Разработка структурно-алгоритмического обеспечения и повышение эффективности управления процессом стабилизации температуры воздуха в автономно отапливаемом производственном помещении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Кашинский, Антон Николаевич

• Кашинский, Антон Николаевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кашинский, Антон Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УРАВНЕНИЙ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА (ПОМЕЩЕНИЯ, ГАЗОТЕПЛОГЕНЕРАТОРА), СТРУКТУР СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ, РЕГУЛЯТОРОВ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ КОМПЛЕКСОВ.

1.1. Система дифференциальных уравнений теплового баланса помещения в частных производных.

1.2. Уравнение теплового баланса помещения в частотной области.

1.3 Описание теплового баланса помещения во временной области при помощи одного дифференциального уравнения.

1.4 Способ описания поведения температуры в помещении при помощи системы из двух дифференциальных уравнений теплового баланса.

1.5 Математические модели тепловых объектов на базе передаточных функций.

1.6 Уравнение теплового баланса для газотеплогенератора (котла).

1.7 Структура систем управления.

1.8 Регуляторы.

1.9 Алгоритм управления.

1.10 Газовые теплогенераторы (водонагреватели) и средства управления тепловых комплексов.

1.11 Постановка задач диссертационной работы.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ГАЗОТЕПЛОГЕНЕРАТОРА И ОТАПЛИВАЕМОГО ПОМЕЩЕНИЯ АВТОНОМНОГО ВОДЯНОГО ТЕПЛОВОГО КОМПЛЕКСА.

2.1 Помещение с автономным отоплением (котёл Hermann).

2.2 Исследование динамики типового комплекса «газовый теплогенератор-отапливаемое помещение».

2.3 Тепловой баланс индивидуального теплового комплекса «газотеплогенератор — отапливаемое помещение».

2.4 Определение коэффициента аккумуляции теплоты исследуемого помещения.

2.5 Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. СИНЕТЕЗ СТРУКТУР, АЛГОРИТМОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АВТОНОМНЫХ ВОДЯНЫХ ТЕПЛОВЫХ КОМПЛЕКСОВ «ГАЗОВЫЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР - ОТ АПЛИВАЕМОЕ ПОМЕЩЕНИЕ».

3.1 Обобщённые информационно (логико) - динамические функции элементов и устройств тепловых комплексов.

3.2 Информационно (логико) - динамическая структура газотеплогенератора (котла).

3.3 Информационно (логико) динамическая структура (модель) отапливаемого помещения.

3.4 Прогностическое (опережающее) регулирование температуры в помещении.

3.4.1 Энергосберегающий режим натопа помещения.

3.5. Критерий энергоэффективности управления индивидуальным тепловым комплексом «газовый теплогенератор - отапливаемое помещение».

3.6 Метод «двойной зоны допуска» регулирования температуры в отапливаемом помещении.

3.7. Обобщенная логико - динамическая структура (модель) автономного водяного теплового комплекса «газотеплогенератор - отапливаемое помещение».

3.8 Критерий (коэффициент) компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом (релейном) регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении.

3.9 Логико-динамическая «кольцевая» модель (схема) управляемых тепловых процессов в отапливаемом помещении при релейном логическом автоматическом управлении методом «двойной зоны допуска».

3.10 К вопросу синтеза алгоритмов (программ) автоматического управления тепловыми режимами автономных водяных комплексов.

3.11 Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОНОМНОГО (ИНДИВИДУАЛЬНОГО) ВОДЯНОГО ТЕПЛОВОГО КОМПЛЕКСА «ГАЗОТЕПЛОГЕНЕРАТОР - ОТАПЛИВАЕМОЕ ПОМЕЩЕНИЕ» В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМАХ «ДВОЙНОЙ ЗОНЫ ДОПУСКА». 135 4.1. Экспериментальные исследования перерегулирования (перебегов) температуры в помещении в зависимости от величины задержек.

Перерегулирование (5) температуры в помещении при нагреве помещения при уменьшении мощности (температуры) котла.

Перерегулирование температуры в помещении при охлаждении помещения и при увеличении мощности котла.

4.2 Опережающее отопление помещений.

4.3. Отопление помещений в режиме натопа.

4.4 Экспериментальные переходные процессы при регулировании температуры в помещении методом «двойной зоны допуска».

Определение критерия (Кк)компенсации.

4.5 Экономичность комплекса при регулировании температуры в помещении методом «двойной зоны допуска».

4.6 Рекомендации по выбору системы автоматического регулирования (САР) для инженерного рения задач автоматизации автономных водяных тепловых комплексов производств.

4.7 Выводы по четвёртой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка структурно-алгоритмического обеспечения и повышение эффективности управления процессом стабилизации температуры воздуха в автономно отапливаемом производственном помещении»

Актуальность работы

Исторически в городах сложились централизованные системы (комплексы) снабжения тепловой энергией отапливаемых помещений. Недостатком центрального отопления является значительные потери (до 10% и более) тепловой энергии при транспортировке теплоносителя (воды) по протяженным трубопроводам тепловой сети. Кроме того, значительная электроэнергия тратится на перекачку теплоносителя от источников тепла до потребителя.

В связи с этим в последнее время наметилась тенденция к применению (особенно в коттеджном строительстве) в качестве источника тепловой энергии автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов (систем) на базе газотеплогенераторов (котлов) разомкнутого структурного типа, работающих в соответствии с отопительным графиком. Эти комплексы не имеют протяженных тепловых трасс и связанных с ними недостатков.

