Наукове обґрунтування і розробка автоматизованих систем керування холодильно-компресорними установками малої продуктивності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський національний політехнічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Наукове обґрунтування і розробка автоматизованих систем керування холодильно-компресорними установками малої продуктивності

Онищенко О.А.

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація процесів керування

Одеса - 2010

Вступ

Актуальність теми. Інтеграція України в європейську економіку неможлива без реалізації масштабних засобів енергозаощадження й підвищення енергетичної ефективності різних технологічних, у тому числі холодильних і компресорних установок. По даним Міжнародного інституту холоду на виробництво штучного холоду витрачається більше 15 % вироблюваної у світі електроенергії. Майже 4 % всієї виробленої на Україні електроенергії споживається тільки побутовими холодильними приладами (ПХП) і становить приблизно 6,4109 кВт·год у рік, що, безумовно, вимагає рішення завдань підвищення їхньої енергетичної ефективності.

Автоматизація процесів керування всіх існуючих холодильно-компресорних установок (ХКУ) малої продуктивності, у тому числі - ПХП, повітряних мікрокомпресорів медичного і спеціалізованого призначення й інших, виконується з використанням систем автоматичного керування (САК) на базі гістерезисних регуляторів. Це зумовлено комплексом причин, зв'язаних із застосовуваними в якості електричних виконавчих механізмів (ЕВМ) однофазних асинхронних електродвигунів.

При роботі ХКУ з існуючими САК й ЕВМ характерні низькі, не задовольняючі сучасним міжнародним вимогам значення ККД (близько 65 %), коефіцієнта потужності (cos 1 < 0,8), точності стабілізації регульованих параметрів. Крім того, пускові струми, перевантажуючи мережу у 5...10 разів, приводять до значних динамічних ударів, підвищеному зношуванню компресора й ізоляції. Незадовільні масогабаритні показники, технологічні складності виготовлення ЕВМ герметичних компресорів, наявність коливальних режимів у повітряних мікрокомпресорів приводять до їхньої низької конкурентоспроможності на світовому ринку та істотному обмеженню технологічних можливостей.

Отже, існуючі САК не справляються зі зрослими вимогами до малих ХКУ за критеріями енергоспоживання й забезпечення високої якості процесів керування. Тому потрібні нові типи САК і ЕВМ для малих ХКУ, енергетично ефективна робота яких здійсненна при наявності широкого діапазону зовнішніх збурень і керуючих впливів.

Таким чином, можна сформулювати актуальну науково-технічну проблему: розвиток теоретичних і практичних основ створення систем керування з високими експлуатаційними показниками неможливий в рамках застосування існуючих технічних засобів і алгоритмів керування холодильно-компресорними установками малої продуктивності.

Разом із тим, розробка й впровадження САК ХКУ малої продуктивності з високими експлуатаційними показниками на базі сучасних керованих ЕВМ обмежені цілим комплексом наявних суперечливих, конфліктних і взаємовиключних ситуацій.

1. Необхідністю врахування при розробці САК процесів різної фізичної природи з одночасною оцінкою параметрів енергоспоживання при різних збурювальних і керуючих впливах і відсутністю методів побудови математичних моделей, що дозволяють здійснювати аналіз і синтез таких САК.

2. Побудовою САК ХКУ, що забезпечують їхню продуктивність у максимально можливій відповідності із необхідною та відсутністю, як принципів побудови, так і бази для порівняння цих САК.

3. Затребуваністю нових типів керованих ЕВМ малої продуктивності й відсутністю апробованих методів ідентифікації їх параметрів, моделювання й проектування.

4. Здійсненням ефективного керування технологічними режимами ХКУ в широкому діапазоні змін збурювальних та керуючих впливів та відсутністю методів синтезу регуляторів їх САК.

5. Проведенням експериментальних оцінок рівнів питомого енергоспоживання при порівнянні показників енергоефективності САК малих ХКУ й високою складністю існуючих методів ідентифікації електричного холодильного коефіцієнта.

6. Підвищенням енергетичної ефективності САК серійно вироблюваних малих ХКУ при одночасному зниженні їхньої матеріалоємності та існуючими САК, що вичерпали свої можливості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до Закону України "Про пріоритетні напрямки розвитку науки й техніки на період до 2017 року" і відповідно до планів науково-дослідних робіт кафедри електротехніки та електронних пристроїв Одеської державної академії холоду (ОДАХ), у тому числі з комплексної проблеми "Наукові основи електроенергетики", що входить до складу досліджень НАН України. Тематика роботи відповідає "Національній енергетичній стратегії України на період до 2030 року", затвердженої Верховною Радою України 15.03.2006 р. за № 145-Р, а також тематичному плану науково-дослідних робіт МОН України по науковому напрямку - "Екологічно чиста енергетика й ресурсозбережні технології" на 1995-2001 р.р., галузевою науково-технічною "Програмою сталого розвитку побутової техніки України на 2006-2011 роки" (Нак. №85 Мінпромполітики України від 03.03.2006 р.).

Під науковим керівництвом здобувача проведені дослідження, виконані в рамках:

- науково-освітньої програми підтримки й співробітництва з вищими навчальними закладами СНД компанії "Texas Instruments" (ОДАХ - SCANTI-RusLtd, 1999-2003 р.р.);

- міжкафедральної держбюджетної тематики кафедр "Електротехніки та електронних пристроїв" Одеської державної академії холоду й "Інформаційних систем" Одеського національного політехнічного університету (договір ЗДС-145 між ОДАХ і ОНПУ) "Розробка моделей і інформаційно-керуючих пристроїв силових інверторів вентильно-індукторних електроприводів техніки побутового призначення", №549-145, ДР №0105U00289 (2005-2008 р.р.).

З 2008 року, під науковим керівництвом здобувача ведуться:

- спільні дослідження в рамках міжкафедральної держбюджетної тематики кафедр "Електротехніки та електронних пристроїв" Одеської державної академії холоду і "Суднової електромеханіки та електротехніки" Одеської національної морської академії (договір № 318-08 між ОДАХ і ОНМА) "Розробка високоефективних систем керування судновим допоміжним холодильним і компресорно-насосним устаткуванням засобами автоматизованого електроприводу" (ДР №0109U001532, 2008-2011 р.р.);

- дослідно-конструкторська робота "Створення випробувальних стендів для оцінки характеристик енергозбереження промислового устаткування" (КПВК 2601030) у державному підприємстві Держспоживстандарту України Науково-технічний Центр "СТАНКОСЕРТ".

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є наукове обґрунтування й створення систем керування холодильно-компресорними установками малої продуктивності, що забезпечують їх підвищену енергетичну ефективність із розширенням функціональних й технологічних можливостей.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання.

1. Провести аналіз існуючих способів керування, оцінок енергетичної ефективності й математичного моделювання ХКУ, на підставі якого обґрунтувати завдання дослідження й намітити шляхи їхнього розв`язку.

