Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники всех ведущих промышленных стран является энергетика и энергосбережение. Актуальность решаемых в данной работе задач вызвана необходимостью повышения эффективности процесса генерации и использования тепловой энергии не только за счет применения новых классов электронагревательных устройств, но и систем управления (СУ) тепловым процессом (ТП), обеспечивающих высокие технико-экономические и эксплуатационные показатели устройств электронагрева, отвечающих требованиям электробезопасности, надежности и технологичности в соответствии с направлением «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии». Среди современных разработок теплогенерирующих комплексов (ТГК) отдельно можно выделить класс теплогенерирующих электромеханических преобразователей (ТЭМП), которые обладают высокими регулировочными характеристиками, что определяет их выбор в качестве наиболее целесообразного объекта управления (ОУ), обеспечивающего заданный ТП. При этом отсутствие систем управления тепловыми процессами, реализуемыми на основе ТЭМП, обуславливает необходимость синтеза таких СУ и определяет актуальность темы исследования.
Целью диссертации является разработка и исследование системы управления тепловым процессом на примере ТЭМП.
В соответствии с указанной целью ставятся следующие задачи:
– анализ существующих математических моделей ТЭМП с целью формализации ТП и разработки системы управления этим процессом;
– анализ процессов в ОУ и разработка методики определения электромагнитных, тепловых и гидравлических параметров ТЭМП для алгоритмической реализации и исследования синтезируемой СУ;
– разработка способа субоптимального управления ТП;
– разработка способов нерекуррентного и рекуррентного оценивания случайных последовательностей, характеризующих ТП, и алгоритмов их реализации на основе регрессии с незаданным заранее видом функции и вейвлетов;
– разработка системы управления, использующей базу знаний, полученную по результатам численного и экспериментального моделирования ТП;
– создание алгоритмов и структурных схем нечетких регуляторов (НР) для системы управления ТП на основе нечеткой логики с использованием алгоритмов Мамдани и Сугено;
– разработка методики и структурной схемы автоматизированной системы научных исследований, контроля и испытаний (АСНИКИ) для экспериментального определения статических и динамических характеристик ТП на примере управляемого электромеханического теплогенератора с оптимальными регуляторами.
Методы исследования. Использовались аналитические и численные методы расчета электромагнитных и тепловых полей, теория электрических цепей, теория обобщенного электромеханического преобразователя энергии, теория вейвлетов, теория нечеткой логики, математический анализ. Численное моделирование проводилось с использованием математических пакетов ELCUT, FEMLAB, Matlab 7.5. С целью автоматизации процесса проектирования аппаратного обеспечения и контроля параметров системы использован пакет MAX+PLUS II 10.1 BASELINE, для измерений – PowerGraph 2.1.
Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается как использованием апробированного математического аппарата, так и результатами вычислительных и натурных физических экспериментов.
Предметом исследования являются системы управления ТП, использующие модели и алгоритмы обработки информации на основе теории автоматического управления, вейвлетов и нечеткой логики.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по созданию системы управления ТП на примере управляемого ТЭМП, в частности:
– разработана основанная на знаниях, полученных по результатам численного и экспериментального моделирования, и нечеткой логике математическая модель, учитывающая особенности конструкции и режимы работы электромеханического преобразователя, обеспечивающего ТП;
– предложен способ субоптимального управления ТП на основе принципа разделения, в соответствии с которым субоптимальная система управления (ССУ) строится из последовательно соединенных оптимального нелинейного фильтра (ОНФ) и детерминированного оптимального регулятора (ДОР);
– синтезированы структурные схемы субоптимальных регуляторов тепловым процессом (на примере ТЭМП) как с использованием классических методов, так и технологий нечеткого вывода на основе алгоритмов Мамдани и Сугено;
– предложены способы нерекуррентного и рекуррентного оценивания случайных последовательностей и алгоритмы их реализации на основе регрессии с незаданным заранее видом функции и вейвлетов;
– получены статические и динамические характеристики управляемого ТП;
– разработаны и реализованы методика и структурная схема АСНИКИ для экспериментального исследования ТП на примере управляемого ТЭМП с оптимальными регуляторами;
– предложена новая система электроотопления вагона на основе электромеханического теплогенератора, управляемого с помощью разработанной ССУ.
