ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

Электронный научный журнал

Издается ежемесячно с декабря 2018 года

Является печатной версией сетевого журнала

Инженерные решения

Выпуск: 2(12)

Февраль 2020

Новосибирск

2020

УДК 004+62

ББК 3

И622

Главный редактор:

Величко Сергей Анатольевич, д-р техн. наук.

Редакционная коллегия:

Звездина Марина Юрьевна, канд. техн. наук, д-р физ.-мат. наук;

Каракеян Валерий Иванович, д-р техн. наук;

Королев Владимир Степанович, канд. физ.-мат. наук;

Мартышкин Алексей Иванович, канд. техн. наук;

Милостная Наталья Анатольевна, канд. техн. наук;

Наумкин Николай Иванович, канд. техн. наук, д-р пед. наук;

Немирова Любовь Федоровна, канд. техн. наук;

Семашко Николай Александрович, д-р техн. наук;

Федосин Сергей Алексеевич, канд. техн. наук;

И622 Инженерные решения: эл.научный журнал. – 2020 – № 2(12). – 32 с. –

https://journaltech.ru/archive/12

Учредитель и издатель: ООО «Грани науки»

ISSN: 2658-6479

ББК 3

© ООО «Грани науки», 2020 г.

Содержание

Информатика и вычислительная техника 4

МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ НА БАЗЕ ПРОТОКОЛА ZIGBEE С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ OMNET Казаков Федор Александрович Казаков Михаил Федорович

4

Математические и компьютерное моделирование 9

АЛГОРИТМ НАСТРОЙКИ АДАПТИВНОГО НЕЙРО-НЕЧЕТКОГО ПИ-РЕГУЛЯТОРА Мамбетов Атамурат Баймуратович Беглербеков Расул Жубатханович Султанова Хурлиман Бахтияровна

9

Наука и производство 13

ДВИЖЕНИЕ БЕЗ ОПОРЫ Толшмяков Александр Александрович

13

Технологии машиностроения 21

ПОВЫШЕНИЕ КПД МЕХАНИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНЕРЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАХОВИКА В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ Закиев Денис Даутказыевич Маргин Андрей Николаевич Крутских Николай Алексеевич Алибеков Сергей Якубович

21

Энергетика 26

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ С СОЛНЕЧНЫМ КОЛЛЕКТОРОМ Шамигулов Петр Валерьевич Жадаева Ольга Павловна

26

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

4

ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ НА БАЗЕ ПРОТОКОЛА

ZIGBEE С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ OMNET

Казаков Федор Александрович

канд. техн. наук, доц., ФГАОУ ВО Сибирский федеральный университет, РФ, г. Красноярск

Е-mail: f.kazakov@sfu-kras.ru

Казаков Михаил Федорович

аспирант, ФГАОУ ВО Сибирский федеральный университет, РФ, г. Красноярск

Е-mail: kkaazzaakkoovv1@gmail.com

MODELING OF WIRELESS SENSOR NETWORKS ON THE BASIS OF ZIGBEE PROTOCOL

USING OMNET

Fedor Kazakov

PhD, SibFU, Russia, Krasnoyarsk

Mikhail Kazakov

postgraduate student of SibFU, Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются вопросы моделирования протокола построения беспроводных сенсорных сетей

ZigBee. Анализируются особенности работы протокола в условиях высоких требований к задержке передачи

данных. Так же рассматривается механизм построения модели работы беспроводной сенсорной сети с исполь-

зованием системы имитационного моделирования OmNet++ и библиотеки Castalia. Приведены результаты мо-

делирования режима гарантированных временных слотов (GTS) в различных условиях.

ABSTRACT

The article discusses the modeling of the protocol for building wireless sensor networks ZigBee. The features of the

protocol in the conditions of high requirements for data transmission delay are analyzed. The mechanism of building a

model of a wireless sensor network using the OmNet ++ simulation system and the Castalia library are also considered.

The results of modeling the guaranteed time slots (GTS) mode under various conditions are presented.

Ключевые слова: Беспроводные сенсорные сети, IEEE 802.15.4, ZigBee, имитационное моделирование,

OmNet++

Keywords: Wireless Sensor Networks, IEEE 802.15.4, ZigBee, Simulation modeling, OmNet++

Беспроводные сенсорные сети на базе прото-

кола IEEE 802.15.4/ZigBee

Беспроводные сенсорные сети (БСС) являются

одним из перспективных направлений развития со-

временных телекоммуникационных технологий для

встраиваемых систем телеметрии. Миниатюрность

узлов, низкое энергопотребление и сравнительно

невысокая стоимость, прогнозирует их широкое

применение, например, в бортовых управляющих

сетях, в экологическом, биологическом, медицин-

ском мониторинге и другие областях. Основой для

построения БСС является стандарт IEEE 802.15.4 и

созданный на его основ протокол ZigBee [8].

Стек протоколов IEEE 802.15.4/ZigBee разрабо-

тан для приложений, одним из ключевых требова-

ний которых является низкое энергопотребление [7].

Периоды активности устройств, выполненных по

технологии ZigBee/IEEE 802.15.4, могут быть

крайне малы, что обеспечивает продолжительный

срок службы автономных источников питания.

Технология IEEE 802.15.4/ZigBee не предназна-

чена для передачи больших объемов информации.

Однако для передачи, например, показаний датчи-

ков, объем которых редко превышает десятков байт,

не требуется высоких скоростей — в этом случае

обязательны высокие показатели по энергопотреб-

лению, цене и надежности. Большинство устройств

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

5

IEEE 802.15.4/ZigBee работают по следующему ал-

горитму: устройство находится в «спящем» состоя-

нии практически все время, обеспечивая оптималь-

ный режим энергосбережения. При поступлении

новой информации либо во время очередного сеанса

связи устройство активизируется, быстро передает

данные и снова переходит в режим пониженного

энергопотребления.