2. Розвити методологію математичного моделювання САК ХКУ малої продуктивності з урахуванням особливостей енергоспоживання й протікання електромагнітних, електромеханічних, теплових, газодинамічних процесів.

3. Створити нові структурні схеми САК із розширеними технологічними можливостями ЕВМ малих ХКУ та експериментально їх дослідити.

4. Запропонувати алгоритми керування, що забезпечують підвищення енергетичної ефективності й розширення функціонально-технологічних можливостей ХКУ, у тому числі з існуючими ЕВМ герметичних компресорів.

5. Розробити ефективні методи й засоби ідентифікації параметрів, аналізу та синтезу САК малих ХКУ і їх ЕВМ з наступним виробленням практичних рекомендацій щодо їхньої розробки, вибору й застосуванню.

6. Експериментально дослідити роботу запропонованих САК ХКУ в режимах керованої продуктивності з розвитком теоретичної й прикладної бази функціонування інформаційно-вимірювальних пристроїв, специфічних для керованих ЕВМ названих установок.

Об'єктом досліджень є процеси автоматизованого керування технологічними режимами холодильно-компресорних установок малої продуктивності.

Предметом досліджень є системи автоматичного керування малих, побутових і спеціалізованих холодильно-компресорних установок.

Методи досліджень. У теоретичних дослідженнях застосовані: основні положення теорії автоматичного керування, холодильної техніки й електромеханіки при розробці структурних схем САК ХКУ; чисельні методи рішень диференціальних рівнянь Парка-Горєва й методи сплайн-апроксимації кривих намагнічування при моделюванні ЕВМ; методи Мейсона, малих відхилень, нечіткої логіки, рішення надлишкових систем рівнянь при побудові структурних схем САК, синтезі регуляторів, ідентифікації параметрів ХКУ та ЕВМ компресорів. Експериментальні дослідження проведені за допомогою авторських зразків САК ХКУ, ЕВМ і інформаційно-вимірювальних пристроїв.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше запропоновані математичні моделі одноступінчастих холодильних установок і повітряних мікрокомпресорів, які враховують їх електромеханічні, електромагнітні, теплові й газодинамічні процеси, що дозволяє встановлювати неаналітичні взаємозв'язки параметрів зі спожитою електроенергією й синтезувати високоефективні САК малих ХКУ.

2. Вперше запропоновані структурні схеми САК температурою в камерах, тиском і витратою повітря, що дозволяє підвищити енергетичну ефективність і розширити функціонально-технологічні можливості малих ХКУ за рахунок застосування:

- методів побудови систем підпорядкованого регулювання координат із регуляторами, що виключають насичення;

- особливим чином організованих каналів зворотного зв'язку, які реалізують принципи часткової інваріантності до змін статичного навантаження з боку компресора;

- формування в статичних характеристиках системи керування компресором ділянок струмообмеження із заданою жорсткістю.

3. Вперше запропоновані теоретичні основи створення, розрахунку параметрів і моделювання систем керування з вентильно-індукторними ЕВМ, що забезпечують можливості розробки високоефективних ХКУ із заданими функціональними властивостями.

4. Вперше встановлено, що підвищення енергетичної ефективності, зниження масогабаритних показників герметичних компресорів і розширення технологічних можливостей ХКУ здійсненно за рахунок застосування запропонованої концепції створення САК з ЕВМ на базі чотирьохполюсних асинхронних електродвигунів, розрахованих на підвищену номінальну частоту джерела живлення.

5. Вперше запропонована структурна схема екстремальної, за критерієм забезпечення мінімуму енергоспоживання, САК ХКУ, що використовує двоканальний принцип керування - температурою кипіння й температурою конденсації.

6. Вперше показано, що ефективна стабілізація тиску й витрати повітря досяжна при використанні в САК запропонованій формалізації запису правил логічного виводу двоканальних нечітких регуляторів, що реалізують у номінальному режимі ПІД-алгоритми керування з посиленими властивостями робастності за рахунок обмеженого числа правил і зсуву функцій приналежності.

7. Вперше встановлено, що при часткових теплових навантаженнях застосування запропонованої САК продуктивності герметичних компресорів ПХП дозволяє одержати режими їхньої роботи з мінімальними значеннями питомої витрати електроенергії на виробіток холоду.

8. Вперше встановлено, що дія алгоритму керування М.П. Костенка для асинхронних ЕВМ поширюється на вентильно-індукторні і встановлено вплив керуючих дій на статичні та енергетичні характеристики їх САК, чим забезпечуються додаткові можливості керування компресорами при збереженні максимального моменту.

9. Вперше запропоновано метод ідентифікації параметрів вентильно-індукторних ЕВМ, що базується на аналізі процесів зміни у часі напруги, струму й потокозчеплення при розряді конденсатора на фазу при різних кутових положеннях ротора, а також одержали подальший розвиток методи ідентифікації параметрів асинхронних ЕВМ малих ХКУ.

10. Вперше запропоновані методи ідентифікації електричного холодильного коефіцієнту е, що виключають використання пристроїв безпосереднього виміру масової витрати холодильного агента: 1) пасивний, заснований на аналізі поточних електричних параметрів ЕВМ компресора; 2) активний, заснований на аналізі ряду параметрів ХКУ при забезпеченні керування тепловим навантаженням холодильних камер.

Практичне значення отриманих результатів. Створені математичні й програмні засоби, конструкторські й технічні рішення дозволяють автоматизувати процеси керування та розроблювати сучасні САК малих ХКУ різного призначення з покращеними енергетичними характеристиками й розширеними технологічними можливостями, у тому числі:

- забезпечити астатичне регулювання температури в камерах малих ХКУ;

- забезпечити роботу малих ХКУ при зниженій на 30...40 % від номінальної напрузі живильної мережі та підвищити коефіцієнт їх потужності, незалежно від режимів роботи, майже до 0,98;

- забезпечити ефективну роботу ПХП у режимах "суперзаморожування", "відпустка" та інших за рахунок розширення діапазону регулювання швидкості компресора в межах від 1,1:3 до 1,2:10;

- знизити масу герметичних компресорів на 3...7 % за рахунок зменшення, не менш ніж в 1,5 рази, моменту інерції ротора й товщини пакета статора їх ЕВМ; зменшити в 2...6 разів пускові струми герметичних компресорів та знизити, не менш ніж на 0,7 дБ рівень їхніх шумів;

- доведена наявність унімодальних зон при керуванні продуктивністю малих ХКУ, поблизу яких питома холодопродуктивність максимальна, що дозволяє створювати енергетично ефективні їх САК, а саме - підвищувати при роботі із частковим тепловим навантаженням електричний холодильний коефіцієнт е не менш, ніж на 10 %.

