Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Автоматизация и математическое моделирование работы технологического агрегата (ТА) с автономным энергопитанием от ветроэнергоустановки (ВЭУ) в машиностроении 12
1.1. Основные типы ветроэнергетических установок: преимущества, недостатки 12
1.2. ВЭУ роторного типа с вертикальной осью вращения, сопловой системой воздухозаборника (ВЭУРС) и автоматизация ее работы 18
1.3. Возможности применения ВЭУРС в технологических процессах в машиностроении 24
1.4. Уравнения динамики ТА с энергопитанием от ветродвигателя (ТАВД) 27
1.5. Уравнения динамики ТАВД с учетом упругости передаточного вала 35
Глава II. Устойчивость в большом распределенных и гибридных технологических систем 41
2.1. Определения и теоремы об устойчивости 42
2.2. Условия устойчивости линейных распределенных систем 46
2.3. Условия устойчивости распределенных систем при постоянно действующих возмущениях 52
2.4. Условия устойчивости линейных гибридных систем 59
2.5. Условия устойчивости гибридных систем при постоянно действующих возмущениях 66
Глава III. Синтез управлений по принципу обратной связи в технологических системах, обеспечивающих устойчивость в большом замкнутой системы 71
3.1. Синтез управлений в конечномерных системах 71
3.1.1. Синтез оптимальных управлений 74
3.2. Учет постоянно действующих возмущений 77
3.3. Синтез управлений в распределенных системах 80
3.3.1. Синтез оптимальных управлений 83
3.4. Учет постоянно действующих возмущений 86
3.5. Синтез управлений в гибридных системах 87
3.5.1. Синтез оптимальных управлений 90
3.6. Учет постоянно действующих возмущений 92
Глава IV. Устойчивость в большом работы ТАВД 94
4.1. Устойчивость в большом работы ТАВД при расчетной скорости ветра 94
4.2. Устойчивость в большом работы ТАВД при переменной скорости ветра 100
4.3. Устойчивость в большом работы ТАВД с учетом упругости передаточного вала привода при расчетной скорости ветра 102
4.4. Устойчивость в большом работы ТАВД с учетом упругости передаточного вала привода при переменной скорости ветра 109
Основные результаты работы 111
Список литературы
- Основные типы ветроэнергетических установок: преимущества, недостатки
- Определения и теоремы об устойчивости
- Синтез управлений в конечномерных системах
- Устойчивость в большом работы ТАВД при расчетной скорости ветра
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы наметилась тенденция использования технологических агрегатов с энергопотреблением от автономных источников, в том числе на основе возобновляемых видов энергии. Этому способствуют постоянно растущие цены на электроэнергию, тенденция возрастания требований к надежности и экологической безопасности машиностроительных и энергетических объектов.
В Камской инженерно-экономической академии (КамПИ) выполняются исследования в данном направлении с использованием для привода технологических агрегатов машиностроения автономных дизель-агрегатов, ветроэнергоустановок (ВЭУ), источников сжатого воздуха. Особый интерес представляет использование в составе автоматизированных технологических линий ВЭУ роторного типа с вертикальной осью вращения и сопловой системой воздухозаборника (ВЭУРС). Установка проста по конструкции, безопасна и бесшумна; в отличие от пропеллерных ВЭУ, не требует системы ориентации на ветер, не имеет негативного влияния на окружающую среду и может быть размещена в непосредственной близости от производственных и жилых зданий.
При создании технологических комплексов с автономным источником энергопитания возникают проблемы математического моделирования их работы, разработки систем автоматического управления источником энергопитания для обеспечения устойчивости и необходимой равномерности вращения рабочих органов. В данной работе эти проблемы рассмотрены на примере технологического агрегата машиностроения с автономным энергопитанием от ВЭУРС. Ветродвигатели (ВД), в отличие от других видов двигателей, работают всегда при переменных внешних условиях, зависящих не только от нагрузки, но и от интенсивности ветрового потока. Поэтому разработка надежной системы управления частотой вращения его ротора для предохранения от перегрузок, обеспечения устойчивости и необходимой равномерности вращения вала технологического агрегата здесь преобретает особо важное значение.
