Современные лабораторные стенды: как Дальневосточный ГАУ
применяет отечественные среду Engee и КПМ РИТМ для моделирования

Модель системы управления теплицей

Результаты тестирования показали стабильность поддержания системой управления заданного микроклимата

Обе модели были запущены на КПМ РИТМ, что позволило провести быстрое прототипирования разработанной системы управления теплицей

Модель системы управления на базе регуляторов нечеткой логики и модель теплицы были собраны в Engee

Разработка системы управления микроклиматом теплицы

Результаты

Задача

Введение

Современное инженерное образование требует практической подготовки студентов к работе с реальными техническими системами и технологии моделирования позволяют сделать образовательный процесс заметно эффективнее.
В этой статье покажем, как Дальневосточный ГАУ использует отечественные решения для моделирования комплексных технических систем в образовательном процессе.

Но сначала разберемся с основными понятиями.
Полунатурное моделирование (HIL, или Hardware-in-the-Loop) — это метод испытаний, при котором отдельные составляющие тестируемой системы заменены их моделями, а остальная часть системы представлена ее реальными компонентами. При этом обмен данными между моделями и реальными компонентами происходит по тем же интерфейсам, что и в исходной системе.

В чем преимущество такого подхода?

Отметим ключевые особенности:

• безопасность — различные режимы и сценарии работы тестируются без риска повредить дорогостоящее оборудование или нанести ущерб людям;
• междисциплинарность — современные технические системы комплексны и над их разработкой могут работать команды с разной специализацией, тестируя свои модули независимо — нужно лишь согласовать интерфейсы;
• стоимость — не нужно закупать и обслуживать весь комплект реального оборудования.

Полунатурное моделирование проводится в режиме жесткого реального времени — это значит, что каждый шаг расчёта модели начинается в строго определенный момент времени и гарантированно завершается до начала следующего шага. При этом все компоненты модели выполняются с заданной частотой дискретизации, учитывают задержки и особенности работы реальных интерфейсов и оборудования, а также строго синхронизированы по времени выполнения.

Еще одним методом моделирования является быстрое прототипирование. Оно позволяет в короткий срок оценивать работу систем управления в процессе их проектирования, используя машины реального времени.

Отечественные решения

Выделим 3 ключевых компонента, необходимых для реализации полунатурного испытания:

• программная среда для разработки модели;
• машина реального времени для запуска модели в режиме жесткого реального времени;
• блок управления.

На российском рынке уже есть продукты, закрывающие потребность в этих компонентах: платформа Engee, а также комплекс полунатурного моделирования РИТМ. В качестве прототипа блока управления может использоваться КПМ РИТМ, отладочная плата или одноплатный компьютер — например, Repka Pi.

Вкратце расскажем о них.

Engee — это российская среда для разработки сложных технических систем. Она предоставляет готовое окружение для анализа данных, а также инженерных расчетов. Помимо этого, Engee является средой визуального моделирования и позволяет с помощью привычных блок-схем строить модели алгоритмов управления и сложных физических систем. Затем их можно использовать для проведения полунатурного тестирования или генерации кода для интеграции на встраиваемых платформах.

КПМ РИТМ — это промышленный компьютер, в котором подобраны и разработаны программные и аппаратные компоненты для гарантированной работы моделей в режиме жесткого реального времени. Комплекс также содержит интерфейсы для связи с внешним миром.

Repka Pi — это одноплатный компьютер под управлением ОС Linux. На нем будет выполняться код, сгенерированный в Engee из модели системы управления.

Наконец, перейдем к главному — расскажем об опыте российских вузов по применению современных подходов к моделированию на базе Engee и КПМ РИТМ.

Опыт Дальневосточного государственного аграрного университета

Дальневосточный государственный аграрный университет готовит студентов к решению практических задач, с которыми агропредприятия сталкиваются каждый день. Одна из таких задач — управление микроклиматом теплицы.

