Система управления тепловым процессом : на примере теплогенерирующего электромеханического преобразователя

Система управления тепловым процессом : на примере теплогенерирующего электромеханического преобразователя

Автор: Амосова, Людмила Николаевна

Шифр специальности: 05.13.06

Научная степень: Кандидатская

Год защиты: 2010

Место защиты: Комсомольск-на-Амуре

Количество страниц: 225 с. ил.

Артикул: 4738425

Автор: Амосова, Людмила Николаевна

Стоимость: 250 руб.

Система управления тепловым процессом : на примере теплогенерирующего электромеханического преобразователя  Система управления тепловым процессом : на примере теплогенерирующего электромеханического преобразователя 

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИМИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.
1.1. Устройство и принцип действия ТЭМП
1.2. Общая схема процесса управления теплогенерирующим электромеханическим преобразователем.
1.3. Анализ и классификация задач, способов и схем управления тепловым процессом.
1.4. Аппаратнопрограммные средства управления тепловым процессом
1.5. Математическая модель ТЭМП на основе обобщенного электромеханического преобразователя.
1.6. Выводы
2. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ ПРОЦЕССОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.
2.1. Постановка задачи субоптимального управления тепловым процессом
2.1.1. Математическая модель объекта управления
2.1.2. Математическая модель измерений.
2.2. Синтез системы управления на основе аналитического подхода .
2.3. Синтез детерминированного оптимального регулятора с использованием нечетких систем.
2.4. Синтез оптимального нелинейного фильтра.
2.4.1. Синтез оптимального фильтра для скалярной модели
2.4.2. Синтез оптимального фильтра с использованием
регрессии и вейвлетов
2.5. Выводы
3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ
3.1. Задачи научных исследований. Автоматизация испытаний
3.2. Разработка функциональной схемы АСНИКИ.
3.3. Обоснование методов и средств измерений
3.4. Измерение электромагнитных параметров
3.5. Измерение температуры элементов ТЭМП и нагреваемой среды
3.6. Измерение гидравлических параметров ТЭМП.
3.7. Выводы.
4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
4.1. Методы моделирования тепловых процессов.
4.2. Анализ магнитного поля переменных токов.
4.3. Моделирование электромагнитных и тепловых процессов преобразователя с немагнитным вращающимся элементом.
4.4. Моделирование электромагнитных и тепловых процессов преобразователя с комбинированным вращающимся элементом
4.5. Экспериментальное исследование ТЭМП.
4.6. Выводы
5. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ ПРОЦЕССОМ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ О
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
5.1. Составление функциональных схем управления преобразователем
5.2. Математическое описание и модели ТЭМП в пакете i
i
5.3. Синтез цифрового регулятора подчиненной структуры для
5.4. Синтез регулятора с настройкой на технический оптимум в
пакете ii
5.5. Синтез регулятора с настройкой на симметричный оптимум в
пакете ii
5.6. Синтез нечеткого регулятора в пакете ii.
5.7. Синтез систем управления ТП с использованием
5.8. Синтез систем управления ТП с использованием и Г1Ч.
5.9. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ
ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Технические характеристики приводов фирмы
ПРИЛОЖЕНИЕ В Примеры расчета и реализации элементов СИ
ПРИЛОЖЕНИЕ С Листинг программы работы семисегментного
дешифратора 7. .
ПРИЛОЖЕНИЕ Блоксхема расчета магнитного поля в воздушном
зазоре.
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Программа расчета магнитного поля в зазоре
ПРИЛОЖЕНИЕ Алгоритм и программа расчета ТЭМП в среде