В промышленных зданиях требуется поддерживать необходимые для людей метеорологические условия - определенный микроклимат. Базовым параметром микроклимата является температура воздуха отапливаемого помещения, оптимальные и допустимые значения которой даны в Санитарных правилах и нормах СанПиН 2.2.4.548-96. В соответствии с нормами оптимальные показатели микроклимата необходимо соблюдать на рабочих местах производственных помещений, на которых выполняются работы операторского типа, связанные с нервно-эмоциональньш напряжением (на постах управления технологическими процессами, в залах вычислительной техники и др.) и на рабочих местах производственных помещений в соответствии с категориями (1а, 16, Па, Пб, III) работ по уровню энергозатрат. Так, к примеру, для производственных помещений «оптимальные нормы температуры воздуха» в отапливаемом помещении в холодный период года равны 22-24°С (категория 1а, с энергозатратами 139Вт) и 16-18°С (для категории III, с энергозатратами более 290Вт), т.е. зона допуска (и шаг) температуры составляет 2°С.

Эффективность и качество производства, создающего материальные блага и услуги, - во многом определяется решением вопросов, связанных с комплексной автоматизацией и управлением составляющих его процессов, состоящих (Осипова Г. И., Миронова Г. В. «Экономика и организация производства») из основных (технологических) процессов; вспомогательных процессов, обеспечивающих бесперебойное протекание основных процессов (обеспечение всеми видами энергий (электроэнергией, теплом, паром и т.д.)) и обслуживающих (услуг) процессов (технический контроль, транспортировка, комфортность микроклимата рабочих мест и т.д.).

В данной работе ставятся и решаются две взаимосвязанные задачи. Первая - решение вопросов, позволяющих использование для отопления производственных помещений автономных водяных газовых тепловых комплексов с учетом Санитарных норм. Вторая - решение вопросов оптимизации управления тепловыми режимами отопления, позволяющих осуществлять ресурсо-энергосбережение. Обе задачи решаются на путях повышения точности регулирования (стабилизации) температуры воздуха в отапливаемом производственном помещении.

Известные автономные водяные газовые тепловые комплексы разомкнутого структурного типа содержат контур автоматического регулирования (стабилизации) температуры теплоносителя (воды) на выходе котла, поступающего в отапливаемое помещение, и «не следят» за самой температурой воздуха в помещении. Их недостатком, обусловленным их структурой и малым уровнем автоматизации, является низкая комфортность из-за плохой стабилизации (больших колебаний, с амплитудой порядка 3+5°С) температуры воздуха в отапливаемых помещениях, т.е. эти комплексы не обеспечивают, что сдерживает их масштабное применение в производстве, оптимальный нормируемый уровень температуры в отапливаемых помещениях.

В результате чего возможно появления дефицита тепла в отапливаемых помещениях либо его избыток, что приводит к перерасходу энергии (энергоносителя) и низкой экономичности системы. Системы, работающие по отопительному графику, кроме того, не позволяют повышать экономичность комплексов за счёт использования тепла, выделяемого людьми, находящимися в помещении, и/или нагревательными технологическими устройствами.

Управление тепловыми комплексами осуществляется на базе математических моделей.

Известные математические модели тепловых комплексов либо недостаточно адекватны, так как не учитывают дискретный характер преобразования энергии и информации комплексов, либо сложны и громоздки, что затрудняет их практическое применение в процессах регулирования (стабилизации) заданных температурных режимов микроклимата в помещении и приводит к сложным алгоритмам управления. Отопление обеспечивает тепловой режим зданий в зимний период года с затратой около 25% энергии в балансе страны.

Поэтому совершенствование структуры и алгоритмов управления, повышающих степень автоматизации и обеспечивающих реализацию ресурсо-энергосберегающих режимов и комфортность, автономных водяных газовых тепловых комплексов «газотеплогенератор - отапливаемое производственное помещение» является весьма актуальной задачей.

Объект исследования

Система «газотеплогенератор - отапливаемое помещение».

Предмет исследования

Процессы регулирования температурных режимов микроклимата отапливаемого производственного помещения.

Цель работы

Разработка новых структур и алгоритмов системы управления автономного водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор — отапливаемое производственное помещение», обеспечивающих повышение быстродействия и точности процессов стабилизации на нормируемом уровне температуры воздуха в отапливаемом производственном помещении, автоматизацию и ресурсосбережение.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести натурные экспериментальные исследования типового (индивидуального) водяного газового теплового комплекса «газотеплогенератор - отапливаемое помещение» с целью выявления особенностей теплового комплекса как объекта управления и параметрической идентификации.

2. Построить алгоритмы формирования дискретных сигналов управления процессами стабилизации температуры в отапливаемом помещении.

3. Разработать обобщенную математическую модель автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса, ориентированную на регулирование, анализ и синтез комплексов.

4. Разработать метод (способ) управления (регулирования) и структуру автономных (индивидуальных) водяных газовых тепловых комплексов, обеспечивающих микроклимат помещения с оптимальными температурными режимами.

5. Провести аналитические исследования влияния параметров комплекса на качество и точность регулирования.

6. Провести экспериментальные исследования автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса в ресурсо-энергосберегаю-щих режимах.

Методы исследований. Для решения сформулированной задачи использованы методы теории автоматического управления, теории эксперимента и обработки данных, теории конечных автоматов, методы дифференциального и интегрального исчисления, метод «черного ящика». При исследовании процессов индивидуальных тепловых комплексов использовалось моделирование и натурные эксперименты, которые подтвердили основные теоретические положения, представленные в работе.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Разработан, исследован и реализован метод «двойной зоны допуска» опережающего релейного регулирования температуры воздуха в помещении, позволяющий, совместно с алгоритмами управления, повысить качество и точность регулирования.

2. Разработаны модернизированные структуры автономных (индивидуальных) водяных тепловых комплексов, учитывающие в совокупности как логические, так и динамические свойства составных частей (газотеплогенератор, отапливаемое помещение, управляющее устройство) комплексов, а также температурные режимы в отапливаемом помещении.