Система управления должна поддерживать заданную температуру и влажность внутри теплицы, опираясь на показания датчиков и управляя исполнительными устройствами — вентиляцией, обогревом или увлажнением. От ее работы напрямую зависит качество выращиваемых культур. Поэтому необходимо проводить предварительную настройку и тестирование системы управления — и моделирование здесь становится безопасным и наглядным инструментом.

Объект управления представлен математической моделью теплицы, которая содержит дифференциальные уравнения изменения регулируемых физических параметров.

Уравнение изменения температуры в теплице:

Где:

Уравнение изменения влажности в теплице:

Где:

Собранная в Engee модель выглядит следующим образом.

Общий вид модели объекта управления

Модель изменения микроклимата теплицы

Модель включает в себя две подсистемы, описывающие уравнения изменения температуры и влажности.

Для управления теплицей использовались регуляторы на основе нечеткой логики.

Общий вид модели системы управления

Регуляторов два — по одному для температуры и влажности. Чтобы их настроить, достаточно задать функции принадлежности и определить нечеткие правила:

Функции принадлежности регулятора температуры

Как и в предыдущем примере, объект управления — математическая модель теплицы — был запущен на КПМ РИТМ в режиме реального времени. КПМ РИТМ также использовался в качестве блока управления — это позволило провести быстрое прототипирование системы управление.

Получившийся стенд

Результаты работы модели наглядно показывают, насколько точно и стабильно система поддерживает заданный микроклимат.

Изменение значения температуры внутри теплицы в процессе симуляции

Изменение значения влажности внутри теплицы в процессе симуляции

Созданный прототип можно затем перенести на встраиваемую платформу и интегрировать в блок управления, тем самым перенося учебные наработки в реальную систему и обеспечивая плавный переход от обучения к практике.

«С 2022 года наш университет является участником программы «Приоритет 2030» Дальний Восток, в рамках которой мы активно развиваем сотрудничество с индустриальными партнерами в сфере АПК. Поскольку Амурская область занимает лидирующую позицию в Дальневосточном федеральном округе по объемам аграрного производств, одним из приоритетных направлений нашей деятельности стала разработка совместных проектов с нашими индустриальными партнёрами, такими как Амурагрокомплекс, Таргетагро, Холдинг Амурагро, группа предприятий Янта и другие.

По запросу индустриальных партнеров, при поддержке Центра Инженерных Технологий и Моделирования «Экспонента», университет реализует образовательную программу по магистратуре Цифровые технологии в отрасли.

КПМ «РИТМ» совместно с Engee представляет собой эффективный инструмент для моделирования, обработки результатов экспериментов и обучения. Он интегрирует различные инженерные дисциплины в области агроинженерии и позволяет преподавателям и студентам совместно работать над реальными производственными задачами, например, управление микроклиматом теплицы.

Наше сотрудничество с центром «Экспонента» приносит результаты, что и подтверждает представленный проект. Уверены, что дальнейшая интеграция инновационных разработок в образовательный процесс станет залогом повышения уровня квалификации выпускников и успешного продвижения передовых практик агроинженерии.

В перспективе мы планируем и дальше внедрять инновационные подходы в образовательный процесс и технологические практики на основе решений, предлагаемых центром «Экспонента»".

— Воякин Сергей Николаевич, декан электроэнергетического факультета ДальГАУ

Заключение

Итак, хороший инженерный курс — это не только лекции и формулы, но и работа с инженерными задачами на уровне, близком к реальным условиям. Моделирование с помощью Engee и КПМ РИТМ даёт студентам возможность наглядно и безопасно осваивать новые навыки, а вузам — выстраивать образовательный процесс эффективно.

Мы показали лишь пару примеров из вузовской практики, но подходы и инструменты, о которых шла речь, универсальны. А значит, их можно применять для самых разных областей — от энергетики и транспорта до робототехники и агропромышленного комплекса, адаптируя учебные курсы к требованиям современной промышленности.

Смотреть все