Разработкой и исследованием автоматических регуляторов для крыльчатых ВЭУ с горизонтальной осью вращения занимались В.Н. Адрианов, К.П. Вашкевич, В.П. Ветчинкин, В.Н. Колодин, Н.В. Красовский, В.А. Орлов, Г.А. Печковский, Г.Х. Сабинин, А.Г. Уфимцев, Е.М. Фатеев, Я.И. Шефтер и другие. Однако, задачи автоматического управления работой ВЭУРС как в автономном релшме, так и в составе технологических линий, а также исследования ее устойчивости и равномерности вращения остаются мало изученными. Решению этих актуальных задач и посвящена данная диссертация.
Объектом исследования является технологический агрегат (ТА) машиностроения с автономным энергопитанием от ВД (ТАВД).
Предметом исследования являются методы автоматического управления работой ТАВД и исследования ее устойчивости в большом, т.е. устойчивости с дополнительным требованием, чтобы отклонения угловой скорости вращения ВД от номинального значения оставались в заданных пределах.
Цель работы: разработка конструктивных методов синтеза управлений и исследования устойчивости в большом в технологических системах с сосредоточенными и распределенными параметрами; математическое моделирование, автоматизация и исследование устойчивости в большом работы ТА с автономным энергопитанием от ВД.
Задачи исследований.
Разработка метода автоматического управления ТАВД для предохранения от перегрузок, обеспечения устойчивости и необходимой равномерности вращения вала ВД, а следовательно, подключенного ТА.
Разработка математической модели динамики ТАВД в двух случаях, когда: все звенья жесткие и ТАВД рассматривается как система с сосредоточенными параметрами; передаточный вал, соединяющий ВД с ТА, имеет значительную длину и недостаточную жесткость. В этом случае ТАВД рассматривается как гибридная система с распределенными и сосредоточенными параметрами.
Разработка методов исследования асимптотической устойчивости в большом и устойчивости в большом при постоянно действующих возмущениях (ПДВ) систем с распределенными параметрами на базе функций Ляпунова.
Обобщение этих методов на гибридные системы с распределенными и сосредоточенными параметрами.
Синтез управлений, в том числе оптимальных, по принципу обратной связи для конечномерных, распределенных и гибридных систем, обеспечивающих асимптотическую устойчивость в большом или устойчивость в большом при ПДВ замкнутой системы.
Исследование устойчивости в большом номинального режима работы ТАВД при расчетной скорости ветра и при изменениях скорости ветра от расчетного значения в заданных пределах.
Методы исследований. Используются методы математического моделирования конечномерных и распределенных систем, теории дифференциальных уравнений, матриц, управления, устойчивости, в частности, метод функций Ляпунова, методы теоретической механики.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением математического аппарата, согласованностью новых результатов с известными положениями и результатами экспериментальных исследований.
Научной новизной являются: метод автоматического управления частотой вращения ротора ВД в составе ТАВД для предохранения от перегрузок, обеспечения устойчивости и необходимой равномерности вращения вала ТА; математическая модель ТАВД с учетом зависимостей моментных характеристик ВД и ТА от соответствующих угловых скоростей, скорости ветра, угла поворота жалюзи, а также распределенного характера передаточного вала; методы исследования устойчивости в большом, в том числе при ПДВ, систем с распределенными параметрами и гибридных систем. В отличие от других работ, в диссертации исходные уравнения в частных производных высокого порядка представлены в виде универсальной системы уравнений в частных производных первого порядка по времени и пространственным координатам; методы синтеза управлений, в том числе оптимальных, по принципу обратной связи в линейных одномерных распределенных и гибридных системах, обеспечивающих асимптотическую устойчивость в большом и устойчивость в большом при ПДВ замкнутой системы.
Оптимальные управления построены из условия минимума интегрального по времени критерия качества и нормы самого управления в каждый момент времени; > достаточные условия устойчивости в большом номинального режима работы ТАВД при расчетной скорости ветра и при ее изменениях от расчетного значения в заданных пределах.
Практическая ценность работы. Результаты диссертации позволяют автоматизировать работу ТАВД; выбрать параметры ТАВД, отвечающие устойчивым режимам; снизить энергетические затраты, а следовательно, себестоимость выпускаемой продукции; уменьшить экологически вредные отходы горения органических источников энергии.