3. Предложен критерий энергоэффективности управления автономным (индивидуальным) тепловым комплексом и критерий компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении.

4. Составлена и исследована модель автономного (индивидуального) водяного теплового комплекса, учитывающая особенности комплекса и ориентированная на анализ и синтез управляющих устройств и программ; в которой используются параметры, полученные экспериментальным путём.

5. Проведены теоретические и экспериментальные исследования и сравнительный анализ процессов в автономном (индивидуальном) водяном тепловом комплексе при различных способах (без натопа, с натопом) управления комплексом.

Практическая значимость

1. Получены экспериментальные данные динамики автономного (индивидуального) водяного теплового комплекса «газотеплогенератор-отапливаемое помещение».

2. Составленные структуры и модели компонентов комплекса позволяют выполнять проектирование и расчёт комплекса, определять динамические характеристики.

3. Разработанные алгоритмы управления позволяют повысить тепловую комфортность помещений и энерго-ресурсосбережение комплексов.

4. Полученные результаты исследований могут быть использованы для модернизации с целью повышения энергоэффективности действующих известных (разомкнутого типа) автономных водяных тепловых комплексов, а также стать основой для инженерного решения задач автоматизации комплексов.

5. Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и гидравлика» ВлГУ в дисциплине «теория автоматического управления».

Внедрение и практическое использование результатов работы

Результаты диссертационной работы, в том числе, защищенные патентом Российской Федерации, могут быть использованы при проектировании и наладке ресурсо-энергосберегающих автономных водяных тепловых комплексов, при модернизации действующих автономных комплексов, при замене автономными комплексами «отработавших своё» централизованных систем отопления производственных зданий, а так же переданы ОАО «Московский завод тепловой автоматики», ООО «ОВК-Строй», ООО «Производственное объединение ОВЕН».

Апробация работы

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:

• III Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (Москва, МГСУ, 2009г.);

• Международных конференциях по математической теории управления и механике (Суздаль, 2009г., 2011г.);

• Международная научно-техническая интернет конференция «Строительная наука 2010»;

• XXX Российской школы, посвящённой 65-летию Победы. «Наука и технология». (Миасс, 20 Юг).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• Результаты научно-исследовательских испытаний автономного (индивидуального) водяного теплового комплекса «газотеплогенератор-отапливаемое помещение» в типовых и энергосберегающих режимах;

• Структуры автономного (индивидуального) водяного теплового комплекса;

• Математические модели основных компонентов автономных (индивидуальных) водяных тепловых комплексов «газотеплогенератор-отапливаемое помещение», ориентированные на анализ и синтез комплексов;

• Критерий энергоэффективности управления комплексом;

• Критерий (коэффициент) компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом (релейном) регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении;

• Метод «двойной зоны допуска» и алгоритмы регулирования температуры в отапливаемом помещении в энергосберегающих режимах.

Публикации

По теме исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, получен один патент РФ на полезную модель.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные направления исследований, приведены краткие аннотации глав диссертации.

В первой главе рассмотрены основные требования к работе автономных (индивидуальных) водяных тепловых комплексов «газотеплогенератор-отапливаемое помещение», к которым относятся энергоэффективность и комфортность отапливаемых помещений, дан обзор существующих систем уравнений, структур тепловых комплексов, анализ этих структур, алгоритмов управления, поставлена задача исследования, решение которой связано с совершенствованием структур и способов управления комплексов.

Во второй главе приведены результаты экспериментального исследования автономного водяного теплового комплекса «газотеплогенератор - отапливаемое помещение», состоящего из газотеплогенератора (котла) Hermann (23,7кВт) и отапливаемого производственного помещения (полигон) помещения 70м , выявлены особенности автономных водяных тепловых комплексов как объектов управления.

В третьей главе представлены аналитические зависимости опережающего (прогностического) управления температурой воздуха в отапливаемом помещении. Предложен критерий энергоэффективности управления тепловым комплексом, способ высокоточного регулирования температурного режима микроклимата помещения.

В главе приведены также разработанные структуры и математические модели, отражающие как информационные (логические) свойства, так и динамические свойства автономных водяных тепловых комплексов в симбиозе. Исследовано влияние задержек и постоянных времени тепловых процессов на качество и точность регулирования температуры в помещении.

Разработан критерий (коэффициент) компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом (релейном) регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении.

Составлена логико-динамическая «кольцевая» модель (схема) управляемых тепловых процессов в отапливаемом помещении при релейном логическом автоматическом управлении методом «двойной зоны допуска».

В четвертой главе приведены результаты натурных экспериментальных исследований автономного водяного теплового комплекса в энергосберегающих режимах, аналитические зависимости для оценки энергоресурсосбережения в тепловых комплексах при регулировании методом «двойной зоны допуска». Даны рекомендации по выбору системы автоматического регулирования (САР) для инженерного рения задач автоматизации автономных водяных тепловых комплексов производств.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Кашинский, Антон Николаевич

4.7 Выводы по четвёртой главе

1. Приведённые в четвёртой главе результаты натурных экспериментальных исследований автономного водяного теплового комплекса подтвердили предположение о том, что тепловые переходные процессы нагревания помещения и стабилизации температуры воздуха в помещении можно (с точностью до 10-15%) описывать экспоненциальными зависимостями.

2. В связи с тем, что длительность по времени реальных переходных процессов больше (из-за влияния ограждений на воздушный бассейн в помещении) длительности по времени процессов в соответствии с экспоненциальной зависимостью, целесообразно, для повышения точности и быстродействия процесса регулирования температуры воздуха в помещении, нагревание помещения (с 15°С до 20°С) и реализацию режимов высокоточной (Д*=0,5°С, 1°С) стабилизации (при допустимой по СанПин норме 18°С-24°С) температурного режима микроклимата помещения осуществлять с коэффициентом натопа 1,1-1,3.

