Метод контроля микроклимата на основе обработки результатов совокупных измерений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Тырышкин, Сергей Юрьевич

• Тырышкин, Сергей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тырышкин, Сергей Юрьевич

Введение

Глава 1. Анализ методов измерений и способов уменьшения различных погрешностей измерительных систем

1.1. Классификация измерений и погрешностей

1.2. Оценки истинного значения на основании ограниченного ряда наблюдений

1.3. Систематические погрешности измерений и способы их уменьшения

1.4. Погрешность аналоговых измерительных преобразователей при случайных воздействиях

1.5. Выводы

Глава 2. Основные моменты и фундаментальные положения метода обработки совокупных измерений (ОСИ)

2.1. Выбор оптимальных параметров измерительных преобразователей для снижения входной погрешности

2.2. Относительное выравнивание совокупных измерений в САУЗ

2.3. Абсолютное выравнивание измерений по образцовой мере

2.4. Применение функции корреляции разнородных величин для коррекции измерений в САУЗ

2.5. Получение оценок измеряемого сигнала в системах совокупных измерений.

2.6. Выводы

Глава 3. Математическая модель метода ОСИ

3.1. Модель метода ОСИ в сравнении с современными методами обработки измерительной информации в САУЗ.

3.2. Относительное выравнивание измерений введением корректирующей функции вида у=ах+Ь.

3.3. Абсолютное выравнивание по эталонной мере. Вычисление усредненного корректирующего воздействия для математического ожидания совокупных измерений в виде полинома n-го порядка

3.4. Применение коррекции по значениям разнородных величин заведомо более высокой степени точности

3.5. Выводы

Глава 4. Экспериментальная проверка функционирования и численная оценка эффективности метода ОСИ

4.1. Описание технической реализации экспериментальной установки для проверки основных положений метода ОСИ

4.2. Результаты поставленного эксперимента. Апостериорная оценка эффективности метода ОСИ

4.3. Выводы Заключение Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод контроля микроклимата на основе обработки результатов совокупных измерений»

Актуальность исследования. На современном этапе развития средств контроля для систем искусственного климата в значительной мере наметилась тенденция к интеграции всех инженерных систем зданий и сооружений в единую совокупность, которая представляет собой определенного рода измерительную систему, обладающую структурной избыточностью. Наблюдается возросший интерес к передовым технологиям строительства, новым материалам, системам управления инженерной инфраструктурой со стороны всех участников инвестиционно-строительного процесса - государственных организаций, органов управления архитектурно-строительным комплексом, предприятий промышленности, гостиничного бизнеса и индустрии развлечений, застройщиков элитного жилья.

Существующие методы обработки экспериментальных данных не позволяют удовлетворить всем требованиям, которые предъявляются к ним на данном этапе развития средств контроля микроклимата. В частности системы со структурной избыточностью обладают большим, чем необходимо для описания объекта измерения, количеством выходных параметров. Однако, с точки зрения практицизма, эти данные используются менее рационально, чем это возможно. Тогда как существующие методы в большинстве своем направлены на получение только одного выходного сигнала и мало используют преимущества структурной избыточности измерительного комплекса.

Переход на высокотехнологичное и глубоко интегрированное оборудование оказывается несколько болезненным без отработанного теоретического аппарата. Системы, предлагаемые на рынке, не имеют или имеют недостаточно развитый механизм коррекции измерений.

Перспективным следует считать разработку и внедрение новых методов обработки измерительной информации для систем контроля микроклимата, обладающих структурной избыточностью. Учитывая существенные вычислительные мощности систем контроля микроклимата и применение в них первичных измерительных преобразователей достаточной степени точности, необходимо создать механизм, позволяющий простым способом увеличить точность системы контроля в целом, не приводя при этом к потере информативности и снижению количества выходных сигналов.

В настоящее время существует большое количество методов обработки различных измерений, однако они в большинстве своем не являются универсальными и не способны корректировать однотипным вычислительным процессом значения разнородных измерительных сигналов. Все это делает актуальным решение вопросов, направленных на экономию, сбережение и более рациональное использование энергоресурсов на подконтрольном объекте.

Целью настоящей работы является разработка метода, реализуемого средствами микропроцессорной техники, позволяющего обрабатывать результаты совокупных и смешанных измерительных сигналов, получаемых от первичных измерительных преобразователей, предназначенного для систем контроля микроклимата.

Для достижения поставленной цели, в настоящей работе можно сформулировать следующие задачи:

1. Разработка метода обработки измерительных сигналов, направленного на повышение надежности показаний измерительной системы в целом.

2. Анализ различных кривых коррекции измерительного сигнала для отдельного канала измерения и подбор оптимального варианта аппроксимации корректирующей функции.

3. Исследование зависимости снижения результирующей погрешности, полученной после обработки, от количества первичных измерительных преобразователей.

