Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание энергосберегающей оптимальной системы управления электроприводом для промышленных объектов и объектов спецтехники

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Сурков Виктор Васильевич

Этапы проекта

1
18.11.2009 - 15.12.2009
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ПРОМЕЖУТОЧНОМ ЭТАПЕ № 1
«Обоснование предлагаемого подхода к выполнению темы работы»
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 18 ноября 2009 г. № 02.740.11.0477.

Шифр: 2009-1.1-000-082-067
Период выполнения этапа 18 ноября 2009 г. - 15 декабря 2009 г.
Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ)
300600, г. Тула, пр. Ленина, 92
Цель работы Создание достаточно простой, доступной инженерам "физической" теории аналитического конструирования энергосберегающих оптимальных по точности систем управления сложными технологическими процессами и нелинейными многомерными объектами высокого порядка.
Выполнение НИР должно обеспечивать достижение научных результатов мирового уровня, подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирование эффективных и жизнеспособных научных коллективов.

1. Наименование разрабатываемой продукции
Методика синтеза энергосберегающих оптимальных регуляторов для систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, малочувствительных за счет работы в скользящих режимах к одновременному действию разнообразных возмущений (флуктуаций момента нагрузки, наличия шумов в сигнале управления, изменений предельной величины люфта редуктора, нестабильности параметров привода).

2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на 1 этапе:
• проведен анализ основных вопросов математической теории оптимального управления;
• проведен анализ критерия точности в задаче оптимального управления и его частные случаи, а именно проанализирован критерий, обеспечивающий оптимальное энергопотребление (критерий энергосбережения);
• осуществлено исследование основных трудностей, возникающих при решении задачи аналитического конструирования оптимальных по точности и энергосбережению регуляторов;
• проведено исследование допустимых воздействий на оптимальные по точности и энергосбережению регуляторы, с учетом того, что указанные регуляторы относятся к системам с разрывным управлением;
• предложена альтернативная традиционной постановка задачи АКОР систем с разрывным управлением;
• получено основное функциональное уравнение, позволяющее определить функции переключения оптимальных регуляторов.
Проведено сравнение предлагаемого подхода к решению задачи энергосбережения с существующими методами решения аналогичных задач:
• принципом максимума Л.С. Понтрягина;
• методом динамического программирования Р. Беллмана;
• методом обобщенной работы А.А. Красовского;
• методом аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР) А.А. Колесникова.
2. Разработаны методы испытаний для макета блока управления высокоточной следящей системы радиолокационной станции.

2.2. Основное отличие разрабатываемой методики от имеющихся в известной нам литературе к настоящему моменту времени: относительно быстрое и достаточно простое аналитическое получение закона обратной связи (регулятора) для нелинейных объектов (на порядок и более по сравнению, например, с методом обобщенной работы А.А. Красовского), обеспечивающего минимальное энергопотребление, в том числе и при одновременном действии разнообразных возмущений.

2.3. Стандартное решение задач АКОР подразумевает подстановку искомого управления, записанного в самом общем виде, в уравнения Беллмана или гамильтониан, что приводит к необходимости решать либо нелинейное уравнение Беллмана в частных производных, либо нелинейную двухточечную краевую задачу. Это представляет известные математические трудности, связанные с отсутствием, за редким исключением, общих аналитических решений нелинейных дифференциальных уравнений. Каждый конкретный случай требует особого исследования, как правило, с дополнительным привлечением метода фазового пространства. Такие решения получены лишь для некоторых практических задач второго - третьего порядков.
Разрабатываемый подход, во-первых, позволяет использовать важный результат решения задачи АКОР методами Р. Беллмана или Л.С. Понтрягина, заключающийся в том, что для релейной системы функция переключения существует. Во-вторых, и это главное, позволяет воспользоваться принципом декомпозиции задачи на ряд однотипных подзадач существенно меньшей сложности и тем самым легко получить искомое решение аналитически. Предлагаемый подход приводит к такой процедуре, которая не зависит ни от специфических свойств нелинейных уравнений объекта, ни от возможности аналитического решения уравнений Л.С. Понтрягина или Р. Беллмана.

2.4. На настоящем этапе работ объекты интеллектуальной собственности не созданы.

3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Область применения полученных результатов связана с аналитическим конструированием энергосберегающих оптимальных регуляторов для нелинейных следящих электромеханических систем различных типов, построенных на основе электрических двигателей (постоянного тока, асинхронными, синхронными, вентильными, линейными). Указанные системы находят самое широкое применение в различных отраслях как оборонного комплекса (например, для создания высокоточного следящего привода антенн радиолокационных станций, систем управления стрелково-пушечным вооружением и т.д.), так и точного машиностроения, при проектировании станков с ЧПУ, в робототехнике, в астрономии и навигации.
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Результаты исследований используются в курсах «Автоматизированный вентильный электропривод», «Электротехника, электроника и электропривод», «Оптимальное управление», а также студентами специальности 140610 при выполнении ими курсовых и выпускных квалификационных работ, дипломных проектов

3.3. Полученные результаты позволяют прогнозировать привлечение к данной работе дополнительного контингента студентов старших курсов и магистрантов, с последующим обучением указанных лиц в аспирантуре. Кроме того, к работе будут дополнительно привлечены лица, имеющие степень кандидатов и докторов технических наук.
Планируется превышение ряда заданных индикаторов и показателей.