Практична цінність дослідження підтверджується впровадженням наукових результатів здобувача:

- у ТОВ «Завод "Електротехніка"», м. Миколаїв і Київському державному заводі "Буревісник" (при розробці серійних САК мікрокомпресорами апаратів штучної вентиляції легенів), в експериментальних зразках систем керування ТОВ «Завод "Електротехніка"» виготовленими для ВАТ "Дніпропетровський електромеханічний завод" (малі вентиляторні установки з регульованою продуктивністю);

- у державному сертифікаційному підприємстві Держспоживстандарту України Науково-технічний Центр "Станкосерт" при розробці випробувальних стендів для оцінки характеристик енергозбереження промислового й побутового устаткування;

- у 2-х патентах України (спосіб визначення питомого енергоспоживання холодильних установок і новий тип електродвигуна герметичного компресора);

- у 3-х навчальних посібниках (у тому числі один із грифом МОН України № 1.4/181-2867 від 24.12.08) і 8-і учбово-дослідницьких стендах, у курсовому та дипломному проектуванні, керівництві аспірантами, однієї захищеної під керівництвом здобувача кандидатської дисертації за фахом 05.13.07, у лекціях по дисциплінах "Основи САПР", "Автоматизований електропривод", "Ідентифікація й моде-лювання об'єктів автоматизації", "Механотроні системи" для студентів ОДАХ, що навчаються за фахом 92501 "Автоматизоване керування технологічними процесами".

Особистий внесок здобувача. У дисертаційну роботу включені теоретичні положення й результати, отримані автором особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать: [2, 41] - постановка завдань, розробка схем, експериментальні дослідження; [51] - постановка завдання, розробка математичних моделей; [27] - ідея, розробка структурної схеми й принципів функціонування системи; [32] - вивід аналітичних виражень, порівняльний аналіз результатів; [3, 28, 52, 55] - постановка завдань, розробка й уточнення алгоритмів, вивід формул, аналіз результатів; [5] - ідея застосування, конструкція, постановка завдання; [29] - уточнення математичної моделі, проведення розрахунків, порівняльний аналіз результатів; [6, 8, 34] - ідея побудови структурних схем, розробка моделей, проведення розрахунків; [26, 35, 39] - постановка завдань, розробка алгоритмів керування й ідентифікації параметрів, вивід формул, аналіз результатів; [22, 54] - аналітичні вираження, розробка математичної моделі, рішення завдань з вибору типу САК; [4] - створення структурної схеми датчика й методики ідентифікації параметрів; [1, 11, 44] - постановка завдань, вивід аналітичних виражень; [7] - створення експериментального зразка САК стенду, аналіз результатів; [36] - постановка завдання, розробка алгоритму керування; [42, 50] - постановка завдань, розробка моделей; [12, 13, 17, 18, 24, 43, 46] - постановка завдань, розробка структурних схем САК й математичних моделей, аналіз результатів; [14, 47] - ідея, розробка математичних моделей, конструкцій, аналіз результатів; [15, 16] - ідея, розробка принципових схем, математичних моделей, експерименти; [20, 38, 53] - постановка завдань, ідея методу ідентифікації параметрів, розробка математичних моделей і САК; [9] - постановка завдання, експерименти, аналіз результатів; [10, 19, 23, 49] - ідея, постановка завдання й розробка алгоритмів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались й обговорювались на наступних регіональних, національних і міжнародних семінарах, конференціях і симпозіумах. Міжнародному семінарі з проблем енергозбереження "Перспективи впровадження енергозберiгаючих технологій та обладнання на підприємствах та установах Одещіни" (Одеса, ОНПУ, 2000 р.); 3, 4 і 5-у міжнародних семінарах "Інформаційні системи й технології" (Одеса, ОДАХ, 2005-2007 р.р.); семінарах Наукової ради НАН України "Оптимальне управління та експлуатація електроприводів холодильних установок" (Одеса, ОДАХ, 2003-2009 р.р.). Міжнародних науково-технічних конференціях (МНТК) по автоматичному управлінню "Автоматика-2001" (Одеса, ОНПУ, 2001 р.), "Автоматика-2004" (Київ, НУХТ, 2004 р.), "Автоматика-2008" (Одеса, ОНМА, 2008 р.); МНТК: "Проблеми створення нових машин і технологій" (Кременчук, КНУ, 2000-2003 р.р., 2007 і 2008 р.р.), "Енергоефективність `2005" (Одеса, ОДАХ, 2005 р.), "Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ`2003" (Харків, ХАІ, 2003 р.), "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика" (Харків, НТУ "ХПІ", 2003-2005 р.р. і Одеса, ОНПУ, 2006 р.), "Сучасні проблеми суднової енергетики" (Одеса, ОНМА, 2007 р.), "Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах" (Севастополь, СевНТУ, 2004, 2005 і 2007 р.р.), 4, 5 і 6-й МНТК "Сучасні проблеми холодильної техніки і технології" (Одеса, ОДАХ, 2005, 2007 і 2009 р.р.), II МНТК "Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих" (Донецьк, ДНТУ, 2003 р.), VII МНТК "Силова електроніка й енергоефективність - СЕЕ`2004" (Харків, НТУ "ХПІ", 2004 р.), 2-ї МНТК "Сучасні інформаційні технології в освіті й промисловості" (Миколаїв, НУК, 2003 р.). VIII міжнародної конференції по математичному моделюванню "МКММ`2006" (Херсон, ХНТУ, 2006 р.); 6 і 7-ї міжнародних конференціях "Компресори та холодильні установки" (Словаччина, Паперніка, 2006 і 2009 р.р.); 7-ї міжнародної науково-практичної конференції "Сучасні інформаційні й електронні технології. СІЕТ-2006" (Одеса, ОНПУ, 2006 р.); 1 і 2-ї НТК студентів і молодих учених ОДАХ (Одеса, 2003-2004 р.р.); 61 і 64-ї НТК професорсько-викладацького складу ОДАХ (Одеса, ОДАХ, 2004 і 2007 р.р.); НТК "Еколого-енергетичні проблеми початку XXI сторіччя" (Одеса, ОДАХ, 2001 і 2007 р.р.); симпозіумах представництва ф. Texas Instruments у СНД (Москва-Одеса, 1999 і 2002 р.р.).

Публікації. Основні положення дисертації відображено в 38 публікаціях у фахових наукових виданнях, а також у 2 патентах України, 16 друкованих доповідях, тезах і статтях міжнародних, національних, регіональних конференцій і семінарів. Із загального числа публікацій 10 написані без співавторів. Основний зміст дисертації відображають 56 публікацій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація містить вступ, шість розділів, висновки, список використаних джерел та додатки. Повний обсяг дисертації становить 345 сторінок, включаючи зміст і список абревіатур на 7 сторінках, 18 таблиць, 176 малюнків, 24 сторінки списку використаних джерел (267 найменувань) і 4 сторінки додатків, що містять акти впровадження результатів роботи.

