Введение к работе
Основной технологический процесс на предприятиях теплоэнергетического комплекса (разведка, добыча, транспортировка и переработка нефти и газа, производство, преобразование и распределение электрической энергии), электрометаллургии (электролиз цветных металлов, производство и переработка стали и чугуна и т.д.), электрохимии (электролиз хлора, водорода и т.д.), жилищно-коммунального комплекса (системы водоснабжения и водоотведения), на электрическом транспорте и т.д. представляет собой электрическое и электромеханическое преобразование значительных потоков электрической энергии непосредственно в технологические параметры. Например, в Ханты-Мансийском автономном округе магистральный транспорт нефти и газа потребляет более 43% от общего потребления энергии в регионе, жилищно-коммунальный комплекс (ЖКК) -около 40%, на добычу полезных ископаемых затрачивается около 16% энергии.
Автоматизированные импульсные системы преобразования энергии (ИСПЭ) реализуют один из наиболее энергоэффективных способов преобразования энергии и в настоящее время решение проблемы энергосбережения в энергоемких технологических процессах преобразования электрической энергии обеспечивается, в первую очередь, за счет использования ИСПЭ. Энергосбрегающие возможности ИСПЭ обуславливают расширение области их применения, что предполагает тенденцию к усложнению условий эксплуатации. Поскольку для современного уровня развития ИСПЭ характерна унификация ее силовой части, то основное направление повышения качества процессов импульсного преобразования энергии связано с развитием системы управления ИСПЭ [Ильинский Н.Ф 2003, Браславский И.Я. 2005; Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., 2006].
Возможности алгоритмов управления отражают возможности соответствующих методологий проектирования, в рамках которых накладываются ограничения на повышение эффективности функционирования ИСПЭ, обусловленные требованиями к их надежности и безопасности. Данное противоречие является следствием физической сущности нелинейной динамики ИСПЭ [Kuroe Y., Hayashi S. 1987-1989, Белов Г.А. 1990, Гелиг А.Х., Чурилов А.Н. 1990-2009, Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. и соавт. 1990-2006, Banerjee S., Chakrabarty К. и соавт. 1990-2008, Жуйков В.Я., Леонов А.О. 1991, Баушев B.C. и соавт. 1992, Жусубалиев Ж.Т. и соавт. 1992-2010, Кипнис М.М. 1992, Deane J.H.B., Hamil D.C. 1992, Tse C.K. и соавт. 1994-2008, Mazumder, S.K. 2001, М. di Bernardo, F. Vasca и соавт. 1998-2006, Chen J.H. и соавт. 1999-2000, Aroudi A.L., Benadero L. и соавт. 2000-2006], не принимать в расчет которую становится недопустимым. В противном случае не представляется возможным гарантировать предотвращение аварийных процессов, последствиями которых являются, как минимум, экономические потери, и, как максимум, техногенные катастрофы.
Использование в ходе проектирования ИСПЭ бифуркационного анализа динамики для формирования ограничений на допустимые параметры системы управления позволяет снизить риск возникновения аварийных ситуаций в ИСПЭ [Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. 2005-2007, Колоколов Ю.В., Устинов П.С. 2008-2009]. Однако гарантировать их отсутствие не представляется возможным. Как один из перспективных вариантов выхода из проблемной ситуации
рассматривается привлечение методов прогнозирования динамики,
позволяющих распознать зарождение аварийного состояния до его реализации [Мироновский Л.А. 1998, Дедученко Ф.М. 2006, Кутуков С.Е., Бахтизин Р.Н. 2003]. В этом случае, во-первых, предоставляется возможность внесения необходимого управляющего воздействия для предотвращения аварийного состояния. Во-вторых, предоставляется возможность привлечения поисковых методов адаптации [Терехов В.А., Тюкин И.Ю. 2003] для оперативной подстройки системы управления в соответствии с текущими параметрами.
