Анотація до роботи:

Рогачов О.І. Енергозберігаючі управління нестаціонарними режимами технологічних процесів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за фахом 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів. Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2005.

Дисертація присвячена розробці, обгрунтуванню і впровадженню енергозберігаючих методів управління різноманітними технологічними процесами, механізми яких більшу частину свого робочого циклу перебувають у нестаціонарному режимі, з метою зменшення витрат теплової та електричної енергії.

На підставі запропонованих математичних моделей знайдено енергозберігаючі управління механізмами технологічного процесу гарячої прокатки металів, процесом перемотування паперового полотна, процесом розрізу водорозчиняємих монокристалів, процесом сушіння капілярно-пористих матеріалів. Розроблено алгоритми і програми розрахунку параметрів енергозберігаючих управлінь, одержано оцінки похибок обчислень і чутливості показників якості. Синтезовано оптимальні та квазіоптимальні регулятори.

Енергозберігаючі закони впроваджено на підприємствах деревообробної, хімічної та енергетичної промисловості.

У дисертаційній роботі дано теоретичне узагальнення і розв’язок актуальної науково-практичної проблеми, що полягає в розробці, науковому обґрунтуванні і реалізації енергозберігаючих законів управління для широкого класу об'єктів АСУ ТП, які працюють велику частину робочого циклу в нестаціонарних режимах. Упровадження результатів роботи має важливе народногосподарське значення.

Основні результати і висновки дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Проведено дослідження особливих оптимальних управлінь у лінійних об'єктах при квадратичних критеріях якості. Доведено, що якщо в якості оптимізуемого функціонала обраний інтеграл від квадрата однієї з фазових координат об'єкта, то в залежності від її номера особливе управління або взагалі не існує, або існує у виді багаточлена у функції часу. При цьому ступінь багаточлена залежить від астатизму об'єкта і далекості цієї координати від виходу системи, і не залежить від її порядку.

2. Знайдено закони енергозберігаючого управління для двох режимів роботи електропривода механізмів процесу гарячої прокатки металів – режиму управління швидкістю обертання вала двигуна і режиму управління кутом повороту цього вала.

3. Розв’язано задачу мінімізації запропонованого узагальненого функціонала якості, що дозволило реалізувати квазіоптимальне управління у виді безперервної функції часу. Знайдено зв'язок отриманого управління з багатоінтервальним управлінням, яке мінімізує середньоквадратичні токові втрати в якірному ланцюзі електропривода.

4. Доведено, що при управлінні електродвигуном одночасно по ланцюгу якоря і по ланцюгу збудження мінімум втрат енергії буде мати місце при сталості потоку збудження.

5. Розроблено метод одержання математичної моделі електропривода продольно-різального верстата як об'єкта з перемінними параметрами, що змінюються усередині кожного робочого циклу. Запропоновано методи розв’язку задачі мінімізації втрат енергії для такого об'єкта.

6. Знайдено розв’язок задачі мінімізації часу гасіння коливань нитки приладу для розрізування монокристалів при мінімальних витратах енергії в пристрої управління. Показано, що в більшості випадків відповідне управління може погасити паразитні коливання до виникнення дефектів площини розрізування кристала.

7. Проведено уточнення математичної моделі сушильної камери періодичної дії. Доведено, що для даного об'єкта розв’язок задачі мінімізації витрати теплоносія збігається з розв’язком задачі оптимальної швидкодії. Розв’язано задачу мінімізації витрати теплоносія для випадку обмеженої швидкості прогріву матеріалу. При цьому запропонований метод, що дозволяє замінити складну задачу влучення в кінцеву область звичайною двухточечною граничною задачею. Знайдено розв’язок задачі

оптимізації при одночасному обліку обмежень як першої управляючої дії (пода ча “сухої пари”), так і другої дії (подача “вологої пари”).