Разработанные методы исследования устойчивости позволяют конструктивно строить функции Ляпунова, и исследовать устойчивость различных сложных технологических процессов и объектов с сосредоточенными и распределенными параметрами в машиностроении.
Синтезированные управления достаточно просто реализуются в виде сосредоточенных управлений, приложенных к границам распределенных звеньев и (или) к конечномерным звеньям, требующих измерения состояния системы только в отдельных точках, что имеет большое практическое значение.
Реализация результатов. Результаты работы использованы в ОАО «КАМАЗ», в Камской государственной инженерно — экономической академии (КамПИ) при проектировании и изготовлении опытных образцов ВЭУРС, а также в учебном процессе в КамПИ.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно — технической конференции. «Наука и практика. Диалоги нового века» (Набережные Челны, 2003), на
Итоговой научно — практической конференции Института экономики, управления и права (Набережные Челны, 2002), на XXXII Уральском научном семинаре «Механика и процессы управления» (Уральское отд. РАН, Екатеринбург — Миасс, 2003), на межвузовской научно — практической конференции «Вузовская наука — России» (Набережные Челны, 2005), на научных семинарах кафедр «Теоретическая механика и сопротивление материалов», «Автоматизации и информационные технологии» КамПИ, «Управления, менеджмента и маркетинга» КГТУ — КАИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 8 статей, 2 материала конференций и 2 тезиса докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 100 наименований и 10 рисунков. Полный объем диссертации составляет 123 страницы.
Приведем краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, освящены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
Первая глава посвящена вопросам разработки ВЭУРС, автоматизации и математического моделирования работы ТА с энергопитанием от ВД (ТАВД).
Даны анализ состояния развития ветроэнергетики и общие сведения о ВЭУ различных типов. Приведены краткое описание конструкции ВЭУРС, разработанной в КамПИ с участием автора, и возможности использования ее в технологических процессах машиностроения. Для автоматизации работы ВЭУРС предлагается использовать центробежный регулятор с инерционным гидравлическим усилителем. Описан один из вариантов автоматизированного комплекса выработки сжатого воздуха с применением ВЭУРС.
Составлены уравнения динамики ТАВД в двух случаях, когда: все звенья жесткие и ТАВД рассматривается как система с сосредоточенными параметрами. В этом случае динамика ТАВД описывается обыкновенными дифференциальными и конечными уравнениями; передаточный вал, передающий механическую энергию от ВД к ТА, имеет значительную длину и недостаточную жесткость. В этом случае ТАВД представляет собой гибридную систему с распределенными и сосредоточенными параметрами и ее динамика описывается дифференциальными уравнениями в частных и обыкновенных производных.
Все уравнения представлены в безразмерной форме в относительных отклонениях от номинального режима работы.
Во второй главе на базе функций Ляпунова рассматриваются вопросы устойчивости в большом для систем с распределенными параметрами, описываемых уравнениями в частных производных, и гибридных систем с распределенными и сосредоточенными параметрами, описываемых уравнениями в частных и обыкновенных производных.
Сформулированы и доказаны теоремы о устойчивости в большом, асимптотической устойчивости в большом и устойчивости в большом при ПДВ. На их основе получены достаточные условия устойчивости и устойчивости с учетом ПДВ для линейных систем с распределенными параметрами, описываемых эволюционными уравнениями и уравнениями связей в частных производных первого порядка. Далее эти результаты с учетом известных положений для конечномерных систем распространяются на гибридные системы с распределенными и сосредоточенными параметрами, описываемые уравнениями в частных и обыкновенных производных первого порядка.
В третьей главе решаются задачи синтеза управлений, в том числе оптимальных, в виде обратной связи в конечномерных, линейных распределенных и гибридных системах, обеспечивающих асимптотическую устойчивость в большом, или устойчивость в большом при ПДВ замкнутой системы. Здесь, как и во второй главе, исходные уравнения в частных производных высокого порядка представлены в виде системы уравнений в частных производных первого порядка. Оптимальные управления строятся из условия минимума интегрального критерия качества и значения нормы самого управления в каждый момент времени.