ПРИЛОЖЕНИЕ Фрагмент кода программы расчета электромагнитных, тепловых параметров и размерных соотношений
ТЭМП.
ПРИЛОЖЕНИЕ Н Формы для программы расчета температуры НЭ . 9 ПРИЛОЖЕНИЕ I Акты внедрения.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АД асинхронный электродвигатель
ЛИ автономный инвертор
АИН автономный инвертор напряжения
АИП аналоговый измерительный преобразователь
АИТ автономный инвертор тока
АПК аппаратнопрограммный комплекс
АСНИКИ автоматизированная система научных исследований, контроля и испытаний
АСЭТ агрегатные средства электроизмерительной техники
АЦП аналогоцифровой преобразователь
БЗ база знаний
ВЭ вращающийся нагревательный элемент
ГРК граница РаоКрамера
ДОР детерминированный оптимальный регулятор
ИИ искусственный интеллект
ИИК информационноизмерительный комплекс
ИК измерительный канал
ИНС искусственные нейронные сети
КПД коэффициент полезного действия
МКЭ метод конечных элементов
НЭ неподвижный нагревательный теплогенерирующий элемент
НЛР нечеткий логический регулятор
НР нечеткий регулятор
НС намагничивающая сила
НСР нейросетевой регулятор
НСФ нейросетевой фильтр
НчС нечеткая система
ОНФ оптимальный нелинейный фильтр
ОУ объект управления
ГШрегулятор пропорциональноинтегральный регулятор
ПЛИС программируемая логическая интегральная схема
ПНИС преобразователь напряжение испытательный сигнал
ПО программное обеспечение
ПП переходной процесс
ПГ1П пакеты прикладных программ
4 преобразователь частоты
САУ система автоматического управления
СИ система измерений
СКО среднее квадратическое отклонение
ССУ субоптимальная система управления
СУ система управления
ТГ теплогенератор
ТГК теплогенерирующий комплекс
ТП тепловой процесс
ТХК термопара хромелькопель
ТЭМП теплогенерирующий электромеханический преобразователь У У устройство управления
ФП функция принадлежности
ФЭ ферромагнитный элемент
ЦАП цифроаналоговый преобразователь
ШИМ широтноимпульсный модулятор
ЭДС электродвижущая сила
ЭМП электромеханический преобразователь
ЭМТ электромеханический теплогенератор
ЭМТК электромеханический теплогенерирующий комплекс
x i vi
i
i .
ВВЕДЕНИЕ
Технологичное производство, экономичная передача и эффективное использование тепловой энергии являются необходимыми условиями обеспечения регулируемых климатических условий для комфортной и полноценной жизнедеятельности современного человека независимо от места его нахождения. Анализ показывает, что если примерно всей тепловой энергии производится централизованными источниками, то остальные децентрализованными источниками, из которых автономные и индивидуальные , что определяет актуальность проблемы передачи и утилизации тепла как в пунктах, удаленных от тепловой магистрали, так и на автономных объектах, например, транспортного назначения.
Традиционные источники тепловой энергии, рассматриваемые в качестве возможных вариантов, обладают рядом таких существенных недостатков, как низкий коэффициент полезного действия, сложность в поставке тепла потребителю, значительное увеличение цен на топливо, невозобновляемость ресурсов, отрицательное влияние на экологическую обстановку, необходимость постоянного обслуживающего квалифицированного персонала.
Поэтому значительный интерес представляет получение тепловой мощности с помощью электронагрева, реализация которого позволяет не только обойти большинство из отмеченных выше недостатков, но и отличающегося высокой готовностью к работе, позволяющим максимально приблизить тепловые мощности к местам потребления с соответствующим сокращением протяженности тепловых сетей и потерь в них и, самое главное, дающим возможность экономичного и самого точного регулирования.
Следует отметить, что в качестве нагревательных устройств успешно используются электронагревательные устройства трансформаторного типа. Большой вклад в разработку, исследование и освоение производства электронагревательных устройств трансформаторного типа сделали В.М. Кузь
мин, В.В. Казаков, Ю.М. Гуревич, А.И. Елшин, В.М. Казанский и другие ученые и производственники .