Принципиальный недостаток существующих методов идентификации и прогнозирования динамики [Клейман Е.Г., Мочалов И.А. 1994; Vaseghi S.V. 2000, De Gooijer J.G., Hyndman R.J. 2006, Fildesl R., Nikolopoulos K., CronelS.F., Syntetos A.A. 2008] заключается в том, что постановка задачи прогнозирования нелинейных явлений в режиме реального времени в них не предусматривается. Анализ первого положительного опыта по формированию подхода к прогнозированию нелинейной динамики ИСПЭ в режиме реального времени [Колоколов Ю.В., Моновская А.В. 2006-2010] приводит к выводу о необходимости более глубокого и взаимосвязанного исследования образов нелинейной динамики в параметрическом и фазовом пространствах с целью выявления механизмов и особенностей развития динамических процессов, протекающих в импульсных системах.
При этом особую ценность приобретает выявление качественных закономерностей, поскольку, как показывает практика, использование сильных измерительных шкал в условиях неопределенностей различной природы ограничивает возможности однозначной трактовки текущего состояния ИСПЭ. В этой связи символические модели динамики ИСПЭ на основе использования геометрических инвариантов могут стать основой символического прогнозирования, которое открывает принципиально новые возможности для снижения рисков и предотвращения аварийных ситуаций в технологических процессах, связанных с использованием ИСПЭ. Соответственно, для создания надежных и безопасных технологий импульсного преобразования энергии актуальными являются как развитие научных основ исследования и прогнозирования динамики ИСПЭ, так и формирование методологии символического прогнозирования аварийных состояний в режиме реального времени - в частности.
Объектом исследования являются автоматизированные импульсные системы преобразования энергии.
Предметом исследования являются процессы прогнозирования аварийных состояний в динамике автоматизированных импульсных систем преобразования энергии.
Цель работы - развитие научно-технического направления, связанного с повышением надежности и безопасности автоматизированных импульсных систем электрического и электромеханического преобразования энергии путем снижения рисков и предотвращения аварийных состояний на основе прогнозирования динамики указанных систем в режиме реального времени. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
S Выполнить анализ проблемной ситуации и постановку задачи
прогнозирования аварийных состояний в динамике ИСПЭ;
S Исследовать проблему моделирования динамики ИСПЭ и обосновать выбор
моделей стационарных и переходных процессов; S Исследовать проблему прогнозирования динамики ИСПЭ в условиях
неопределенности возмущающих воздействий и выполнить классификацию
аварийных процессов; S Развить научные основы фрактального подхода к прогнозированию динамики
ИСПЭ и исследовать ограничения на его использование; S Сформировать методологию символического прогнозирования аварийных
состояний в динамике ИСПЭ на основе символического описания
периодических и переходных процессов; S Выполнить вычислительные эксперименты по исследованию закономерностей
нелинейной динамики ИСПЭ, а также работоспособности и эффективности
методов ее прогнозирования; S Выполнить натурные эксперименты для подтверждения достоверности
результатов вычислительных экспериментов и апробации методов
символического прогнозирования аварийных состояний; S Разработать алгоритмы и программы для выполнения вычислительных и
натурных экспериментов.
Методы исследования базируются на теориях системного анализа, автоматического управления, динамических систем переменной структуры, нелинейных колебаний, бифуркационного анализа, устойчивости, чувствительности, фракталов, инвариантов, случайных процессов, а также методах прикладной математики. Достоверность результатов и обоснованность научных положений и выводов обусловлена использованием апробированных научных методов и подтверждена результатами вычислительных и натурных экспериментов. Вычислительные эксперименты выполнялись на ЭВМ с помощью разработанного в системе MatLAB пакета прикладных программ. Натурные эксперименты проводились на экспериментальных установках: «Импульсный понижающий преобразователь напряжения DC-DC 12/5В-60Вт» и «Импульсный электропривод постоянного тока 24В-1,5кВт» (кафедра «Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность», Орловский государственный технический университет, ОрелГТУ), «Импульсный понижающий преобразователь напряжения DC-DC 24/12В-72Вт» (кафедра «Автоматизированные системы обработки информации и управления» Югорский государственный университет (ЮГУ), г. Ханты-Мансийск).