В четвертой главе с использованием результатов предыдущих глав получены условия асимптотической устойчивости в большом номинального режима работы ТАВД при расчетной скорости ветра и условия устойчивости в большом при изменениях скорости ветра от расчетного значения в заданных пределах в двух случаях: 1) как для системы с сосредоточенными параметрами, 2) как для гибридной системы с учетом упругости передаточного вала. Построены области устойчивости в пространстве ряда параметров и проведен анализ их влияния на устойчивость.
Основные типы ветроэнергетических установок: преимущества, недостатки
Устройства, используемые для преобразования энергии ветра в механическую, электрическую или тепловую, называются ветроэнергоустановками (ВЭУ). Уже в середине XX — го века ряд ученых, инженеров и конструкторов обратили внимание на то, что из всех видов возобновляемой энергетики наибольшие возможности имеет ветроэнергетика.
Первый ветродвигатель, созданный человеком, был простым устройством с вертикальной осью вращения и еще за 200 лет до нашей эры использовался для размола зерна. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения и ветроколесом, состоящим из нескольких деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. [35]
Современная ВЭУ представляет собой ветряное колесо, установленное достаточно высоко (до нескольких десятков метров) над землей, поскольку скорость ветра заметно возрастает с высотой. Наряду с традиционным размещением ветроколеса на горизонтальной оси, используются и колеса с вертикальной осью. Диаметр колеса в проектных разработках, выполняемых сегодня в различных странах, достигает 30 — 100 м. Такие большие размеры колес связаны с желанием получить большую мощность с одного агрегата, так как стоимость электроэнергии, получаемой от ветроэлектростанции, существенно уменьшается с ростом мощности ВЭУ.
Энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. ВЭУ может преобразовать в полезную работу часть этой энергии, которая оценивается коэффициентом использования энергии ветра. Мощность, развиваемая ВЭУ, равна где Ыь — мощность ветрового потока, обтекающего ветроколесо, — коэффициент использования энергии ветра.
Коэффициент использования энергии ветра зависит от конструкции ВЭУ и изменяется в зависимости от ее быстроходности Z. Быстроходность Z — это отношение окружной скорости 2/3 части лопасти к скорости ветра.
Теория, экспериментальные исследования и конструктивные решения по ветроэнергетике освещены в работах [1, 2, 22, 27, 35, 36, 38, 43, 67, 72, 79, 84, 86, 90, 91, 93, 95] и других. Однако, в этих работах основное внимание уделено исследованию и выбору геометрических параметров пропеллерных ВЭУ с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению скорости ветрового потока.
К настоящему времени разработаны различные конструкции ветроприемных устройств. На них получено больше патентов, чем на любые другие устройства [27]. На Рис 1.1 приведены основные известные ветроприемные устройства. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветроприемные устройства можно разделить на установки: с горизонтальной осью вращения, параллельной скорости ветра, (1, 2, 3, 15); с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной скорости ветра, (4, 5, 6, 7, 8); с вертикальной осью вращения, перпендикулярной скорости ветра, (5, 6, 7, 8, 9, 10,12, 13,16).
ВЭУ с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие силу сопротивления, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра, поэтому устройства, на которые действует подъемная сила, являются более быстроходными.
Увеличение мощности ВЭУ достигается увеличением числа лопастей ветроколеса или повышением угловой скорости вращения. Однако, количество лопастей и быстроходность крыльчатых ветроколес находятся в обратной зависимости. Чем больше лопастей на колесе, тем медленнее оно вращается. Такие ВЭУ имеют большой период разгона и невысокую угловую скорость вращения. Быстроходные ВЭУ с одной, двумя, тремя лопастями имеют малый пусковой момент. Ветроколесо диаметром 10 метров и более при скорости ветра 3—4 м/с практически не работает.
Различные типы ветродвигателей с горизонтальной осью вращения выполняют также со встречным вращением ветроколес, однако такая компоновка колес неэффективна и не нашла широкого применения.
Применяются также входные сужающиеся конусообразные устройства для увеличения скорости потока, попадающего на ветроколесо. Используются устройства с закручиванием потока около ветроколеса для увеличения его угловой скорости.
Определения и теоремы об устойчивости
Пусть система (2.1.1), (2.1.2) допускает решение # = О, соответствующее невозмущенному процессу. Любое ненулевое решение этой системы описывает возмущенный процесс, вызванный в некоторый момент времени t0 начальным возмущением (р0 = р(х, t0).
