=Uv-(Su>>a);Sum_I=Sum_I+i*i; //Суммирование отсчетов мгновенных //значений тока напряжения и мощностиSum_U=Sum_U+u*u;Sum_P=Sum_P+(i*u);n++; //Счетчик отсчетов}//=====================прерывание для UART ===============#pragma vector=USART_RX_vect__interrupt void sempl0(void);#pragma type_attribute=__interruptvoid sempl0(void){char data;data=UDR0;if (data=ser_num){//Шифруем plain ключом key, результат шифрования помешаем в ciphergostcrypt(plain, cipher, key);//Дешифруем cipher ключом key, результат шифрования помешаем в resultgostdecrypt(cipher, result, key);//Проверяем результат работы алгоритма, сравниваем исходный текст с расшифрованнымif(memcmp(plain, result, sizeof(plain)) != 0) {printf("encrypt/decrypt error\n");} else {printf("encrypt/decrypt success\n");} }}//макросы вычисления скорости#define BAUD    2400#define UBRR_VAL    F_CPU/16/BAUD-1 void   usart_init (unsigned int speed){// устанавливаемскорость Baud Rate: 4800UBRRH = (unsigned char)(speed>>8);UBRRL = (unsigned char) speed;UCSRA = 0X00;UCSRB|=(1<=75){ // Если прошло время включения охраны cou_time=75; // Счетчик настроен на 60 сек(15000) on_led_ctrl(); // Светодиод состояния включен постоянно if (tst_key_line1()||tst_key_line2()) {on_led_alrm(); //При превышении порогового значения параетра включается световая on_sound_alrm();} // и звуковая сигнализации } else { // если время включания не пришлоif ((TSTBIT1(PIND,PD1))&&(TSTBIT1(PIND,PD2))) { // датчикивыключеныcou_time++; // то инкрементируем счетчик времени(датчики выключены) if (cou_time%10==0) on_led_ctrl(); // мигание светодиода контроля при ожидании постановки на охрану else off_led_ctrl();} else {cou_time=0; // если датчики вклчены, то счетчик времени обнуляется off_led_ctrl();} } } else { // если кнопка управления не нажата, то режим ожидания off_all_led(); //выключаем светодиоды cou_time=0; // обнуляем счетчик времени }} }if (n>=4096){// Определение уровня освещенности и вычисление температуры n=0;k++;Sum_I=Sum_I>>12;Sum_U=Sum_U>>12;P=Sum_P>>12; Svet:=semplSvt;Id=(long)sqrt((double)Sum_I);Ud=(long)sqrt((double)Sum_U);S=Id*Ud;if (S!==0)cosf=(float)P/(float)S;(char)cos_f=cos_f<<8;Sr_P=Sr_P+P;Sr_cosf=Sr_cosf+cos_f}; if (k==176){k=0;// пересылкав EEPROM };};