3. При экспериментальном опережающем (прогностическом) отоплении помещения сдвиг (опережение) по времени включения котла с 36°С на

162

65°С при переходе температуры в помещении с уровня 14,7°С на заданный уровень 19°С (в «зона допуска I») составляет 156 мин. (теоретический 132 мин.); при переходе с уровня 16°С на 19°С опережающий сдвиг по времени к моменту выхода температуры в помещении на 19°С составляет 139 мин. (теоретический - 135мин.)

Расхождение расчётных данных и экспериментальных результатов менее 15%.

4. При экспериментальном опережающем отоплении помещения в режиме натопа (переходе температуры котла с 30°С на 75 °С) время переходного процесса в помещении с 15°С на 19°С составляет 11мин (теоретическое - 12,6 мин); это время при переходе с 14°С на 19°С составляет 14,5мин (теоретическое- 15 мин)

При натопе время разогрева (1Н15мин) помещения от исходного (14-46°С) до заданного значения (19°С) температуры почти в 10 раз меньше времени (139^156мин) разогрева помещения (по уравнению теплового баланса) без натопа, т.е. при натопе переходный процесс имеет высокое качество по быстродействию.

Дальнейшее уменьшение времени натопа помещения возможно при наличии запаса по мощности котла.

5. Перерегулирование переходных процессов в тепловом комплексе зависит от задержек и величины (коэффициента) натопа и составляет для верхней (19°С) границы зоны допуска (Д=Т°С) от 0,1-4,5°С, для нижней (18°С) границы зоны допуска перерегулирование менее 0,1 °С.

При расчёте переходных процессов в помещениях с капитальными (теплоёмкими) внешними ограждениями перерегулированием у нижней границы зоны допуска можно пренебречь. При отоплении помещений временного пользования (с не капитальными внешними ограждениями) перерегулирование у нижней границы зоны допуска необходимо учитывать.

6. Метод «двойной зоны допуска» регулирования температуры в помещении, совместно с разработанными алгоритмами, позволяет поддерживать (стабилизировать) температуру в помещении с большой (±0,25°С) точностью. Зона допуска регулируемой (18-24°С) температуры не более 0,5°С.

7. Предложенные аналитические зависимости (3.11-3.20,3.27-3.31,4.14.3) для расчётного определения параметров динамических процессов в тепловом комплексе дают весьма удовлетворительные (расхождение с экспериментальными результатами менее 15%) для такого класса управляемых (тепловых) объектов результаты и могут быть использованы для инженерного решения задач регулирования тепловых режимов микроклимата в помещении.

8. Большое влияние на величины постоянных времени (Ть Т2) и задержек (ть т2) оказывает наружная (1;,,) температура.

Эти величины определяются экспериментально и записываются в память («библиотеку») управляющего контроллера (ЭВМ) с шагом (по средней суточной температуре) 5°С для диапазона наружных температур 1н=+8°СН--20°С. На базе этих величин и полученных аналитических зависимостей осуществляется программное управление тепловым комплексом.

9. Энергосбережение автономного (индивидуального) теплового комплекса при использовании метода «двойной зоны допуска» регулирования температуры воздуха помещения по сравнению с тепловыми комплексами, работающими по разомкнутой структуре с компенсацией «по возмущению», составляет до 8-11%, что для исследованного теплового комплекса соответствует (помещение 70м2) экономии энергии за отопительный период

10 3

200суток) 1,8-10 Дж или соответствует экономии газа до 625м .

10. Полученные в диссертации результаты в силу термодинамического подобия и общих закономерностей могут быть использованы для исследования и регулирования автономных водяных тепловых комплексов с другими газотеплогенераторами (котлами) и с другими площадями отапливаемых помещений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационной работы:

1. В результате экспериментальных исследований типового автономного (индивидуального) водяного газового теплового комплекса «газотеплогене-ратор-отапливаемое помещение» разомкнутой (без обратной связи по температуре воздуха в отапливаемом помещении) структуры установлено:

• Тепловой комплекс обладаем малой комфортностью (температура воздуха в помещении колеблется с амплитудой до 2-КЗ°С) и «расточителен» по расходу энергии;

• Быстродействие газотеплогенератора (котла Hermann), обогревающего помещение площадью 70м , находится в пределах 1-К2мин.;

• Длительность переходных процессов температуры в помещении (при ступенчатом воздействии) составляет десятки и сотни минут (40-КЗООмин.);

• Переходные процессы в комплексе близки к переходным процессам динамических звеньев, реализующих экспоненциальные зависимости, но эти звенья асимметричны по постоянным времени (их величины), асимметричны также и задержки (транспортно - теплоинерционные); постоянные времени при нагреве и охлаждении помещения отличаются в разы, что создаёт препятствие исследованию комплексов в частотной (на базе передаточных функций) области и обуславливает исследование их во временной области.

2. Исследовано влияние постоянных времени и задержек на перерегулирование переходного процесса температуры. Установлено, что перерегулирование при нагреве помещения может достигать 1-Й,5°С, перерегулированием при охлаждении (-0,1 °С) в помещении с капитальными наружными ограждениями можно пренебречь.

3. Предложены аналитические зависимости, позволяющие осуществлять высокоточное (до ±0,2°С) опережающее (без натопа и с натопом) регулирование температуры в помещении при переходе с низких температур (14+16°С) в помещении на повышенный уровень (19°С) температур воздуха.