Введем меру р[(р] характеризирующую отклонения возмущенного процесса от невозмущенного. За такую меру, исходя из физических и математических соображений, может быть принят любой вещественный положительный функционал, определенный для каждого фиксированного момента t to на множестве вектор—функций р= cp{x,t) и удовлетворяющий условию /?[ ]=0.
Рассматривая далее процессы из некоторой окрестности Гк = { р(х, t]p R = const 0},tel, (2.1.3) предположим, что в этой окрестности при любом допустимом начальном распределении (р(х, t0) из функционального пространства В0(х), система (2.1.1), (2.1.2) имеет неограниченно продолжимое вправо при t to решение, принадлежащее некоторому функциональному пространству В(Хх1). Приведем определения устойчивости [82].
Определение 2.1. Невозмущенный процесс ср = 0 называется устойчивым по мере р, если для любого наперед заданного числа є О существует число 5 = S(e,t0) 0, такое, что для всех возмущенных процессов с начальным распределением р0 = (p(x,to), удовлетворяющим неравенству р[р0] д(є,іо) любой момент времени t to выполняется условие /?М є.
Определение 2.2. Невозмущенный процесс р = 0 называется асимптотически устойчивым по мере р, если он устойчив по этой мере и существует положительное число S0(t0) d(,to) такое, что для любого начального распределения с РІ оІ о возмущенные процессы удовлетворяют условию р[(р\ — 0 при / - 00 .
Если в этих определениях число 8 можно выбрать независящим от to, то устойчивость будет равномерной относительно начального момента времени t0 0. Отметим, что устойчивость (асимптотическую устойчивость) в смысле определения 2.1 (определения 2.2) называют устойчивостью (асимптотической устойчивостью) в малом, так как здесь числа д, є, стесняющие начальные и текущие возмущения, могут быть сколь угодно малыми, лишь бы были отличными от нуля. Пусть заданы области возможных начальных и допустимых текущих возмущений тг0 = { р(х, t0 ]р[(р0 ] #0}, (2.1.4) x = { p(x,t]p[ p] H], (2.1.5) где Но, Н— заданные положительные числа: Н Н0
Определение 2.3. Невозмущенный процесс (р = 0 называется устойчивым в большом по мере р, если он устойчив в малом по этой мере и все возмущенные процессы, исходящие из области 7Го в любой момент времени t to остаются в области ж.
Определение 2.4. Невозмущенный процесс (р = 0 называется асимптотически устойчивым в большом по мере р, если он устойчив в смысле определения 2.3 и lim р = 0 при / — оо.
Для исследования устойчивости невозмущенного процесса 7 = 0 используем метод функций (функционалов) Ляпунова.
В области (2.1.3) рассмотрим вещественный функционал V - V[(p,t], который заданной вектор-функции q = ср(х, f) в каждый фиксированный момент времени t tQ ставит в соответствие некоторое вещественное число. Будем предполагать, что V[0,t] = 0. Если V явно не зависит от времени t, то будем записывать V\ p\ Например, р[ф\ является таким функционалом.
Функционал V[ p,t] называется неотрицательным (неположительным) в области (2.1.3), если в данной области V О (V 0) при любых t є І.
Функционал V[(p,t] называется определенно положительным (отрицательным) по мере р в области Гц (2.1.3), если для любого положительного числа d R можно указать такое число е{д) 0, что имеет место условие V є(д) (V -є(б)) при R р 8 и любых t є І.
Функционал y[(p,t] называется непрерывным по мере р при t = to и р= 0, если для сколь угодно малого числа є 0 существует такое число S(eJo) 0, что неравенство \V\ є выполняется при p S(e,to) nt = to.
Функционал V\(p,i\ называется равномерно непрерывным по мере р при t tonp = 0, если для сколь угодно малого числа в 0 найдется такое число S(s) 0, зависящее только от є, что неравенство \V\ є выполняется при р б(є) для любого f to. Если функционал V явно от времени не зависит, то непрерывность V по р будет равномерной относительно времени t t0.
Теорема 2. Невозмущенный процесс g? = 0 асимптотически устойчив в большом по мере/? в областях это» я, если в окрестности (2.1.3) существует непрерывный при t to, р = 0 и определенно положительный по мерер функционал V\(p,t\ производная dV/dt которого в силу уравнений возмущенных процессов определенно отрицательна по этой мере, и выполняется условие (2.1.6).
