Описание предложения
В основе предполагаемой технологии лежат следующие концептуальные положения.
1. Развитие экспертной системы «Энергосберегающее управление динамическими объектами» до уровня опытной или промышленной эксплуатации. С демонстрационным модулем ЭС можно ознакомиться в Internet (http://www.iptop.net/di/).
Экспертная система содержит результаты полного анализа задач энергосберегающего управления (ЗЭУ) различными объектами и позволяет в диалоговом режиме проектировать алгоритмическое обеспечение интеллектуальных контроллеров (ИК) энергосберегающего управления (ЭСУ), а также топологию специализированных микросхем для ИК.
2. Разработка принципиально новых специализированных интегральных микросхем (СБИС), в которых с использованием когнитивной графики реализуются результаты полного анализа задач энергосберегающего управления. Специализированная микросхема обеспечит для вводимых исходных данных ЭЕУ без поисковых процедур возможность получить на выходе вид и параметры управляющих воздействий.
3. Производство нового поколения интеллектуальных контроллеров, базирующихся на специализированных микросхемах.
4. Сопровождение ИК в процессе эксплуатации с позиции развивающихся систем, в которых расширяются функциональные возможности на основе использования новых микросхем.
Предлагаемая технология соответствует Федеральным целевым программам «Энергосбережение России» и «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» (на 2008 - 2015 годы). Следует учитывать, что в странах Европейского сообщества активно проводятся работы в рамках проекта «Энергетическая эффективность - XXI» (ЕЕ - 21) Европейской экономической комиссии ООН под эгидой Комитета по устойчивой энергетике для решения проблем энергоэффективности.
Инновационные аспекты предложения
Основными инновационными аспектами предлагаемой технологии являются следующие.
1. В ЭС реализуется концепция «активности», которая заключается в способности самостоятельно выполнять «творческую» работу по развитию БЗ. Сформулированы принципы таких ЭС, в том числе принципы легитимности, кортежного представления моделей задач управления, наследования знаний из существующих знаний, востребованности результатов и другие. Разработана методика развития БЗ с использованием метода синтезирующих переменных, позволяющего значительно сокращать размерности задач управления.
2. Достоинствами специализированных микросхем являются выполнение интеллектуальных функций и уменьшение энергопотребления аппаратных средств, в которых эти микросхемы используются. Снижение энергопотребления достигается за счет двух факторов: уменьшение общего числа вычислительных операций (расчет выполняется по конечным формулам без поисковых процедур) и сокращение доли «энергоемких» операций, к которым относятся операции, использующие обращение к памяти. К интеллектуальным возможностям относятся выбор вида функции оптимального управления в зависимости от исходных данных задачи, определение управляющих воздействий, когда условия существования решения задачи не выполняются.
3. Интеллектуальные контроллеры, использующие специализированные микросхемы, по сравнению с существующими в настоящее время обладают следующими достоинствами: расширяются функциональные возможности; повышается быстродействие при расчете управляющих воздействий; снижается энергопотребление, габариты и стоимость. Расширение функциональных возможностей достигается за счет новых законов регулирования, использования новых стратегий реализации оптимального управления, использования параллельных вычислений.
4. Сопровождение ИК в процессе эксплуатации обеспечит , во-первых, наполнение базы данных экспертной системы сведениями о реальном снижении энергозатрат в различных ситуациях, во-вторых, повышение эффективности ряда систем энергосберегающего управления за счет новой информации в развивающейся базе знаний экспертной системы.
5. Комплексное использование всех составляющих новой технологии позволит существенно сократить материальные и временные затраты на проектирование и внедрение систем энергосберегающего управления машинами с электроприводами, тепловыми аппаратами, транспортными средствами и другими динамическими объектами.
Главные преимущества предложения
К главным преимуществам предлагаемой технологии следует отнести:
- технология относится к проблеме энерго- и ресурсосбережения, актуальность которой интенсивно возрастает;
- технология комплексно охватывает все основные виды работ от инициации проектов по разработке СЭУ до их утилизации;
- на всех технологических стадиях содержатся инновационные аспекты, обеспечивающие значительное повышение эффективности выполняемых работ;
- возможность использования при проектировании энергопотребляющих объектов.
Эффект энергосбережения при использовании предлагаемой технологии достигается за счет следующих факторов:
- энергосберегающее управление динамическими режимами для различных классов массовых энергопотребляемых объектов (машины с электроприводами, нагревательные установки, транспорт, объекты ЖКХ и др.); для этих объектов в реальном времени рассчитываются оптимальные управляющие воздействия (минимизирующие затраты энергии или расход топлива) при любых изменениях свойств объекта и условий задачи управления; снижение потребления энергии объектом при использовании оптимальных траекторий изменения вектора фазовых координат составляет 10 - 25%;
- сокращение сроков проектирования систем энергосберегающего управления, так как использование базы знаний экспертной системы, содержащей результаты полного анализа задач оптимального управления, позволяет практически исключить время на проведение трудоемких НИР; общее время на выполнение проекта системы управления и ее внедрение с использованием предлагаемой технологии сократиться в 2 - 3 раза;
- снижение потребления энергии и повышение быстродействия новыми управляющими устройствами, выполненными на базе интеллектуальных контроллеров со специализированными микросхемами, это достигается за счет сокращения поисковых процедур и обращений к памяти микропроцессора при определении вида функции оптимального управления и расчета ее параметров; предполагаемое снижение энергопотребление аппаратными средствами составляет 50%, а повышение быстродействия - в 2 раза;
- использование в различных ситуациях функционирования объекта наиболее рациональных стратегий реализации оптимального управления; интеллектуальный контроллер может вырабатывать управляющие воздействия в соответствии с программной и позиционной стратегиями, стратегией гарантированного управления, стратегией энергосберегающего регулятора и другими; эффективность работы управляющего устройства за счет выбора оптимальной стратегии составляет 10 - 20%;
- формализация задач энергосберегающего управления с учетом ограничений на выделенный лимит электроэнергии, траектория изменения управляющих воздействий и фазовые координаты; это позволяет исключить штрафные санкции за перерасход энергии и нарушения других норм, снизить риск аварий;
- использование энергосберегающего управления группами машин и аппаратов (технологическое оборудование цехов термообработки деталей, системы вентиляции, объекты ЖКХ и т.д.); в задачах управления группами объектов учитываются ограничения суммарное управляющее воздействие в каждый момент времени (за допустимую мощность) и интегральные за определенный период времени.
Немаловажное значение имеет то, что при энергосберегающем управлении объектами повышается их надежность (долговечность), так как со снижение энергозатрат уменьшаются тепловые и механические нагрузки, следовательно, интенсивности отказов соответствующих элементов.