8. Запропоновано методи і розроблені алгоритми і програми для розв’язку задач пошуку тривалостей інтервалів у задачах оптимальної швидкодії й у задачах мінімізації втрат енергії. Зазначені методи дозволяють автоматично вибирати початкове наближення, що забезпечує абсолютну збіжність обчислювального процесу і мінімізацію часу обчислень параметрів оптимальних управлінь. Розроблено метод пошуку тривалостей інтервалів енергозберігаючого управління для систем високого порядку, що забезпечує абсолютну збіжність обчислювального процесу за умови унімодальності мінімізуемої функції.

9. Знайдено оцінки погрішностей обчислень при розрахунку параметрів енергозберігаючих управлінь, що дозволило скоротити час обчислень.

10. Проведено аналіз чутливості енергозберігаючих процесів до варіації параметрів об'єктів управління і граничних умов. Доведено, що при наявності моменту навантаження електродвигуна існує екстремальне значення тривалості перехідного процесу , при перевищенні якої втрати енергії починають зростати, а не зменшуватися. Отримано формули для розрахунку .

11.Виконано аналіз знайдених енергозберігаючих законів управління з погляду їхньої реалізації і запропонована структура квазіоптимального регулятора.

12. Отримані в роботі наукові результати впроваджені в НВО “Монокристалреактив” м. Харків, на Улешовському деревообробному комбінаті Приволзької залізниці, в АТ “Хартрон” м. Харків. При цьому якість поверхні розрізування кристалів поліпшена на 50%, а продуктивність установки збільшена на 15%. На 10-15% зменшена витрата теплоносія в сушильній камері періодичної дії. За рахунок реалізації оптимальних законів управління продовжений термін служби крокових электромеханізмів, що забезпечило економічний ефект 25-50тис.грн. на один механізм.

13. Матеріали дисертації використовуються в навчальному процесі при підготовці бакалаврів і магістрів з спеціальності “Системи управління і автоматика”, знайшли своє відображення в двох навчальних посібниках здобувача: “Оптимальне керування у прикладах і задачах” і “Методи наближених досліджень систем автоматичного управління на ЕОМ”.

Результати виконаної роботи обґрунтовують доцільність і ефективність розробки і впровадження в народне господарство автоматизованих систем з енергозберігаючими законами управління нестаціонарними режимами технологічних процесів.

Публікації автора:

1. Рогачов О.І. Оптимальне керування у прикладах та задачах / Навчальний посібник.– К.: Інститут системних досліджень України, 1995.– 272с.

2. Рогачёв А.И. Синтез оптимальной системы управления вентильным электроприводом постоянного тока // Вестник Харьковского политехнического института.– Харьков: ХГУ, 1974.– Вып.1.– № 85.– С.88–91.

3. Рогачёв А.И. Об одном методе исследования оптимальных систем автоматического управления. // Вестник Харьковского политехнического института.– Харьков: ХГУ, 1975.– Вып.2.– №103.– С.52–54.

4. Рогачёв А.И. Оптимальные управления в электроприводах постоянного тока при различных критериях оптимальности // Вестник Харьковского политехнического института. – Харьков: ХГУ, 1976.– Вып.3.– №115.– С. 3 – 5.

5. Рогачёв А.И. Оптимизация и моделирование системы 3-го порядка при квадратичном функционале // Локальные автоматизированные системы автоматики и вычислительной техники: Сборник научных трудов – К.: Наукова думка, 1976.– С. 56–63.

6. Рогачёв А.И. Методы приближённого расчёта оптимальных процессов в системах 2-го и 3-го порядков // Локальные автоматизированные системы автоматики: Сборник научных трудов – К.: Наукова думка, 1978.– С.18–26.

7. Качанов П.А., Рогачёв А.И. К вопросу о реализации оптимального управления процессом сушки капиллярнопористых материалов // Вестник Харьковского политехнического института.– Харьков: ХГУ, 1981.– Вып.1.–№179.– С.46–49.