Практическая значимость работы заключается в решении проблемы синтеза СУ тепловым процессом на основе ТЭМП; создании методик и алгоритмов электромагнитных, тепловых и гидравлических расчетов применительно к исследуемому процессу и реализации их с использованием пакетов современных прикладных программ, а также разработке рекомендаций по проектированию СУ ТП. Практическая полезность подтверждается актами внедрения и использования результатов в проектно-конструкторской деятельности «Технопарк КАС» и в учебном процессе ГОУВПО «КнАГТУ» и ФГОУ ВПО «АмГПГУ».
Реализация работы. Исследования выполнены в рамках НИР по заказу Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края, межвузовской региональной научно-технической программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития дальневосточного региона России («Дальний Восток России») по проекту «Совершенствование преобразователей энергии, бытового и промышленного электрооборудования, направленное на применение и освоение производства предприятиями дальневосточного региона». Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанная техническая документация и макетные образцы электронагревателей переданы в Министерство экономического развития и внешних связей Хабаровского края и «Технопарк КАС».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Основанная на знаниях и нечеткой логике математическая модель теплового процесса на примере управляемого ТЭМП.
2. Способ управления ТП на основе принципа разделения, в соответствии с которым ССУ строится из последовательно соединенных ОНФ и ДОР.
3. Алгоритмы и структурные схемы регуляторов СУ тепловым процессом, как с использованием классических методов, так и на основе нечетких алгоритмов Мамдани и Сугено.
4. Способы нерекуррентного и рекуррентного оценивания случайных последовательностей и алгоритмы их реализации на основе регрессии с незаданным заранее видом функции и вейвлетов.
5. Методика и структурная схема АСНИКИ для экспериментального исследования теплового процесса на примере управляемого ТЭМП с оптимальными регуляторами; результаты теоретических и экспериментальных исследований теплового процесса на примере ТЭМП.
Личный вклад автора состоит в разработке основанной на знаниях и нечеткой логике математической модели; алгоритмов и синтезе структурных схем регуляторов на основе нечетких алгоритмов Мамдани и Сугено; методики и схемы АСНИКИ; алгоритмов оценивания случайных последовательностей; моделировании, анализе и формулировке основных результатов.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на: 5 международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008 г.), 17 Международном конгрессе IFAC (Корея, 2008 г.), 7 Международной конференции IEEE по управлению и автоматизации ICCA’09 (Новая Зеландия, 2009 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (Чита, 2009 г.), региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы математики, физики, информатики в вузе и школе» (Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.), научно-технической конференции ГОУВПО «КнАГТУ» (Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.), 40-й научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов КГПУ (Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.), Всероссийской научно-методической конференции «Новые информационные технологии в образовании» (Комсомольск-на-Амуре, 1999 г.) и на научных семинарах кафедры «Информатика» ФГОУ ВПО «АмГПГУ» (Комсомольск-на-Амуре, 2000–2009 г.г.), опытный образец теплогенератора (ТГ) экспонировался и отмечен серебряной медалью на XVI Выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Санкт-Петербург, 10–12 марта 2010 г.).
Публикации. Содержание диссертации отражено в 16 публикациях. В числе основных – 14 статей, из них 3 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК; 1 патент РФ на полезную модель, 1 авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, содержащего 140 наименований работ отечественных и зарубежных авторов и 9 приложений. Она содержит 191 страницу машинописного текста, 9 таблиц и 91 рисунок.
Похожие диссертации на Система управления тепловым процессом : на примере теплогенерирующего электромеханического преобразователя
