Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов оценки энергетических и экологических свойств комбинированных энергоустановок на основе теории оптимального управления

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
комбинированная энергоустановка, энергоэффективность, оптимальное управление, математическое моделирование, алгоритмы управления, динамическое программирование

Цель проекта:
1. Комбинированные энергетические установки (КЭУ), сочетающие в себе источники (или накопители) энергии разных видов, при современном уровне развития энергетических технологий являются наиболее востребованным и интенсивно развивающимся средством рационального использования природных энергоресурсов и снижения вредного воздействия процессов выработки энергии на экологию. В связи с большим разнообразием, а зачастую и существенной сложностью компонентного состава и структуры КЭУ на начальном этапе её создания целесообразно использовать некоторый инструментарий, основанный на том или ином методе оптимизации, который будет обеспечивать выполнение следующих задач: – проведение относительно быстрой оценки максимального (теоретического) потенциала КЭУ с точки зрения энергоэффективности и экологичности при отсутствии алгоритма управления ею; – корректное сравнение максимальных потенциалов разных схем КЭУ с использованием унифицированного, как можно менее зависимого от структуры и компонентного состава КЭУ, метода. 2. Целью реализуемого проекта является: - разработка новых методов проведения сравнительной оценки энергетических и экологических свойств комбинированных энергетических установок (КЭУ) на начальном этапе их проектирования; -уменьшение времени, требуемого для выбора схемы КЭУ, параметров ее компонентов и разработки алгоритма управления ей; - снижение вероятности ошибок и нерациональных решений при создании КЭУ. Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, является набор методов, позволяющих проводить сравнительную оценку энергетических и экологических свойств комбинированных энергоустановок на начальном этапе их проектирования. В этой связи проведение НИР и ОКР в области КЭУ станет одним из средств увеличения конкурентоспособности отечественной прикладной науки.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основными результатами проекта являются:
- описание разработанных методик;
- программное обеспечение, включающее математические модели КЭУ и алгоритмы поиска оптимального
управления;
- экспериментальный образец технического объекта с комбинированной энергетической установкой;
- заявка на получение патента РФ на изобретение;
- публикации в научно-технических журналах;
- рекомендации по разработке комбинированных энергоустановок и алгоритмов управления ими;
- рекомендации по совершенствованию базы нормативно-технических документов, относящихся к техническим объектам с КЭУ.
2. Основные характеристики планируемой научно-технической продукции.
Методика сравнительной оценки КЭУ по критериям энергоэффективности и экологичности предназначена для: выявления максимального (теоретического) потенциала КЭУ с точки зрения энергоэффективности и экологических свойств посредством теории оптимального управления; сравнения КЭУ различных схем и компонентных составов по критериям максимальных потенциалов энергоэффективности и экологичности; выбора схемы и компонентного состава КЭУ для реализации в рамках конкретной работы; получения исходных материалов для разработки алгоритма управления КЭУ.
Разрабатываемые математические модели обеспечат погрешность в определении расхода топлива не более 10…12% при диапазоне путевых расходов 3…30 л/100 км; адекватную оценку вредных выбросов в пределах норм экологических классов в соответствии с Техническим регламентом «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территорию Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ; погрешности в определении показателей работы компонентов КЭУ не более 15%.
Производительность разрабатываемого программного обеспечения пропорциональна частоте и количеству потоков CPU ЭВМ. Время поиска оптимального управления зависит от сложности задачи и изменяется от 1…2 мин до 20…30 часов.
Разрабатываемый экспериментальный образец КЭУ обеспечит транспортному средству соответствующего типа и класса максимальную скорость не менее 110 км/ч; снижение расхода топлива по сравнению с базовым транспортным средством не менее чем на 20%; максимальное ускорение не ниже 1,5 м/с2. Опытный образец разрабатываемого транспортного средства с КЭУ будет соответствовать заявленным выше характеристикам.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Результаты проекта используются при создании опытного образца транспортного средства с комбинированной энергетической установкой, соответствующего современным экологическим нормам и обладающего лучшими экономическими характеристиками по сравнению с конкурентами. Его можно использовать в качестве базового шасси для создания экологически чистых транспортных средств различного назначения в соответствии с запросами рынка и конечных потребителей.
2. Научная новизна применявшихся методик и решений заключается в следующем:
– предложен оригинальный метод оценки энергетических и экологических свойств КЭУ, базирующийся на теории оптимального управления;
– предлагается оригинальный подход к оптимальному управлению как к внутреннему свойству математической модели исследуемого объекта;
– предлагается методика отражения в оптимальном управлении инженерного опыта посредством модифицирующих функций;
– разработано оригинальное программное обеспечение, позволяющее проводить поиск оптимального управления для КЭУ различной структуры и компонентного состава.
3. Вышеперечисленные результаты соответствуют, а по некоторым показателям превышают уровень мировой научно-технической продукции.
4. В основу инструментария, используемого для выполнения ПНИ, заложена теория оптимального управления. Методы этой теории применяются в сочетании с математическим моделированием технического объекта, что при заданных условиях его работы позволяет получить его оптимальное управление. Оптимальные управления, полученные на этапе начальной оценки и выбора схем и компонентных составов КЭУ, могут быть в дальнейшем использованы для создания алгоритмов управления энергоустановками, принятыми в к дальнейшей разработке.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ожидаемые результаты научно-исследовательской работы могут быть использованы в качестве инструментов создания комбинированных энергоустановок КЭУ, предназначенных для применения на транспорте. Кроме энергетического и мощностного обеспечения непосредственно транспортной работы, комбинированные энергоустановки с помощью полученных в результате ПНИ инструментов могут быть адаптированы (синтез структуры КЭУ) и оптимизированы (в аспекте энергоэффективности) для обеспечения различных технологических и энергоснабжающих процессов, осуществляемых на борту специальных и специализированных транспортных средств (например, приготовление строительных смесей, термостатирование скоропортящихся грузов, обеспечение электроэнергией различных объектов в аварийных или экстренных ситуациях).
Методы и программное обеспечение, которые будут получены в результате ПНИ, позволят проводить исследование свойств КЭУ и их сравнение в отсутствие алгоритмов управления ими. Полученный инструментарий будет позволять разработчику КЭУ использовать в нем собственные модели технических объектов. Таким образом, ожидаемые результаты ПНИ будут обладать достаточной универсальностью, чтобы быть применяемыми в разных проектах различными разработчиками КЭУ, и достаточной гибкостью для осуществления творческого подхода к каждой конкретной задаче.
Ожидаемые результаты научно-исследовательской работы могут быть использованы научными организациями и промышленными предприятиями, которые проводят разработки транспортных средств с комбинированными энергоустановками или заинтересованы в таких разработках; например, научно-исследовательские институты, научно-производственные предприятия.