Здобувачем здійснено розв’язок задачі оптимізації роботи сушильної камери при двох керуючих діях.

8. Рогачёв А.И. Сухер А.Н., Качанов П.А. О представлении в пространстве состояний объекта управления, передаточная функция которого содержит полюса и нули // Вестник Харьковского политехнического института .– Харьков: ХГУ, 1982.– Вып.8.– №188.– С. 25–27.

Здобувач запропонував спрощену формулу для обчислення компонентів змінних простору станів у випадку однакової кількості нулів та полюсів передатної функції.

9. Качанов П.А., Пермяков В.И., Рогачёв А.И. К вопросу определения моментов переключения при заданном законе управления // Локальные автоматизированные системы автоматики: Сборник научных трудов – К.: Наукова думка, 1983.– С.41–48.

Здобувачем запропонована методика пошуку мінімуму унімодальної функції, яка базується на використанні методу “золотого перетину” і забезпечує збіжність ітераційного процесу для будь-яких граничних умов.

10. Качанов П.А., Рогачёв А.И., Супрунова С.П. Оптимальное управление процессом сушки при ограничении скорости нагрева // Вестник Харьковского политехнического института.– Харьков: ХГУ, 1984.– Вып.10.– №210.– С.16–18.

Здобувачем визначена кількість інтервалів оптимального по швидкодії процесу пропарювання капілярно-пористих матеріалів при наявності обмеження швидкості нагріву.

11. Воронов В.Г., Качанов П.А., Рогачёв А.И., Прусакова Е.Н. Оптимизация процесса сушки капиллярнопористых материалов по энергетическим критериям // Вестник Харьковского политехнического института. – Харьков: ХГУ, 1985.– Вып.11.– №221.– С. 3 – 5.

Здобувач запропонував новий критерій якості, що дозволило одержати оптимальне управління у вигляді неперервної функції часу.

12. Рогачёв А.И., Андрунишина Е.И., Браилко Е.Я. Вычислительные алгоритмы линейной задачи оптимального быстродействия // Вестник Харьковского политехнического института.– Харьков: ХГУ, 1986.– Вып.12.– №235.– С. 8 – 11.

Здобувач розробив алгоритм пошуку тривалості інтервалів оптимального управління в лінійному об’єкті.

13. Рогачёв А.И., Андрунишина Е.И., Браилко Е.Я. Автоматизация проектирования оптимальных линейных систем второго порядка // Вестник Харьковского политехнического института.– Харьков: ХГУ, 1987.– Вып.13.– №249.– С.27– 29.

Здобувач запропонував алгоритм пошуку тривалості інтервалів оптимального по швидкодії управління при наявності обмеження на фазову координату.

14. Беньяминов,Б.Б., Рогачёв А.И., Марченко Е.Г., Чумакова Н.С. Использование ряда Паде для исследования САУ с запаздыванием // Вестник Харьковского политехнического института.– Харьков: ХГУ, 1989.– Вып.15.– №262.– С. 5–8.

Здобувач виконав дослідження точності апроксимації ланки із запізнюванням рядом Паде у частотній області.

15. Рогачёв А.И., Рохман М.Г. Математическая модель электропривода наматываемого рулона ПРС // Вестник Харьковского политехнического института.– Харьков: ХГУ, 1989.– Вып.16.– №264.– С. 60–62.

Здобувач запропонував ідею одержання рівняння процесу перемотування паперового полотна шляхом розрахунку потрібних параметрів в обраних дискретних точках.

16. Рогачёв А.И., Суздаль В.С., Абрамова Л.С. Исследование процесса возникновения дефектов при разрезании монокристаллов // Вестник Харьковского политехнического института.– Харьков: ХГУ, 1990.– Вып.16.– №278 – С.11–13.

Здобувачем запропонована ідея використання рівняння коливань струни для дослідження дефектів, що виникають під час розрізання монокристалів.