Доказательство этих теорем существенно не отличается от доказательств соответствующих теорем, сформулированных и доказанных ранее [40, 82] для стационарных процессов, когда функционал V[ p] от времени явно не зависит, поэтому опускается.
Отметим, что любое линейное уравнение в частных производных высокого порядка или систему таких уравнений можно свести к системе уравнений первого порядка вида (2.2.1), (2.2.2) [4]. Для этого следует принять соответствующие низшие производные за дополнительные переменные и в этих переменных записать исходные уравнения и условия интегрируемости. При этом уравнение (2.2.2), не содержащее производных по времени, появляется не только при понижении порядка производных, но и за счет тех уравнений без производных по времени, которые могут входить в исходную систему. Например, уравнение неразрывности несжимаемой жидкости в гидродинамике.
Синтез управлений в конечномерных системах
Регулятор, показанный на Рис.1.4., относится к регуляторам непрямого действия. Регулятор непрямого действия — это регулятор, в котором между чувствительным элементом и регулирующим органом имеется усилительное звено с дополнительном источником энергии, в нашем случае гидроцилиндр. Для маломощных ВЭУРС может быть использован и регулятор прямого действия, когда чувствительный элемент (центробежный механизм 1) через рычажную систему 6 непосредственно соединяется с регулирующим органом (жалюзи) 7. Такой регулятор можно использовать только тогда, когда усилие, развиваемое чувствительным элементом, достаточно для перемещения регулирующего органа.
Отметим также, что в работе [30] предложена система регулирования, обеспечивающая работу ВЭУРС в режиме максимальной снимаемой мощности и основанная на регулировании сопротивления нагрузки в зависимости от скорости ветра. Эксплуатация ВЭУРС в таком режиме достаточно эффективна в смысле максимизации снимаемой энергии, но не всегда применима, так как, во — первых, не обеспечивается постоянство частоты вращения ВД, во — вторых, регулирование сопротивления нагрузки связано с большими трудностями и не всегда осуществимо.
В настоящее время все острее становятся проблемы, связанные с негативным воздействием энергетических и машиностроительных комплексов на окружающую среду и ростом стоимости традиционных невозобновляемых энергоресурсов. В связи с этим в мире активизировались работы, направленные на поиск и вовлечение в топливно — энергетический баланс экологически чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Особую привлекательность имеет ветроэнергетика, которая во многих странах мира, таких как Великобритания, США, Германия, Нидерланды, Дания, Канада, Франция, Испания, КНР, Швеция и другие стала уже самостоятельной отраслью энергетики.
Ужесточение требований по защите окружающей среды и необходимость снижения энергозатрат, а, следовательно, себестоимости выпускаемой продукции значительно повышают актуальность применения в различных технологических процессах ветроэнергоустановок, как дешевого экологически чистого источника энергии. Для этих целей, на наш взгляд, наиболее подходит ВЭУРС, устройство и преимущества которой описаны в подразделе 1.2 и которую можно размещать в непосредственной близости машиностроительных комплексов.
ВЭУРС может быть использована: - для производства электроэнергии генераторами различного типа. Выработанная энергия может использоваться для питания технологического оборудования или поступать в основную электрическую сеть; - для циркуляции жидкостей (масла) с помощью механических насосов. Например, в гидроприводах робототехнических комплексов, кузнечно — штамповочного производства; - для теплоснабжения (отопления); - для производства сжатого воздуха компрессорными установками. Энергия сжатого воздуха в технологических процессах используется для силового привода в движение различных механизмов и машин, например, упаковочных, сварочных, литейных, кузнечно — прессовых машин, автоматических манипуляторов. Пневматические системы управления, наряду с электрическими и гидравлическими системами, являются одним из эффективных средств автоматизации и механизации производственных процессов. Преимущества пневмосистем особенно проявляются при автоматизации наиболее массовых операций, таких как зажим деталей, их фиксация, кантование, сборка, контроль линейных размеров, транспортирование, упаковка и другие, что позволяет исключить или свести к минимуму участие человека в тяжелых и монотонных работах, поднять производительность труда в 1,5 — 4 раза [69].
