Дисертації (АЕП)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Автоматизація процесу керування адаптивною системою переривчастого теплозабезпечення будинку на базі теплонасосної установки(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Богза, Микола Сергійович; Волощук, Володимир АнатолійовичДисертація на здобуття наукового ступеню доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. У дисертаційній роботі запропоновано подальший розвиток підходу з автоматизації процесу керування адаптивною системою переривчастого теплозабезпечення будинку на базі теплонасосної установки (ТНУ) із застосуванням оптимальних уставок регулятора. Зокрема, визначено умови формування уставки для ПІД-регулятора з урахуванням змінного графіку обігріву будівлі, динаміки теплових режимів в будівлі та зовнішніх умов, що дозволяє підвищити енергоефективність системи теплозабезпечення. Розроблено математичну модель ТНУ, яка дає змогу досліджувати динамічні режими роботи системи теплозабезпечення під час переривчастого обігріву, зокрема при переході від нічного режиму зі зниженою уставкою до етапу ранкового розігріву, що забезпечує комфортну температуру на момент початку робочого дня. Запропоновано алгоритми оптимізації режимів роботи ТНУ, завдяки яким підвищується ефективність системи теплозабезпечення. Також запропоновано методологію інтеграції аналітичних та нейронних моделей ТНУ в середовище MATLAB/Simulink, що дає можливість прискорити процес моделювання системи у змінних умовах експлуатації. Досліджено вплив параметрів переривчастого обігріву на коефіцієнт перетворення (COP), споживання електроенергії ТНУ та комфортні температурні умови у будівлі. Результати дослідження демонструють, що застосування запропонованого підходу дозволяє мінімізувати споживання електроенергії ТНУ, забезпечити гнучке управління температурними режимами та оптимізувати енергоспоживання, що сприяє підвищенню загальної ефективності системи теплозабезпечення будинку. Перший розділ документа містить детальний опис проблематики та актуальності дослідження, присвяченого автоматизованому керуванню ТНУ у системах теплозабезпечення будівель. Основний акцент зроблено на необхідності підвищення енергоефективності за рахунок удосконалення алгоритмів керування, що дозволяють оптимізувати витрати електроенергії без втрати теплового комфорту. У вступній частині розглядається зростання попиту на енергоефективні технології в умовах глобальної тенденції до скорочення використання викопного палива. Особлива увага приділена впливу переривчастого режиму обігріву на зменшення енергоспоживання. Наголошено, що традиційні системи працюють у режимі постійного навантаження, що не завжди є доцільним, особливо в умовах змінних температурних умов та відсутності людей у будівлі в нічний час. Далі обґрунтовується необхідність використання математичних моделей для прогнозування та керування тепловими режимами в будівлі. Описано, що використання пакету Matlab, Simulink, Simscape для моделювання дозволяє створювати динамічні моделі, які враховують зміни умов навколишнього середовища, теплотехнічні характеристики огороджувальних конструкцій будівлі та динамічні процеси теплових режимів. У контексті формування керуючих алгоритмів підкреслюється важливість правильного вибору уставки температури в нічний час та випереджаючого прогріву, щоб до моменту початку робочого дня забезпечити комфортний тепловий режим всередині приміщення. Таким чином, перший розділ висвітлює основні виклики у сфері теплозабезпечення будівель, окреслює мету дослідження та обґрунтовує вибір методів та засобів для реалізації енергоефективного управління ТНУ. Другий розділ дисертації присвячений розробці аналітичної моделі ТНУ, яка є основним інструментом для дослідження її роботи, оцінки ефективності та оптимізації режимів експлуатації. У розділі розглядаються сучасні методи моделювання ТНУ, їхні переваги та недоліки, а також визначаються ключові етапи створення аналітичної моделі. Аналіз методів моделювання охоплює три основні підходи: аналітичні, емпіричні та гібридні моделі. Аналітичні моделі базуються на фізичних принципах, таких як закони термодинаміки, теплопередачі та гідродинаміки, що забезпечує високу точність, але вимагає значних обчислювальних ресурсів. Емпіричні моделі, побудовані на основі