4. Вывод выражений для расчета коэффициентов корректирующей функции.

5. Экспериментальная проверка метода обработки совокупных измерений и его расчетных соотношений.

Для решения поставленных задач применялись методы математического анализа и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись на приборах ООО "Техкомавто-матика" и ОАО "Овен", также было использовано оборудование компании CLIPSAL Integrated system и программное обеспечение ООО "СРС". В работе использовалась информационная база научно-технического предприятия "Специальная Электроника".

Научная новизна выполненных исследований и разработок заключается в следующем:

1. Разработана модель, которая описывает процесс измерения и контроля параметров климатической среды. Основная особенность разработанной модели определяется функциональной взаимосвязью контролируемых параметров и динамикой их измерения во времени.

2. На основе анализа разработанной модели предложен метод контроля параметров климатической среды, основанный на использовании функциональной связи контролируемых данных, и особенностей действующих в системе контроля шумов и помех, и обеспечивающий повышение точности и надежности работы системы контроля.

3. Для предложенного метода получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитывать результирующие погрешности совокупных измерений по известным метрологическим характеристикам использованных в системе контроля первичных измерительных преобразователей.

Автор защищает:

1. Усовершенствованный метод обработки совокупных измерений в системах контроля микроклимата.

2. Методику расчета весовых коэффициентов, метрологических и статистических характеристик предложенного метода обработки совокупных измерений.

3. Использование весовых коэффициентов в методике расчета членов корректирующей функции, при вычислении значений результирующего сигнала, для уменьшения результирующей погрешности измерительной системы в целом.

Практическая ценность приведенной научно - исследовательской работы:

1. Разработанный метод обработки совокупных измерений позволяет существенно увеличить точность получаемых данных.

2. Результаты проведенных теоретических и аналитических исследований могут быть использованы для ведения работ в других областях обработки измерений.

3. Предложенные механизмы расчетов могут быть использованы в математических моделях при разработке комплексных измерительных систем различного назначения.

4. Разработанный метод способствует увеличению эффективности работы систем контроля микроклимата, за счет энергосбережения, повышения эффективности и отказоустойчивости систем.

Реализация результатов работы. На основе разработанного метода построена система контроля микроклимата и управления комплексом воздушных приточных установок в ТЦ "Космос" (г. Барнаул). С применением результатов защищаемой диссертационной работы произведена наладка и запуск систем противопожарной автоматики в двухуровневой подземной автостоянке по адресу: г. Барнаул, ул. Папанинцев,97; спроектирована демонстрационная система для ООО НТП "Специальная Электроника" на оборудова6 нии компании Clipsal integrated system, а также выполнены работы по другим проектам комплексной автоматизации, выполненным в компании "Специальная Электроника".

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация - 2005", на научно-технической конференции "Наука и молодежь - 2005", на экспертном семинаре диссертационного совета Д212.004.06. совмещенном с Южно-сибирским физическим семинаром АлтГТУ им. И.И. Ползу-нова, а также на семинарах НТП «Специальная Электроника» (г. Барнаул).

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Тырышкин, Сергей Юрьевич

4.3. Выводы

На основании экспериментальных данных и результатов проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. Метод обработки совокупных измерений позволяет снизить погрешность системы путем введения обратной связи, корректирующей выходной сигнал каждого измерительного преобразователя по результирующему значению параметра, полученному системой в целом. Данный метод применим для систем совокупных измерений с известной функциональной или сильной

91 корреляционной связью между измеряемыми параметрами, получаемыми от различных измерительных преобразователей. Все измеряемые величины объекта измерения медленноменяющие-ся.

Для повышения точности системы в межповерочный интервал (если поверка системы предусмотрена) возможно введение в сложную измерительную систему процедуры автокалибровки. Для противодействия возмущению, которое вносится вектором помехи, целесообразно введение линейной функции коррекции с коэффициентами aq, bq, которые вычисляются микроконтроллерами малой и средней мощности по результатам двух соседних измерений и представляют собой мультипликативный и аддитивны коэффициент линейной функции коррекции отдельного измерительного канала q.

Так как измеряемые величины медленно изменяются, вычисление коэффициентов корректирующей функции необходимо проводить по рекурсивной формуле для ш»2 соседних измерений, вычисляя их отклонения от усредненного значения, полученного всей системой.

Экспериментально доказано, что интервал разброса данных, обработанных по методу ОСИ, снижается в 2 раза по отношению к исходному. Данные, обработанные по методу ОСИ, имеют дисперсию как минимум в 14 раз меньшую, чем исходные, не подвергнутые обработке (при количестве измерений более 3). Метод ОСИ успешно внедрен в аппаратные комплексы систем климатического контроля и положительно показал себя на практике, улучшив технико-экономические показатели системы автоматического управления микроклиматом здания. На основании разработанного метода функционируют системы контроля климата 32 объектов в городах России, в числе которых такие крупные здания г. Барнаула как ТЦ Космос и жилой дом по адресу: ул. Папанинцев, 97, ТЦ ULTRA и др. Одним из наиболее перспективных направлений развития данного метода является разработка механизма автоматического построения и вычисления уравнений связи измеряемых параметров.