Однако и эти установки, несмотря на очевидные достоинства высокий уровень элсктробезопасности, большая перегрузочная способность, обладают рядом недостатков, основным из которых является низкий коэффициент теплоотдачи .
Повысить эффективность преобразователей трансформаторного типа можно за счет изменения физического процесса теплообмена на рабочей поверхности, что, как правило, ведет к дополнительным гидравлическим потерям и требует специальных внешних источников механической мощности вентиляторы, насосы и как следствие, связано с возрастанием стоимости и размеров при одновременном снижении системной надежности.
Поэтому логическим развитием теплогенерирующих устройств, отличающихся повышенными коэффициентом теплоотдачи и теплопроизводителыюстыо, является разработка преобразователей с вращающимися теплогенерирующими элементами на основе электромеханических преобразователей ЭМП энергии, в которых использованы добавочные источники тепла, показатели которых не связаны непосредственно со скоростью вращения теплогенерирующего элемента, например, как в статических электронагревателях трансформаторного типа.
Предварительный анализ показывает, что теплогенерирующие электромеханические преобразователи ТЭМП характеризуются высокой надежностью, технологичностью, возможностью обеспечения в широком диапазоне таких технических параметров, как температура нагреваемой среды, производительность, давление, а также уникальными регулировочными характеристиками, реализация которых непосредственно связана не только с проектированием, изготовлением и эксплуатацией, но и исследованием ТЭМП в качестве объекта управления на основе современных оптимальных и субоптимальных систем управления ССУ, образующих единую замкнутую систему субоптимальный теплогенерирующий комплекс ТГК. При этом, по
скольку современные системы управления СУ строятся с использованием методов искусственного интеллекта ИИ, то в представленной работе обосновывается использование и синтезируется СУ на основе одной из технологий ИИ систем, построенных на основе нечетких множеств 7, .
Следует отметить, что в отечественной и зарубежной технической литературе практически отсутствуют работы, касающиеся непосредственно СУ рассматриваемых теплогенераторов. Поэтому для их комплексного исследования необходимо использование накопленного опыта физического, математического и численного моделирования как классических электромеханических преобразователей, теоретических и практических разработок в области электромеханики, механики, теплотехники, гидравлики, так и СУ ими и на этой основе создание научно обоснованной методики проектирования и синтеза ССУ, позволяющей производить, испытывать и эксплуатировать рассматриваемые устройства 1.
Целью диссертации является разработка и исследование системы управления тепловым процессом ТП на примере ТЭМП.
В соответствии с указанной целью ставятся следующие задачи
анализ существующих математических моделей ТЭМП с целыо формализации ТП и разработки системы управления этим процессом
анализ процессов в ОУ и разработка методики определения электромагнитных, тепловых и гидравлических параметров ТЭМП для алгоритмической реализации и исследования синтезируемой СУ
разработка способа субопгимального управления ТП
разработка способов нерекуррентного и рекуррентного оценивания случайных последовательностей, характеризующих ТП, и алгоритмов их реализации на основе регрессии с незаданным заранее видом функции и вейвлетов
разработка системы управления, использующей базу знаний, полученную по результатам численного и экспериментального моделирования ТП
создание алгоритмов и структурных схем нечетких регуляторов для системы управления ТП на основе нечеткой логики с использованием алгоритмов Мамдани и Сугено
разработка методики и структурной схемы автоматизированной системы научных исследований, контроля и испытаний АСНИКИ для экспериментального определения статических и динамических характеристик ТП на примере управляемого электромеханического теплогенератора с оптимальными регуляторами.
Актуальность