1. Основний зміст роботи

У вступі визначено існуючу проблему й обґрунтовано актуальність теми дисертації, охарактеризовано їхні зв'язки з науковими програмами й темами. Сформульовано мету, завдання й застосовані методи досліджень, виділені предмет і об'єкт досліджень. Викладено новизну й практичне значення отриманих наукових результатів. Наведено дані про публікації й апробацію роботи, охарактеризовано особистий внесок здобувача. Наведені відомості про впровадження наукових результатів.

У першому розділі проведено аналіз існуючих способів керування, оцінок енергетичної ефективності й математичних моделей ХКУ, на підставі чого обґрунтовані завдання дослідження й намічені шляхи їхнього вирішення.

Встановлено, що способи керування продуктивністю за допомогою виконавчих механізмів (ВМ), які розташовані на трубопровідних комунікаціях і конструктивних елементах компресорів непридатні для малих ХКУ. Аналіз і порівняння різних електричних способів керування продуктивністю показав, що масово застосовуваний "гістерезисний" спосіб, поряд із простотою його технічної реалізації, має ряд принципово непереборних недоліків. Ці недоліки (погіршення умов змащення, механічні й електричні удари, падіння тиску і вспінювання масла при пуску, низька енергетична ефективність при роботі із частковими тепловими навантаженнями й інші) зв'язані зі способом керування та з особливостями використовуваних ЕВМ.

Показано, що керування продуктивністю шляхом регулювання частоти обертання компресора в існуючих ПХП не застосовується, а для кондиціонерів, зазвичай, здійснюється лише багатоступеневе керування вентилятором повітроохолоджувача. Принципові схеми ЕВМ виробники холодильно-компресорного устаткування не надають, хоча при згадуванні частотного способу керування використовують термін "інверторне керування", не розкриваючи його змісту.

Встановлено, що на сьогоднішній день немає жодної серійно вироблюваної моделі ПХП із плавно керованим ЕВМ компресора. Заяви виробників про економічний виграш і нові споживчі властивості малих ХКУ із частотним способом керування найчастіше носять декларативний або рекламний характер і, з огляду на гостру конкурентну боротьбу, вся інформація про устаткування, способи й алгоритми керування не є загальнодоступними, не підтверджені технічною документацією, характеристиками, розрахунками, порівняльним модельним або експериментальним зіставленням.

Аналіз способів оцінки енергетичної ефективності (ЕЕ) ХКУ показав, що всі відомі способи - експериментально-аналітичні й, в основному, застосовуються при сертифікації. Директиви Євросоюзу (2003/66/ЕЕС), євростандарти (EN 12900), стандарти США (ARI/ANSI 5220) пред'являють дуже високі вимоги до ЕЕ побутової холодильної техніки, а регіональні стандарти (IEC 61000-3-2, JIC C 61000-3-2, CCC) додатково встановлюють жорсткі вимоги й до узагальненого показника їх ЕЕ - енергетичному факторові (добутку ККД установки на коефіцієнт її потужності).

Аналіз ЕЕ ряду ПХП виробництва СНД показав, що для виходу України на міжнародний ринок необхідні кардинальні зміни в конструкціях ПХП, їх ЕВМ і системах керування. На основі зіставлення рівнів втрат енергії відзначено, що один з діючих способів підвищення ЕЕ ПХП - покращання температурного режиму герметичного компресора за рахунок зниження тепловиділень вбудованого ЕВМ і доведено, що таке завдання вирішується тільки системно, із застосуванням нових типів ЕВМ і САК.

Показано, що ефективне рішення завдань керування ХКУ неможливе без попереднього математичного моделювання (ММ) динамічних і статичних режимів їх роботи. Значний внесок у розвиток теорії моделювання й практичного її застосування в теплоенергетику, придатний і для ХКУ малої продуктивності, внесли багато відомих радянських, вітчизняних і закордонних учених: Балакірєв В.С., Верлань А.Ф., Гюнтер Е., Доуель М.А., Дудніков Є.Г., Ейдеюс О.І., Калнінь І.М., Канторович В.І., Клюєв А.С., Кондратенко Ю.П., Коханський А.Й., Оносовський В.В., Рей У., Ротач В.Я., Стефані Є.П., Ужанський В.С., Чумак І.Г., Ерріот П., Якобсон В.Б. й багато інших.

Аналіз публікацій, програмних продуктів, симуляторів і тренажерів різних ХКУ показує наступне. 1) ММ, орієнтовані на дослідження САК ХКУ, у літературі й доступних джерелах практично відсутні, часто носять фрагментарний характер або присвячені розробкам ММ окремих елементів ХКУ. 2) При створенні ММ використовуються цілком коректні спрощувальні допущення: теплові потоки в теплообмінних апаратах (ТА) одномірні й однорідні; рідина й пара в ТА перебувають у тепловій рівновазі; ефекти хвильової динаміки тиску несуттєві; процеси розширення ізоентальпні, а процеси стиску ізоентропні або політропні; теплові опори металевих елементів конструкцій у порівнянні з їхньою ємністю, а також осьова провідність холодоагенту зневажливо малі. 3) Жодна з відомих ММ ХКУ не дозволяє, навіть якісно, оцінювати електромагнітні й електромеханічні процеси в ЕВМ їхніх компресорів, ураховувати зміну статичного моменту опору компресора у функції кута повороту його вала при одночасному моделюванні процесів зміни температур охолоджуваного об'єкта або зміни тиску/витрати повітря.

Показано, що створення комплексних ММ "ХКУ - ЕВМ - САК" дозволить не тільки врахувати енергоспоживання ХКУ в різних режимах функціонування, але й ефективно вирішувати завдання аналізу та синтезу їх САК.

Проведений аналіз особливостей і сфер застосування САК ХКУ малої продуктивності дозволив сформулювати вимоги до ЕВМ компресорів з виділенням основних і перспективних типів застосовуваних у них електродвигунів. Показано, що кожний з ЕВМ у сукупності із САК і конкретній ХКУ характеризується рядом особливостей, що вимагає комплексних, у тому числі і експериментальних, досліджень.

У другому розділі вирішені завдання створення математичних моделей ХКУ малої продуктивності на прикладах розробки ММ заданих конструкцій ПХП і повітряних мікрокомпресорів апаратів штучної вентиляції легенів (АШВЛ).

З аналізу основних теплових, динамічних і статичних властивостей малих ХКУ, що функціонують з "гістерезисними" САК, проведено оцінки режимів роботи й властивостей ПХП, як керованих об'єктів, при змінах температур зовнішнього повітря tз.п., кипіння t0 і повітря в охолоджуваних камерах. При створенні ММ ПХП, яка враховує режими енергоспоживання при змінних умовах роботи, прийнято ряд припущень, що дозволило складні взаємозв'язки й геометрію конструкції ПХП спростити - заміною різних його елементів основними "еквівалентними тепловими зонами". Режими кожного з виділених елементів описані надлишковими середніми температурами tij, теплофізичні властивості - спільною теплоємністю Сij, а інтенсивність теплообміну між елементами - рівняннями виду:

Qij = ij (ti - tj), Вт (1)

де Qij - тепловий потік, перенесений від i-го елемента до j-го елемента конструкції, Вт; ij - теплова провідність переносу тепла від i-го елемента до j-го, Вт/оС; ti і tj - середні температури обраних основних елементів конструкції ПХП, C.