Заключение

В результате проделанной автором диссертационной работы складывается следующая позиция по изучаемой проблеме, а конкретно по методике коррекции совокупных измерений в системах контроля микроклимата в зданиях и сооружениях:

1. Разработанная методика позволяет существенно повысить отказоустойчивость систем контроля микроклимата, в том числе и систем жизнеобеспечения.

2. Получены положительные результаты, указывающие на экономическую целесообразность использования разработанного метода в системах контроля инженерных подсистем зданий.

3. В данной диссертационной работе достигнуты поставленные цели и задачи по разработке алгоритмов и механизма коррекции совокупных измерений, а также по совершенствованию метода обработки измерений и его адаптации к микроконтроллерам малой мощности.

4. Получены расчетные соотношения для осуществления механизма введения динамических весовых коэффициентов (3.3), необходимых для расчета параметров корректирующей функции. Получены выражения численной оценки погрешностей (3.4) после введения весовых коэффициентов в систему совокупных измерений.

5. Метод ОСИ был успешно внедрен в аппаратные комплексы систем климатического контроля и положительно показал себя на практике, улучшив технико-экономические показатели систем автоматического контроля микроклимата здания.

6. Одним из наиболее перспективных направлений развития данного метода является разработка механизма автоматического построения и вычисления уравнений связи измерительных параметров.

7. Данный метод применим в области технического обеспечения климатических систем здания и в системах с высокой степенью интеграции измерительного оборудования, в частности измерительных преобразователей, в комплексы контроля различных объектов.

8. Метод позволяет повысить отказоустойчивость систем и их экономическую рентабельность, применительно к системам совокупных измерений или измерений с известной функциональной зависимостью.

9. Для противодействия возмущению, которое вносится вектором помехи, целесообразно введение линейной функции коррекции с коэффициентами aq, b*, которые вычисляются микроконтроллерами малой и средней мощности по результатам двух соседних измерений и представляют собой мультипликативный и аддитивный коэффициент линейной функции коррекции отдельного измерительного канала q.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тырышкин, Сергей Юрьевич, 2006 год

1. Замятин В.И., Тырышкин С.Ю. Проектирование систем кондиционирования и вентиляции: Монография. / Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004.- 98с. ISBN 57568-0549-4.

2. Тырышкин С.Ю. Построение систем климат мониторинга и контроля на основе технологии MicroLAN // Измерение, контроль, информатизация: Материалы VI междун. конф. Барнаул, 2005. - С. 115-119.

3. Тырышкин С.Ю. Алгоритмы автоматического регулирования интегральных систем // Измерение, контроль, информатизация: Материалы VI междун. конф. Барнаул, 2005. - С. 119-121.

4. Тырышкин С.Ю. Интегрирование видеокомплекса Vide-oNET АРМ ОРИОН // Измерение, контроль, информатизация: Материалы VI междун. конф. Барнаул, 2005. - С. 126-127.

5. Тырышкин С.Ю. Автоматическое регулирование климатических условий на примере приточной установки // 2 Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Наука и молодежь" http://edu.secna.ru/main/review.

6. Замятин В.И., Тырышкин С.Ю. Выравнивание совокупных измерений по относительной мере // 2 Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Наука и молодежь" http://edu.secna.ru/main/review.

7. Замятин В.И., Тырышкин С.Ю. Коррекция относительной меры с применением функциональной зависимости величин заведомо более высокой степени точности // НТП «Специальная Электроника» http://www.specelectronica.ru.

8. Погрешности контрольно-измерительных устройств под ред. Л.Г. Яковлева / Киев: Изд-во Техника, 1975. 232с.

9. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. М.: Постмаркет, 2000. - 352с. ISBN 5-901095-02-2.

10. Гальперин М.В. Автоматическое управление: Учебник. -М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004. 224с. ISBN 5-8199-0020-0 (ФОРУМ), ISBN 5-16-000543-9 (ИНФРА-М).

11. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб. пособие для студ. втузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1989. - 384с. ISBN 5-06-000106-7.

12. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Том 2. М.: Наука, 1978. - 576с.

13. Гримитлин М.И., Павлухин JI.B. Системы вентиляции и кондиционирования воздуха производственных объектов.- М.: ВЦНИИОТ, 1987.- 59с.

14. Интеллектуальные здания. Проектирование и эксплуатация информационной инфраструктуры / Джонатан Харкер, Питер Бекон, Дж. Снайдер и др. 1996. 155с. ISBN 0-947877-74-6.