IEEE 802.15.4 устанавливает два механизма до-

ступа к каналу CSMA/CA, в зависимости от типа

конфигурации сети: с использованием маячков и без

использования. В сети без маячков используется

обычный (бесслотовый) механизм доступа

CSMA/CA. В сети с маячками используется слото-

вый (тактированный) механизм доступа CSMA/CA,

в котором начало временного слота должно совпа-

дать с границей суперфрейма сетевого координато-

ра, т.е. начало слота для каждого устройства должно

быть синхронизировано с началом передачи маячка

сетевым координатором.

Для устройств, которые требуют срочной до-

ставки или большей пропускной способности кана-

ла, сетевой координатор может зарезервировать

часть суперфрейма, в котором будет отсутствовать

конкуренция за канал (рисунок 1), поскольку в это

время сетевой координатор запрещает любую пере-

дачу всем другим устройствам. Эта часть слотов

суперфрейма называется гарантированными вре-

менными слотами (Guaranteed Time Slots - GTS).

Рисунок 1. Структура суперфрейма с

гарантированными временными слотами

Основным методом, предусмотренным в стан-

дарте IEEE 802.15.4/ZigBee, для обеспечения низкой

задержки и гарантированной доставке данных, явля-

ется предоставление гарантированных временных

слотов для тех узлов, которые имеют высокие тре-

бования к надежности и пропускной способности.

Однако под GTS в стандарте выделено только семь

слотов, соответственно при заполнении их всех, до-

бавление новых узлов работающих в данном режи-

ме не предоставляется возможным. При превыше-

нии общего числа узлов с высокими требованиями к

времени реакции будет использоваться режим кон-

курентного доступа и задержки передачи пакетов

будут не предсказуемы, что может отразится на об-

щей работоспособности системы.

Перспективным направлением развития техно-

логии IEEE 802.15.4/ZigBee является расширение

используемых алгоритмов выделения временных

интервалов гарантированного доступа. Добавление,

помимо жесткого закрепления GTS за ограничен-

ным числом узлов, алгоритмов на базе очередей или

с различными алгоритмами распределения приори-

тетов.

Моделирование БСС

Одной из широко применяемых технологий для

оценки параметров БСС является имитационное

моделирование с использованием соответствующего

ПО. Наиболее распространенные системы это NS-2

[5], Cooja [2], TOSSIM [6], OMNeT++ [3].

В данной работе использовалась система имита-

ционного моделирования OMNeT++ с установлен-

ной библиотекой Castalia [1]. OMNeT++ предостав-

ляет IDE на основе Eclipse, графическую среду мо-

делирования, системы сбора и обработки результа-

тов, а также множество других инструментов. Раз-

работка собственных модулей возможна с примене-

нием языка C++.

Используемая в библиотеки модель радиопере-

дающих устройств основана на реальных радио-

станциях (с использованием набора микросхем

CC2420) для связи с низким энергопотреблением,

рассматривает различные типы модуляции и пере-

дачи.

Для моделирования беспроводного канала, в

библиотеки Castalia учитывается мобильность узлов,

и расчет опирается на логнормальную (log-normal)

модель затенения. Как было показано в [4] данная

модель обеспечивают точные оценки средних по-

терь при движении узлов. Castalia также позволяет

моделировать в качестве источников данных раз-

личные физические процессы.

Рисунок 2. Архитектура связей модели Castalia

В библиотеки реализованы функции маршрути-

зации и протоколов доступа к среде, в том числе

IEEE 802.15.4. Библиотека Castalia, не являясь моде-

лью реальных устройств, моделирует поведение

обобщённых узлов, и направлена для предваритель-

ной оценки технических решений, перед внедрени-

ем приложений и алгоритмов для конкретных плат-

форм.

Архитектура связей модулей модели показана

на рисунке 2. Библиотека Castalia воспринимает

сенсорную сеть как набор узлов, каждый узел опи-

рается на ряд устройств зондирования, которые вза-

имодействуют с некоторыми физическими процес-

сами с целью извлечения данных из среды.

Каждый узел состоит из ряда различных подмо-

дулей. Система моделирования OmNET++ позволя-

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

6

ет определять составные объекты как набор связан-

ных объектов более низкого порядка. На самом

нижнем уровне логика поведения объекта реализу-

ется с использованием языка C++. На рисунке 3

приведена общая архитектура одного узла, и струк-

тура связей его подмодулей.

Рисунок 3. Модель узла (Node)

В составе объекта входят компоненты реализующие функции приложения (Application), функции датчиков

для считывания состояния процесса (SensorManager), функции учета расходуемых ресурсов — в первую оче-

редь электроэнергии (ResourseManager), функции передачи данных через беспроводную сеть (Communcation) и

блок моделирования перемещения узла (MobilityMabager).

Компонент Communication так же является составным (Рисунок 4). Компоненты объекта реализуют функ-

ции управления доступом (MAC), доступа к радиоканалу (Radio) и модуль маршрутизации (Routing).

В дальнейшем компоненты модели уже являются простыми и реализуются на языке C++.

Рисунок 4. Модель сетевого модуля (Communcation)

Для моделирования поведения БСС с использованием библиотеки Castalia на базе системы OmNet++ ис-

пользуется сеть с двумя типами узлов: узлы работающие в режиме конкурентного доступа и узлы использую-

щие для передачи механизм гарантированных временных интервалов. Структура сети приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Модель сети

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

7

Для реализации различных алгоритмов распре-

деления GTS был создан новый объект реализации

функции управления доступом к среде передачи

данных (MAC). В интерфейсную часть объекта был

добавлен тип используемого алгоритма управления

распределения GTS (typeControlGTS).

При моделировании использовались одинаковые

параметры распределения для всех узлов и они были

подобраны для обеспечения максимальной нагрузки

БСС.