Для розрахунку температур у морозильній і холодильній камерах (МК і ХК) і розташованих у них імітаторах продуктів (ІП) при різних теплових навантаженнях Qв, записаний ряд диференціальних (ДР) і алгебраїчних рівнянь. Наприклад, зміна температури кипіння t0 на поверхні випарника описано вираженням:



(2)

де tвсМК і tвсХК - середні значення температур внутрішніх стінок МК і ХК; tіМК і tіХК - середні значення температур ІП, розташованих у МК і ХК; і - теплові провідності між зовнішньою поверхнею випарника й ІП у МК і у ХК; і - теплові провідності між внутрішньою стінкою МК і випарником, і, відповідно, між внутрішньою стінкою ХК і випарником; СВ - сумарна середня теплоємність метала випарника і киплячого холодоагенту, Дж/°С.

Аналогічним чином записані рівняння для розрахунку середніх значень температур стінок МК і ХК і температур розташованих у них ІП. Холодопродуктивність Q0 компресорно-конденсаторного агрегату (ККА) у заданому діапазоні зміни температур кипіння й при сталості температури конденсації апроксимована квадратичною залежністю й прямо пропорційна кутовій швидкості ЕВМ компресора:

, (3)

де а, b і с - постійні коефіцієнти, що залежать від конструктивних особливостей ККА, властивостей холодоагенту й тиску конденсації; * = ()/н - відносне значення кутової швидкості; () і н - відповідно, поточна й номінальна кутові швидкості ЕВМ компресора, рад/с; tз.п. - температура зовнішнього повітря, °C.

Попередньо прийнято, що ЕВМ компресора описується рівняннями узагальненого електромеханічного перетворювача (ЕМП) енергії руху, електромагнітного моменту М, ЕРС Е, електричної рівноваги, кута повороту. Датчик температури кипіння сильфонного типу описується безінерційною ланкою із гістерезисною статичною характеристикою; статичний момент опору з боку однопоршньового герметичного компресора ПХП описано виразом:

Mc ? Fг·R·sin() - 0,52()·m·R2·sin(2), (4)

де Fг - газова сила, Н; R - радіус кривошипа компресора, м; m - маса поршня й куліси компресора, кг; - кут повороту вала компресора, рад.

Розроблена ММ дозволила, крім розрахунку середніх значень температур поверхонь МК, ХК і інших обраних елементів конструкції ПХП, за допомогою вузлів множення й інтегрування поточних значень напруги U і струму I ЕМП розраховувати енергоспоживання ПХП при різних збуреннях. У результаті моделювання, для різних умов роботи ПХП, побудовані динамічні залежності температур (кипіння, ІП МК і ХК), струму, швидкості ЕВМ, енергоспоживання, що показали високу їхню збіжність із експериментальними.

При розробці ММ повітряного мікрокомпресора (ПМ) АШВЛ враховано, що: рівняння гідроаеромеханіки й газодинаміки для грузлих і теплопровідних рідин або газів вирішуються тільки за допомогою чисельних методів; для ламінарного плину середовища справедливе твердження про його нестисливість, а в прикладних завданнях стисливий газ розглядається як нестислива рідина, оскільки змінами щільності середовища можна зневажити й ряд інших. При прийнятих допущеннях і обмеженнях, рівняння руху переміщуваної газової суміші в АШВЛ буде відповідати другому закону Ньютона:

, (5)

де mср - сумарна маса середовища, що переміщується, кг; v - лінійна швидкість поступального пересування середовища, м/с; Fi - рівнодіюча всіх n (рушійних і протидіючих) на переміщуване середовище сил, Н.

Для ПМ АШВЛ рівнодіюча сила Fi містить алгебраїчну суму чотирьох сил.

1) Силу, пропорційну надлишковому тиску P0 при нульовій витраті газового середовища:

F0 = s1P0 = s1(gk2/i2p).

2) Силу протидії переміщенню газового середовища через нагнітаючий тракт ПМ:

Fс.мк = s2Pс.мк = s2(grQмкQ2).

3) Силу протидії переміщенню середовища через газопровідний тракт АШВЛ:

Fc.гп = = s3Pc.гп = s3(grQгпQ2).

4) Статичну силу протидії переміщенню газового середовища від зовнішнього джерела протитиску (пацієнта):

Fcт = s3Pст.

У рівняннях позначено: s1 і s2 - площі поперечного перетину, м2, всмоктувального й нагнітального патрубків ПМ; s3 - площа поперечного перетину, м2, газопровідного тракту АШВЛ; - середнє значення щільності газової суміші (кисень, закис азоту, водяна пара), кг/м3, при середній температурі 36 С; g - прискорення вільного падіння, м/с2; Q - об'ємна витрата газової суміші, м3/с; Pст - статичний тиск, Па; Pс.мк - протитиск переміщенню газового середовища через нагнітаючий тракт ПМ, Па; Pc.гп - протитиск переміщенню середовища що нагнітається через газопровідний тракт АШВЛ, Па; rQмк і rQгп - аеродинамічні опори нагнітального тракту ПМ і газопровідного тракту АШВЛ, с2/м5 (при тисках, виражених у м. вод. ст.); k - коефіцієнт надлишкового тиску стиску ПМ, мс2/рад2, обумовлений з режиму роботи АШВЛ із максимальним тиском при нульовій витраті: k = P0мip2 /(gм2). В вираженнях P0м - максимальний надлишковий тиск при нульовій витраті газового середовища, Па; і м - поточна кутова й максимальна кутова частоти обертання вала ПМ, рад/с; iр - коефіцієнт передачі редуктора ЕВМ ПМ.

Витрата Q і швидкість v газової суміші зв'язані відношенням

= Q/s.

Поточне значення тиску P газової суміші на виході з АШВЛ (при P і P0, виражених у м. вод. ст.), визначається виразом

P = P0 - rQмкQ2,

а значення статичного моменту Mc на валу ЕВМ ПМ - формулою:

, (6)

де (Q) - нелінійна залежність ККД ПМ від поточного значення витрати Q суміші; Мхх - реактивний момент опору на холостому ході механізму ПМ, Нм; k - коефіцієнт грузлого тертя ("вентиляторний" коефіцієнт), Нмс2/рад2.