експериментальних даних, швидші у реалізації, але менш універсальні та менш адаптивні до змінних умов експлуатації. Гібридні моделі поєднують обидва підходи, дозволяючи отримати баланс між точністю та обчислювальною складністю, що робить їх найбільш перспективними для моделювання складних систем. Наступна частина розділу присвячена етапам створення аналітичної моделі ТНУ. Основою для моделювання є фундаментальні фізичні закони: збереження енергії, теплопередачі, рівняння стану та гідродинаміки потоків. Розробка аналітичної моделі включає математичний опис основних компонентів ТНУ: випарника, компресора, конденсатора та розширювального вентиля. Для кожного з них формулюються рівняння енергетичних балансів з використанням функціональних залежностей які визначають теплофізичні властивості робочих тіл. Особливу увагу приділено використанню програмного пакету CoolProp, який дозволяє точно розраховувати теплофізичні властивості робочих тіл, які використовуються в ТНУ. Інтеграція цього пакета в MATLAB/Simulink/Simscape забезпечує високу точність розрахунків у реальному часі, що критично важливо для динамічного моделювання. Детально розглядається алгоритм використання CoolProp для визначення теплофізичних параметрів робочих середовищ у різних компонентах ТНУ. Реалізація моделі в MATLAB включає розробку модульної структури, у якій окремі функціональні блоки описують роботу кожного елемента системи. Модель інтегрована в середовище Simulink, що дозволяє проводити симуляції динамічних режимів роботи ТНУ та аналізувати ефективність керування тепловими процесами. Для тестування та валідації використовуються експериментальні дані, що дозволяють оцінити похибку моделювання та перевірити адекватність отриманих результатів. Окремий підрозділ присвячений валідації моделі, яка включає порівняння розрахункових значень із експериментальними даними. Аналіз похибок показує, що модель має високу точність, особливо у номінальних і часткових режимах роботи. Висновки до розділу узагальнюють основні результати розробки аналітичної моделі ТНУ, підкреслюючи її практичну значущість для оптимізації режимів роботи такими установками. Зазначається, що модель може бути використана для розробки інтелектуальних алгоритмів керування, що дозволить підвищити енергоефективність системи. Водночас наголошується на її головному недоліку – значних обчислювальних витратах, що ускладнює використання моделі для довготривалих симуляцій. Тому в наступних дослідженнях передбачається заміна аналітичної моделі на модель машинного навчання. Третій розділ дисертації присвячений розробці та інтеграції моделі машинного навчання для ТНУ у середовище Simulink. Традиційні аналітичні моделі, незважаючи на свою точність, мають значні обмеження у швидкодії, що ускладнює їх використання для управління в реальному часі. Використання методів машинного навчання дозволяє зменшити обчислювальну складність та адаптувати модель до змінних умов. Ця методологія поєднує точність аналітичних моделей із швидкодією нейронних мереж, що робить її перспективним підходом до керування ТНУ. Одним із ключових етапів дослідження є вибір моделі машинного навчання. Було проведене порівняння двох підходів: алгоритму Random Forest і нейронної мережі LSTM. Алгоритм Random Forest є простішим у реалізації та менш вимогливим до даних, але він не враховує часових залежностей у роботі системи. Натомість LSTM дозволяє моделювати складні динамічні процеси та аналізувати змінні, що мають довгострокові залежності. Тестування показало, що LSTM значно перевершує Random Forest у точності прогнозування теплових режимів системи, хоча потребує більше обчислювальних ресурсів під час навчання. Розробка нейронної моделі передбачала кілька етапів: збір і підготовка тренувальних даних, вибір архітектури нейронної мережі, її навчання та подальша інтеграція у Simulink. Було використано великий обсяг даних, отриманих із аналітичної моделі ТНУ, що містили інформацію про температурні режими у випарнику, конденсаторі, компресорі, теплове навантаження та масову витрату теплоносія. Дані були нормалізовані та структуровані для ефективного навчання моделі. Вибір архітектури нейронної мережі зупинився на LSTM, оскільки цей тип мереж ефективно працює з часовими рядами. Модель складалася з одного прихованого шару з п’ятьма