Результаты моделирования

В первую очередь на полученной модели были

произведены измерения оригинального стандарта. В

результате проведенных экспериментов были полу-

чены графики на Рисунках 6 и 7.

В первом случае график показывает величину

задержки и процент потерь для режима конкурент-

ного доступа к среде. Как видно из графика процент

потерь начинает расти с количества узлов равного

семи и, к моменту, когда в передачи участвуют че-

тырнадцать узлов процент потери становиться более

12% и продолжает расти.

Рисунок 6. Задержка и процент потерь для конкурентного доступа

Для режима гарантированного доступа к среде

(Рисунок 7) процент потерь сохраняется равным

нулю только для семи и менее узлов. Как было от-

мечено выше в работе, все последующие участники

в передачи данных в режиме GTS не участвуют.

Рисунок 7. Задержка и процент потерь для гарантированного доступа

Время задержки для режима гарантированного

доступа зависит от соотношения длины суперфрей-

ма и интенсивностью генерации пакетов.

Вывод

В статье были рассмотрены вопросы моделиро-

вания протокола построения беспроводных сенсор-

ных сетей ZigBee. Проанализированы особенности

работы протокола в условиях высоких требований к

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

30,00%

35,00%

360

370

380

390

400

410

420

430

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

ПР

ОЦ

ЕН

ТЫ

МИ

ЛИ

СЕ

КУ

НД

Ы

КОЛИЧЕСТВО УЗЛОВ

Задержка Процент потерь

0,00%

20,00%

40,00%

60,00%

80,00%

100,00%

120,00%

0

100

200

300

400

500

600

700

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ПР

ОЦ

ЕН

ТЫ

МИ

ЛИ

СЕ

КУ

НД

Ы

КОЛИЧЕСТВО УЗЛОВ

Задержка Процент потерь первых 7 узлов Процент потерь для >7 узлов

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

8

задержке передачи данных. Так же был рассмотрен

механизм построения модели работы беспроводной

сенсорной сети с использованием системы имита-

ционного моделирования OmNet++ и библиотеки

Castalia. Приведены результаты моделирования ре-

жима гарантированных временных слотов (GTS) в

различных условиях.

Список литературы:

1. Castalia [Электронный ресурс] : Castalia Wireless Sensor Network simulator. – Режим доступа:

https://castalia.forge.nicta.com.au/index.php/en/ (дата обращения: 01.11.2017).

2. Cooja Simulator // Cooja Simulator. 2018.URL: https://anrg.usc.edu/contiki/index.php/Cooja_Simulator (дата об-

ращения: 1.11.2018).

3. OMNeT++ [Электронный ресурс] : OMNeT++ Discrete Event Simulator. – Режим доступа: https://omnetpp.org

(дата обращения: 01.11.2018).

4. M. Zuniga, B. Krishnamachari, Analyzing the transitional region in low power wireless links. in First IEEE Interna-

tional Conference on Sensor and Ad hoc Communications and Networks (SECON), (Santa Clara, USA, 2004), pp.

517–526.

5. The network simulator // The Network Simulator. 2018. URL: https://www.isi.edu/nsnam/ns/ (дата обращения:

1.11.2018).

6. TOSSIM – Simulator for tTnyOS // Network simulator tools URL: http://networksimulationtools.com/tossim/ (дата

обращения: 5.12.2019).

7. Xiaoli Zhang, Yongnu Jin, Kyung Sup Kwak Adaptive GTS allocation scheme with applications for real-time

Wireless Body Area Sensor Networks KSII TRANSACTIONS ON INTERNET AND INFORMATION SYS-

TEMS VOL. 9, NO. 5, May. 2015

8. ZigBee PRO with Green Power [Электронный ресурс]. URL: http://www.zigbee.org/zigbee-for-

developers/network-specifications/zigbeepro/ (Дата обращения: 15.10.2019).

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

9

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

АЛГОРИТМ НАСТРОЙКИ АДАПТИВНОГО НЕЙРО-НЕЧЕТКОГО ПИ-РЕГУЛЯТОРА

Мамбетов Атамурат Баймуратович

ассистент, Нукусский филиал Ташкентского государственного аграрного университета,

Республика Узбекистан, г. Нукус

E-mail: atamurat_1977@mail.ru

Беглербеков Расул Жубатханович

ст. преподаватель, Нукусский филиал Ташкентского государственного аграрного университета,

Республика Узбекистан, г. Нукус

Султанова Хурлиман Бахтияровна

ассистент, Нукусский филиал Ташкентского государственного аграрного университета,

Республика Узбекистан, г. Нукус

THE SETTINGS ALGORITHM OF A NEURO-FUZZY PI-CONTROLLER

Atamurat Mambetov

assistant, Nukus Branch of Tashkent State Agrarian University,

Uzbekistan, Nukus

Rasul Beglerbekov

senior Lecturer, Nukus Branch of Tashkent State Agrarian University,

Uzbekistan, Nukus

Hurliman Sultanova

assistant, Nukus Branch of Tashkent State Agrarian University,

Uzbekistan, Nukus

АННОТАЦИЯ

В статье раcсмотрено применение нейронных сетей в решениях сложных нелинейных задач управления в

системах.

ABSTRACT

The article discusses the use of neural networks in solving complex nonlinear control problems in systems.

Ключевые слова: нейронные сети, адаптивный метод, нейро-нечеткий ПИ-регулятор, передаточные функ-

ции.

Keywords: neural networks, adaptive method, neuro-fuzzy PI-controller, transfer functions.

В последнее время в системах автоматического

управления (САУ) все шире применяются нейрон-

ные сети (НС), перспективные средства решения

сложных нелинейных задач управления, для кото-

рых традиционные подходы неэффективны.

