Системы энергосберегающего управления. Муромцев Д.Ю - 4 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших проблем человечества является экономия энергоресурсов. В связи с ростом цен на электроэнер-
гию и топливо, усилением конкурентной борьбы между фирмами, производящими энергоемкое оборудование, транспорт-
ные средства и другие машины, а также учитывая сложность социально-экономической обстановки, актуальность задач
экономии и рационального использования энергоресурсов с каждым годом возрастает [1 – 3]. Проблема экономии топлив-
но-энергетических ресурсов занимает важное место в тематике работ научно-исследовательских организаций, проектных и
промышленных фирм всех стран мира. Заметных успехов на практике в этом направлении достигли США, Канада, Япония
и страны Западной Европы, в теоретических вопросах энергосбережения одно из ведущих мест занимает российская наука.
Количество потребляемых населением Земли энергоресурсов постоянно возрастает, однако эффективность использо-
вания их остается достаточно низкой. По данным Европейской комиссии ООН, уровень полезного использования энергоре-
сурсов составляет лишь 40 %, доля полезного конечного использования топлива – менее 20 % [4]. Вместе с тем обостряется
проблема загрязнения окружающей среды, быстро уменьшаются запасы высокоэнергетического сырья, и растет стоимость
получения энергии.
Важным резервом в решении проблемы энерго- и ресурсосбережения является оптимальное по минимуму затрат энер-
гии или топлива управление динамическими объектами, проектирование машин и аппаратов, которые при своем функцио-
нировании требуют меньших энергозатрат по сравнению с существующими аналогами.
Теоретические исследования и практические результаты показывают, что при оптимальном управлении (ОУ) умень-
шение затрат энергии (расхода топлива) может достигать от 10 до 40 % по сравнению с традиционно используемыми управ-
ляющими воздействиями. Кроме того, в динамических режимах, характеризуемых меньшими энергетическими затратами,
снижаются механические и тепловые нагрузки, что ведет к повышению долговечности и безопасности эксплуатации объек-
тов.
Серьезным сдерживающим фактором в реализации оптимального энергосберегающего управления динамическими
процессами является отсутствие алгоритмов синтеза управляющих воздействий в реальном времени, которые могут быть
использованы простыми и дешевыми микропроцессорными устройствами. В каталогах алгоритмического и программного
обеспечения отечественных и зарубежных фирм, поставляющих программные и технические средства для промышленной
автоматизации (КРУГ, Техноконт, КРУИЗ, Север, Трейс Моуд, Matlab, Siemens, Schneider Eleсtrik, Omron, Motorola и др.),
отсутствуют сведения об алгоритмах, минимизирующих затраты энергии или расход топлива.
В существующих SCADA системах и других программных средствах, используемых для проектирования систем авто-
матического управления и регулирования, предполагается стандартный набор алгоритмов: ПИ- и ПИД-регулирование, ли-
нейный квадратичный оптимальный регулятор, оптимальное быстродействие, нечеткий регулятор и некоторые другие, в
которых не учитываются характерные для энергосберегающего управления ограничения, например, на лимит энергии или
запас топлива. Ряд фирм в проспектах о своей продукции упоминают об энергосбережении и «мягком» пуске электродвига-
телей, однако используемые для этого алгоритмы не раскрываются и считаются ноу-хау фирмы.
Необходимо отметить, что разработка нового алгоритмического обеспечения для систем управления является наибо-
лее интеллектуальным этапом проектирования. Для выполнения этого этапа привлекаются специалисты высокого класса.
Только крупные фирмы могут позволить себе иметь подразделение по разработке и исследованию систем оптимального
управления. Для получения алгоритмов энергосберегающего управления требуется проведение трудоемких исследований
применительно к каждому новому объекту или новым режимам работы.
К наиболее энергоемким объектам относятся тепловые аппараты, машины с электроприводами, т.е. большинство ви-
дов технологических установок в машиностроительной, химической, металлургической, строительной и др. отраслях про-
мышленности, а также перемещающиеся объекты и транспортные средства. Затраты на электроэнергию и различные виды
топлива при эксплуатации этих объектов для большинства промышленных и сельскохозяйственных предприятий относятся
к числу основных и становятся сопоставимыми с затратами на сырье. Миллионы разнообразных энергоемких объектов зна-
чительную долю времени работают в динамических режимах, это позволяет снижать их энергопотребление за счет опти-
мального управления в различных состояниях функционирования.
Эффект энергосбережения при использовании оптимального управления достигается за счет следующих факторов:
− реализация оптимальных траекторий изменения фазовых координат на всем временном интервале управления, на-
пример, для тепловых объектов оптимальная траектория изменения температуры обеспечивает сокращение временного
участка с наибольшими потерями тепла в окружающую среду;
− оптимальное ведение динамических режимов при всех состояниях функционирования, т.е. в случае изменения мо-
дели динамики объекта или условий (исходных данных) задачи управления оперативно (в реальном времени) находится
новое решение, и реализуются энергосберегающие управляющие воздействия для существующей ситуации;
− достижения задаваемого конечного значения вектора фазовых координат точно в требуемый момент времени, ко-
торое, в свою очередь, выбирается оптимальным;
− использование оптимальной стратегии реализации энергосберегающего управления (программной, позиционной
или другой) для каждого состояния функционирования;
− замена обычных автоматических регуляторов энергосберегающими, которые устраняют значительные отклонения
регулируемой величины от заданного значения с минимумом затрат энергии (расхода топлива);
− создание локальных и бортовых систем энергосберегающего управления на базе простых и дешевых микропроцес-
сорных устройств.
Для создания систем энергосберегающего управления требуется решить комплекс теоретических задач, основными из
них являются:
− полный анализ задач оптимального управления для типовых моделей динамики энергоемких объектов, различных
видов минимизируемых функционалов и стратегий реализации управляющих воздействий, ограничений на управления и
фазовые координаты, встречающиеся в реальных условиях;
− оперативный (в реальном масштабе времени) синтез энергосберегающих управляющих воздействий;

Страницы