нейронами, що забезпечило баланс між швидкістю роботи та точністю прогнозування. Для запобігання перенавчанню використовувалися техніки регуляризації, зокрема ранній зупин. Оптимізація виконувалася за допомогою алгоритму Adam, а функцією втрат було обрано середньоквадратичну помилку. Після навчання модель була конвертована у формат, придатний для використання у Simulink. Це передбачало трансформацію нейронної мережі у C-код із використанням бібліотеки keras2c, що дозволило отримати компактний та швидкодіючий код. Подальша інтеграція моделі у Simulink виконувалася через S-функцію, яка забезпечила зв’язок між нейронною моделлю та моделями інших типів, створених вбудованими засобами Matlab/Simulink. Тестування інтегрованої моделі в середовищі Simulink підтвердило її ефективність. Було проведено порівняння трьох реалізацій: вихідної моделі на Python, її еквівалента на мові C та кінцевого блоку S-функції у Simulink. Всі три варіанти показали близькі результати за точністю, що свідчить про коректність перетворення та інтеграції моделі. Водночас значно покращилася швидкість обчислень: якщо модель у Python потребувала значного часу для кожної ітерації, то реалізація у C-коді дозволила суттєво прискорити процес, а блок S-функції забезпечив можливість роботи в реальному часі. Висновки розділу підкреслюють доцільність використання методів машинного навчання для оптимізації роботи ТНУ та синтезу систем управління. Запропонований підхід поєднує точність аналітичних моделей із продуктивністю нейронних мереж, що робить його ефективним інструментом для досліджень. Інтеграція моделі в Simulink відкриває нові можливості для оптимізації управління ТНУ, дозволяючи адаптувати систему до змінних умов експлуатації та прогнозувати її роботу з високою точністю. Майбутні дослідження можуть бути спрямовані на вдосконалення моделі, зокрема на її адаптацію до різних типів ТНУ та розширення можливостей керування за допомогою інтелектуальних алгоритмів. Четвертий розділ дисертації присвячений розробці моделі системи теплозабезпечення будинку. Основною метою цього етапу є створення загальної моделі, яка об’єднує ТНУ, систему опалення та будівлю. Така модель забезпечує відтворення динаміки теплових режимів у будинку, через вплив зовнішніх факторів та роботу системи теплозабезпечення. Також є можливість інтеграції різних алгоритмів керування та їх аналізу для оцінки ефективності та оптимізації роботи системи. Модель враховує конструктивні особливості будівлі, теплофізичні характеристики огороджувальних конструкцій, внутрішні джерела теплоти. Використання кліматичних даних які представлені типовим метрологічним роком, дає можливість дослідити динаміку теплового режиму будівлі впродовж опалювального сезону. Модель ТНУ реалізована на основі нейронної мережі LSTM дає можливість дослідити динаміку змін режимів роботи установки та системи теплозабезпечення загалом. Модель системи опалення побудована з урахуванням постійної витрати теплоносія та роботи за температурним графіком з метою підтримання в приміщеннях теплового комфорту. Одним із ключових етапів дослідження є узгодження теплових режимів моделі ТНУ з моделлю будинку. Цей процес передбачає зв’язок між фізичними параметрами системи, такими як температура теплоносія, теплове навантаження та зовнішні кліматичні умови. Температура води на виході з ТНУ та її масова витрата виступають вхідними параметрами для моделі будинку, яка, у свою чергу, генерує сигнал зворотного зв’язку для регулювання режиму роботи компресора. Таким чином, модель дає можливість дослідити взаємозв’язок між тепловим режимом будівлі та режимом роботи ТНУ, що є важливим для оцінки ефективності роботи системи та пошуку шляхів її оптимізації. Дослідження динамічних режимів роботи системи проводиться з використанням ПІД-регулятора, який забезпечує керування температурою теплоносія на виході з ТНУ. Регулятор визначає необхідне значення температури води залежно від зовнішніх умов, дозволяючи компенсувати теплові втрати та забезпечити стабільний тепловий комфорт у будівлі. Для реалізації цього алгоритму у MATLAB Simulink розроблено та налаштовано ПІД-контролер, який динамічно регулює параметри системи у відповідь на зміну навантаження. Результати тестування моделі підтвердили її ефективність. Виявлено, що впровадження