У результаті моделювання побудовані статичні характеристики ПМ при змінах аеродинамічного опору rQгп газопровідного тракту АШВЛ і динамічні характеристики ПМ при стрибкоподібному збільшенні частоти обертання ЕВМ і rQгп = const. У результаті встановлено, що процеси зміни витрати й тиску газової суміші можуть бути апроксимовані передатними функціями (ПФ) з нелінійними коефіцієнтами передачі, сталими часу й часом чистого запізнювання, які є функціями частоти обертання ЕВМ ПМ і аеродинамічного опору газопровідного тракту.

Із аналізу роботи ПМ АШВЛ у режимі керованої продуктивності встановлено, що при певних продуктивності й змінах статичного навантаження виникають неприпустимі для застосування за медичними показниками пульсації тиску/витрати нагнітальної суміші. Встановлено, що ці явища пов'язані з: нелінійно залежними від режимів роботи АШВЛ властивостями ПМ по каналах тиску й витрати; нелінійною залежністю моменту опору Мс від частоти обертання ЕВМ, аеродинамічного навантаження, тиску й витрати газової суміші; пульсаціями моменту й частоти обертання, які обумовлені особливостями роботи ЕВМ й виникненням пружних коливань в електромеханічній системі нагнітання ПМ.

Третій розділ присвячено дослідженням існуючих і перспективних ЕВМ компресорів як елементів систем автоматизації процесів керування ХКУ.

Розроблені ММ ЕВМ компресорів на основі ОАД і ТАД відрізняються від відомих використанням етапів настроювання нелінійних параметрів моделей, що дозволило проводити подальші дослідження САК з такими ЕВМ при широких діапазонах змін керуючих впливів і навантажень.

Спершу готуються ММ у формі ДР Парка-Горєва, причому для ЕВМ із ОАД враховується внутрішня несиметрія конструктивних параметрів.

Потім оцінюються ефекти насичення магнітної системи основним магнітним потоком Ф, витиснення струму в стрижнях ротора, значення втрат у сталі й уточнюються всі параметри схеми заміщення (СЗ). Визначаються, прогонами ММ, із близькими до номінальних значеннями параметрів СЗ, значення втрат у сталі Рст, а також індуктивного опору ланцюга взаємоіндукції xm, із забезпеченням для статичного режиму номінальних значень частоти обертання н, ККД н, струму статора I1н і cos н (при номінальному статичному навантаженні Мс.н. і урахування механічних втрат). На цьому другий етап настроювання моделі закінчується, а із усталених значень змінних визначаються номінальні значення потокозчеплення н, втрати у сталі Рст.н і індуктивного опору ланцюга взаємоіндукції xm.н.

Нарешті, в ММ налаштовану на номінальний режим роботи й уже практично готову для застосування при дослідженнях у складі САК, вводяться типові нелінійні статичні залежності

(2),

де Lm() - залежність індуктивності Lm основного магнітного потіку від потокозчеплення , а (2) - залежність приведеного опору ротора від частоти 2 струму ротора й враховується вплив зміни втрат у сталі

.

У вираженні позначене: s - ковзання, н - символ номінального значення, f - частота джерела живлення, Гц, k - показник степені, що залежить від марки електротехнічної сталі.

Для вирішення завдання ідентифікації параметрів СЗ запропоновано метод, що дозволяє ідентифікувати основні параметри СЗ використовуючи мінімум номінальних паспортних даних про ОАД або ТАД. Суть методу складає пошук мінімуму цільової функції (ЦФ) Fц стосовно до розробленої М:

Fц = [(I - I1н)2 + ( - н)2 + ( - н)2] min, (7)

де , і - вагові коефіцієнти. Так, для робочої обмотки ОАД параметрами оптимізації є шість незалежних активних і індуктивних опорів СЗ. При виборі найбільш ефективного методу пошуку мінімуму функції Fц, проведене її дослідження на наявність екстремумів. Встановлено, що в областях варіювання параметрів, ЦФ має кілька локальних мінімумів, що викликало необхідність застосування методу Монте-Карло.

Для ЕВМ компресорів з ТАД малої потужності ідентифікація параметрів їх СЗ може бути здійснена методом експертних оцінок з використанням відомих параметрів аналогічних ТАД. У ході дослідження запропонована методика ідентифікації, уточнено ряд коефіцієнтів і отримано вираз для визначення струму збудження Im, що дозволяє уточнити основні номінальні параметри СЗ:

,

при н > cos н, і

,

при н ? cos н.

Ідентифіковано параметри СЗ для трьох різних типів ОАД, а також для більш ніж п'ятдесятьох ТАД різних серій з синхронними частотами 104,7, 157 і 314 рад/с і потужністю від 0,09 до 15,0 кВт. Порівняння каталожних даних СЗ і ідентифікованих для ТАД дає відносні похибки від 5 до 18 % для опорів розсіювання, активних і кола намагнічування.

Запропоновано реалізацію ЕВМ із БДПС, де виключені програмні або апаратні проміжні обчислення координат і дорогий енкодер. Технічно таке рішення використовує в якості датчика положення ротора (ДПР) три геометрично зміщених датчика Хола й спеціалізовану мікросхему (наприклад, МС33035), що формує сигнали розподільника імпульсів (РІ) на ключі силового інвертора. Зворотний зв'язок за струмом здійснюється за допомогою тільки одного датчика струму, встановленого в ланцюзі джерела живлення, що дозволило застосувати один, спільний для трьох фаз, регулятор струму й різко спростити САК ЕВМ. Сигнал зворотного зв'язку за швидкостю формується з імпульсних сигналів ДПР за допомогою активного аналогового фільтра (АФ). Зіставлення різних режимів деталізованої ММ й її "гладкої" моделі підтвердило адекватність їхнього функціонування і використано при синтезі САК.

Розроблено принципи створення, розрахунку параметрів і ММ ЕВМ компресорів з ВІД. З режиму симетричної одиночної комутації фаз видно, що у будь-який момент часу для працюючої фази із внутрішнім опором R має місце вираз:

, (9)

де (), i() i u() - миттєві значення сумарного потокозчеплення, струму через фазу й напруги на фазі. Для включеної фази сумарне потокозчеплення є нелінійною функцією від струму i() й кутового положення () ротора: () = [i(), ()]. Рівняння (9) представлено у вигляді

, де

- повний диференціал потокозчеплення за часом. Таким чином:

, (10)

при цьому

,

де - диференціальна індуктивність. Введення в розроблену ММ цієї індуктивності як елемента схеми заміщення реального ланцюга фази, дало можливість врахувати явища самоіндукції й накопичення енергії в магнітному полі обмотки ЕВМ з ВІД.

Застосування для записаних ДР методу нескінченно малих прирощень до змін потокозчеплення в часі дозволило припустити, що на нескінченно малих прирістах переміщення ротора й індуктивність фази не будуть залежати від часу і струму.

Створені функціональна й структурна схеми ЕВМ з ВІД і обґрунтовані методи розрахунку всіх основних елементів такої електромеханотронної САК.