В методах оптимального управления и нейрон-

ных сетях используется сложный математический

аппарат, трудно реализуемый на производстве, при-

мерно 85% САУ во многих странах реализуют про-

порционально-интегральные (ПИ) и пропорцио-

нально-интегрально-дифференциальные (ПИД) ал-

горитмы [2]. Использование совместного аппарата

теории нечеткой логики и нейронных сетей [1] поз-

воляет получить доступный (основанный на знаниях

экспертов по наладки САУ), актуальный и адаптив-

ный метод управления сложными технологическими

процессами, проходящими в условиях неопределен-

ности.

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

10

Рисунок 1. Структура адаптивной САУ с объектом управления. Е – ошибка, ∫Еdt – интеграл ошибки

(входные параметры ННС), Z – задание, Y – выходная величина, N – внешнее возмущение, Kp, Tи –

настройки ПИ-регулятора (выходные параметры ННС)

Предлагается алгоритм настройки адаптивного

нейро-нечеткого ПИ-регулятора для эффективного

управления сложным многорежимным объектом.

Структурная схема адаптивной САУ с нейро-

нечетким ПИ-регулятором показана на рис. 1. Для

сбора информации о поведении объекта и причин-

но-следственных связях между значениями ошибки

E, интеграла ошибки ∫Edt и настройками Kp, Tи ПИ-

регулятора в программе MatLab (Simulink) прово-

дился компьютерный эксперимент (рис. 2). Переда-

точная функция объекта по каналу задания N-Y:

где s – оператор Лапласа.

На объект управления подается внешнее возму-

щение N, передаточная функция объекта по каналу

внешнего возмущения N-Y:

При моделировании влияния параметрического

Z и внешнего N возмущений, т.е. изменении значе-

ний передаточных функций объекта по каналам за-

дания и внешнего возмущения, снимались показа-

ния: Е, ∫Еdt оптимальных настроек ПИ-регулятора,

Kp и Tи, которые являлись обучающей выборкой

для ННС.

Рисунок 2. Структурная схема моделирования САУ с ПИ-регулятором и объектом управления

Для нечеткой базы знаний проводилось состав-

ление продукционных правил в вид высказываний

эксперта:

ЕСЛИ E = otr, И ∫Edt = mal, TO Kp = sred ИНА-

ЧЕ, и т.д.,

где otr – отрицательная; mal – малая; sred –

средний.

Значения входных и выходных параметров базы

знаний являются тестовыми данными адаптивной

нейро-нечеткой сети (Adaptive Network Based Fuzzy

Inference System) ANFIS, назначением которой яв-

ляются составление прогноза о характере переход-

ных процессов и выбор новых значений настроек

ПИ-регулятора, если объект будет стремиться к не-

устойчивому состоянию. Сеть ANFIS действует по

алгоритму Сугено [3], широко распространенному в

нечетких регуляторах САУ.

Для использования накопленной информации и

опыта эксперта, представленного в вид продукцион-

ной экспертной системы вида ЕСЛИ… ТО, предпо-

лагается воспользоваться теорией нечеткой логики и

программой Fuzzy Logic Toolbox (FLT) [4].

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

11

При проведении фаззификации входных и вы-

ходных лингвистических переменных «Е – ошибка»

«∫Еdt – интеграл ошибки», «Kp – коэффициент про-

порциональности», «Tи – постоянная интегрирова-

ния» в соответствии с рекомендациями [3–4] опре-

делены числовой универсум, вид, название и коли-

чество функций принадлежности.

Рисунок 3. Структура предлагаемой ННС

Создание структуры сети (рис. 3) проведено в

пакете MatLab редактора ANFIS, позволяющем со-

здавать и загружать модель адаптивной нейронной

системы, выполнять обучение, визуализировать

структуру, изменять и настраивать параметры, а

также использовать обученную сеть для получения

результатов нечеткого вывода. Разработана адап-

тивная система нейро-нечеткого вывода для аппрок-

симации зависимости, представляющей причинно-

следственную связь между Kp, Tи и E, ∫Еdt. Редак-

тор ANFIS позволяет оценить точность полученной

нечеткой модели посредством сравнения прогнози-

руемых модельных значений с известными (тесто-

вой выборкой).

В процессе обучения ННС по определению

настроек регуляторов Kp и Tи использовано 40 цик-

лов для каждого.

Для анализа адекватности созданной ННС на

выдачу ожидаемых параметров ПИ-регулятора ис-

пользовался редактор базы правил (RulеViewer)

программы MatLab (Fuzzy Logic Toolbox) [4]. Полу-

ченные в программе значения входных и выходных

параметров E = –0,675; ∫Edt = 3,19; Kp = 0,5; Tи = 10

определяют адекватность нейро-нечеткой сети, так

как совпадают с тестовыми.

Для апробации ННС и проверки эффективности

при нахождении оптимальных настроек адаптивного

ПИ-регулятора, управляющего объектом в условиях

неопределенности или многорежимности (влияния

параметрического возмущения), проводился экспе-

римент в программе MatLab (Simulink). При этом

новая передаточная функция объекта управления по

каналу задания после влияния параметрического

возмущения:

Рисунок 4. Переходные процессы Y(t) САУ по каналу задания Z-Y: 1 – без адаптивных настроек,

2 – с адаптивными настройками

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

12

Определяя значения Е и ∫Еdt, подставляя их в

программу ANFIS, ННС вычисляла адаптивные

настройки для ПИ-регулятора Kp = 0,42 и Tи = 50.

При введении их в виртуальный ПИ-регулятор в

программе Simulink (см. рис. 2) на выход адаптив-

ной САУ наблюдался затухающий адаптивный пе-

реходный процесс Y(t) (рис. 4, кривая 2).