ПІД-контролера дає можливість забезпечити точність регулювання температури, із максимальним відхиленням від уставки до 0,5°C, що є достатнім. Загалом, результати моделювання підтверджують високу точність розробленої інтегрованої моделі системи теплозабезпечення будівлі на базі ТНУ. Отримані дані можуть бути використані для подальшого вдосконалення алгоритмів керування, зокрема шляхом застосування прогнозуючих моделей із застосуванням машинного навчання для прогнозування теплових режимів та адаптивного регулювання роботи ТНУ. Таким чином, проведене дослідження дає можливість розвивати інтелектуальні системи теплозабезпечення, які орієнтовані на сучасні вимоги сталого розвитку та декарбонізації[1]. П’ятий розділ дисертації присвячено розробці та дослідженню алгоритмів керування переривчастим обігрівом на базі ТНУ. Основна увага приділена розробці адаптивних методів керування, які дають можливість зменшити енергоспоживання в нічний період за рахунок зниження температурної уставки, а також забезпечити необхідний рівень комфорту в приміщеннях до початку робочого дня шляхом завчасного переходу в режим розігріву. У розділі обґрунтовано актуальність досліджень у сфері енергоефективного управління теплозабезпеченням, зокрема враховуючи необхідність балансування між економією електроенергії та комфортом в приміщеннях. Розроблено математичні моделі для розрахунку оптимальних параметрів роботи ТНУ, що дає змогу ефективно адаптувати систему до змінних зовнішніх умов. Передбачено використання середовища моделювання MATLAB/Simulink для моделювання системи теплозабезпечення будинку з ТНУ. Використано модель будівлі з її теплофізичними характеристиками, модель ТНУ та алгоритм керування температурним режимом. Проведено численні сценарії моделювання для аналізу впливу температури нічної уставки та часу початку розігріву на загальне енергоспоживання та комфортні умови в будівлі. Результати досліджень показали значний потенціал переривчастого керування. Зокрема, оптимальні параметри керування, визначені для різних температур зовнішнього середовища, дають можливість досягти суттєвої економії енергії без погіршення теплового комфорту у приміщеннях. Аналіз показує, що із зростанням температури навколишнього середовища необхідний час розігріву зменшується, а температура нічної уставки може бути знижена без негативних наслідків для комфорту. Розроблено алгоритм переривчастого керування, що включає блоки збору даних, розрахунку оптимальних параметрів, адаптивного управління режимами роботи ТНУ та аналізу ефективності. Алгоритм реалізовано в MATLAB/Simulink, а результати моделювання свідчать про можливість зниження енергоспоживання системи до 18% у порівнянні з традиційними методами безперервного керування. У фінальній частині розділу представлено порівняльний аналіз ефективності безперервного та переривчастого режимів роботи ТНУ. Виявлено, що при переривчастому управлінні середня температура в приміщенні залишається в допустимих межах, а середня температура теплоносія зменшується, що знижує навантаження на обладнання та подовжує термін його служби. Таким чином, запропоновані алгоритми управління є ефективним рішенням для оптимізації енергоспоживання ТНУ у системах теплозабезпечення будівель. Наукова новизна отриманих результатів дисертаційної роботи заключається в наступному: виявлено і кількісно оцінено оптимальні значення параметрів переривчастого обігріву будинку на базі ТНУ, які забезпечують підвищення енергетичної ефективності системи керування теплозабезпеченням; вдосконалено систему керування переривчастим обігрівом теплозабезпечення будинку на базі ТНУ, яка враховує вплив температури зовнішнього середовища, прямої води в умовах зниженого теплового навантаження, прямої води в умовах розігріву, а також часу розігріву і дає можливість знизити споживання електроенергії ТНУ; удосконалено підходи до інтеграції аналітичних та нейронних моделей у середовищі MATLAB/Simulink за рахунок розроблення спеціальних алгоритмів, що суттєво зменшило затрати машинного часу для імітаційного моделювання динамічних процесів у системах теплозабезпечення; набули подальшого розвитку підходи до дослідження впливу типу робочого тіла на характеристики ТНУ за рахунок інтеграції бібліотек з дослідження властивостей робочих тіл в моделі ТНУ, що дало