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен анализ исследуемой проблемы и анализ материалов аналогичных работ, представленных в литературе
2. Обоснован выбор направления исследований.
3. Проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы.
4. Разработана методика оценки энергетических и экологических свойств КЭУ.
5. Разработана математическая модель прямолинейного движения колесного транспортного средства.
6. Разработана математическая модель силового привода КЭУ последовательной схемы.
7. Разработана математическая модель силового привода КЭУ параллельной схемы.
8. Разработана математическая модель силового привода КЭУ последовательно-параллельной схемы.
9. Разработана математическая модель силового привода КЭУ схемы «сплит».
10. Разработаны математические модели компонентов КЭУ (ДВС, электрические машины, накопители, трансмиссия).
11. Разработан алгоритм поиска оптимального управления КЭУ.
12. Разработано программное обеспечение, определяющеее оптимальное управление КЭУ.
13. Проведены патентные исследования
14. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец КЭУ.
15. Изготовлен экспериментальный образец КЭУ в составе.
16. Разработаны программа и методики проведения испытаний экспериментального образца КЭУ.
17. Проведены испытания экспериментального образца КЭУ.
18. Разработана рабочая конструкторская документация на новые и изменяемые узлы опытного образца транспортного средства с КЭУ.
19. Изготовлен опытный образец транспортного средства с КЭУ.
20. Разработана программа и методики предварительных испытаний
опытного образца транспортного средства с КЭУ.