17. Попов Н.Р., Рогачёв А.И., Суздаль В.С., Абрамова Л.С. Математическая модель САУ установки для порезки водорастворимых монокристаллов // Вестник Харьковского политехнического института.– Харьков: ХГУ, 1991.– Вып.17.– №282.– С.6–10.

Здобувач виконав дослідження цифрової моделі для розрізання монокристалів, що дозволило оцінити стійкість системи управління.

18. Рогачёв А.И., Дудник А.В. Оценка чувствительности оптимального по потерям электропривода // Вісник Харківського Державного політехнічного університету. – Вип. 72.– Харків: ХДПУ, 1999.– С.161–164.

Здобувачем запропоновано оцінювати чутливість оптимального управління до зміни параметрів як по чутливості функціонала якості, так і по чутливості оптимальної траєкторії руху.

19. Дудник А.В., Рогачёв А.И. Квазиоптимальная система управления, минимизирующая потери энергии в электроприводе // Вісник Харківського Державного політехнічного університету.– Харків: ХДПУ, 1999.– Вип.71.– С.80 – 82.

Здобувачем виконана оцінка наближення оптимального і квазіоптимального процесів з метою обгрунтування вибору вагового коефіцієнта функціонала якості.

20. Рогачев А.И., Сухер А.Н., Дудник А.В. Выбор начального приближения при численном решении задачи оптимального быстродействия // Механіка та машинобудування –Харків: ХДПУ, 1999.– №2.– С. 108 – 112.

Здобувачем запропонована методика перетворення рівнянь задачі оптимальної швидкодії, що дало можливість розробити алгоритм і програму обчислень параметрів оптимального процесу у реальному часі.

21. Рогачев А.И., Сухер А.Н., Дудник А.В. Метод расчета оптимальных переходных процессов электроприводов в реальном времени // Збірник наукових праць Донецького Державного технічного університету. Серія “Електротехніка і енергетика”.– Донецьк: ДонДТУ, 2000.– Вип.17.– С.35–38.

Здобувач розробив алгоритм обчислення тривалості оптимального перехідного процесу на базі аналізу і перетворення систем нелінійних рівнянь.

22. Рогачов О.І., Дуднік О.В. Дослідження вироджених керувань в енергозао-щаджувальному електроприводі постійного струму // Вісник Вінницького політехнічного інституту.– Вінниця: “Універсум – Вінниця”, 2000.– №1.– С.46-50.

Здобувачу належить доказ ствердження про залежність характеру вироджених керувань в електроприводі не від розміру системи рівнянь, а від того, яка величина є регульованим виходом.

23. Рогачев А.И. Особые управления в задачах минимизации квадратичных критериев оптимальности // Механіка та машинобудування.– Харків: ХДПУ, 2000.– №1.– С.173–176.

24. Рогачев А.И. Минимизация потерь энергии в позиционном тиристорном электроприводе постоянного тока // Энергетика и электрификация.– К., 2000.– №10 – С. 36–39.

25. Рогачев А.И. Оценка погрешностей вычислений при расчете параметров оптимального энергосберегающего электропривода // Інформаційно–керуючі системи на залізничному транспорті.– Харків: ХарДАЗТ, 2000.– №6.– С. 58 – 61.

26. Рогачев А.И., Сухер А.Н. Расчет параметров переходных процессов в быстродействующих электроприводах постоянного тока // Інформаційно–керуючі системи на залізничному транспорті.– Харків: ХарДАЗТ, 2001.– №6.– С. 16 – 18.

Здобувачу належить розробка алгоритму пошуку початкового наближення для розв’язку рівнянь задачі оптимальної швидкодії з комплексними полюсами передатної функції.

27. Рогачев А.И. Энергосберегающее управление электроприводом при вариации момента нагрузки // Інформаційно–керуючі системи на залізничному транспорті

Харків: ХарДАЗТ, 2002.– №6.– С. 3–6.