можливість оцінювати ефективність застосування нових типів робочих тіл (зокрема сумішей) на динамічну характеристики ТНУ. Отримані результати дисертаційної роботи мають і практичне значення, яке полягає в розробленні методики інтеграції складових системи теплозабезпечення — ТНУ, системи опалення та будівлі — в єдину комплексну модель; методики розробки нейронної моделі ТНУ, яка зберігає точність аналітичної моделі та при цьому істотно скорочує час обчислень, що дає можливість ефективно застосовувати її для динамічного керування системою теплозабезпечення; розроблені алгоритму переривчастого керування режимами роботи ТНУ, який мінімізує енерговитрати та забезпечує комфортний тепловий режим у будівлі. Разом з цим результати роботи використовуються в навчальному процесі кафедри автоматизації енергетичних процесів Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Це підтверджується відповідним чином оформленим актом (додаток Б).Документ Відкритий доступ Автоматизація процесів керування термічною обробкою вуглецевих матеріалів(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Жученко, Людмила Костянтинівна; Волощук, Володимир АнатолійовичЖученко Л. К. Автоматизація процесів керування термічною обробкою вуглецевих матеріалів - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Сьогодні роботу підприємств таких визначальних для народного господарства України галузей промисловості як кольорова та чорна металургія, хімічна промисловість, машинобудування та інші, там, де технологія виробництва нерозривно пов'язана з необхідністю використання електротермічних процесів, неможливо уявити без продукції вуглеграфітового виробництва. Сучасні світові тенденції розвитку названих галузей промисловості характеризуються постійним нарощування обсягів виробництва графітованих вуглецевих виробів. Графіт часто використовується як футеровочний матеріал в доменних та феросплавних печах, атомній промисловості. Алюмінієве виробництво є найбільшим споживачем графітованих виробів. Відомо, що саме виробництво вуглецевих виробів характеризується значними ресурсними та енергетичними затратами. Звідси, підвищення ефективності виробництва вуглецевих виробів є науково-практичним завданням. Це актуально особливо в сучасних умовах, коли спостерігається зростання вартості енергоносіїв на постійній основі. Виробництво вуглеграфітової продукції є складним та багатостадійним. Одними з визначальних стадій даного виробництва, на яких у значній мірі формуються остаточні властивості кінцевої продукції, є технологічні процеси формування та випалювання вуглецевих виробів. На ці технологічні процеси припадає біля 40 відсотків енергозатрат всього виробництва. Одним із шляхів підвищення ефективності технологічних процесів формування та випалювання вуглецевих виробів є створення сучасних систем керування даними процесами. На жаль, існуючі сьогодні на виробництві системи керування не відповідають поставленим задачам підвищення ефективності. Звідси, стоїть питання удосконалення існуючих систем керування, в іншому випадку – розроблення нових. Виходячи з цього, постає актуальна науково-практична задача створення комп’ютерних систем оптимального керування технологічними процесами формування та випалювання вуглеграфітового виробництва, які б відповідали сучасним вимогам ресурсо- та енергозбереження. Представлений короткий опис технологічного комплексу вуглеграфітового виробництва, на підставі аналізу якого виділені об’єкти дослідження – технологічні процеси формування та випалювання. Вибір саме цих процесів обумовлений, по-перше, їх визначальним значенням у формуванні остаточних властивостей кінцевої продукції і, по-друге, їх суттєвою енергоємністю. Проведений аналіз технологічних особливостей процесів формування та випалювання вуглецевих виробів, а також конструктивних особливостей технологічних апаратів, де названі вище процеси відбуваються. Досліджений асортимент вуглеграфітової продукції та показники її якості на прикладі ПрАТ «Укрграфіт», в результаті якого визначені основні показники, які фактично формують ринкову вартість готової продукції і тому саме вони мають бути забезпечені енергоефективними технологічними режимами виробництва в першу чергу. Енергоємність кожної кампанії випалювання визначається перш за все тривалістю останньої. У зв’язку з цим