15. Измерения в электронике: Справочник/В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др.; Под ред. В.А. Кузнецова. М.: Энер-гоатомиздат, 1987.-512с.

16. Ланге Ф. Корреляционная электроника. JL, «Судостроение», 1963.

17. Левин Б. Р. Теория случайных процессов и её применение в радиотехнике. М., «Советское радио», 1967.

18. Пугачёв В. С. Теория случайных процессов и её применение к задачам автоматического управления. М., Физматгиз, 1962.

19. Свешников А. А. Прикладные методы теории случайных функций. Л., Судпромгиз, 1971.

20. Вашны Е. Динамика измерительных цепей. М., «Энергия»,1969.

21. Санковский Е. А. Вопросы теории автоматического управления. М., «Высшая школа», 1971.

22. Боде Г., Шеннон к, Упрощенное изложение линейной минимально-квадратичной теории сглаживания и предсказания. — В сб.: «Теория информации и её приложения». Под ред. А. А.Харкевича. М., Физматгиз, 1958.

23. Тырышкин С.Ю., Гулидов Е.В. О фильтрации измерительной информации в системах автоматического управления и контроля // Международная научная конференция "Цифровые методы и технологии 2005" http://fre.tsure.ru/conf.php.

24. Кремлевский П. П. Расходомеры. М., Машгиз, 1963.

25. ГОСТ 12.1.005 88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. - М.:, 1988. - 72с.

26. Строительные нормы и правила. СНиП 2.04-05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование. М.: Госстрой России, 2000.-64 с.

27. Д.А.Иванников, Е.Н.Фомичев Основы метрологии и организации метрологического контроля Уч. пособ. Н-Новгород, 2001.

28. Худсон Д. Статистика для физиков. Лекции по теории вероятностей и элементарной статистике. М.: Мир, 1967. 242 е., ил.

29. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. JL: Энергия. 1978,-262 е., ил.

30. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов, под ред. Е.М. Душина. 6-е изд., перераб. и доп. - JL: Энергоатомиздат, 1987. - 480 е.: ил.

31. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. 2-е изд. М.: Изд-во стандартов, 1973. 191 е., ил.

32. Маликов М.Ф. Основы метрологии. М.: изд. Комитета по делам мер и измерительных приборов при СМ СССР, 1949. 480 е., ил.

33. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский Н.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. 2-е изд. М.: Наука, 1965. 512 е., ил.

34. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. М.: Радио и связь, 1984.

35. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. -JI.: Энергоатомиздат, 1985.

36. Чернявский Е.А., Недосекин Д.Д. Алексеев В.В. Измерительно-вычислительные устройства и комплексы. Л.: Изд-во ЛЭТИ, 1984.

37. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. -Л.: Энергоатомиздат, 1986.

38. Электрические измерения / В.Н. Малиновский, P.M. Демидова-Панферова, Ю.Н. Евланов и др.; Под ред. В.Н. Малиновского. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

39. Электрические измерения / К.П. Дьяченко, Д.И. Зорин, П.В. Новицкий и др.; Под ред. Е.Г. Шрамкова. М.: Высшая школа, 1972.

40. Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. 2-е изд. — М.: Стройиздат, 1982. - 312 с.

41. Рекомендации по выбору и расчету систем воздухорас-пределения: АЗ-669/ГПИ Сантехпроект. М.:, 1979. - 68 с.

42. Табунщиков Ю.А. Расчеты температурного режима помещения требуемой мощности для его отопления и охлаждения. -М.: Стройиздат, 1981. 83 с.

43. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа. 1982. 416 с.

44. Успенская Л.Б. Математическая статистика в вентиляционной технике. М.: Стройиздат, 1980. 108 с.

45. Строительные нормы и правила. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование/ Госстрой России. -М.: ГУПЦПП, 2000.

46. X. Скистад и др. Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях/ Пер. с англ. М.: АВОК - пресс, 2003 - 100 с.

47. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987.- 840 с.

48. Рымкевич А.А Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. Из-во «Авок-Северо-Запад». С.Петербург, 2003. - 272 с.

49. Позин Г.М., Буянов В.И. Соотношение энергий взаимодействующих приточных и конвективных струй как характеристика схем циркуляции воздуха в помещении. Научно-технический прогресс и охрана труда. М.: Профиздат, 1989. с.36-39.

50. Pozin G.M., Tvaradze S.V. Simultaneous Computer Designing of Air Exchange and Air Distribution // Cold Climat HVAC'94. -Rovaniemi, Finland, 1994.- P.249-50

51. Гримитлин М.И. Распределение воздуха в помещениях Из-во «Авок-Северо-Запад». С.Петербург, 2004. - 320 с.