28. Рогачев А.И. Оптимизация работы установки для порезки водорастворимых монокристаллов // Наукові праці Донецького національного університету. Серія

“Обчислювальна техніка та автоматизація”.– Донецьк: Дон. НТУ, 2002.– Вип.47.– С. 80–87.

29. Рогачев А.И., Евсина Н.А., Денисенко Н.А., Гормакова О.В. Энергосберегающие процессы в электроприводах при двух каналах управления // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.–Харків: НТУ”ХПІ”, 2003.–Т.3.–№7.–С.143–149.

Здобувачем доказано, що при введенні другого каналу по ланцюгу збудження двигуна мінімум витрат енергії має місце при постійному, максимально можливому потоці.

30. Рогачев А.И. Оптимизация работы электропривода с переменным моментом инерции вращающихся масс // Механіка та машинобудування.– Харків: НТУ “ХПІ”, 2003.–Т2.–№1.– С. 164 – 169.

31. Рогачёв А.И. Минимизация расхода теплоносителя в объекте с вырожденной передаточной функцией // Інтегровані технології та енергозбереження. – Харків: НТУ “ХПІ”, 2003. – №1. – С. 11–14.

32. Дудник. А.В., Проскурин.А.С., Рогачёв А.И., Денисенко Н.А. Квазиоптимальный энергосберегающий регулятор для позиционного электропривода // Вісник Східноукраїнського Національного університету ім. Володимира Даля. – Луганськ: СНУ, 2003. – №6. – С. 55 – 61.

Здобувачем виконано дослідження квазіоптимального управління, що дало можливість запропонувати схему його реалізації на сигнальному процесорі.

33. Евсина Н.А., Рогачёв А.И., Зенькова И.И. Чувствительность оптимальных решений задачи минимизации потерь энергии в электроприводе // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.– Харків: НТУ “ХПІ”, 2004.– №17.– С.79 – 84.

Здобувачу належить вивід рівняння, яке дає змогу одночасно ураховувати як чутливість функціоналу, так і чутливість оптимальної траєкторії.

34.Устройство автоматического управления процессом сушки капиллярнопористых материалов: А.с. 1017895.СССР, МКИF26В25/22 /В.Г.Воронов, П.А.Качанов, В.И.Нестеренко, А.И.Рогачев, А.Я.Шпильберг, М.В.Гунбин (СССР),–№3329784; Заявлено 14.08.81. Опубл.15.05.83,Бюл.№18.–2с.

Здобувачем запропоновано для підвищення точності управління сформувати сигнал, пропорційний похідній різниці ваги сухого матеріала та поточної ваги.

35. Воронов В.Г.,Качанов П.А., Рогачёв А.И. Оптимизация технологических процессов сушки капиллярно-пористых материалов // Сборник докладов научно-технической конференции “Прогрессивные технологические процессы в приборостроении”.– К.: Знание, 1977.– С.5–6.

Здобувачем запропоновано спрощення математичної моделі за рахунок урахування різниці температур “сухого” та “мокрого” термометрів.

36. Воронов В.Г., Качанов П.А., Рогачев А.И. Разработка алгоритма оптимального управления процессом нагрева при сушке капиллярнопористых материалов // Труды Всесоюзной конференции “Актуальные направления развития сушки древесины”.– Архангельск: ЦНИИМОД, 1980.– С. 232–239.

Здобувачем виконано розв’язок задачі мінімізації тривалості прогріву матеріала з урахуванням обмежень двох управляючих дій.

37. Воронов В.Г., Гунбин М.В., Качанов П.А., Рогачёв А.И. Модель схемы замещения и автоматизация прогрева при сушке капиллярно-пористых материалов // Труды Всесоюзной научно-технической конференции “Дальнейшее совершенствование теории, техники и технологии сушки”.– М., 1981.– С. 23 – 25.