запропонований показник, який може бути використаний у системі керування процесом для визначення його оптимальної тривалості. Проведений аналіз існуючих систем керування процесом формування вуглецевих виробів, а також споріднених процесів показав, що питанням відмовостійкості систем керування даним процесом у вітчизняних дослідженнях зовсім не приділялося уваги, хоча це питання є доволі актуальним. У зв’язку з цим у роботі запропонована відмовостійка система керування процесом формування вуглецевих виробів. На відміну від традиційних відмовостійких систем, дана система враховує циклічний характер технологічного процесу формування шляхом застосування керування з ітеративним навчанням. Проведено оптимальне налаштування системи керування та досліджено її ефективність. Як свідчать усі літературні джерела, а також практика виробництва основним технологічним режимом, який визначає всі техніко-економічні показники процесу випалювання, є тепловий режим. Саме тому дослідженню теплових режимів процесу випалювання з точки зору побудови системи керування ним приділена особлива увага. Метод математичного моделювання застосовується як фактично безальтернативний метод проведення даного дослідження. Враховуючи, що єдиним ефективним керуванням процесу випалювання є витрати палива у «камері під вогнем», саме ця камера була об’єктом дослідження теплових режимів. Результати дослідження показали, що камеру можно умовно поділити на три температурні зони: гарячу, підсклепінчату та холодну. Причому, що принципово важливо для синтезу системи керування, ці зони не мігрують у залежності від типу завантаження камери. Особливу увагу приділено дослідженню впливу витрати палива на теплові режими камери. Важливим висновком є те, що при збільшенні витрати палива зростає перепад температур у заготовках, що може призвести до браку продукції. Особливо небезпечним це є для заготовок, розташованих у «гарячій» зоні печі на початковому етапі кампанії випалювання. «Холодна» зона печі має найнижчі температури. Це означає, що саме на заготовки, розташовані у цій зоні треба орієнтуватись при визначенні оптимальної тривалості процесу випалювання. Важливим результатом проведеного дослідження є висновок про те, що температура пересипки практично не відрізняється від температури заготовки, що знаходиться поруч. Це надає можливість контролювати температуру заготовки за температурою пересипки, яка на відміну від температури безпосередньо заготовки може бути виміряна. За результатами проведеного аналізу існуючих систем керування процесом випалювання вуглецевих виробів виявлені недоліки останніх і сформульоване завдання створення нової системи керування процесом з метою підвищення його ресурсо- та енергоефективності. Запропонована система програмного керування процесом випалювання, досліджено вплив тривалості процесу та параметрів налаштування ЛКрегулятора на техніко-економічні показники виробництва та показники якості готової продукції. З метою усунення недоліків системи програмного керування розроблена система керування процесом випалювання реального часу, в якій для визначення температур заготовок у характерних точках вимірюються поточні температури у відповідних точках пересипки.Документ Відкритий доступ Автоматизоване діагностування ефективності роботи теплонасосної установки на основі критеріїв ексергетичного аналізу(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Некрашевич, Олена Василівна; Волощук, Володимир АнатолійовичНекрашевич О.В. Автоматизоване діагностування ефективності роботи теплонасосної установки на основі критеріїв ексергетичного аналізу. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. У дисертаційній роботі запропоновано подальший розвиток підходу з діагностування ефективності роботи компонентів теплоенергетичної системи з використанням критеріїв ексергетичного аналізу та з урахуванням динамічних режимів роботи. У першому розділі дисертації було проаналізовано особливості методології ексергетичного аналізу, поглибленого ексергетичного аналізу та критерії, які при цьому використовуються, й розглянуто можливість застосування цієї методології у задачах діагностування поточного стану компонентів теплонасосних установок з урахуванням змінних режимів роботи. На основі наведених прикладів з’ясовано, що: діагностична інформація