OPTYMALIZACJA STEROWNIKA CYFROWEGO DLA SYSTEMU REGULACJI STOCHASTYCZNEJ

The article deals with the synthesis of an optimal digital controller for a stochastic plant. In order to optimize the control system, an integral quality criterion together with minimization of the controlled parameter variance that is offered here, besides the control actions the control objects are taken into account. Using the methods of optimization theory for a single-loop control system, the structure and parameters of the digital regulator are determined. The structure of the digital controller is analysed from the parameters of the quality criterion and the mathematical description of the control object. An example of the synthesis of a digital controller for an automatic control system for the air temperature at the output of the CV-P°2L°N-63B/F-N ceiling conditioner, which showed the efficiency of the digital controller when compensating for random disturbances, is given here. The obtained results are recommended to be used by the specialists on automation for the control system design as well as optimization of the existing ones.Artykuł dotyczy syntezy optymalnego sterownika cyfrowego dla stochastycznego obiektu kontrolnego. Aby zoptymalizować system regulacji, zaproponowano integralne kryterium jakości z minimalizacją wariancji kontrolowanego parametru, oprócz  działań kontrolnych obiektów sterujących. Wykorzystując metody teorii optymalizacji dla jednopętlowego systemu sterowania, określana jest struktura i parametry sterownika cyfrowego. Strukturę kontrolera cyfrowego przeanalizowano na podstawie parametrów kryterium jakości i opisu matematycznego obiektu kontrolnego. Podano przykład syntezy kontrolera cyfrowego dla automatycznego systemu kontroli temperatury powietrza na wyjściu klimatozatora CV-P°2L°N-63B/F-N, który pokazał wydajność cyfrowego regulatora przy kompensacji zakłóceń losowych. Uzyskane wyniki są zalecane do wykorzystania przez specjalistów w dziedzinie automatyki przy projektowaniu i optymalizacji już istniejących systemów regulacji

NIESTACJONARNY MODEL WYMIANY CIEPŁA I MASY DLA NAWILŻACZA PAROWEGO

The dynamical model of heat-mass exchange for a steam humidifier with lumped parameters, which can be used for synthesis of control systems by inflowing-exhaust ventilation installations, or industrial complexes of artificial microclimate, is considered. A mathematical description that represents the dynamical properties of a steam humidifier concerning the main channels of control and perturbation is presented. Numerical simulation of transient processes for the VEZA KCKP-20 humidification chamber to the influence channels was carried out. The achieved dynamical model of a humidification chamber can be the basis for the synthesis of automatic control systems and simulation of transient states. A significant advantage of the obtained mathematical model in the state space is the possibility of synthesis and analysis of a multidimensional control system.Rozważono model dynamiczny wymiany ciepła i masy nawilżacza parowego o parametrach skupionych, który można zastosować do syntezy układów sterowania przez instalacje wentylacyjne nadmuchowo-wywiewne lub przemysłowe kompleksy sztucznego mikroklimatu. Przedstawiono opis matematyczny przedstawiający właściwości dynamiczne nawilżacza parowego dotyczące głównych kanałów regulacji i zaburzeń. Przeprowadzono symulację numeryczną procesów przejściowych dla komory nawilżającej VEZA KCKP-20 z kanałami wpływowymi. Powstały model dynamiczny komory nawilżania może być podstawą do syntezy automatycznych układów sterowania i symulacji stanów nieustalonych. Istotną zaletą uzyskanego modelu matematycznego w przestrzeni stanu jest możliwość syntezy i analizy wielowymiarowego układu sterowania

Динамическая модель тепломассообмена для водяного охладителя промышленного кондиционера