Анализ показателей качества адаптивного пере-

ходного процесса демонстрирует их ожидаемые

значения: время регулирования Tp = 47 c, перерегу-

лирование:

Таким образом, адаптивная нейро-нечеткая сеть

успешно находит оптимальные значения настроек

Kp, Tи ПИ-регулятора при управлении сложным

объектом. Предложенный алгоритм настройки эф-

фективен и может быть рекомендован к внедрению

в производственные САУ с ПИД-регулятором. Ис-

пользование алгоритма улучшает процесс адаптации

САУ, так как не требует специальных методов ак-

тивной идентификации параметров объекта, ухуд-

шающих качество управления. Результаты прове-

денных экспериментов позволяют предположить,

что массовое внедрение адаптивных нейро-нечетких

регуляторов позволит успешно управлять сложными

технологическими процессами, функционирующи-

ми в условиях неопределенности.

Список литературы:

1. Круглов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика / В.В. Круглов, Н.Н. Борисов. – М. : Горя-

чая линия-Телеком, 2001. – 382 с.

2. Ротач В.Я. Теория автоматического управления. – М. : МЭИ, 2008. – 396 с.

3. Сигеру Омату. Нейрокомпьютеры и их применение / Сигеру Омату, Марзуки Халид, Рубия Юсуф; пер с

англ. Н.В. Батина, под. ред. А.И. Галушкина, В.А. Птичкина. – М. : Изд. предприятия журн. «Радиотехни-

ка», 2000. – 272 с.

4. Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствами MatLab. – М. : Линия, 2009. – 288 с.

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

13

НАУКА И ПРОИЗВОДСТВО

ДВИЖЕНИЕ БЕЗ ОПОРЫ

Толшмяков Александр Александрович

электрик, Охранная фирма «РАССОМАХА», пенсионер,

РФ, г. Кунгур

Е-mail: zairen54@mail.ru

MOTION WITHOUT SUPPORT

Aleksandr Tolshmyakov

electrician, Security company "RASOMAHA", pensioner,

Russia, Kungur

АННОТАЦИЯ

На сегодняшний день, ракета – единственное средство перемещения в космическом пространстве. В теории

движения ракеты имеет значение закон сохранения импульса. Это накладывает ограничения на дальнейшее

развитие реактивного движения. Поэтому, следует расширить понятие: реактивное движение до движения без

опоры. Теория под одноименным названием позволяет это сделать. В этой теории значение имеют закон сохра-

нения энергии и теорема о кинетической энергии. Теория «Движения без опоры» лежит в основе работы дви-

жителя, без выброса массы. Работа такого движителя не противоречит законам физики.

ABSTRACT

To date, the rocket is the only means of transportation in outer space. In the theory of rocket motion, the law of

conservation of momentum is important. This imposes restrictions on the further development of jet propulsion. There-

fore, it is necessary to expand the concept: reactive movement to movement without support. The theory of the same

name allows you to do this. In this theory, the law of conservation of energy and the kinetic energy theorem are im-

portant. The theory of "Motion without support" is the basis of the engine's operation, without mass ejection. The opera-

tion of such an engine does not contradict the laws of physics.

Ключевые слова: пушка Гаусса; тандем: спиральный ускоритель – тормоз в замкнутой цепи; работа; закон

сохранения энергии; теорема о кинетической энергии; движитель, без выброса массы.

Keywords: Gauss cannon; tandem: spiral accelerator-brake in a closed circuit; work; energy conservation law; the-

orem on the kinetic energy; propulsion, without mass ejection.

Благодаря полётам ракет в космос XX век иногда

называют «Веком Реактивного Движения». В XXI веке

эта тема исчерпала себя, т. к. на сегодняшний день,

ракета остаётся единственным средством перемеще-

ния в космическом пространстве. Средство, которое

сложно приспособить под человека. До сих пор, каж-

дый полёт космонавтов, сопряжен с подвигом. Ресурс

работы ракеты ограничен. Он зависит от массы рабо-

чего тела, истечение которого исключает сам движи-

тель. Этот недостаток, он же принцип движения раке-

ты отражён в теории движения тел переменной массы,

где большое значение имеет закон сохранения им-

пульса: «… пока ракета в покое, её скорость и им-

пульс равны нулю. Если из неё выбрасывается реак-

тивная струя, то оставшаяся часть по закону сохра-

нения импульса должна приобрести такую скорость,

чтобы суммарный импульс по-прежнему был равным

нулю». Закон сохранения импульса имеет границы

своего применения; он выполняется только в замкну-

той системе. Загнали реактивное движение в рамки

одной теории, где всё сводится к выбросу массы: «если

нет выброса массы, то нет и тяги, и ускорения раке-

ты». Закон сохранения импульса защищает теорию

движения тел переменной массы от изменений. Нет

изменений – нет развития реактивного движения в

XXI веке.

Выход из сложившейся ситуации находится в

тексте теоремы о кинетической энергии: изменение

кинетической энергии системы равно работе всех

внутренних и внешних сил, действующих на тела

системы.

∑ 𝐴𝑖

𝑛

𝑖=1

= ∆𝐸𝑘

Эта теорема допускает систему тел, которая бу-

дет изменять свою кинетическую энергию за счёт

внутренних сил. Для построения такой системы

лучше всего подходит пушка Гаусса – линейный

электромагнитный ускоритель масс (рис. 1).

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

14

Рисунок 1. Линейный электромагнитный

ускоритель масс

Устройство пушки Гаусса: она состоит

из соленоида (3), внутри которого находится ствол –

2 (как правило, из диэлектрика). В один из концов

ствола вставляется снаряд (1), сделанный

из ферромагнетика. Для большего эффекта действия

в работе пушки используются электролитические

конденсаторы (4) большой ёмкости и с высоким

рабочим напряжением.