у будьякій системі, що експлуатується, є різної природи і, як наслідок, її доволі важко систематизувати через різні за своєю природою фізичні процеси, які відбуваються у системі; зміни в одному компоненті системи можуть впливати на характеристики іншого компоненту, через що діагностична інформація не дає однозначної відповіді на питання, який з компонентів мав більший вплив на погіршення характеристик системи в цілому; згідно з існуючим підходом (Перший закон термодинаміки) різні види та форми передачі енергії оцінюються без урахування якості енергії та не враховуються термодинамічні недосконалості, які обумовлені необоротностями; саме ексергетичний підхід дає можливість визначити місце, значення та джерела термодинамічних втрат при передачі та перетворенні енергії. Виходячи з поставленої мети дослідження, а саме підвищення енергетичної ефективності теплонасосної установки під час її експлуатації шляхом розроблення автоматизованої системи діагностування стану роботи компонентів об’єкта на основі критеріїв ексергетичного аналізу, необхідно вирішити наступні завдання: на основі квазістаціонарного підходу розробити та реалізувати математичну та комп’ютерну модель діагностування зміни ефективності роботи компонентів теплонасосної установки у складі системи теплозабезпечення; визначити доцільність застосування критерії ексергетичного аналізу (зміна ендогенної частини деструкції ексергії) у задачах діагностування та необхідність подальшого розроблення відповідного математичного та програмного забезпечення з урахуванням динамічних режимів роботи теплонасосної установки; розробити та реалізувати динамічну модель об’єкта дослідження, визначити його динамічні характеристики з можливістю синтезу системи керування; розробити та реалізувати алгоритм та моделі діагностування стану компонентів теплонасосної установки з урахуванням динамічних режимів роботи; на основі сформованого підходу та алгоритмів із його реалізації розробити інформаційно-дорадчу систему автоматизованого діагностування теплонасосної установки та практичні поради з впровадження даної системи. Другий розділ дисертації було присвячено розробці комп’ютерної моделі діагностування теплонасосної установки типу «вода-вода» на основі квазістаціонарного підходу. Діагностування ефективності роботи компонентів теплонасосної установки з урахуванням змінних режимів роботи реалізовано на основі ексергетичного аналізу шляхом визначення зміни ендогенної частини деструкції ексергії компонентів теплонасосної установки, яка використовувалася у якості ключового показника діагностування. Це дало змогу ідентифікувати, кількісно оцінити погіршення експлуатаційних характеристик компонентів та їх вплив, як на ефективність інших компонентів так і на ефективність установки в цілому. На базі цього діагностування запропоновано алгоритм предиктивного обслуговування теплонасосної установки, яке призвело до економії електроенергії від 4 до 9% за один опалювальний сезон. У третьому розділі дисертації було розроблено та реалізовано динамічні моделі для дослідження перехідних процесів у теплонасосних установках «повітря-вода» та «вода-вода» у комп’ютерному пакеті Matlab. Внаслідок чого виявлено, що досліджувані перехідні процеси можна апроксимувати аперіодичними ланками першого порядку та те, що об’єкти керування – нелінійні. Проаналізувавши перехідні процеси теплонасосної установки при різних збуреннях та початкових умов, було визначено, що саме зміна температури та витрати води на вході у конденсатор мають більший вплив на вихідний параметр, ніж збурення зі сторони випарника. Також було здійснено перевірку моделі на адекватність для двох варіантів, яка показала, що у порівнянні з експериментальними даними похибка з визначення параметрів об’єктів у динамічних процесах за розробленими моделями не перевищує 10,5%. Четвертий розділ дисертації було присвячено розробленню динамічної моделі діагностування теплонасосної установки типу «вода-вода» на базі запропонованого алгоритму ідентифікації неполадок в установці з урахуванням її динамічних режимів роботи. Модель, яка реалізована в середовищах Matlab та Simulink, складається з моделі динамічних процесів окремих компонентів у взаємозв’язку між собою та моделі визначення потоків деструкції ексергії у досліджуваних динамічних