Розглядається математичне моделювання процесів тепло- і масообміну для водяного охолоджувача, який використовується в системах штучного мікроклімату для охолодження та осушування повітря. На основі рівнянь матеріального та теплового балансів отримано дві рівноцінні моделі, які дають змогу проводити моделювання перехідних процесів у охолоджувачі за основними каналами регулювання та збурення. Вибір динамічної моделі визначається методами синтезу системи керування промислового кондиціонера. Для підвищення точності математичних розрахунків у статті пропонується експериментальне визначення коефіцієнтів тепло- та масовіддачі, що дає можливість адаптувати динамічну модель до конкретних умов функціонування водяного охолоджувача. Запропоновані математичні залежності зручно реалізуються у середовищі MatLab. Наведено приклад моделювання перехідних процесів для водяного охолоджувача CVP2-СW4 кондиціонера CV-P 2L N-63B/F-N, який виготовлено компанією VTS CLIMA. Отримані перехідні процеси мають аперіодичний характер без запізнення. За характером перехідних процесів для керування водяним охолоджувачем можна рекомендувати ПІ-регулятор. Динамічна модель водяного охолоджувача може використовуватися спеціалістами з автоматизації для аналізу та настройки параметрів систем керування промисловими кондиціонерами.Mathematical modelling of processes heat-mass exchange for a water cooler, which is used in systems of an artificial microclimate for cooling and air unwatering, is observed. Based on the equations of material and thermal balance two equivalent models allowing to spend modelling of transients in a cooler on the basic channels of regulating and perturbation are gained. Sampling of dynamic model is defined by methods of a control system synthesis of the industrial air conditioner. For raise of accuracy of mathematical calculations in paper experimental definition of factors heat-mass exchange, which allows adapting dynamic model for concrete operating conditions of a water cooler, is offered. The offered mathematical dependences are conveniently realized in the environment of MatLab. The instance of modelling of transients for water cooler CVP 2-SW4 air conditioner CV-P 2L N-63B/F-N which is manufactured by company VTS CLIMA is resulted. The gained transients have aperiodic character without delay. On character of transients, for management of a water cooler it is possible to recommend the PI-regulator. The dynamic model of a water cooler can be used by specialists on automation for the analysis and adjustment of parametres of control systems of industrial air conditioners.Рассматривается математическое моделирование процессов тепло- и массообмена для водяного охладителя, который используется в системах искусственного микроклимата для охлаждения и осушения воздуха. На основе уравнений материального и теплового баланса получены две равноценные модели, которые позволяют проводить моделирование переходных процессов в охладителе по основным каналам регулирования и возмущения. Выбор динамической модели определяется методами синтеза системы управления промышленного кондиционера. Для повышения точности математических расчетов в статье предлагается экспериментальное определение коэффициентов тепло- и массоотдачи, которые позволяют адаптировать динамическую модель к конкретным условиям функционирования водяного охладителя. Предложенные математические зависимости удобно реализуются в среде MatLab. Приведен пример моделирования переходных процессов для водяного охладителя CVP 2-СW4 кондиционера CV-P 2L N-63B/F-N, который изготовлен компанией VTS CLIMA. Полученные переходные процессы имеют апериодический характер без запаздывания. По характеру переходных процессов для управления водяным охладителем можно рекомендовать ПИ-регулятор. Динамическая модель водяного охладителя может использоваться специалистами по автоматизации для анализа и настройки параметров систем управления промышленных кондиционеров

Electric heater mathematical model for cyber-physical systems

The article discusses the heat and mass transfer dynamic model for an electric heater with lumped parameters, which allows transient processes simulation for the main influences. The proposed model is recommended to be used in cyber-physical systems for forecasting and evaluating the effectiveness of control systems integrated into a single information management system. The developed model can be used by specialists for the analysis and synthesis of control systems for balanced ventilation systems or industrial air conditioners. As an example, a numerical simulation of transient processes along the action main channels for an electric heater HE 36/2 manufactured by VTS CLIMA was carried out. The significant advantage of the proposed model is the possibility for using it for the synthesis and analysis of multidimensional control systems

Development of Digital Twins to Support the Functioning of Cyber-physical Systems

The peculiarities of developing a digital twin for cyber-physical systems using an analytical model of the investigated process are considered. The proposed approach takes into account the conceptual uncertainty of the analytical model parameters with the subsequent passive identification by adapting the analytical model to the dynamic characteristics of the real physical process. In the article, the digital twin development is carried out on the analytical model air heating process example with the help of an electric calorifier. The analytical model uncertain parameters of the electric heater are analyzed and an integral quality index is proposed to evaluate the dynamic model adequacy in the process of air heating. For electric heater model adaptation, the passive identification algorithm of uncertain parameters is developed, in which deviations of the mathematical model uncertain coefficients are minimized. A numerical study of the considered approach has been carried out. It is shown that uncertain parameters' passive identification of the model belongs to the problem of single-extremal optimization. The considered modeling examples confirmed the effectiveness of the proposed approach to digital twins' development for cyber-physical systems

Evaluation оf the Protective Properties of Filtering Half-Masks by Measuring Pressure Difference

