Теоретические основы энергосберегающего управления

Группа	Научная литература
Область науки	Технические науки
Название на русском языке	Теоретические основы энергосберегающего управления
Авторы на русском языке	Муромцев Ю.Л., Муромцев Д.Ю., Погонин В.А.
Название на английском языке	Theoretical basis energy-saving management
Вид издания на русском языке	монография
Издательство на русском языке	М.:-Изд-во "Янус-К", 2010.-286с.

Резюме

Важным резервом в решении проблемы энерго- и ресурсосбережения является оптимальное по минимуму затрат энергии или топлива управление динамическими объектами, проектирование машин и аппаратов, которые при своем функционировании требуют меньших энергозатрат по сравнению с существующими аналогами.

Теоретические исследования и практические результаты показывают, что при оптимальном управлении уменьшение затрат энергии (расхода топлива) может достигать от 10 % до 40 % по сравнению с традиционно используемыми управляющими воздействиями. Кроме того, в динамических режимах, характеризуемых меньшими энергетическими затратами, снижаются механические и тепловые нагрузки, что ведет к повышению долговечности и безопасности эксплуатации объектов.

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, Трейс Моуд, Mathlab, Siemens, Schneider Electrik, Omron, Motorola и др.), отсутствуют сведения об алгоритмах, минимизирующих затраты энергии или расход топлива.

Отличительными особенностями используемого в книге подхода являются: новый математический аппарат анализа и синтеза энергосберегающего управления, позволяющий оперативно определять вид и параметры функций оптимальных управляющих воздействий с учетом ограничений на лимит энергии, запас ресурсов, траектории фазовых координат и др.; методология построения интеллектуальных информационных систем на основе когнитивного моделирования, позволяющая разрабатывать базу знаний на новых принципах. Аналоги разрабатываемой информационной технологии проектирования алгоритмического обеспечения систем энергосберегающего управления в настоящее время отсутствуют. Это объясняется тем, что методы когнитивного моделирования для решения задач энергосберегающего управления динамическими объектами до настоящего времени не применялись.

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. Ряд фирм в проспектах о своей продукции упоминают об энергосбережении и «мягком» пуске электродвигателей, однако используемые для этого алгоритмы не раскрываются и считаются НОУ-ХАУ фирмы.

Необходимо отметить, что разработка нового алгоритмического обеспечения для систем управления является наиболее 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 видов технологических установок в машиностроительной, химической, металлургической, строительной и других отраслях промышленности, 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 значительную долю времени работают в динамических режимах, это позволяет снижать их энергопотребление за счет оптимального 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, 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 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 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;
• идентификация моделей динамических режимов, в том числе нелинейных и с временным запаздыванием по каналам управления, пригодных для использования в системах энергосберегающего управления;
• принятие обоснованных решений при проектировании систем энергосберегающего управления, в том числе выбор вида модели динамики объекта, стратегии реализации управляющих воздействий, программно-технических средств и др.

Основной целью при написании книги было систематизированное изложение рассмотренных задач. Книга состоит из семи разделов.

Первой раздел посвящен анализу особенностей тепловых аппаратов, машин с электроприводами и транспортных средств, как объектов энергосберегающего управления. Приводятся математические постановки задач оптимального управления с минимизируемыми функционалами затраты энергии и расход топлива, и рассматриваются структурные схемы систем энергосберегающего управления.

Во втором разделе задачи энергосберегающего управления рассматриваются с учетом возможных состояний функционирования, которые могут иметь место в процессе реальной эксплуатации систем управления. Вводятся понятия расширенного множества состояний функционирования, кортежные модели задачи оптимального управления (ОУ), формулируется задача полного анализа ОУ. Приводятся стратегии реализации ОУ, кратко рассматриваются задачи синтеза энергосберегающих управляющих воздействий, особенности прямых и обратных задачи оптимального управления, а также методы их решения.

Третий раздел посвящен решению задач идентификации моделей динамики, пригодных для решения задач энергосберегающего управления. Приводятся алгоритмы определения вида модели и оценки параметров, рассматриваются особенности идентификации моделей нелинейных объектов, алгоритмы оперативной идентификации моделей при решении задач совмещенного синтеза энергосберегающих управляющих воздействий. Рассматривается применение информационных технологий для решения задач идентификации моделей динамики.

Четвертый раздел является основным, он посвящен теоретическим аспектам решения задач анализа ОУ на множестве состояний функционирования с использованием принципа максимума и метода синтезирующих переменных. При анализе ОУ в качестве минимизируемого функционала рассматриваются затраты энергии или расход топлива. Сформулированы и доказаны утверждения о возможных видах функций ОУ, границах областей существования видов ОУ, устойчивости замкнутых систем энергосберегающего управления и др. Значительное внимание уделяется вопросам энергосберегающего управления многомерными объектами, объектами с распределенными параметрами, влиянию воздействий возмущений и помех по каналам измерения и управления.

В пятом разделе рассматриваются вопросы синтеза оптимальных управляющих воздействий и проектирования алгоритмического обеспечения систем энергосберегающего управления с использованием метода синтезирующих переменных. Рассмотрены как общие задачи синтеза, решаемые на стадии проектирования систем оптимального управления при помощи экспертной системы, так и задачи синтеза, выполняемые непосредственно микропроцессорными управляющими устройствами, в том числе задачи синтеза ОУ в реальном времени (оперативный синтез) и задачи совмещенного синтеза, включающие идентификацию модели объекта.

Шестой раздел посвящен различным аспектам проектирования  систем энергосберегающего управления (СЭУ). Приводятся постановки задач проектирования СЭУ и математический аппарат, используемый для принятия обоснованных проектных решений. Задачи проектирования рассматриваются как оптимизационные, в качестве критерия оптимальности используется затраты и риск достижения целевых показателей.

В седьмом разделе приводятся краткие сведения о системах энергосберегающего управления для ряда энергопотребляющих объектов. Дается характеристика экспертной системы, используемой для автоматизированного проектирования алгоритмического обеспечения систем энергосберегающего управления.

Abstract

Distinctive features of the approach used in the book are: a new mathematical apparatus for the analysis and synthesis of energy-saving control, which makes it possible to quickly determine the type and parameters of the functions of optimal control actions, taking into account the restrictions on the energy limit, resource reserve, trajectory of phase coordinates, etc .; a methodology for building intelligent information systems based on cognitive modeling, which allows developing a knowledge base based on new principles.

To create energy-saving control systems, a set of theoretical problems is being solved, the main ones are:

- a complete analysis of optimal control problems for typical models of the dynamics of energy-intensive objects, various types of minimized functionals and strategies for implementing control actions, constraints on controls and phase coordinates encountered in real conditions;

- operational (in real time) synthesis of energy-saving control actions;

- identification of models of dynamic modes, including nonlinear ones and with a time lag through control channels, suitable for use in energy-saving control systems;

- making informed decisions in the design of energy-saving control systems, including the choice of the type of model for the dynamics of the object, the strategy for the implementation of control actions, software and hardware, etc.

Издание "Теоретические основы энергосберегающего управления" (Муромцев Ю.Л., Муромцев Д.Ю., Погонин В.А.) отмечено наградой
МЕДАЛЬ «ЗА ВЕРНОСТЬ ТРАДИЦИЯМ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ» С УДОСТОВЕРЕНИЕМ

Оформление наградных документов и заказ каталога