процесах. Розроблено алгоритм, який базується на використанні ексергетичного балансу компонентів теплонасосної установки та визначення ендогенних частин деструкції ексергії при нормальному режимі роботи та в умовах несправностей (накип на поверхнях нагріву, збільшення гідродинамічних втрат у компресорі, тощо). Виявлення компоненту, який найбільше впливає на зниження ефективності теплонасосної установки в цілому, відбувається за ознакою найбільшого зростання ендогенної частини деструкції ексергії цього компонента через погіршення його умов роботи. В даному випадку таким компонентом виявився конденсатор, несправність якого призвела до найбільшого зростання споживання електроенергії у теплонасосній установці. У п’ятому розділі дисертації було розглянуто методологію практичної реалізації та переваги використання цифрового двійника у галузі теплоенергетики з розширенням традиційних підходів до промислової автоматизації. Сучасні теплонасосні установки є доволі складними системами, і тому важливо мати засоби для їх ефективного моніторингу, що сприяє підвищенню їх продуктивності та надійності. Саме тому було створено віртуальну модель теплонасосної установки, яка відображає її роботу в реальному часі та здійснює виявлення несправності в компонентах; та запропоновано архітектуру цифрового двійника, яка дає можливість оптимізувати роботу теплонасосної установки. Використовуючи міжнародний стандарт AutomationML було запропоновано структуру цифрового двійника теплонасосної установки з переліком основних компонентів, всіх важливих атрибутів та параметрів установки. Цифровий двійник теплонасосної установки об’єднує історичні дані та дані в реальному часі для покращення процесу прийняття рішень у межах інформаційно-дорадчої системи автоматизованого діагностування. Наукова новизна отриманих результатів дисертаційної роботи заключається в: доведеній можливості та доцільності використання методології ексергетичного аналізу у задачах діагностування змін експлуатаційних характеристик компонентів системи та оцінювання впливу цієї зміни на ефективність роботи системи в цілому; подальшому розвитку математичного моделювання динамічних процесів теплонасосної установки, що полягає у врахуванні втрат енергії під час стиснення робочого тіла у компресорі та застосуванню критерію ексергетичного аналізу (зміни ендогенної частини деструкції ексергії) у задачах ідентифікації зміни експлуатаційних характеристик компонентів системи в умовах динамічних режимів роботи; розробленні інформаційно-дорадчої системи з використанням технологій цифрового двійника. Отримані результати дисертаційної роботи мають і практичне значення, яке полягає у підвищенні ефективності роботи теплонасосної установки, зменшенню витрат на її обслуговування та часу позапланових та планових ремонтних робіт, що досягається шляхом реалізації розробленої інформаційнодорадчої системи автоматизованого діагностування теплонасосної установки з використанням моделі діагностування стану компонентів. Поряд з цим результати роботи використовуються в навчальному процесі кафедри автоматизації енергетичних процесів Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Це підтверджується відповідним чином оформленим актом. У подальшому запропонований критерій ексергетичного аналізу (зміна ендогенної частини деструкції ексергії) використовуватиметься, як ключовий показник ефективності для вирішення задач енергоменеджменту, у разі схвалення міжнародними експертами та членами технічного комітету 185 «Промислова автоматизація».Документ Відкритий доступ Модельно-прогнозуюче автоматичне керування режимом дуття кисневого конвертера з енергоефективним засвоєнням тепла(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022) Маріяш, Юрій Ігорович; Степанець, Олександр ВасильовичДокумент Відкритий доступ Автоматизація процесів керування інерційними каналами енергоблоку теплової електростанції з використанням двоканального нечіткого контролера(2019) Новіков, Павло Валерійович; Ковриго, Юрій МихайловичДокумент Відкритий доступ Робастне керування інерційними контурами котлоагрегата зі змінними параметрами на базі внутрішньої моделі(2016) Баган, Тарас Григорович; Ковриго, Юрій Михайлович; автоматизації теплоенергетичних процесів; теплоенергетичний; Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"