Научная новизна диссертационной работы заключается в развитии научных основ исследования и прогнозирования динамики ИСПЭ в режиме реального времени и включает:
методы исследования нелинейной динамики ИСПЭ и ее закономерностей, отличительной особенностью которых является выявление множественных устойчивых и неустойчивых аттракторов в области локальной устойчивости эксплуатационного процесса, а также проецирование и анализ образов динамики из фазового и параметрического пространств в пространства иной природы;
модели аварийных процессов в ИСПЭ, отличительной особенностью которых является рассмотрение причин зарождения и механизмов развития нелинейных
явлений, приводящих к аварийным состояниям с учетом неопределенностей различной природы и исходя из выявленных закономерностей динамики ИСПЭ;
- принципы символического описания и классификаторы нелинейных
динамических процессов в ИСПЭ на основе этих принципов, отличающиеся тем, что
основываются на использовании геометрической интерпретации инвариантов
фазовых траекторий и включают символическое описание переходных процессов;
- методы символического прогнозирования аварийных состояний в динамике ИСПЭ
в соответствии с предложенными моделями аварийных процессов и принципами
символического описания динамики, отличающиеся тем, что предоставляют
возможность распознания сходимости переходного процесса в режиме реального
времени.
Научная новизна также включает новые научные данные, полученные на основе использования предложенных методов исследования и прогнозирования динамики ИСПЭ, что подтверждено публикациями в рецензируемых российских и международных англоязычных журналах, а также патентами на полезные модели.
На защиту выносится методология символического прогнозирования аварийных состояний, обусловленных нелинейными явлениями в динамике ИСПЭ, включая:
S научные основы прогнозирования динамики ИСПЭ;
S фрактальные закономерности динамики ИСПЭ, а также механизмы развития
аварийных процессов;
S принципы символического описания нелинейных динамических процессов;
S методы символического прогнозирования аварийных состояний;
S алгоритмы, формализующие методы символического прогнозирования;
S результаты вычислительных и натурных экспериментов работоспособности и
эффективности методов символического прогнозирования. Практическая значимость полученных результатов связана с предоставлением комплекса средств для разработки новых технологических решений по проектированию и совершенствованию систем управления, обеспечивающих безопасное функционирование ИСПЭ в условиях неопределенности варьирования внешних и внутренних параметров в широком диапазоне и частой смены режимов работы ИСПЭ, включая:
- методы исследования нелинейной динамики и ее закономерностей, которые
позволяют при затрате допустимых ресурсов времени получать картину нелинейной
динамики ИСПЭ с учетом множественных аттракторов и проводить более глубокие
и системные изучения механизмов ее эволюции;
методы символического прогнозирования аварийных состояний ИСПЭ, позволяющие разрабатывать алгоритмы идентификации и прогнозирования динамики ИСПЭ в режиме реального времени, которые могут быть реализованы средствами типовых промышленных микропроцессорных устройств;
практические рекомендации по проведению вычислительных и натурных экспериментов, которые позволяют планировать и выполнять эффективные исследования нелинейной динамики ИСПЭ для выбора параметров алгоритмов идентификации и прогнозирования динамики систем данного класса.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены и используются при проектировании автоматизированных систем управления ИСПЭ в
ЗАО «Электротекс» (г.Орел), НИИ Автоматики и электромеханики (ТУСУР, г. Томск), Отраслевой научно-исследовательской лаборатории «Электрооборудование летательных аппаратов» (Новосибирский государственный технический университет), ОАО «Сургутнефтегаз» ЦБПО ЭПУ (г. Сургут).