Introduction. An important characteristic of respirator is the capability of its half-mask to protect the respiratory organs against the surrounding contaminated atmosphere due to a tight half-mask-face contact. Problem statement. Keeping a constant pressure difference under the mask is a low-cost and simple method of alternative diagnostics of half-mask protective properties involving special-purpose test aerosols. The method is based on the determination of the air amount entrained through the gaps while generating rarefaction within the under-mask area. However, there have been no recommendations on the use of the method for evaluating the insulating properties of lightweight filtering half-masks from under which it is impossible to evacuate air. Purpose is to represent a simplified method with measuring the rarefaction under a filtering half-mask making possible to determine its insulating properties and protection coefficient. Materials and Methods. Protection coefficient of respirator can be evaluated in terms of air amount passing through the filtering material and gaps with the preset coefficient of penetration and suction. The latter is calculated as coefficient of aspiration into the gap of the preset length. Air consumption is determined experimentally as pressure difference between the half-mask mounted tightly on a dummy and the tubes of preset diameter positioned along the obturation line. Results. A calibration line of the relation between the pressure difference and the air consumption through a gap for the filtering half-masks has been developed. Coefficients of insulation and protection of Lepestok-type respirators have been calculated. The protection coefficients have been established to proportionally depend on the ratio of air consumption through a filter and gaps between the face and the half-mask along the obturation line. Conclusions. It has been proved that the methods for determining the protective properties of filtering half-masks in terms of measuring pressure difference may be used as a low-cost alternative to expensive diagnostics of the quality of respiratory protective devices. Also, they can be employed for selecting and training workers to properly use the respirators under manufacturing conditions in accordance with EN 529:2006 requirements.Вступ. Важливою характеристикою респіратора є здатність його напівмаски захищати органи дихання від різноманітних забруднень в атмосфері за рахунок щільного прилягання до обличчя. Проблематика. Одним з низьковартісних і простих методів альтернатив діагностики захисних властивостей напівмасок за допомогою спеціальних тест-аерозолів є підтримання постійного перепаду тиску під маскою. Він базується на визначенні кількості повітря, що підсмоктується через щілини, при створенні розрядження у підмасочному просторі. Однак, немає рекомендацій щодо можливостей цього методу в оцінюванні ізолюючих властивостей легких фільтруючих напівмасок, з-під яких не можна відкачати повітря. Мета. Розробити спрощений метод оцінювання захисних властивостей напівмасок з використанням вимірювання ступеню розрідження повітря під фільтрувальною напівмаскою, який дозволяє встановити її ізолюючі властивості та коефіцієнт захисту. Матеріали й методи. Коефіцієнт захисту респіратора можна оцінити за кількістю повітря, що проходить через фільтруючий матеріал і щілини з відомим коефіцієнтом проникнення і підсосу. Останній обчислюється як коефіцієнт аспірації в щілину відомої довжини. Витрати повітря визначаються експериментально за різницею тисків між герметично розташованою напівмаскою на манекені та розташованими по її периметру обтюрації трубочками з відомим діаметром. Результати. Побудована калібрувальна шкала взаємозв’язку перепадів тиску і витрат повітря через зазор для фільтруючих напівмасок. Розраховано коефіцієнти ізоляції та захисту респіраторів типу «Лепесток». Встановлено, що коефіцієнт захисту прямопропорційно залежить від співвідношення витрат повітря через фільтр і щілини між обличчям і напівмаскою по смузі обтюрації. Висновки. Доведено, що метод визначення захисних властивостей фільтруючих напівмасок вимірюванням перепадів тиску можна використовувати як альтернативу високовартісній діагностиці якості засобів індивідуального захисту органів дихання, а також застосовувати при підборі та навчанні працівників правильній експлуатації респіраторів на виробництві відповідно до вимог ЕN 529: 2006.Введение. Важной характеристикой респиратора является способность его полумаски ограждать органы дыхания от различных загрязнений атмосферы за счет плотного прилегания к лицу. Проблематика. Одним из недорогих и простых методов альтернативой диагностики защитных свойств полумасок с помощью специальных тест-аэрозолей является поддержание постоянного перепада давления под маской. Он основан на определении количества подсасываемого воздуха через зазоры при создании разряжения в подмасочном пространстве. Однако, нет рекомендаций о возможности оценить с помощью этого метода изолирующие свойства легких фильтрующих полумасок, из-под которых нельзя откачать воздух. Цель. Разработать упрощенный метод оценки защитных свойств полумасок с использованием измерения разрежения воздуха под фильтрующей полумаской, позволяющий установить ее изолирующие свойства и коэффициент защиты. Материалы и методы. Коэффициент защиты респиратора можно оценить по количеству проходящего воздуха через фильтрующий материал и зазоры с известным коэффициентом проникания и подсоса. Последний вычисляется как коэффициент аспирации в щель известной длины. Расходы воздуха определяются экспериментально по разности давления между герметически расположенной полумаской на манекене и с расположенными по ее периметру обтюрации трубочками с известным диаметром. Результаты. Построена калибровочная шкала взаимосвязи перепада давления и расхода воздуха через зазор для фильтрующих полумасок. Рассчитаны коэффициенты изоляции и защиты респираторов типа «Лепесток». Установлено, что коэффициент защиты прямопропорционально зависит от соотношения расходов воздуха через фильтр и зазоры между лицом и полумаской по полосе обтюрации. Выводы. Доказано, что метод определения защитных свойств фильтрующих полумасок по измерению перепадов давления можно использовать как альтернативу дорогостоящей диагностике качества средств индивидуальной защиты органов дыхания, а также использовать при подборе и обучении работников правильной эксплуатации респираторов на производстве в соответствии с требованиями ЕN 529:2006