Розроблені деталізовані ММ регуляторів, силового інвертора, РІ, "керованої індуктивності". Створені на їх основі "швидкі" ММ дозволили враховувати основні нелінійні властивості ЕВМ. Верифікацію ММ проведено порівнянням із характе-ристиками й властивостями створених експериментальних зразків ЕВМ компресорів.

Проблема ідентифікації основних параметрів ЕВМ з ВІД - значень опорів фаз R, потокозчеплення () при різних кутах повороту ротора , залежностей (і), статичної й динамічної індуктивностей фаз вирішена за допомогою постекспериментального аналізу процесів зміни в часі напруги, струму і потокозчеплення.

Миттєве значення електромагнітного моменту M() може бути визначено розрахунком дрібу - приросту коенергії Wк() до нескінченно малого кутового переміщення ротора ():

.

Розрахувати миттєві значення потокозчеплення й побудувати залежності (і) можна з виразу для електричної рівноваги фази (9), звідки одержимо

.

Для ідентифікації означених параметрів пропонується використовувати імпульсний розряд на фазу ВІД попередньо зарядженого джерелом постійної напруги конденсатора великої ємності, який є практично ідеальним джерелом ЕРС. Розроблена ММ запропонованого пристрою і на її основі створено експериментальний стенд, за допомогою якого проведені відповідні досліди, що підтвердили працездатність нового методу ідентифікації параметрів ВІД.

Четвертий розділ присвячено розробці систем керування ПХП і ПМ.

, (11)

де kп і Tп - коефіцієнт передачі і стала часу СП; kс і Tс - коефіцієнт передачі й стала часу датчика струму; Rе - еквівалентний опір; Те й Тм - електромагнітна і електромеханічна сталі часу;

T1 = Tп + Tс

- мала некомпенсована стала часу ЗКРС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вузол 2 реалізує негативний зворотний зв'язок (НЗЗ) за ЕРС ЕМП. Синтезована ПФ регулятора ЕРС (П-типу) налаштовує середній контур на технічний оптимум. Вузол 3 призначено для формування статичних характеристик та упередженого струмообмеження (ПУСО) САК, що істотне при зміні режимів роботи компресора ПХП.

Вузол 4 - вузол, що функціонує разом з вузлом 2, призначений для зниження рівня пульсацій швидкості однопоршньових компресорів, шляхом додання САК властивостей часткової інваріантності до змін моменту опору Мс, прикладеного до ЕМП з боку компресора. Використовуючи інформацію про поточні значення струму, ЕРС і напруги ЕМП, оцінюється поточне значення статичного моменту Мс. Далі отриманий сигнал оброблюється компенсаційною ПФ Wк(s) і надходить на вхід ЗКРС, створює тим самим контур позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ).

У табл. 1 наведено порівняння розрахункових значень витрат енергії ПХП і втрат енергії в обмотці ЕМП.

Таблиця 1 Порівняння енергетичних показників САК ПХП

Так, для температури кипіння t0 = -12 C, коефіцієнт зниження температури обмотки kзнt = Еобм.Р / Еобм.СПРК = 0,092/0,108 = 0,85, що відповідає зниженню опору обмотки на 6 %, і, оскільки СПРК підтримує незмінний від температури обмотки температурний режим кипіння, тому теплові втрати також знижуються не менш, ніж на 6 %. Сумарна добова витрата електроенергії знижена на 0,28 кВтг, а інтегральне значення електричного холодильного коефіцієнту е зросло до 1,33.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аналіз ЛАФЧХ розімкнутої САК ПМ показав, що будь-яке ненульове статичне навантаження створює додатковий динамічний контур НЗЗ, що різко знижує результуючий коефіцієнт передачі в області низьких частот з одночасним притиском резонансного "провалу" і неприпустимим збільшенням амплітуди "піку" Lнск некорегованої системи. Встановлено, що: а) традиційне корегування контуру швидкості ПМ у складі двомасової системи з номінальним статичним навантаженням з боку ПМ складне - потрібні ПІ2Д-регулятор й фільтр при невисоких результуючих динамічних показниках; б) підвищення астатизму приводить до структурної нестійкості замкненої САК; в) статичне навантаження нелінійно залежить від частоти обертання вала ЕВМ й приводить до необхідності перенастроювання параметрів регулятора швидкості. Для корекції динамічних властивостей і підвищення робастності САК ПМ запропоновані нечіткі двоканальні регуля-тори (НР) для контурів швидкості й тиску/витрати.

Зі схеми багатоканального НР (рис. 4) виділено двоканальний, що містить два НР - F1 і F2. Вважаємо, що ПФ W11(s), W21(s) і W12(s), W22(s) вхідних термів - масштабні пропорційні ланки; вхідних сигналів два - x11(s) = x12(s) і x21(s) = x22(s), причому перший з них є похибка регулювання (s), а другий - похідна d()/d s(s) від похибки; ПФ W31(s) першого НР здійснює пропорційне посилення, а другого НР W32(s) - операцію інтегрування із сталою часу Ті; нелінійні коефіцієнти передачі K1F1, K2F1 і K1F2, K2F2 нечітких регуляторів по кожному з термів x1(s), …, x4(s) лінеаризовані. При цих умовах можна записати:

W11(s) = kП1; W21(s) = kД1; W12(s) = kП2; W22(s) = kД2;

() (s) = x11(s) = x12(s); d()/d s(s) = x21(s) = x22(s);

K1F1 = ; K2F1 = ; K1F2 = ; K2F2 = ; (12)

W31(s) = kп; W32(s) = .

y1(s) = (s)kП1K1F1kП + s(s)kД1K2F1kП ;

y2(s) = (s)kП2K1F2 + (s)kД2K2F2; (13)

y(s) = y1(s) + y2(s),

звідки передатна функція НР

WНР(s) = = kП1K1F1kП + kД2K2F2 + kП2K1F2 + skД1K2F1kП (14)

відповідає передатній функції ідеального ПІД-регулятора:

WНР(s) = KпНР + + sTдНР, (15)

KпНР = kП1K1F1kП + kД2K2F2 ;

TіНР = Tі /(kП2K1F2); TдНР = kД1K2F1kП.

Якщо вхідні терми розбити на 5, а вихідні на 7 множин, то сукупність правил, наприклад, для пропорційного каналу, буде така, як приведено на рис. 5.

Запис правил виходу формалізовано, використовуючи вперше запропонований принцип симетричного запису логічного виводу: шляхом розвороту стовпця змінної x2 по вертикалі в порівнянні із загальноприйнятим поданням для напрямків стовпців таблиць. Отримана в такий спосіб таблиця правил монотонна, що підвищує стійкість роботи замкненої САК і враховує виконання очевидної умови s < 0 для статичного режиму.

Записані усередині окружності правила забезпечують усталений і близький до нього режими роботи, а інші правила забезпечують перехідні режими. Крім того, виключення правил 1, …, 4 і зсув центрів ФП, а в деяких випадках і вхідних, термів до області ZE підвищують робастні властивості НР.