Принцип действия пушки: При протекании

электрического тока в соленоиде возника-

ет электромагнитное поле, которое разгоняет

снаряд, втягивая его внутрь соленоида. Электро-

магнитное поле оказывает одинаковое действие, как

на снаряд, так и на орудие. Поэтому эти тела будут

двигаться навстречу друг к другу, что, в отличие от

ракеты, где её корпус и сгораемое топливо разлета-

ются в разные стороны. Это различие послужит по-

водом для пересмотра уже сложившейся концепции

о реактивном движении. В новой концепции под

общим названием: «Движение без опоры», где наря-

ду с законом о сохранении энергии будет иметь зна-

чение теорема о кинетической энергии, которая в

отличие от законов сохранения работает в замкну-

той системе, т. к. она вытекает из второго закона

Ньютона, который работает во всех системах.

Если эту пушку Гаусса установить на лафет – 5

(рис. 2), то при стрельбе из такого орудия также

возникает отдача – снаряд (1) будет двигаться впе-

ред, а орудие (2) – откатится назад в направлении V.

Это устройство следовало бы отнести к реактивному

движителю, но принцип его действия отличается от

принципа, заложенного в теории движения ракеты.

Рисунок 2. Работа линейного электромагнитного ускорителя масс при ускорении снаряда

В связи с таким отступлением, установим при-

чину отката этого орудие. Переход из электрической

энергии в механическую энергию сопровождается

работой силы Fуск., ускоряющей снаряд (1). Работа

силы Fуск. равна кинетической энергии снаряда: Ксн.

= Fуск.×S.

Выстрел из пушки Гаусса следует рассматри-

вать, как взаимодействие тел в замкнутой системе.

Согласно закону сохранения энергии полная энер-

гия таких систем сохраняется, поэтому: Кп. + Ксн. .=

0, где Кп.. – кинетическая энергия пушки после вы-

стрела; отсюда: Кп..= Ксн..

То: ∆Кп.= Fуск.×S

Получается так, что причиной изменения кине-

тической энергии ∆Кп (движения пушки в направле-

нии V) является работа силы Fуск., ускоряющей сна-

ряд – 1(рис. 2). Работа силы Fуск. происходит на рас-

стоянии S. Вне этого расстояния действие силы Fуск.

отсутствует. В рамках такого представления выброс

массы становится как бы ни у дел. Что вступает в

противоречие с законом сохранения импульса и вы-

текающим из него утверждением: «если нет выбро-

са массы, то нет и тяги, и ускорения ракеты».

Чтобы вернуть значимость выброса снаряда,

нужно найти этому правильное применение. В каче-

стве такого применения рассмотрим пушку Гаусса,

которая будет работать как тормоз или ловушка для

снаряда. Возможно и такое. В этом случае, соленои-

ды – 3 (рис. 3) включаются лишь тогда, когда снаряд

(1) проходит их центр 0п. При таком режиме работы

магнитное поле будет тормозить – «втягивать» этот

снаряд обратно, тем самым отнимать от него часть

кинетической энергии и передавать её корпусу ору-

дия – 2. Таким образом, снаряд (1) в конце своего

пути по стволу этой пушки обретёт нулевую

скорость υ0., а орудие (2) начнёт движение в

направлении V1.

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

15

Рисунок 3. Работа линейного электромагнитного ускорителя масс при торможении снаряда

Определить силу торможения Fтор. можно, ис-

ходя из того, что работа (А) силы торможения чис-

ленно равна изменению кинетической энергии дви-

жущегося снаряда, скорость которого υ на расстоя-

нии S снижается до нуля, то получим: А = Fтор.×S,

где S – длина тормозного пути снаряда, отсюда:

Fтор. = А

𝑆= 𝑚

𝜐²

2𝑆 , где m – масса заторможенно-

го снаряда (1).

Работа силы торможения Fтор. также приводит к

изменению кинетической энергии «пушки» (2), от-

сюда: ∆Кп.= Fтор. ×S.

А, так как прототипом тормоза является

линейный электромагнитный ускоритель масс (рис.

1), то, получим тот же результат, что на рис. 2. Хотя

есть отличие: движение V1 «пушки» – тормоза (рис.

3) имеет противоположное направление от V (рис.

2). Если объединить эти два направления в одном

устройстве, то получим законченный цикл: разогна-

ли снаряд от 0 до скорости υ – затормозили его от

скорости υ до 0. Этот цикл можно повторить в по-

следовательной цепи из таких пар, как ускоритель

(рис. 2) и тормоз (рис. 3). Чтобы работа, выполнен-

ная в их тандеме, имела смысл, нужно изменить

форму ствола ускорителя, свернув его в спираль

(рис. 4).

Рисунок 4. Работа спирального ускорителя при ускорении снаряда

Не смотря на форму, выстрел из такого орудия

сохраняет за собой эффект отдачи, т. к. движение по

спирали имеет продольную составляющую (l). Для

одной спирали этот эффект будет непредсказуем,

потому что при разгоне снаряда помимо поступа-

тельного движения в направлении V', эта «труба»

начнёт вращаться.

Чтобы исключить такое вращение спиральный

ускоритель применяется в паре, которая в своём

составе имеет разные по направлению завивки спи-

рали: одна – левая, другая правая (рис. 5). Тела (1)

стартуют с верхней площадки (3). При разгоне сна-

рядов эти спирали получат разные вращения, кото-

рые замкнутся на общую для них базу. В результате

чего платформа (4) будет двигаться только поступа-

тельно, в направлении V.

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

16

Рисунок 5. Пример применения спирального ускорителя в качестве движителя

Рисунок 5а. Ускоряемые тела (1) движутся син-

хронно (в зеркальном отражении по отношении друг

к другу). Эти тела m двигаются за счёт действия

магнитного поля, представляющего собой силу –

Fуск., ускоряющюю снаряд. На примере (рис. 2) было

установлено, что работа силы Fуск, ускоряющая

снаряд (1) приводит к изменению кинетической

энергии пушки (2).