4. Разработаны замкнутые (с обратной связью по температуре воздуха в отапливаемом помещении) структуры автономных водяных газовых тепловых комплексов, отражающие логические (информационные) и динамические свойства составных частей (газотеплогенератор, отапливаемое помещение, управляющее устройство) комплексов, содержащие два контура, включающих элементы запоминания дискретных сигналов управления, релейного регулирования: контур регулирования температуры воздуха в помещении и «вложенный» в него контур регулирования температуры теплоносителя (воды), поступающего в отапливаемое помещение; и обеспечивающие автоматизацию комплексов.

5. Составлена математическая модель, учитывающая особенности (асимметрии параметров) водяного газового теплового комплекса как объекта управления и ориентированная на анализ и синтез управляющих устройств комплексов. Предложен критерий энергоэффективности управления автономными водяными газовыми тепловыми комплексами и критерий (коэффициент) компенсации возмущающих воздействий наружной температуры при прерывистом (релейном) регулировании (стабилизации) температурного режима микроклимата в отапливаемом помещении.

6. Предложен, исследован и использован при натурных экспериментах метод «двойной зоны допуска» опережающего релейного регулирования, позволяющий, совместно с разработанными алгоритмами формирования управляющих сигналов, повысить качество и точность (с зоной допуска до 0,5°С) регулирования (стабилизации) температуры, в рамках Санитарных норм для производственных помещений, микроклимата в отапливаемом помещении, обеспечивающей в замкнутой структуре автономных водяных газовых тепловых комплексов повышение комфортности и ресурсо-энергосбережение до 7-16%, что для исследованного комплекса с отапливаемым помещением площадью 70м за период (200 суток) отопительного сезона соответствует о экономии энергии до 4,6-10 ккал или экономии до 540м газа.

7. Полученные в работе результаты могут быть положены в основу программ моделирования комплексов на ЭВМ при выполнении студенческих научных работ, а так же использованы при ресурсо-энергосберегающей модернизации действующих автономных водяных газовых тепловых комплексов и при внедрении (в качестве автоматизированных составных - интегрированных частей) их в автоматизированное производство с единой системой оперативного управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кашинский, Антон Николаевич, 2012 год

1. Александров, A.A. Оптимальные и адаптивные системы / А. А. Александров// Учеб. пособие. М.: высш. шк., 1989. - С. 263.

2. Анапольская, JI.E. Метеорологические факторы теплового режима зданий / J1.E. Анапольская, JI.C. Галдин.// JL: Гидрометеоиздат. - 1973. — С.239.

3. Арбиб, М. О единой концепции в теории конечных автоматов и теории управления/ М. Арбиб // Экспресс-информ. Сер. «Технич. Кибернетика», 1965. №12. - С.1-18.

4. Богословский, В.Н. Тепловые характеристики зданий / В.Н. Богословский //.- Жилищное строительство. 1968. - №5.

5. Богословский, В. Н., Отопление / В.Н. Богословский, А.Н. Сканави // М.: Стройиздат, 1991. С. 735.

6. Богословский, В.Н. Тепловой режим здания / В.Н. Богословский // М.: Стройиздат, 1974. С. 248.

7. Пархоменко, П.П. Булева алгебра и конечные автоматы./ Под ред. П.П. Пархоменко. // М.:Мир, 1969. С. 294.

8. Власов-Власюк, О.Б. Экспериментальные методы в автоматике / О.Б. Власов-Власюк // М.: Машиностроение, 1969. С. 412.

9. Воложин, JI.M. Программное регулирование подачи тепла в систему отопления помещения / JIM. Воложин, А.И. Клейменов, А.Ф. Горобцов // Сборник научных трудов ЛГТУ-ЛЭГИ. Липецк: ЛГТУ, 1997. - С. 22-25.

10. Воронов, А.Л. Основы теории автоматического управления. Оптимальные многосвязные и адаптивные системы / А.Л. Воронов // М.: Высшая шк. , 1988.-С. 356.

11. Главгосэнергонадзор. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя // М.: Издательство МЭИ, 1995. С. 30.

12. Горбатов, В.А. Логическое управление технологическими процессами / В.А. Горбатов, В.В. Кафаров, П.Г.Павлов // М.:Энергия, 1978. С. 272.

13. ГОСТ 30494-96*. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. // М.: ГУП ЦПП, 1999.

14. Грановский, В.Л. Технико-экономическая эффективность индивидуального регулирования расхода тепла в системах отопления // АВОК. 1995. — №1/2.-С. 18-19.

15. Григорьева, В.А. Теоретические основы теплотехники, теплотехнический эксперимент. Справочник / В.А. Григорьева, В.М. Зорина // М.: Энерго-атомиздат, 1988. С. 540.

16. Гудзинский, М.М., Энергоэффективные системы отопления / М.М. Гуд-зинский, С.И. Прижижецкий, В.Л. Грановский // АВОК. 2000. - С. 38-39.

17. Дорф, Р. Современные системы управления / Р. Дорф, Р. Бишон: перевод с англ. Б.И.Копылова // М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. С. 832.

18. Дзелзитис, Э.Э. Основы автоматического управления. Регуляторы. / Э.Э. Дзелзитис // Рига, РПИ, 1986. С. 120.

19. Евдокимов, А.И. О единой концепции в теории логико- динамических систем / А.И. Евдокимов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1999. -№4.

20. Евдокимов, А.И. Структурно-логические схемы цифровых жидкостных приводов промышленных роботов / А.И. Евдокимов //. Деп. рук. №434 -мш.-М.: ВНИИТЭМР, 1986. - С. 6.

21. Егоров, И.Н. Позиционно-силовое управление робототехническими и мехатронными устройствами: монография / И.Н. Егоров // Владимир: Изд-во Владимир, гос. ун-та им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, 2010. С. 192.

22. Егоров, И.Н., Управление технологическим оборудованием в условиях нестационарности параметров изображения и положения подвижного объекта / И.Н. Егоров, Д.А. Кадхим // Проектирование и технология электронных средств, 2009, вып. № 3. С. 65-70.