Оскільки в САК здійснюється нормування сигналів датчиків і регуляторів до рівня 10 В і вихідний сигнал x2 (похідна від похибки ) також не може перевищувати 10 В, то вважаємо, що масштабні коефіцієнти НР kПi = kДi = 1. Для двох вхідних незміщених симетричних трикутних термів і зміщеного вихідного трикутного терму (див. рис. 6) коефіцієнти K1Fi і K2Fi НР розраховані, як відношення прирощень сигналів виходу НР до прирощень сигналів входу , при малих відхиленнях термів від усталеного руху, тобто поблизу режиму стабілізації вихідної координати САК.

Размещено на http://www.allbest.ru/

У синтезованому НР є два входи й один вихід і для будь-якої комбінації вхідних фаззі-синглетонів результат імплікації буде відмінний від нуля лише для чотирьох "активних" правил. Доведено, що при нескінченно малих вхідних сигналах коефіцієнт передачі запропонованого НР прагне до нескінчен-но великого значення, тим самим поблизу точки стабілізації вихідної змінної надає САК астатичні властивості. Розраховано коефіцієнт підсилення НР для всього діапазону змін Е1…Е5 вхідних сигналів. Очевидно, що якщо таблиця правил і вихідні термі симетричні, вхідні терми симетричні і число їх рівне, то для цього випадку =. Отже, якщо встановити в кожний з каналів двоканального нечіткого ПІД-регулятора (див. рис. 4), два абсолютно однакових НР із однаковими масштабними коефіцієнтами kПi і kДi, тоді результуюча структурна схема спрощується - усуненням НР в одному з каналів. Така схема, з урахуванням масштабування сигналів і їхнього обмеження, наведена на рис. 7. Реакція на одиничний стрибок підтверджує ПІД властивості НР із обмеженням сигналу виходу на рівні 10 В.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отже, використавши подібність виразів (14) і (15), можна відмовитися від методу налагодження НР "експертним підбором" параметрів, взявши за основу параметри ПІД-регулятора, розраховані для номінальних умов роботи, наприклад, такі, що забезпечують "технічний" оптимум. При такому рішенні записані правила (див. рис. 5) будуть надавати НР властивості робастності, а можливість формування нелінійних властивостей здійснювати зсувом центрів Ci вихідних термів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розроблено САК, де використано один НР для стабілізації швидкості двомасової системи і ще один НР - для стабілізації тиску/витрати газової суміші ПМ АШВЛ. На рис. 8 наведені графіки, отримані при моделюванні САК при різних значеннях задавальної дії UзPQ. Настроювання здійснювалося при роботі на мережу з rQгп = 25·0,9675·106 с2/м5 при обраному номінальному режимі (графіки P2, Q2, M2 і 2). При відхиленнях уставки завдання від номінального значення (Р2 = 4 кПа), спостерігається несуттєве погіршення якості процесів.

Створений алгоритм нечіткого керування реалізовано у серійних САК АШВЛ "Малятко", "Фаза" і "Бриз" за допомогою цифрового сигнального мікропроцесора TMS320F243PGEA ф. Te-xas Instruments, а саме алгоритм нечіткого керування переданий представництву фірми "TI" у СНД, у рамках виконання наукової програми співробітництва (1999-2003 р.р.).

Запропонована нова структурна схема САК ПХП, що забезпечує мінімізацію витрати електроенергії на виробіток холоду при змінюваних в широких межах керуючих сигналів і теплових навантаженнях. Принцип роботи САК заснований на двоканальному плавному керуванні продуктивністю: 1-й канал - компресора, 2-й канал - примусового охолодження повітряного конденсатора. Взаємодія двох каналів забезпечується за допомогою екстремального регулятора ЕР, що визначає задавальну уставку tк.зад каналу керування вентилятором повітряного конденсатора, виходячи з умови мінімуму споживаного двома САК (продуктивністю компресора й вентилятора) сумарного струму:

Iк + Iв min.

Двоканальне керування неможливе без створення САК ЕВМ вентилятора повітряного конденсатора, причому спо-живана електрична потужність вентилятора при роботі у складі ПХП уже порівнянна з тепловими припливами, повинна бути обмеженою й враховуватися в сумарній витраті електроенергії. Запропоновані конструктивні рішення ЕВМ з ТАД характеризуються, при мінімально-необхідних технологічних можливостях, невисокою вартістю.

Структурна схема ММ двоканальної САК ПХП наведена на рис. 9. Локальні САК, які містять регулятори, а також ЕВМ компресора й вентилятора, настроєні на технічний оптимум. Таким чином, модель, крім ЕР містить субблоки моделей ПХП і локальних САК продуктивністю компресора й вентилятора. Робота ЕР реалізує алгоритм пошуку екстремуму методом дихотомії. Як приклад функціонування двоканальної САК, розглянута її робота із ПХП і осьовим вентилятором ф. Silen. У ММ враховані нелінійні залежності ККД вентилятора від швидкості, а також його напірно-видаткової

Рв = f(Qв)

характеристики. У ММ САК, для оцінки режимів енергоспоживання залежно від зміни температури зовнішнього повітря (8…45 °С), характеристики відносної холодопродуктивності компресора Q0/Q0н у функції температур конденсації й кипіння (-30…+10 °С) апроксимовані сплайн-функціями, а зв'язок, що описує зниження температури конденсації щодо температури зовнішнього повітря й продуктивністю Q вентилятора приймався практично лінійним. Для прискорення розрахунків у розробленій ММ використані "гладкі" моделі локальних САК й тому не враховані втрати в елементах СП. Результати оцінки енергоспоживання при різних температурах зовнішнього повітря наведені на рис. 10. На рис. 11 наведений приклад роботи ММ при пошуковому процесі - знаходженні САК точки, що відповідає майже мінімальній сумарній витраті електроенергії при температурі зовнішнього повітря tз.п. = 28 °С. Пошуковий процес починається після виходу ПХП у статичний температурний режим при максимальній продуктивності вентилятора. Споживана потужність вентилятора при цьому максимальна (22 Вт), а потужність компресора - мінімальна (34 Вт). Через проміжки часу ЕР змінює керуючу дію, при цьому встановлюються нові статичні режими енергоспоживання при колишній, заданій температурі кипіння. Пошуковий алгоритм ЕР, шляхом випробувань, порівнює поточне значення енергоспоживання з попереднім. На цій основі ЕР приймається рішення про подальшу зміну продуктивності вентилятора. Після ряду ітерацій встановлюється енергетично найвигідніший режим, при якому сумарна потужність вентилятора ( 9 Вт) і потужність компресора ( 39 Вт) мінімальна. Незважаючи на те, що реальне енергоспоживання потрібно збільшити відносно розрахункових значень (для одноканальної САК, приблизно на 5 %, а двоканальної - на 8 %), ефективність функціонування запропонованої САК очевидна.

...