Рисунок 6. Принципиальная схема движителя, без выброса массы

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

17

В случае устройства на рис. 5 это заключение

примет следующий вид:

∆Куст. = 2Fуск.cosα Sʹ, где ∆Куст. – изменение

кинетической энергии устройством (рис. 5) в

результате работы, выполненной силой – Fуск. для

ускорения двух снарядов (1); Sʹ – проекция пути

снаряда на ось вращения; α – угол завивки спирали

(2), который определяет угол между направлением

действия силы Fуск. и направлением перемещения

снаряда, вдоль оси вращения.

Изменённая форма электромагнитного

ускорителя масс (2) в паре со своим антиподом тор-

мозом (3), на участке h способны выполнять работу,

которая приведёт к изменению кинетической энер-

гии уже того устройства, в составе которого будет

находиться этот тандем (рис. 6).

Рисунок 6. Здесь пара: спиральный ускоритель

(2) + тормоз – 3, которая является основным звеном

в цепи, замкнутой в кольцо: I; II (рис. 6). Цепь

каждого кольца состоит из шести пар. В одной цепи

будут двигаться шесть рабочих тел – снарядов (1),

по одному на пару. Тела двигаются синхронно, в

равных интервалах друг от друга. Направление

движения снарядов (1) в цепях I и II имеют разные

направления движения (рис. 6, вид А; Б). Для этого

спиральные ускорители (2) в каждом кольце должны

иметь разное направление завивки. Цепи I и II, уста-

новлены на общей платформе П. Синхронность

движения рабочих тел (1) обеспечивает компьютер.

При корректной работе устройства, возникающие

при этом крутящие моменты, замкнутся на плат-

форму П. То, работа сил, ускоряющих и тормозящих

снаряды – 1, приведёт к изменению кинетической

энергии устройства (рис. 6), которое будет двигаться

поступательно, в направлении V.

Работу этого устройства можно отразить в вы-

ражении:

∑ 𝐴𝑖

𝑛

𝑖=1

= ∆𝐸𝑘

Описание этого выражения представляет собой

теорему о кинетической энергии: изменение кине-

тической энергии системы равно работе всех внут-

ренних и внешних сил, действующих на тела систе-

мы.

Чтобы применить эту теорему будем складывать

работу, выполненную звеном: ускоритель (2) + тор-

моз (3), на участке h рисунок 6, вид. А силами Fуск. и

Fтор., которые ускоряют и тормозят снаряд (1):

Aзв. = Fуск. cosα cos 𝛽 ℎ + Fтор. cos 𝛾 ℎ, где Aзв. –

работа, выполненная звеном: ускоритель (2) + тор-

моз (3).

Слагаемые в этом выражении равны, т. к. силы

Fуск. и Fтор. представляют собой одну и ту же силу F

– силу действия электромагнитного поля на снаряд.

Работа этой силы на одном и том же отрезке ℎ будет

иметь одинаковый результат, отсюда:

Fуск. cosα cos 𝛽 ℎ = Fтор. cos 𝛾 ℎ

Снова перепишем выражение: Aзв. = 2Fуск. cosα

cos 𝛽 ℎ или 2Fтор. cos 𝛾 ℎ

Для вывода окончательной формулы за основу

возьмём последнее выражение:

Aзв. = 2Fтор. cos 𝛾 ℎ, т. к. здесь отрезок ℎ, очеви-

ден, он равен S cos 𝛾, где S – длина тормозного пути,

которое задаётся параметрами тормоза (3), который

имеет один и тот же прототип с ускорителем (2).

Заменим силу торможения Fтор. на F – силу дей-

ствия электромагнитного поля на снаряд, получим:

Aзв. = 2Fтор. cos 𝛾 S cos 𝛾 = 2𝐹 × 𝑆 𝑐𝑜𝑠² 𝛾 ,

где F – сила действия электромагнитного поля

на снаряд.

Определим работу, выполненную устройством

(рис. 6) при ускорении и торможении всех рабочих

тел – снарядов (1):

Aуст. = n 2F× S cos² 𝛾, где n – число рабочих тел

снарядов (3), участвующих в работе устройства.

То, работа устройства (рис. 6), выраженная в

теореме о кинетической энергии будет иметь сле-

дующий вид:

𝐴уст. = ∆𝐸𝑘 . = n 2F× S cos² 𝛾 = ∆𝐸𝑘

Работа устройства на этом не заканчивается. Ра-

бота, выполненная за единицу времени равна мощ-

ности:

Aуст.. /∆𝑡 = ∆𝐸𝑘/∆𝑡 , где ∆𝑡 = 2𝑆

𝜐ср. =

4𝑆

𝜐; величины:

υ – скорость снаряда (1) и S – длина пути снаряда,

при ускорении или торможении задаются

параметрами устройств 2 и 3, которые имеют один и

тот же прототип: линейный электромагнитный

ускоритель масс (рис. 1). Правую часть этого равен-

ства: ∆𝐸𝑘/∆𝑡 представим, как мощность движителя

(рис. 6), через Nдв. и получим:

Nдв. = ∆𝐸𝑘/∆𝑡 = 𝑛 2𝐹× 𝑆 𝑐𝑜𝑠² 𝛾𝜐

4S =

𝑛𝜐𝐹×𝑐𝑜𝑠² 𝛾

2 ;

Исходя из того, что электромагнитное поле ока-

зывает одинаковое действие, как на снаряды, так и

на устройство (рис. 6), то подъёмная сила этого

движителя будет равна:

𝐹под. = 𝑛𝜐𝐹 × 𝑐𝑜𝑠² 𝛾

2ℎ

С целью уменьшения габаритов к этому устрой-

ству можно применить следующую схему (рис. 7).

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

18

Рисунок 7. Силовой блок

Здесь кольца I и II находятся друг под другом, и

крепятся к общей платформе П, которая находится

между ними. А, в остальном всё остаётся по-

прежнему.

Недостаток движителя (рис. 7): это сложность в

управлении его движением в пространстве. Этот

недостаток можно устранить, применив устройство

(рис. 7) в качестве силового блока (3) в схеме, ана-

логичной квадрокоптеру (рис. 8). Электроэнергию в

этом проекте можно получить по классической схе-

ме: двигатель внутреннего сгорания (1) – генератор

электрического тока (2).