23. Жук, К.Д. Исследование структур и моделирование логико-динамических систем / К.Д.Жук, A.A. Тимченко, Т.И. Доленко // Киев: наук. Думка, 1975.-С. 199.

24. Закревский, А.Д. Логические уравнения /А.Д. Закревский // 2-е изд., стер. М.:Едиториал УРСС, 2003. - С. 96.

25. Захаров, В.Н. Системы управления. Задание. Проектирование. Реализация / В.Н. Захаров, Д.А. Поспелов, В.Е.Хазацкий // 2-е изд., перераб. И доп. -М.: Энергия, 1977. С. 424.

26. Изерман, Р Цифровые системы управления / Р. Изерман // М.: Мир, 1984.-С. 540.

27. Ионин, А. А. Теплоснабжение: Учебник для вузов / A.A. Ионин и др. // М.: Стройиздат, 1982. С. 336.

28. Калмаков А. А. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабже-ния и вентиляции. / под ред. В.Н.Богословского // М.: Стройиздат, 1986. -С. 479.

29. Калмаков, A.A., Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабже-ния и вентиляции /A.A. Калмаков, Ю.Я. Кувшинов, С.С. Романова, С.А. Щелкунов // М.: Стройиздат, 1986. С. 479.

30. Калман, Р. Очерки по математической теории систем / Р.Калман, П.Фалб, М.Абиб // М.:Мир, 1972. С. 400.

31. Колдуэлл, С. Логический синтез релейных устройств / С. Колдуэлл.-Пер. с англ. // М.: 1962. С. 740.

32. Кононович, Ю.В. Тепловой режим зданий массовой застройки / Ю.В. Кононович//М.:Стройиздат, 1986.-С. 157.

33. Кошкин, В.Л. Аппаратные системы числового программного управления / В.Л. Кошкин // М.: Машиностроение, 1989. С. 248.

34. Кулев, М.В. Применение комплекса автоматизации регулирования тепла в административных зданиях Екатеринбурга / М.В. Кулев // Журнал «Энергосбережение». 2000. - №2. С. 24-25.

35. Кулик, Л.Ф. Индивидуальное регулирование температуры в отапливаемых помещениях / Л.Ф. Кулик, В.Д. Курбан, С.П.Петров // Водоснабжение и санитарная техника. 1984. -№8. С. 12-13.

36. Кухтенко, А.И. Кибернетика и фундаментальные науки / А.И. Кухтенко //Киев: Наук. Думка, 1987. - С. 102.

37. Лазарев, В.Г. Синтез асинхронных конечных автоматов / В.Г. Лазарев, Е.И. Пийль // М.:Наука, 1964. С. 320.

38. Левин, В.И. Динамика логических устройств и систем / В.И. Левин // М.: Энергия, 1980.-С. 224.

39. Леонова, В.П. Экономичность информационно(логико)-динамических моделей (алгоритмов) дискретных приводов технологических машин-автоматов / В.П. Леонова, А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский // В ладим, гос. ун-т. Владимир, 2009 г.-С. 3.

40. Ли, Т.Г. Управление процессами с помощью вычислительных машин: Моделирование и оптимизация / Ли Т.Г., Адаме Г.Э., Гейнз У.М.; Пер. с англ.под ред. В.И.Мудрова // М.: Советское радио, 1972. С. 312.

41. Ливчак, В.И. За оптимальное сочетание автоматизации регулирования подачи и учёта тепла / В.И. Ливчак // АВОК. 1998. - №4. с. 36-38.

42. Ливчак, В.И. К нормированию потребления тепла на отопление и вентиляцию жилых и административных зданий / В.И. Ливчак // Энергосбережение. 1999. - №5. - С. 23-27.

43. Ливчак, В.И. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения на втором этапе развития / В.И. Ливчак // Журнал «Энергосбережение». 2000. - №2. - С. 4-9.

44. Ливчак, В.И. Энергоэффективные здания в московское массовое строительство/ В.И. Ливчак // Журнал «АВОК». - 1999. - №1 - С. 13-14.

45. Малявина, Е. Г. Теплотехнический расчет наружных ограждений и расчет теплового режима здания / Е.Г. Малявина, А.С. Маркевич // М.: МГСУ, 2009. С. 72.

46. МИ 2161-91 Требования к испытаниям, метрологической аттестации, поверке // М.: Издательство стандартов. С. 10.

47. Миллер, Р. Теория переключательных схем. Т.П. / Р. Миллер // М.: Наука, 1971.-С. 304.

48. Михайлов, В.В. Основы идентификации и проектирования тепловых процессов и систем: Учебное пособие / О.М.Алифанов, П.Н. Вабищевич, В.В. Михайлов и др. // М.: Логос, 2001. С. 400.

49. Morari, М. Model Predictive Control / М. Morari, N. Lawrence Ricker // The Math Works Inc., 1998. P. 152.

50. Немцев, З.Ф. Теплоэнергетические установки и теплоснабжение / З.Ф. Немцев, Г.В. Арсеньев // Учеб. пособие для втузов. М.: Энергоиздат, 1982. -С. 400.

51. Николаев, В.Б. Эффективные методы управления системами теплоснабжения / В.Б. Николаев // М.: Стройиздат, 1990. С. 121.

52. Новиков, Ф.А. Дискретная математика для программистов: учебник для вузов / Ф.А. Новиков // 3-е изд. СПб.: Питер, 2008. - С. 384.

53. Острем, К. Системы управления с ЭВМ / К. Острем, Б. Виттенмарк // М.: Мир, 1986.-С.393.

54. Питерсон, Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем / Дж. Пи-терсон : пер. с англ. // М.: Мир, 1984. С. 264.