Здобувачем запропонована ідея перетворення системи рівнянь, яка дала можливість уникнути розв’язку складної задачі пошуку межі кінцевої області фазового простору.

38. Воронов В.Г., Качанов П.А., Рогачёв А.И. Оптимизация режима прогрева при тепловлажностной обработке капиллярно-пористых материалов // Труды Всесоюзного научно-технического семинара “Оптимизация процессов сушки”.– Харьков, 1983.– С.143–148.

Здобувачем запропонована методика розв’язку задачі оптимізації роботи сушильної камери при наявності обмежень на управління і швидкість зміни температури.

39. Воронов В.Г., Качанов П.А., Рогачёв А.И. Метод расчёта оптимального режима прогрева при сушке капиллярно-пористых материалов // Труды Всесоюзной научно-технической конференции “Совершенствование техники, технологии сушки сельскохозяйственных и пищевых продуктов в соответствии с продовольственной программой”.– М., 1984.– С. 68–70.

Здобувач запропонував загальний алгоритм пошуку тривалості інтервалів оптимального управління для систем го порядку.

40. Воронов В.Г., Гунбин М.В., Качанов П.А., Рогачёв А.И. Методика оптимизации одной многомерной, не полностью управляемой системы автоматического управления // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции ”Актуальные проблемы моделирования и управления системами с распределёнными параметрами”.– К., 1987.– С.164.

Здобувачем знайдено розв’язок задач оптимізації для різних критерієв якості, що дало можливість обгрунтовано підійти до вибору цього критерія.

41. Рогачёв А.И. Устройство минимизации энергозатрат в позиционных электроприводах // Тезисы докладов 5-ой Украинской научно-технической конференции “Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике”.– Харьков: ХГПУ, 1996.– С. 17–18.

42. Рогачёв А.И., Сухер А.Н., Тесля О.В. Оценка погрешностей при расчёте параметров оптимальных переходных процессов // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сборник научных трудов Харьковского Государственного политехнического университета.– Вып.6.– Ч.1.– Харьков: ХГПУ, 1998.– С. 418 – 420.

Здобувач здійснив аналіз нелінійної функції, що дало можливість оцінити похибку розрахунку параметрів оптимальної траєкторії.

43.Рогачев А.И. Синтез регулятора для энергосберегающего позиционного электропривода // Електричний журнал.– Запоріжжя, 1999.– №1.– С. 51–53.

44. Рогачёв А.И. Расчёт параметров оптимальных процессов при наличии вырожденных управлений // Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я: Збірник наукових праць Харківського Державного політехнічного університету.– Вип.7.– Ч.4.– Харків: ХДПУ, 1999.– С. 308 – 311.

45. Рогачёв А.И., Дудник А.В. Задающее устройство для энергосберегающего электропривода на сигнальном процессоре ADSP– 2181 // Праці Міжнародної конференції з управління “Автоматика -2000”.– Львів: НВМ Поліграфічного технікуму УАД, 2000.– С.114–117.

Здобувач запропонував методику вибору вагового коефіцієнта в функціоналі якості, що дало можливість реалізувати квазіоптимальний регулятор на сигнальному процесорі.

46. Дудник А.В., Рогачёв А.И. Локальная управляющая сеть и сигнальные процессоры при решении задач оптимального энергопотребления // Матеріали Міжнародної конференції з управління “Автоматика-2002”.– Донецьк: ДНТУ, 2002.– С.202.

Здобувачеві належить ідея створення локальної мережі для зниження витрат енергії в складних технологічних комплексах.

47. Рогачёв А.И., Дудник А.В., Евсина Н.А. Оптимальное и квазиоптимальное энергосберегающее управление электроприводом постоянного тока // Матеріали 10-ої Міжнародної конференції по автоматичному управлінню “Автоматика-2003”.– Севастополь: СевНТУ, НМЦ, 2003.– Т.2.– С.31.

Здобувач запропонував ідею вибору вагового коефіцієнта в складному функціоналі.