Введение
Ключевой задачей в энергетике является решение проблем энерго- и ресурсосбережения. По данным Европейской комиссии ООН, уровень полезного использования энергоресурсов в мире составляет не более 40%, а доля конечного использования топлива не более 20%. Важным резервом является оптимальное по минимуму затрат энергии или топлива управление динамическими объектами, проектирование машин и аппаратов, которые при своё функционировании требуют меньших энергозатрат по сравнению с существующими аналогами.
Уровень и сложность задач, решаемых в энергетике, выходит далеко за границы возможностей отдельно взятого метода. Между тем, ряд методов специалисты относят, как к теоретическим так и к экспериментальным (например: анализ, синтез, индукция, дедукция). Если внимательно разбирать структуру одного из ключевых экспериментальных методов – эксперимента (или исследований), выясняется, что данный метод не является исключительно экспериментальным, а представляет собой комбинацию теоретических и экспериментальных методов исследования. На основе анализа имеющихся данных, по характеру зависимостей исследуемых характеристик строится программа будущего эксперимента или модель предполагаемого объекта – данный этап работ, и применяемые при этом методы являются теоретическими. При непосредственном проведении эксперимента для фиксации результатов исследователи проводят целый ряд измерений указанными экспериментальными методами. Полученные экспериментальные данные не представляют интереса без математической обработки и определения погрешностей, что строго говоря, осуществляется теоретически. В свою очередь ни один теоретический метод исследования не может дать достоверные данные без экспериментальных исследований. В подобных условиях становятся очень затруднительными попытки провести чёткую границу между теоретическими и экспериментальными методами исследования. Поэтому в данном курсе лекций очень часто затрагиваются общие вопросы проведения научных исследований с описанием ряда теоретических методов, применяемых в экспериментальных исследованиях.
Различают три основных уровня исследований.
Общенаучные (общелогические) методы: анализ, синтез, аналогия, дедукция, индукция, аксиоматический метод, гипотетический метод, формализация, абстрагирование, обобщение, системный подход, сравнение, эксперимент, моделирование.
Подробным рассмотрением, изучением и развитием учения о общенаучных методах занимается такое научное направление, как гносеология (раздел философии).
Экспериментальные методы: эксперимент, анализ-синтез, индукция-дедукция, моделирование, логический метод.
Теоретические методы: абстрагирование, идеализация, формализация, анализ-синтез, индукция-дедукция, аксиоматика, обобщение.
Под задачи исследования конкретных научно-технических отраслей применяются свои специальные методы исследования.
Структура проведения исследований энергетических и электротехнических объектов представляет собой несколько этапов.
1. Сбор информации производится на эмпирическом уровне исследований
2. Анализ (общенаучный теоретический метод) имеющихся данных.
3. Постановка задачи исследований на основе проведенного анализа
4. Разработка методики проведения исследований
В соответствии с проведённым анализом (п.2) и разработанной методикой (п.4) может возникнуть две ситуации: а) исходных данных достаточно для начала проведения исследований; б) исходных данных недостаточно для постановки задачи и необходим сбор дополнительной информации – 4.1*.
5. Создание модели (теоретической – разработка математической модели или экспериментальной – разработка физической модели полностью или частично моделирующий исследуемый объект).
6. Разработка программы проведения эксперимента.
6.1 Оптимизация эксперимента математическими методами (теоретические методы)
6.2 Выбор средств измерения
7. Организация эксперимента
7.1. Воспроизведение условий
7.2 Проведение измерений
7.3 Математическая обработка с получением новой математической модели
8. Анализ модели построенной по результатам эксперимента
Постскриптум: ключевыми экспериментальными методами общими для всех технических наук являются: измерения, эксперимент и физическое моделирование.
1 СБОР ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ ИзмерениЙ.
Сбор исходной информации включает в себя поиск источников информации с проведением отбора и оценки. Большей частью сбор информации является творческим процессом и определяется субъективными оценками исследователя. Основная задача, на основании научных фактов определить закономерности физических явлений, построить зависимости и спрогнозировать поведение исследуемых объектов в неисследованных границах. Отличительной особенностью технических наук является то, что исследованию подлежит конкретный объект (например, трансформаторная подстанция или электрический двигатель) или система. Изменение рабочих параметров объекта во времени производится по ранее отработанной методике и задача заключается лишь в проведении измерений по установленному порядку.
Измерения с научной точки зрения, наряду с наблюдением и сравнением относятся к эмпирическому уровню исследований. Одновременно с этим по своему существу измерения являются базовой и неотъемлемой частью любого экспериментального метода исследований. В соответствии с этим:
Измерения – это метод экспериментального исследования эмпирического уровня, проводимый с целью сравнения объекта по определённым свойствам и признакам с эталоном и установлении количественных характеристик.