4. Выводы
Содержание и результаты проведенных работ соответствуют требования технического задания и календарного плана. Заданные техническим заданием индикаторы и показатели выполнены в полном объеме.

Руководитель работ по проекту
Зав. каф. Э и ЭО, д.т.н., проф. _________________ Б.В. Сухинин
27 ноября 2009 г.
М.П.
Развернуть
2
01.01.2010 - 30.06.2010
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ПРОМЕЖУТОЧНОМ ЭТАПЕ № 2
«Теоретическое исследование предлагаемого подхода»
государственного контракта с
Министерством образования и науки Российской Федерации
от 18 ноября 2009 г. № 02.740.11.0477.


Шифр заявки: 2009-1.1-000-082-067
Период выполнения этапа С 1 января 2010 г. по 30 июня 2010 г
Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ)
300600, г. Тула, пр. Ленина, 92
Цель работы Создание достаточно простой, доступной инженерам "физической" теории аналитического конструирования энергосберегающих оптимальных по точности систем управления сложными технологическими процессами и нелинейными многомерными объектами высокого порядка.
Выполнение НИР должно обеспечивать достижение научных результатов мирового уровня, подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирование эффективных и жизнеспособных научных коллективов.

1. Наименование разрабатываемой продукции
Методика синтеза энергосберегающих оптимальных регуляторов для систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, малочувствительных за счет работы в скользящих режимах к одновременному действию разнообразных возмущений (флуктуаций момента нагрузки, наличия шумов в сигнале управления, изменений предельной величины люфта редуктора, нестабильности параметров привода).
Макет блока управления высокоточной следящей системы радиолокационной станции.
Эскизная конструкторская документация на макет блока управления (электрические схемы, габаритные чертежи) высокоточной следящей системы радиолокационной станции.

2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на втором этапе:
1. показана возможность применения принципа декомпозиции к нелинейным многомерным объектам, для которых решается задача создания оптимальных по энергосбережению регуляторов;
2. получены функциональные уравнения для каждого канала управления многомерным объектом;
3. на базе основного функционального уравнения получены и исследованы условия:
• управляемости оптимальной системы;
• возникновения скользящих режимов в оптимальных по точности системах;
• оптимальности системы по энергосберегающему критерию – "расходу сигнала управления";
• оптимальности системы по критерию быстродействия.
4. получены и исследованы свойства основного функционального уравнения и функции переключения, позволяющие осуществлять их инвариантные преобразования;
5. разработана эскизная конструкторская документация на макет блока управления (электрические схемы, габаритные чертежи) высокоточной следящей системы радиолокационной станции;
6. получены основные закономерности оптимальных по энергосбережению систем управления нелинейными процессами в промышленности и объектами спецтехники, в том числе:
• необходимые и достаточные условия оптимальности систем по "расходу сигнала управления";
• эквивалентное управление оптимальных по энергосбережению систем;
• устойчивость оптимальных по энергосбережению систем.

2.2. Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
Основное отличие разрабатываемой методики от имеющихся в известной литературе к настоящему моменту времени: относительно быстрое и достаточно простое аналитическое получение закона обратной связи (регулятора) для нелинейных объектов (на порядок и более по сравнению, например, с методом обобщенной работы А.А. Красовского), обеспечивающего минимальное энергопотребление, в том числе и при одновременном действии разнообразных возмущений.
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
Проведенные теоретические исследования показали, что в основу методики синтеза энергосберегающих оптимальных регуляторов для систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, малочувствительных за счет работы в скользящих режимах к одновременному действию разнообразных возмущений (флуктуаций момента нагрузки, наличия шумов в сигнале управления, изменений предельной величины люфта редуктора, нестабильности параметров привода) может быть положено следующее:
• использование принципа декомпозиции для определения функциональных уравнений каждого из каналов управлений;
• использование функциональных уравнений для получения и исследования основных условий, критериев и закономерностей функционирования оптимальных систем
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.
На настоящем этапе работ выявлен объект интеллектуальной собственности. Подана заявка на патент «Способ управления вентильным двигателем и следящая система для его осуществления».
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция).
Область применения полученных результатов связана с аналитическим конструированием энергосберегающих оптимальных регуляторов для нелинейных следящих электромеханических систем различных типов, построенных на основе электрических двигателей (постоянного тока, асинхронными, синхронными, вентильными, линейными). Указанные системы находят самое широкое применение в оборонно-промышленном комплексе (например: при создании высокоточного следящего привода антенн радиолокационных станций, систем управления стрелково-пушечным вооружением и т.д.), и в различных отраслях промышленности, при проектировании станков с ЧПУ, в робототехнике, в астрономии и навигации.
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Результаты исследований используются в курсах «Автоматизированный вентильный электропривод», «Электротехника, электроника и электропривод», «Оптимальное управление», а также студентами специальности 140610 при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ, дипломных проектов
3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов, товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
Полученные результаты позволили привлечь к данной работе дополнительный контингент аспирантов и инженеров – выпускников ТулГУ. Кроме того, к работе дополнительно привлечены лица, имеющие степень кандидатов наук.
Планируется превышение ряда заданных индикаторов и показателей.
4. Выводы
Результаты работы, полученные на данном этапе, соответствуют требованиям технического задания. Достигнуты (или превышены) заданные значения соответствующих индикаторов и показателей.
Превышены, относительно установленных значений, следующие программные индикаторы:
• «Количество аспирантов – исполнителей НИР, представивших кандидатские диссертации в диссертационный совет» (в соответствии с ТЗ – 1 чел. на конец 2010 года, на текущий момент – 2 чел.);
• «Количество студентов, аспирантов, докторантов и молодых исследователей, закрепленных в сфере науки, образования и высоких технологий…в период выполнения НИР» (в соответствии с ТЗ – 4 чел, закреплено 7 чел.);
• «Количество исследователей – исполнителей НИР, результаты которых в рамках НИР опубликованы в высокорейтинговых российских и зарубежных журналах (нарастающим итогом)» (в соответствии с ТЗ – 2 чел., на текущий момент – 9 чел.).
Досрочно выполнен программный индикатор «Количество кандидатов наук – исполнителей НИР, представивших докторские диссертации в диссертационный совет».