55. Попов, Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем / Д.Н.Попов // М.: Машиностроение, 1987. С. 464.

56. Попов, Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления / Е.П. Попов: учебное пособие для втузов // М.: Наука, 1989. -С. 304.

57. Попов, Е.П. Динамика систем автоматического регулирования / Е.П. Попов // М.: Гостехиздат, 1954. С. 798.

58. Попырин, JI.C. Исследование систем теплоснабжения / Л.С. Попырин и др.//М.: Наука, 1985.-С. 215.

59. Потапенко, Е.А. Нечёткая идентификация систем теплоснабжения / Е.А. Потапенко, А.Г. Филатов, C.B. Костриков // В материалах международной научной конференции: Системный подход в науках о природе, человеке, технике. Ч. 4.-Таганрог: ТРТУ, 2003. С. 96-98.

60. Ротач, В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами / В.Я. Ротач. Учебник для втузов // М.: Энергоатомиздат, 1985. -С. 296.

61. Рульнов, A.A., Автоматическое регулирование / A.A. Рульнов, И.И. Горюнов, К.Ю. Евстафьев // Учебник. Инфра-М. 2011. С. 218.

62. Савицкий, С.К. Инженерные методы идентификации энергетических объектов / С.К. Савицкий // JL: «Энергия», 1978. С. 71.

63. Самарин, О. Д. О рациональном режиме начального прогрева помещения / О.Д. Самарин // Известия вузов. Строительство., 1997. №3. - С. 83 -85.

64. Самарин, О. Д. Теплофизика. Энергосбережение. Энергоэффективность. / О.Д. Самарин // М.: Изд-во АСВ, 2009. С. 296.

65. Семёнова, Е.И. Теплотехнические качества и микроклимат крупнопанельных жилых зданий. Сборник №3. Под. Ред. к.т.н. Е.И. Семёновой. Москва. Стройиздат, 1974. С. 144.

66. Сеннова, Е.В. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем / Е.В. Сеннова, В. Сидлер // Новосибирск.: Наука, 1987. С. 219.

67. Сканави, А.Н. Отопление / А.Н. Сканави, JI.M. Махов // М.: Издательство АСВ, 2002.-С. 576.

68. СНиП 23-01-99* Строительная климатология // М.: ГУП ЦПП, 2004.

69. Сосонкин, B.J1. Программное управление технологическим оборудованием: учебник для вузов по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» / В.Л.Сосонкин // М.: Машиностроение, 1991. — С. 512.

70. СП 23-101-2004 Проектирование тепловой защиты здания // М.: ГУП ЦПП, 2004.

71. СП 41-101 -95 Методика расчета графиков регулирования подачи теплоты на отопление у потребителей // М.: Издательство стандартов, 1995.1. С. 10.

72. Сысоев, С.Н. Принципы и методы нахождения технических решений. Метод исследования функционально-физических связей: моногр. / С.Н. Сысоев // Владим. Гос. Ун-т. Владимир. - 2007. - С. 214.

73. Табунщиков, Ю.А. Интеллектуальные здания / Ю.А. Табунщиков // Журнал «АВОК». 2001. - №3. - С.6-13.

74. Табунщиков, Ю.А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий / Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач // М.: АВОК-ПРЕСС, 2002.-С. 194.

75. Табунщиков, Ю.А. Энергоэффективные здания / Ю.А. Табунциков, М.М. Бродач, Н.В.Шилкин // М.: АВОК-ПРЕСС, 2003. С. 200.

76. Табунщиков, Ю.А. Минимизация расхода энергии, затрачиваемой на на-топ помещения / Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. 1988. - №12. - С. 28-30.

77. Тихомиров, К.В., Сергеенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция / К.В. Тихомиров, Э.С. Сергеенко // М.: Стройиздат, 1991- С. 480.

78. Туркин, В.П. Автоматическое управление отоплением жилых зданий / В.П. Туркин, П.В. Туркин, Ю.Д. Тыщенко // М.:Стройиздат, 1987. С. 192.

79. Туркин, В.П. Автоматическое управление отоплением жилых зданий / В.П. Туркин // М.: Стройиздат, 1987. С. 320.

80. Туркин, В.П. Водяные системы отоплении с автоматическим управлением для жилых и общественных зданий / В. П.Туркин // М.: Стройиздат, 1976. -С. 135.

81. Федяев, A.B. Развитие теплоснабжающих систем / A.B. Федяев // М.:Энергия, 2000. С. 254.

82. Филлипс, Ч. Системы управления с обратной связью / Ч. Филлипс, Р. Харбор: перевод с англ. Б.И. Копылова // М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001.-С. 616.

83. Хартман, Т. Индустрия комфорта: возможности XXI века / Т. Хартман // АВОК. -№3. 2001. - С. 16-20.

84. Холл, Дж. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений / Дж. Холл. Уатта. // М.: Высш. Шк., 1979. -С. 312.

85. Хрусталев, Б.М., Кувшинов Ю.Я. , Копко В.М. Теплоснабжение и вентиляция / Б.М. Хрусталев, Ю.Я. Кувшинов, В.М. Копко // М.: Издательство ассоциации строительных вузов, 2008. - С. 784 с. - ISBN: 978-5-93093-394-9

86. Чебурахин, И.Ф. Синтез дискретных управляющих систем и математическое моделирование: теория, алгоритмы, программы /И.Ф. Чебурахин // М.¡Издательство Физматлит, 2004. С. 248. - ISBN 5-94052-091-Х.

87. Чистович, С.А. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления / С.А. Чистович и др. // Л.: Стройиздат, Ленингр. Отд-ние, 1987. С. 248.

88. Чистович, С.А. Автоматическое регулирование расхода тепла в системах теплоснабжения и отопления /С.А. Чистович // Л.: Стройиздат, 1975. С. 159.