ТЭМП может быть представлен достаточно большим количеством конструктивных исполнений , , , , но для рассмотрения принципа действия может быть выбрано одно из наиболее типичных устройств, представленное на рисунке 1. На рисунке 1. ТЭМП, соответствующая показанным на рисунке 1. Неподвижная часть теплогенератора 1 представляет собой капсулированный изоляционным антифрикционным самосмазывающимся материалом статор. Рисунок 1. Теплогенерирующий электромеханический преобразователь а общий вид б капсулированный статор и вращающийся элемент Неподвижный нагревательный элемент НЭ 3 является деталью, входящей в состав статора и после установки образует с ним неразборную конструкцию. Он изготавливается из тонкостенной немагнитной электропроводящей фольги, гальванически несвязанной с электропроводящими элементами статора, и размещается в специальной кольцевой канавке. Вращающийся нагревательный элемент ВЭ 2 и магнитопровод отделены теплоизолирующим слоем из антифрикционного неэлектропроводящего материала, выполняющего функцию одностороннего радиальноупорного подшипника скольжения и составляющего неразделимую часть с магнитопроводом и первичной обмоткой. ТЭМП работает следующим образом. При подаче напряжения от сети переменного тока на первичную обмотку по ней начинает проходить ток, создающий намагничивающую силу и переменное магнитное поле, наводящее на основании закона электромагнитной индукции во вторичных обмотках электродвижущую силу ЭДС и обусловленные ею токи, взаимодействующие с магнитным полем и приводящие к нагреву и возникновению вращающего момента. Рисунок 1. При этом НЭ нагревается вихревыми токами и является основным источником тепловой мощности. Одновременно ВЭ приходит во вращение со скоростью, определяемой параметрами ТЭМП, так как между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью обмотки расположен слой, выполненный из антифрикционного материала и представляющий собой радиальноупорный подшипник скольжения. При вращении обмотки, рабочая среда перемещается по пути с минимальным гидравлическим сопротивлением, т. ТЭМП и отнимает тепло от внутренней поверхности НЭ. Высокая эффективность устройства, а именно увеличение количества нагреваемой и перемещаемой теплогенерирующим электромеханическим преобразователем среды является следствием чрезвычайно низкого осевого гидравлического сопротивления устройства. Количество теплоты, выделяемое вторичными обмотками, и производительность т. ВЭ. Преобразование и распределение мощностей в ТЭМП с учетом всех составляющих потерь, определяющих эффективность устройства, приведено на энергетической диаграмме, представленной на рисунке 1. Рисунок 1. Рэи1 оставшаяся часть мощности, которая электромагнитным путем передается через немагнитный зазор на элементы вторичной цепи. Электромагнитная мощность Рэм определяет два основных процесса теплогенерирующего преобразователя нагрев неподвижной обмотки и нагрев и вращение подвижной обмотки. Р2 оставшаяся часть мощности величина электромагнитной мощности, передаваемая на ВЭ. Рэм2 элЗ доб Р. Р.ехМмОвэ. При этом следует отметить, что в случае использования двухконтурных преобразователей, основные и магнитные потери со стороны первичной обмотки также дополняют выходную мощность, повышая тепловой коэффициент полезного действия. Механическая мощность Р2мсх обеспечивает напор и производительность устройства, а тепловая Р2шпя температуру нагреваемой среды. Механическая характеристика ТЭМП представляет собой зависимость его производительности количества перемещаемой среды в единицу времени от давления Н при постоянных значениях первичного напряжения и частоты. Л2 ГЛ V 0. Это уравнение позволяет учитывать при проектировании теплогенерирующих электромеханических преобразователей с заданными выходными характеристиками как конструкционные особенности ТЭМП внутренний и наружный диаметры вращающейся обмотки, углы установок ее элементов, число полюсов, фаз, активные и индуктивные сопротивления и т. Общая схема процесса управления ТЭМП представлена на рисунке 1. Г i критерий оптимизации ТП.

Рекомендуемые диссертации данного раздела

28.06.2016

+ 100 бесплатных диссертаций

Дорогие друзья, в раздел "Бесплатные диссертации" добавлено 100 новых диссертаций. Желаем новых научных ...

15.02.2015

Добавлено 41611 диссертаций РГБ

В каталог сайта http://new-disser.ru добавлено новые диссертации РГБ 2013-2014 года. Желаем новых научных ...


Все новости

Время генерации: 0.219, запросов: 244