Руководитель работ по проекту

Зав. каф. Э и ЭО
д.т.н., проф. _________________ Б.В. Сухинин
08 июня 2010 г.
Развернуть
3
01.07.2010 - 10.12.2010
Проведены теоретические исследования, связанные с решением задачи оптимального управления по энергосберегающему критерию "расхода сигнала управления". Предложен метод синтеза функций переключения по энергосберегающему критерию "расхода сигнала управления". Проведено аналитическое конструирование функций переключения, оптимальных по энергосбережению регуляторов для промышленных объектов и объектов спецтехники. На конкретных примерах проведено исследование особенностей оптимальных энергосберегающих систем, разработанных по критерию "расхода сигнала управления". Показано построение отдельных плат, узлов и соединительных кабелей макета блока управления высокоточной следящей системы радиолокационной станции.
Разработана уточненная версия эскизной конструкторской документации на макет блока управления (электрические схемы, габаритные чертежи) высокоточной следящей системы радиолокационной станции.
Проведено изготовление макета блока управления высокоточной следящей системы радиолокационной станции.
Развернуть
4
01.01.2011 - 30.06.2011
1. Теоретическое исследование
оптимальных по энергосбережению
процессов в нелинейных системах
промышленности и спецтехники,
связанных с количеством интервалов
оптимальных управлений:
- количество интервалов управлений
оптимальных по энергосбережению
систем для устойчивых объектов;
- количество интервалов управлений
оптимальных по энергосбережению
систем для неустойчивых объектов.
2. Разработка программы внедрения
результатов НИР в образовательный
процесс.
Исследование вопросов устойчивости
энергосберегающих оптимальных
систем промышленности и объектов
спецтехники:
- необходимые условия устойчивости;
- оценка времени затухания переходных
процессов в синтезируемых системах по
критерию точности и энергосбережению.
Развернуть
5
01.07.2011 - 10.09.2011
Разработаны способы синтеза энергосберегающих электроприводов для систем транспортировки с учетом ограничений на фазовые координаты. Осуществлен синтез управляющих воздействий в системах второго, третьего и более высоких порядков.
Проведены испытания предложенных алгоритмов оптимального управления на макете блока управления высокоточной следящей системы радиолокационной станции. Осуществлено обоснование полученных результатов.
Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2011 - 2013, 29 мес.
Бюджетные средства
2,1 млн
Организация
CПбГЭТУ "ЛЭТИ"
профинансировано
Продолжительность работ
2009 - 2010, 14 мес.
Бюджетные средства
40,6 млн
Организация
ФГУП ВЭИ
профинансировано
Продолжительность работ
2012 - 2013, 12 мес.
Бюджетные средства
0,47 млн
профинансировано
Тема
Разработка энергосберегающего комплекса управления групповым электроприводом в сооружениях и объектах бюджетной сферы.
Продолжительность работ
2009 - 2010, 15 мес.
Бюджетные средства
40 млн
Количество заявок
6
Тема
Создание новых материалов, в том числе наноструктурированных, для разработки высокоэффективных методов химического анализа природных и промышленных объектов.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Развитие Центра коллективного пользования научным оборудованием для проведения комплекса исследований высоковольтного и низковольтного электрооборудования электростанций и подстанций объектов социальной сферы и промышленных объектов путем создания мобильной системы диагностики.
Продолжительность работ
2009 - 2010, 14 мес.
Бюджетные средства
40 млн
Количество заявок
5
Тема
Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области технологий мониторинга влияния на окружающую среду и снижения риска аварий при эксплуатации опасных энергетических и промышленных объектов.
Продолжительность работ
2011 - 2012, 18 мес.
Бюджетные средства
36 млн
Количество заявок
37
Тема
«Организационно-техническое обеспечение проведения всероссийской научной школы «Приближенные методы оптимального управления в параллельных вычислениях»»
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
0