89. Чистович, С.А. Научно-технические задачи автоматизации систем теплоснабжения /С.А. Чистович // Изв. А.Н. СССР: Энергетика и транспорт, 1984. -№1.- С. 99-107.

90. Шилькрот, Е.О. Эффективность систем отопления и вентиляции зданий / Е.О. Шилькрот // Журнал «АВОК». 2003. - №4. - С. 6-11.

91. Шкловер, A.M. Теплоустойчивость зданий / A.M. Шкловер // М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1952. С. 99.

92. Юдицкий, С.А. Об операторных сетях для реализации дискретных систем управления производственными процессами / С.А. Юдицкий // Автоматика и телемеханика. 1969. - №12.

93. Юревич, Е. И. Теория автоматического управления учеб.: рек. Мин.обр. РФ / Е.И. Юревич // 3-е изд. - СПб. : БХВ-Петербург, 2007. - С. 540.

94. Юрманов, Б.Н. Автоматизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха / Б.Н. Юрманов// JL: Стройиздат, 1976. С. 287.

95. Якубайтис, Э.А. Синтез асинхронных конечных автоматов / Э.А. Яку-байтис // Рига, 1970. С. 325.

96. Список публикаций соискателя.

97. Кашинский, А.Н. Исследования динамических характеристик теплового комплекса в системах автоматического регулирования температуры воздуха / А.Н. Кашинский // Главный энергетик. 2011.- №6. - С. 41-45.

98. Евдокимов, А.И. Энергосберегающий способ управления автономным комплексом «газовый теплогенератор отапливаемое помещение» / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский // Главный энергетик. - 2011- №11. - С. 25-30.

99. Кашинский, А.Н. Критерий энергоэффективности управления индивидуальным тепловым комплексом «газовый теплогенератор -отапливаемое помещение» / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2011. №10. - С. 6-8.

100. Кашинский, А.Н. Система автоматического регулирования отопления здания / А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский, К.И. Зуев // Патент RU 83627 U1 Заявка № 2009106410/22(008614). Приоритет полезной модели 24 февраля 2009г.

101. Кашинский, А.Н. Экспериментальные исследования динамики теплового комплекса «Газовый котёл отапливаемое помещение» / А.Н. Кашинский // Строительная наука 2010: Материалы международной научно-технической конференции. - Владимир, 2010. - С. 371-376.

102. Кашинский, А.Н. Система автоматического регулирования отопления здания / А.Н. Кашинский // Наука и технологии. Том 1. Краткие сообщения XXX Российской школы посвящённой 65-летию Победы. - Екатеринбург, 2010.-С. 145-147.

103. УТВЕРЖДАЮ Первый проректор Владимирского государственного „даиверситета имени Александра

104. Председатель комиссии: канд. техн. наук, доцент Члены комиссии:

105. Зав. кафедрой ТГВ и Г, канд. техн.наук, профессорканд. техн. наук, доцент11 У-, уВ.И. Тарасенко7/■-•^гВ.М. Мельников

106. УТВЕРЖДАЮ» / Директор ¡шШ|ВК Строй»1. Акт внедрения

107. Программы (алгоритмы) автоматического управления (моделирования) двумя дискретными контурами стабилизации температуры автономного водяного теплового комплекса «газотеплогенератор отапливаемое помещение». Фрагменты.

108. Программа автоматического управления (стабилизации) температурного режима теплоносителя (воды) котла.

109. При у 1 =х 1 =х2=х7=у 3=« 1»; у4= «1» газовый клапан 3 открыт (у4=«1»), при у4=«0» клапан закрыт (у5=«0»)1. АРГУМЕНТЫ

110. ВВ): Яо= «0»;К.= «1»;К8=1ср средняя (заданная 3(К80°С) температура теплоносителя; Я7 =Д (~5°С) - амплитуда допуска температуры теплоносителя; Л^в - температура (30-^90°С) теплоносителя (с датчика); где Я - регистр памяти контроллера (ЭВМ).

111. РЕЗУЛЬТАТ (ВЫ):ЯХ «О»; «1».1. КОМАНДЫ (БЕЙСИК-ПМК)1. ВВОД (ВВ):^ НЖ В/О23 3

112. Программа автоматического управления (стабилизации) температурой воздуха в отапливаемом помещении по методу «двойной зоны допуска».

113. При у.=Х1=Х2=Х7=У2=«1»; у4= Уз; при у3=« 1», у4=«1», у5=« 1» (газовый клапан 3 открыт), при у3=«0», у4=«0», у5=«0» (клапан 3 закрыт) АРГУМЕНТЫ

114. Программа (алгоритм) автоматического управления (стабилизации) температурой воздуха в отапливаемом помещении по методу «двойной зоны допуска» при управлении от единой системы оперативного управления.

115. При у1=Х1=Х2=Х7=у2==«1»; У4= Уз;при уз=«1» (газовый клапан 3 открыт у5= у4= у3);при у3=«0» (газовый клапан 3 котла закрыт у5=«0»).1. АРГУМЕНТЫ

116. ВВ): Яо= «0»;К1= «1»;^=^ (задается по программе контроллера день/ночь);

117. К-з=и (задается по программе контроллера день/ночь);

118. Яд^п температура воздуха в отапливаемом помещении (с датчика 19).1. Равт НЖ В/О1. О и Ь Ъ.1. Программа (алгоритм)с/п--- 05. ПХ6 11.ПХа(уз= «1») 16. БП00. ПХз 06. ПХ4 12.БП 17. 1901. пх4 07. 13.19 18. пха02. 08. Бх>0 14.ПХ0 19. С/П

119. Бх>0 09. 18 15.ПХа (у3= «0») --- В/О04. 14 10. ПХ,