8.5 Мониторинг и контроль
В классическом управлении обратной связью, как PI или PID (пропорционально-интегрально-производная), контролируемые переменные (CV) непосредственно измеряются, сравниваются с уставкой, и впоследствии возвращаются в процесс через закон управления обратной связью.
На рис. 8.10 сигналы, без аргумента времени, обозначаются маленькой буквой, где y - управляемая переменная (CV), которая сравнивается с эталонным сигналом r. Ошибка отслеживания ε (т.е. r - y) подается в контроллер, либо в аппаратном или программном обеспечении, с которого входной сигнал управления u, также известный как управляемая переменная (MV), генерируется. Входные данные u непосредственно влияют на процесс (P), из которого получается результат (y). Выборочный вывод впоследствии сравнивается с r, который закрывает цикл. На практике этот цикл продолжается до тех пор, пока контроллер не выключится. Существует обширная литература по контролю обратной связи (Doyle et al. 1992; Morris 2001; Ogata 2010), и это является предметом исследований в течение многих лет, начиная с произведений Боде (1930) и Никвиста (1932).
Рис. 8.10 Управление обратной связью с контроллером (C) и процессом (P). r опорный сигнал, ошибка отслеживания eps, входной сигнал u, выходной сигнал у сигма
В RAS типичными CV являются температура, рН и концентрация растворенного кислорода (DO), для которых существуют надежные датчики. Следовательно, контроль качества воды с обратной связью может быть легко реализован. Однако на практике чаще всего входные и выходные сигналы нарушаются шумовыми процессами, такими как неизвестные случайные входы и измерительные шумы. Кроме того, общий процесс (P) может меняться со временем в результате роста, созревания, старения и т.д. Корм для рыбы является еще одним вкладом в РСБУ, и его влияние на рост рыбы невозможно напрямую увидеть или измерить. Для этих параметров, как правило, вводятся контроллеры на основе моделей (например, feedforward, predictive модели и оптимальный контроль) для прогнозирования реакции изменения входных данных управления. Тем не менее, корм для рыбы обычно добавляется на основе значений, содержащихся в таблицах или рецептах, но этот основанный на правилах контроль может нуждаться в некоторой корректировке в реальной практике, чтобы действовать в качестве контроллера обратной связи. Поведение рыб в РАС является классической мерой контроля обратной связи, поскольку рыба физиологически реагирует на изменения окружающей среды с изменениями в движении, местоположении, восприимчивости к корму и т.д.
Гидропонное производство обычно происходит в защищенных средах, таких как теплицы или заводские фабрики, где необходимо контролировать как корневую, так и воздушную среду. Контроллеры включения/выключения, которые прогнозируют оптимальную воздушную среду, оказались выше в экспериментальных исследованиях, но коммерциализация идет медленно, в то время как контроллеры обратной связи являются стандартными в большинстве теплиц с контролируемым климатом. Однако привод варьируется в зависимости от типа контроллера с нагревательными клапанами и вентиляционными отверстиями, обычно управляемыми обратной связью, но освещение обычно имеет механизм ON-OFF и только некоторые из них регулируются затемнением. Контроллеры, которые полагаются на ввод датчиков или данных, могут реагировать на быстрый рост в защищенной среде и привести к производству высококачественной продукции с высокими рыночными ценами, что повышает ее рентабельность. Многие коммерческие теплицы по-прежнему имеют классический центральный датчик, висящий на высоте 1—2 м над посевом и охватывающий несколько сотен квадратных метров, все еще используется, но несколько беспроводных датчиков, охватывающих небольшие площади, внедряются, хотя большая часть подробных данных не может быть использована, так как довольно большие климатическими зонами управляются одни и те же приводы. Достижения в области сенсорной технологии (например, датчики температуры микроклимата, процессоры изображений, измерения газообмена или флуоресценции хлорофилла в режиме реального времени), подключенные к программному обеспечению для моделирования, могут использоваться системы поддержки принятия решений и превращаться в автоматизированные системы управления.
В типичных биореакторных системах температура, рН, растворенный кислород в аэрированных системах и газовые потоки в анаэробных системах непрерывно измеряются и регулируются с помощью доступных регуляторов температуры, рН и растворенного кислорода. Кроме того, время как гидравлического (HRT), так и осадка (SRT) также часто устанавливается путем контроля потоков (сточных) воды и потоков отходов биомассы, соответственно.