Так как ветроэнергоустановка работает по неуправляемому графику, то одной из основных проблем является аккумулирование энергии, выработанной установкой в нерабочее время. Для аккумулирования ветровой энергии можно использовать аккумуляторные батареи, процесс электролиза водорода, механические маховики, нагрев воды и другие. Но наиболее удобным, безопасным и экологически чистым способом аккумулирования ветровой энергии является производство сжатого воздуха и хранение его в больших аккумулирующих емкостях — ресиверах. Накопленный запас сжатого воздуха может быть использован в рабочее время в периоды малых скоростей ветра для различных целей, в том числе для работы воздушной турбины по производству электроэнергии.
Для получения непрерывной энергии в рабочее время ветроэнергоустановки могут использоваться совместно с другими обычными источниками энергии. На Рис. 1.5 показана схема одного из вариантов автоматизированного комплекса выработки сжатого воздуха с применением ВЭУРС. В рабочее время при достаточной скорости ветра ветрокомпрессорная станция 1 подает сжатый воздух через небольшой ресивер 2 и клапан переключения 3 непосредственно в магистраль7. В нерабочее (ночное) время система управления 5 переключает клапан 3 на режим аккумулирования и сжатый воздух поступает в накопитель-ресивер 8. Если в рабочее время в периоды малых скоростей ветра мощность станций 1 недостаточна для обеспечения расчетного давления сжатого воздуха, то система управления 5 переводит клапан переключения 6 на режим подпитки и недостаточный объем сжатого воздуха поступает в магистраль из ресивера 8. В периоды длительных затиший, при необходимости, система управления 5 включает в работу обычную электрическую или другую неветровую компрессорную станцию 4.
Устойчивость в большом работы ТАВД при расчетной скорости ветра
1. Предложен метод автоматического управления частотой вращения ротора ВД в составе ТАВД для предохранения от перегрузок, обеспечения устойчивости и необходимой равномерности вращения вала ТА.
2. Разработана математическая модель динамики ТАВД в двух случаях, когда: 1) ТАВД рассматривается как система с сосредоточенными параметрами и ее динамика описывается обыкновенными дифференциальными и конечными уравнениями; 2) передаточный вал, соединяющий ВД с рабочим агрегатом, имеет значительную длину и недостаточную жесткость. В этом случае ТАВД представляет гибридную систему с сосредоточенными и распределенными параметрами и ее динамика описывается уравнениями в частных и обыкновенных производных.
3. При исследовании устойчивости в большом распределенных и гибридных систем методом функций Ляпунова, а также в задачах синтеза управления исходные уравнения в частных производных высокого порядка путем введения дополнительных переменных и с учетом условий интегрируемости сводится к системе уравнений в частных производных первого порядка по всем переменным. Переход к уравнениям первого порядка позволяет конструктивно строить функции Ляпунова в виде однократных интегральных форм, знакоопределенность которых можно проверить с помощью критерия Сильвестра; исследовать устойчивость в большом сложных технологических объектов и процессов; разработать единую методику исследования устойчивости для распределенных и гибридных систем, описываемых дифференциальными уравнениями любого порядка.
4. Сформулированы и доказаны теоремы об асимптотической устойчивости (устойчивости) в большом, устойчивости в большом при ПДВ систем с распределенными параметрами. На их основе получены конкретные условия устойчивости линейных распределенных и гибридных систем, в том числе, при ПДВ.
5. Построены законы управлений, в том числе оптимальных, по принципу обратной связи для конечномерных, линейных одномерных распределенных и гибридных систем, обеспечивающих асимптотическую устойчивость в большом или устойчивость в большом при ПДВ замкнутой системы. Оптимальные управления строятся из условия минимума интегрального по времени критерия качества и нормы самого управления в каждый момент времени. Синтезированные управления, приложенные к границам распределённых звеньев и (или) конечномерным звеньям, являются сосредоточенными и достаточно просто могут быть реализованы на практике.
6. Получены условия асимптотической устойчивости в большом номинального режима работы ТАВД при расчетной скорости ветра и устойчивости в большом - при отклонениях скорости ветра от расчетного значения в заданных пределах в двух случаях, когда ТАВД рассматривается: а) как система с сосредоточенными параметрами; б) как гибридная система с учетом упругости передаточного вала.
