Крылья инженерной мысли

Системы управления оборудованием нужно разрабатывать с самого начала проекта
22.10.2018
Марио Гарсия Санз

Человек пытался научиться летать на протяжении многих веков, придумывая различные приспособления и механизмы. Если говорить о моторизованных летающих аппаратах тяжелее воздуха, то первыми успеха добились братья Райт. Почему именно они?

Можно предположить, что братья Райт сумели придать планеру достаточно хорошие аэродинамические свойства или что они не уставали экспериментировать и быстро учились на собственных ошибках, но у меня есть другая версия. Я считаю, что успех братьев Райт объясняется правильным подходом к задаче управления.

Фото 1. Самолёт братьев Райт. 1903 г.

Разрабатывая свой самолёт, братья Райт допустили серьёзный промах - расположили спереди довольно крупные дополнительные крылья (см. фото 1), сделав летательный аппарат неустойчивым при порывах ветра. Тем не менее он летал и слушался пилота, поскольку изобретатели изначально применили динамическую систему управления. Эта система обеспечивала достаточно быстрый отклик, компенсируя принципиальную неустойчивость конструкции. Примерно как у велосипеда.

Контуры регулирования

Следующий пример уже из энергетики. Взгляните на фото 2. Это самая первая автоматически работающая ветровая турбина в Соединённых Штатах, использовавшаяся для выработки электроэнергии. Ветроустановка была построена в Кливленде (шт. Огайо) в 1887 г. и прослужила до 1908 г. Спроектировал её инженер Чарльз Браш - один из пионеров в практическом освоении электрической энергии.

Фото 2. Ветрогенератор Чарльза Браша

Ветряк Браша по тем временам был огромным. Ротор диаметром 17 м был составлен из 144 лопастей. И в этом ветряке были реализованы автоматическая система управления рысканьем, то есть поворотами конструкции вокруг вертикальной оси, а также автоматическая стабилизация скорости вращения ротора и напряжения на выходе генератора. Благодаря этим решениям агрегат без проблем проработал 20 лет. То есть в нём с самого начала проектирования тоже была заложена динамическая система управления. Нужно ли уточнять, что по тем временам это было настоящее прорывное изобретение?

Шаг за шагом

Сегодня, к сожалению, подобные прорывные разработки затруднены. Проблема, например, - в узкой специализации инженеров. Технические системы становятся всё более сложными, поэтому вузам приходится ограничивать количество учебных предметов. (О способах решения этой проблемы применительно к сервису мы писали в «Энерговекторе» за июнь 2018 г. в статье «По пути инноваций». - Прим. ред.) И у разработчиков современных систем есть глубокое понимание процессов только в узких рамках их специализации, нет широкого кругозора, каким, например, обладали братья Райт.

Научно-производственные предприятия и конструкторские бюро сегодня используют метод последовательной организации проектных работ. Например, при создании ветровых турбин сначала идёт расчёт аэродинамики, затем - проектирование механических структур, далее прорабатывается силовая электрическая часть, затем - электронная и только под конец специалисты начинают отлаживать алгоритмы управления всей системой.

Подобная организация работ ограничивает возможности конструкторов, не позволяя им создавать оптимальные системы.

Холистический синтез

Я предлагаю вернуться к мультидисциплинарной параллельной разработке систем, с самого начала проекта закладывая модели управления ими. Все подразделения корпораций, имеющие отношение к проекту, должны трудиться вместе, в плотном контакте друг с другом. Не только инженеры-механики, технологи и учёные-материаловеды, но и электрики, экономисты, специалисты по сертификации и сервису должны работать совместно. При этом параметры системы управления в виде контуров обратной связи, тактовых частот, показателей стабильности и т. д. выбираются на ранних этапах. Таким образом мы сможем получить оптимальные результаты.

Для примера могу рассказать о двух успешных проектах, в которых мне лично довелось участвовать. В конце 1990-х мы разрабатывали ветровую турбину, в которой заложили усовершенствованную систему управления углами поворота лопастей и скорости вращения ротора в зависимости от силы ветра, электрической нагрузки и других факторов.

Предельная ветровая нагрузка на лопасти сократилась, что позволило облегчить их на 22%, ступица была облегчена на 1,4%, подшипники ротора - на 1,2%, главный вал - на 1,9%, несущие конструкции внутри гондолы - на 2,8%, блок мультипликатора потерял 3,4% веса и т. д. В итоге мы сумели существенно снизить механическую нагрузку на башню, что позволило сильно её облегчить. Башня получилась примерно на треть дешевле, чем у конкурентов, при той же мощности ветровых установок.

Другой проект касается систем водоочистки для крупного города. Обычно такие системы имеют линейную структуру (вода последовательно проходит ряд фильтров), а мы ввели контуры рециркуляции. Упрощённо говоря, мы разделяли очищенные и недоочищенные компоненты, отправляя последние на повторную обработку. При этом для оптимизации общего потока нам пришлось создать динамическую систему регулирования с датчиками и цепями обратной связи. В итоге, мы сумели повысить качество очистки, сократив капитальные затраты на строительство водоочистной станции.

Фото 3. Водоочистные сооружения можно существенно оптимизировать

В предлагаемой мной концепции параллельной разработки важно под каждый проект собрать сообщество специалистов из разных областей, сразу охватывая инженерные, экономические, экологические и другие аспекты проекта.

* * *

В агентстве ARPA-E предложенная концепция будет применена при разработке систем обессоливания морской воды, волновых и приливных генераторов, ветровых турбин, а также при совершенствовании традиционных способов энергетического производства на атомных, угольных, газовых и геотермальных электростанциях.

Об авторе: Марио Гарсия Санз - директор научно-исследовательской программы агентства ARPA-E.

Читайте другие наши материалы