Результаты внедрены в образовательный процесс при подготовке инженеров по специальностям «Проектирование и технология электронных и вычислительных систем» (ОрелГТУ), «Автоматизированные системы обработки информации и управления» (ЮГУ), аспирантов по специальностям 05.13.06. «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки)» (ОрелГТУ, ЮГУ) и 05.13.18. «Математическое моделирование, вычислительные методы и комплексы программ (технические науки)» (ЮГУ). Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами.
Связь темы работы с научно-исследовательскими программами:
Диссертационная работа выполнялась в рамках международных научно-исследовательских проектов: «Динамика сложных систем электромеханического преобразования энергии» в 2001-2005 гг (ОрелГТУ, Россия - Технологический университет г. Труа, Франция); «Импульсные системы преобразования энергии: моделирование, управление и исследование» в 2003-2008 гг (ОрелГТУ, Россия -Реймский университет, Франция). Проекты выполнены при финансовой поддержке Правительства региона Шампань-Арден, Франция;
В 2006 году исследования по теме диссертационной работы поддержаны грантом ФЦНТП в рамках программы «Проведение научных исследований молодыми учеными» по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» по теме работы «Прогнозирование опасных процессов в динамике импульсных систем преобразования энергии» (2006-РИ-19.0/001/503).
С 2009 года на период по 2013 год исследования поддерживаются в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, мероприятие «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров», по теме «Снижение риска и уменьшение последствий аварийных ситуаций, обусловленных нелинейными явлениями в динамике импульсных систем преобразования энергии» (ГК №02.740.11.0034).
Апробация работы: Основные результаты исследований, выполненные по теме диссертации, докладывались и обсуждались на 22 международных и всероссийских конференциях и конгрессах: Ist, 3 IEEE Conf. "Physics and Control", (Россия, г. Санкт-Петербург, 2003, 2007); 2nd, 3d, 4th, 5th IEEE Workshop "On Intelligent Data Acquisition and Advanced Computer Systems: Technology and Applications" (Ukraine, Lviv, 2003; Bulgaria, Sofia, 2005; Germany, Dortmund, 2007; Italia, Rende, 2009); 3d Int. Conf "Neural Networks and Artificial Intelligence" (Belarus, Minsk, 2003); 3d Int. Conf. on "Intelligent Maintenance System" (France, Aries, 2004); 11th, 12th ЕРЕ-IEEE Conf. on "Power Electronics and Motion Control" (Latvia, Riga, 2004; Slovenia, Portoros, 2006); 81 IEEE Conf. on Modeling and Simulation of Electric Machine Converters and Systems (Electrimacs 2005, Hammamet, Tunisia); 16th IF AC World Congress (Prague, Czech Republic, 2005); 16th IEEE Mediterranean Conference on Control and Automation (France, Ajaccio, 2008); Международной научно-технической конференции «Силовая электроника и энергоэффективность» (Украина, Алушта, 2006; 2007; 2008); Всероссийской научной конференции «Методы прикладной
математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии» (Россия, г.Орел, 2004); Международной школы-семинара «Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте» (Украина, Алушта, 2005; 2006); Международной школы-конференции: Высокие технологии энергосбережения (Россия, г.Воронеж. 2005); Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (Россия, г.Санкт-Петербург, 2006); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (г.Орел, Россия. 2010); Международном IT-форуме (г.Ханты-Мансийск, 2010 г).
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в университетах России (ОрелГТУ, БрянскГТУ, КурскГТУ ЮГУ) и Франции (Технологическом университете г. Труа, лаборатории Цента научных исследований и технологий в сфере информации и коммуникации (CResTIC) Реймского университета).
Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликовано более 70 печатных работ, включая 25 статей в российских журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 11 статей в международных англоязычных журналах (издательства Elsevier, World Scientific Publishing Company, Emerald Group Publishing Limited, Begell House Inc., Publishing Company of IEEE, Pleiades Publishing Inc., Springer), 3 патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, приложения, заключения, списка использованных источников, включающего 319 наименований. Основное содержание работы изложено на 333 страницах машинописного текста, включая 107 рисунков и 14 таблиц.