Метод измерения – это приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.
В технике наиболее распространены следующие методы измерений:
Прямой метод физических измерений – это метод измерения искомого значения физической величины с помощью технического средства измерения, непосредственно отсчитывающего значение измеряемой величины.
Косвенный метод физических измерений – это метод измерения, при котором значение физической величины находят на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и величинами, подлежащими прямым измерениям.
Совокупный метод физических измерений – это метод измерения одновременно нескольких одноименных величин, при котором искомое значение находят путём решения системы уравнений, полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
Совместный метод физических измерений – это метод одновременного измерения двух или нескольких неодноимённых физических величин для нахождения функциональной зависимости между ними.
Большой интерес для прикладных наук, связанных с энергетической отраслью, представляет также метод динамических измерений – измерение изменяющейся по размеру физической величины.
Кроме указанных выше методов измерения специалисты в области электроэнергетики и электротехники могут также столкнуться с такими методами, как: нулевой, дифференциальный, замещения, противопоставления и метод совпадения. При необходимости более детального изучения существующих методов измерения специалистам необходимо обратиться к курсу лекций по метрологии.
Проведение измерений и сбор информации о функционирующих энергетических системах необходимы для получения моделей динамических режимов и параметров системы в различных состояниях функционирования (для этапа исследований – разработка модели). Регистрацию и получение необходимых данных на объектах энергетики получают экспериментальными методами (в частности, методом регистрации данных с определённым периодом дискретизации).
Для получения статистических характеристик исследуемых графиков нагрузки используют обработку экспериментальным методом квантования по времени. По графикам определяют следующие характеристики:
1) суточный максимум активной и реактивной нагрузки;
2) коэффициент мощности в период максимума нагрузки;
3) суточный расход активной и реактивной мощности;
4) средневзвешенный за сутки коэффициент;
5) средняя за сутки активная и реактивная мощности.
Область применения измерений, как экспериментальных методов не ограничивается базовой стадией проведения исследований – а именно сбором исходных данных. Данные методы используются также на стадиях проведения испытаний физических моделей исследуемых объектов, макетных и опытных образцов (эксперимента), и на завершающей стадии исследований с целью подтверждения правильности выдвинутых ранее предположений.
Постскриптум: выбранная методика проведения измерений должна адекватно и в полной мере отражать задачи исследования, что зависит в первую очередь от квалификации разработчиков и уровня их знаний не только в метрологии, но и глубогоко понимания физики происходящих процессов (для правильного описания и интерпретации наблюдаемых явлений). Например, наблюдаемый ток на выходе инвертора, может не соответствовать току в возбудителе синхронной машины, при достаточном разогреве двигателя. Получаемая погрешность в измерениях и динамика изменения тока может быть несущественной для задач управления общим технологическим процессом, но в тоже время, имеет большое значение в вопросе обеспечения энергоэффективности самого двигателя при его разогреве в номинальном режиме работы. Таким образом, специалист занимающийся разработкой системы управления возбудителя синхронного двигателя, в идеальном случае должен не только владеть теорией управления электрическими двигателями, но также хорошо знать принципы образования потерь в электрических двигателях. Что несомненно выходит за рамки не только одного метода, но и одной научной дисциплины.
ПРОБЛЕМЫАНАЛИЗА В РАБОТЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
До 60-х годов прошлого столетия в исследованиях режимов оптимального управления энергосберегающими режимами электрооборудования преобладали следующие методы анализа:
1. Частотный метод анализа и синтеза систем оптимального управления
2. Метод логарифмических частотных характеристик
3. Метод корневого годографа и др.
При необходимости ознакомиться подробнее с данными методами специалист могут, изучив соответствующую литературу (например: «Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 2», под редакцией В.В. Солодовника М., изд-во «Машиностроение», 1967 г.)
С появлением в 60-х годах фундаментальных работ Л.С, Понтрягина, Р. Беллмана, А.М. Летова и др. произошёл переход к методам исследований на основе математических моделей динамических режимов и новому направлению, названному аналитическим конструированием оптимальных регуляторов. В большинстве работ, посвященных АКОР, предполагается, что исследуемая система функционирует в соответствии с исходными данными, для которых решалась задача оптимального управления, т.е. при неизменных параметрах модели, граничных условиях и т.д. Однако, в условиях реальной эксплуатации, происходят нарушения составных частей системы, изменения задаваемых режимов работы и др. В связи с этим повышение эффективности работы систем оптимального управления может быть достигнуто при решении задач методами анализа и синтеза с учётом возможных изменений состояния функционирования.
Описанные выше методы анализа оптимального автоматического управления сложных систем относятся больше к теоретическим методам, поэтому подробно в данном курсе лекций не рассматриваются. Однако при проведении исследований специалист должен иметь общие представления о данных методах.