Методика проведения экспериментальны исследований
Методика проведения экспериментальных исследований предполагала проверку правильности работы разработанной программы и получение экспериментальных данных, связанных с работой программы в разных режимах эксплуатации на стенде.
Нам следовало убедиться в правильной работе программы на стенде в таких режимах:
1. Нагрев воздуха до нижней уставки.
2. Охлаждение воздуха до верхней уставки.
3. Перевод системы в средний рабочий диапазон температур.
4. Имитация нагревающей и охлаждающей помехи.
5. Имитация выхода из строя систем подогрева или охлаждения кондиционера.
6. Изменение верхней и нижней температурных уставок рабочих температур помещения. Задание разной ширины температурной рабочей зоны.
7. Длительная работа системы в непрерывном режиме.
8. Способность к восстановлению и продолжению работы при временном выключении.
При отладке программы многократно проводилось ее тестирование с тем, чтобы убедиться в правильности ее функционирования.
Экспериментальные исследования проводились с целью получения сведений об особенностях работы программы в разных условиях. Для этого был разработан план проведения экспериментов с полученной программой поддержки температурных условий в помещении в 8 разных режимах.
Экспериментальные исследования на стенде
Для проведения экспериментальных исследований алгоритма программы, написанной в среде КОНГРАФ, мы используем учебный стенд, а так же системное программное обеспечение КОНТАР-Консоль.
Системная программа КОНТАР-Консоль позволяет проверить качество связи между контроллерами, загрузить в контроллеры разработанные программы, запустить программу на выполнение, отображать изменяемые пользователем переменные, отображать измеряемые датчиками переменные, задавать временной интервал, определяющий частоту съема данных с датчиков. В программу КОНТАР-Консоль автоматически при изменениях программе пользователя добавляются новые отображаемые переменные.
Кроме отображения числовых данных программа КОНТАР-Консоль позволяет в удобном виде выводить графики. В ней имеется возможность задания нескольких рабочих окон, в которые можно выводить от одного до нескольких параметров.
Далее приводятся результаты экспериментов с программой, в которых изменяются верхняя и нижняя температурные уставки для помещения и имитируется нагрев воздуха в комнате (поверхность лампочки нагревается) и охлаждение воздуха в комнате (поверхность лампочки остывает). Одновременно имитируются возмущения температурного режима в помещении в виде помех, и проверяется способность разработанной программы к адекватной компенсации температуры в помещении.
На рис. 35 в КОНТАР-Консоль отображены данные эксперимента.
Рис. 35. КОНТАР-Консоль
На рис. 36 в КОНТАР-Консоль показан график изменения температуры в помещении, когда в результате прогрева помещения произошло превышение нижней границы рабочих температур помещения.
Рис. 36. График изменения температуры в помещении в КОНТАР-Консоль
Система нагревает воздух в комнате (поверхность лампочки) до нижней уставки (34°С), далее на графике видно как температура продолжает повышаться по инерции. Затем мы наблюдаем два скачка в сторону повышения температуры и один в сторону понижения на один градус. Скачки - это помехи (две нагревающие и одна охлаждающая). Далее температура колеблется у нижней уставки.
В процессе продолжения эксперимента были изменены верхняя и нижняя температурные уставки и ширина рабочего температурного интервала в помещении (37 - 38 градусов). Система была принудительно переведена в режим охлаждения воздуха в помещении. Температурные нагревающие и охлаждающие возмущения во время проведения этой части эксперимента уже отсутствовали, поэтому на рис. 38. на графике в КОНТАР-Консоль они отсутствуют.
Рис. 37. КОНТАР-Консоль
На рис. 38 показан снятый температурный режим без возмущений.
Рис. 38. График изменения температуры в помещении в КОНТАР-Консоль
Система охлаждает воздух в комнате (поверхность лампочки остывает) до верхней уставки (37°С). Далее температура колеблется в близи этой уставки в соответствии с разработанным алгоритмом.
При проведении следующих экспериментов использована возможность КОНТАР-Консоль, позволяющая отображать данные одновременно в нескольких графических окнах в разных единицах измерения.
Рис. 39. Графики в КОНТАР-Консоль
На верхнем графике: красная линия соответствует температуре в комнате, зелёная - нижней уставке, а жёлтая - верхней. На нижнем графике в процентах показан уровень открытия вентиля, регулируемого ИМ Belimo.
На верхнем графике мы видим, как наша система варьирует температуру в зависимости от уставок:
- нижняя уставка - 30°С, верхняя уставка - 40°С: температура понижается с 65°С до 40°С, далее незначительные колебания у 40°С;
- нижняя уставка - 45°С, верхняя уставка - 50°С: температура начинает повышаться, но не успевает достичь 45°С, так как мы меняем значения уставок;
- нижняя уставка - 20°С, верхняя уставка - 30°С: температура начинает понижаться, но не успевает достичь 30°С, так как мы меняем значения уставок;
- нижняя уставка - 45°С, верхняя уставка - 66°С: температура повышается до 45°С, далее незначительные колебания у 45°С;
ИМ Belimo работает на открытие каждый раз, когда температура оказывается меньше нижней уставки и на закрытие, когда температура оказывается больше нижней уставки.
При сопоставлении обоих графиков, данные которых были получены в одни и те же моменты времени с датчика температур и угла поворота ИМ Belimo, и имеющих одну и ту же ось времени, видно, что на участке с температурными возмущениями угол открытия ИМ Belimo максимально достигает порядка 33% от 90 угловых градусов. На участке без температурных возмущений угол открытия ИМ Belimo максимально достигает порядка 10% от 90 угловых градусов полного открытия заслонки.
В этих экспериментах использовалась максимальная частота съема данных с датчиков температуры и ИМ Belimo, заданная в в программе КОНТАР-Консоль.
При продолжении эксперимента имитировалось возникновение случайной нештатной аварийной ситуации в работе оборудования системы (отопления, вентиляции, охлаждения), повлекшей отказ отопительной системы.
Рис. 40. График в КОНТАР-Консоль
На этом графике показано развитие событий, расписанных выше. После колебаний у нижней границы - 45°С, мы наблюдаем понижение до 27-28°С. Такое положение дел связано с ручным отключением лампы накаливания, что может промоделировать открытие окон в зимний период времени года и одновременный отказ отопительной системы. После спада температуры установилось определённое значение (в нашем случае 27°С), т.е. температура в помещение сравнялась с температурой на улице. Далее лампочка была переведена обратно в автоматический режим (отопительная система была отремонтирована и запущена в эксплуатацию). Температура повысилась до нижней уставки в соответствии с разработанным алгоритмом.
В результате были проведены экспериментальные исследования, получены данные экспериментов, часть из которых представлена и описана в этом разделе магистерской диссертации. Остальные эксперименты с разработанным алгоритмом поддержания температурного режима в помещении содержатся в приложении. В них содержатся результаты экспериментов с изменением ширины температурного рабочего диапазона в помещении, изменением положения датчика температуры относительно лампы накаливания, максимального открытия исполнительного механизма Belimo.