Технические науки/5. Энергетика

Д.т.н. Муромцев Д.Ю., д.т.н. Тютюнник В.М., Муромцева И.Я.

Тамбовский государственный технический университет, Тамбов

Разработка научно-технических основ создания алгоритмического и программного обеспечения для интеллектуального контроллера энергосберегающего управления тепловыми объектами

В соответствии с Федеральным Законом РФ «Об энергосбережении» и Федеральной целевой программой «Энергосбережение России» большую роль играет снижение потерь энергетических ресурсов за счет оптимизации режимных параметров энергопотребления тепловыми объектами. Важным резервом в решении проблемы энерго- и ресурсосбережения является оптимальное по минимуму затрат энергии или топлива управление тепловыми объектами, проектирование машин и аппаратов, которые при своем функционировании требуют меньших энергозатрат по сравнению с существующими аналогами.

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. Традиционно используемые в программных средствах методы решения задач анализа и синтеза оптимального управления, в том числе принцип максимума Понтрягина, метод динамического программирования Беллмана, аналитическое конструирование оптимальных регуляторов (АКОР), теория нечетких множеств и другие, не позволяют оперативно находить новые решения задач энергосберегающего управления в условиях быстро меняющихся ситуаций [1].

Известные программные средства (отечественных и зарубежных фирм РТСофт, КРУГ, Техноконт, Ad Astra, Siemens, Motorola и др.) не позволяют учитывать необходимые для практики ограничения на фазовые координаты, лимит энергии, запас ресурсов, скорость изменения управления и др. В них также не предусмотрено решение важных для проектировщика обратных задач оптимального управления, связанных с изменением исходных данных для обеспечения требуемого запаса устойчивости, поддержание значения функционала в заданных границах и т.п.

В существующих SCADA-системах и других программных средствах, используемых для проектирования систем автоматического управления и регулирования, предполагается стандартный набор алгоритмов: ПИ- и ПИД-регулирование, линейный 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.

Для решения задач энергосберегающего управления важную роль играет деление объектов по виду используемого энергоносителя и особенностям режимов работы. Большое число тепловых объектов используют один вид энергоносителя. В электрических печах, электроводонагревателях, сушилках и др. аппаратах, где используется электронагрев, в качестве минимизируемого функционала в задаче оптимального управления рассматриваются затраты энергии. Широкий класс тепловых объектов в качестве теплоагентов используют пар, высокоорганические теплоносители, а также продукты сжигания жидкого или газообразного топлива. К таким объектам относятся теплообменники, бойлеры, печи для нагрева жидких продуктов, выпарные установки, сушилки и т.п. Здесь в качестве функционала берется расход «топлива». Наряду с рассмотренными объектами, для которых минимизируются или только затраты энергии, или только расход топлива, в последнее время широкое распространение получают гибридные объекты различных видов топлива. К таким объектам относятся водогрейные котлы, отопительные и нагревательные системы и др.

Наиболее распространены два типа гибридных объектов – объекты, в которых одновременно могут использоваться различные энергоносители, и объекты, в которых используемые энергоносители только чередуются во времени. К гибридным объектам близко примыкают тепловые аппараты с электроприводом. Многие тепловые объекты приходится рассматривать на множестве состояний функционирования. Это, прежде всего, многоцелевые аппараты, в которых происходят изменения фазового состава, структурные переходы и т.п. Для этих объектов приходится вводить модели, отражающие все состояния функционирования. Следует отметить, что в настоящее время практически отсутствуют тепловые аппараты с бортовыми контроллерами, которые в реальном времени решают задачи синтеза энергосберегающего управления динамическими режимами.

Эффект энергосбережения при использовании оптимального управления может достигаться за счет следующих факторов: - реализация оптимальных траекторий изменения фазовых координат на всем временном интервале управления, например, 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 модели 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, которое, в свою очередь, выбирается оптимальным; - использование оптимальной стратегии реализации энергосберегающего управления (программной, позиционной или другой) для каждого состояния функционирования; - замена обычных автоматических регуляторов (контроллеров) 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 микропроцессорных устройств. Для создания эффективных систем энергосберегающего управления на основе интеллектуальных контроллеров требуется выполнить комплекс теоретических исследований, включающий: - развитие методов анализа задач оптимального управления для нелинейных энергоемких объектов, различных видов минимизируемых функционалов и стратегий реализации управляющих воздействий, ограничений на управления и фазовые координаты, встречающихся в условиях реальной эксплуатации; - разработка алгоритмов оперативного (в реальном масштабе времени) синтеза энергосберегающих управляющих воздействий; - разработка алгоритмов оперативной идентификации моделей динамических режимов объектов, в том числе нелинейных, с временным запаздыванием, пригодных для использования в системах энергосберегающего управления; - развитие методов принятия проектных решений при создании систем энергосберегающего управления, в том числе при выборе вида модели динамики объекта, стратегии реализации управляющих воздействий, программно-технических средств и др. Класс энергоемких объектов включает различные виды тепловых аппаратов, машин с электроприводами, двигающихся устройств и транспортных средств. Миллионы этих объектов функционируют на промышленных предприятиях, сферах обслуживания и жизнеобеспечения населения. Поэтому задача разработки интеллектуальных систем энергосберегающего управления динамическими объектами является своевременной и актуальной, имеет важное научно-практическое значение для реального сектора экономики.

Литература:

1. Муромцев Д.Ю. Методы и алгоритмы синтеза энергосберегающего управления технологическими объектами: монография / Д.Ю. Муромцев. – Изд-во: Тамбов; М.; СПб.; Баку; Вена: Изд-во “Нобелистика”. 2005. – 202 с.