Рисунок 8. Движитель, без выброса массы

Здесь четыре устройства (рис. 7) – четыре сило-

вых блока (3), закреплённые на общей платформе –

П. Таким образом, повышается устойчивость этой

платформы от опрокидывания при движении. В

Земных условиях действия устройств – 3 в основном

будет направлены против силы притяжения. Чтобы

управлять этим движителем следует представить

себе, что силовые блоки – 3 расположены по сторо-

нам частей света. В случае движения на восток (рис.

8, а) следует на время выключить или уменьшить

действие соответствующего этому направлению

устройство (3). Движитель повернётся на угол α,

относительно линии горизонта, и будет двигаться на

Восток. Так следует поступать в любом из направ-

лений.

Проведём расчёт такого движителя (рис. 8).

Для примера возьмём: m – масса рабочего тела:

0,001 кг;

число рабочих тел: n = 48 шт.;

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

19

скорость рабочего тела после ускорения: υ =

500м/сек;

S – длина тормозного пути: 1м;

сos 𝛾 = 0,326; ℎ = 0,326 м

Для расчёта движителя (рис. 8) применим

формулы:

Nдв. = 𝑛𝜐𝐹×𝑐𝑜𝑠² 𝛾

2 и 𝐹под. =

𝑛𝜐𝐹×𝑐𝑜𝑠² 𝛾

2ℎ, где F =

𝑚𝜐2

2𝑆.

Найдем силу F:

F = 𝑚𝜐2

2𝑆 =

0,001×500×500

2×1 = 125 н.

Определим мощность движителя Nдв :

Nдв. = 𝑛𝜐𝐹×𝑐𝑜𝑠² 𝛾

2 =

48×500×125×0,326×0,326

2 = 159,415

Квт.

Определим подъёмную силу движителя Fпод.:

Fпод.= 𝑛𝜐𝐹×𝑐𝑜𝑠² 𝛾

2ℎ =

159415

0,652 = 244,501 Кн.

Такая сила в состоянии оторвать от Земли

устройство весом 200 Тн.

Уменьшим этот вес до 100 Тн, …и, если подъ-

ёмная сила больше Веса движителя; и будь он «кос-

мическим кораблём»*, то устремится вверх.

_____________________________________________

* Для такого проекта можно применить мини

атомный реактор типа ВВЭР. Установка с топливом

и системой охлаждения имеет массу в 20 тонн и рас-

считана на 10 лет работы на номинальной мощности

в 70 мегаватт без дозаправки. Впечатляют действи-

тельно миниатюрные размеры – реактор имеет всего

2.5 метра в высоту и 1.5 метра в ширину! Такая

энергетическая установка могла бы «вписаться» в

предлагаемый проект.

Двигаясь с ускорением, хотя бы в 2м/сек² при-

мерно через час или чуть больше этот корабль до-

стигнет 1-й космической скорости и «встанет» на

орбиту Земли. Если не останавливаться и продол-

жать ускоряться, то преодолев силу притяжения,

ускорение движителя примет значение больше g.

Следует привести это ускорение в соответствие

Земному притяжению, и отправиться в нужном нам

направлении. В этой концепции выход в космос

произойдёт с меньшими нагрузками. Дополнитель-

ная нагрузка в 2 – 3 м/сек.² посильна каждому. Дви-

жение с ускорением а, равным 9,8м/сек². избавит

космонавтов от невесомости. Отсюда, каждый из

нас сможет принять участие в освоении Солнечной

системы; было бы желание.

Космические путешествия к цели следует про-

водить по следующей схеме (рис. 9). Делим рассто-

яние S до выбранного объекта на две равных части.

Первую половину пути мы будем двигаться с уско-

рением: а = 9,8 м/сек…, а вторую с тем же торможе-

нием: ̶ а = 9,8 м/сек. В середине пути (в точке С)

следует прервать работу движителя и развернуть его

силовые блоки на 180 градусов. Затем вновь вклю-

чить движитель, действие которого будет направле-

но против движения. С этого момента начнётся тор-

можение, которое продлиться до самого конца пу-

тешествия. При достижении цели, скорость движе-

ния должна снизиться до той, с которой начали, от-

правляясь в этот путь. Дальше «дело техники», и мы

на Луне.

Рисунок 9. Схема проведения космического путешествия

Точку (С), середину пути определим по време-

ни, которое можно вычислить по формуле: 𝑡 = √2𝑠

𝑎 ,

отсюда: 𝑡𝑐. = √2𝑠/2

𝑎 = √

𝑠

𝑎 , где 𝑡𝑐. – время движе-

ния, с ускорением до точки (С ); S – расстояние в

метрах от А до Б.

Тоже время нужно на торможение, т. к. отрица-

тельное ускорение ̶ ( ̶ а) будет тем же, и равное

9,8м/сек², а участки пути СБ и АС равны, отсюда,

время всего путешествия составит:

𝑡пут. = 2√𝑠

𝑎 , где 𝑡пут. – время всего путеше-

ствия.

Теоретически, часть энергии для торможения

можно взять из космоса. Как известно солнце обла-

дает мощным магнитным полем, которое распро-

страняется в пределах нашей планетарной системы.

А при пересечении магнитных линий рамкой из

проводника возникает электрический ток. При

наличии такой наружной «рамки» у движителя, да-

же при малой плотности магнитного поля, но при

скорости: 820 км/сек.*, это вполне допустимо. Оста-

ётся только развернуть и подключить эту «рамку» в

электрические цепи движителя. Наличие такой

«рамки» - контура также необходимо для защиты от

жёсткого электромагнитного излучения.

Космические путешествия желательно прово-

дить вне плоскости вращения планет, что возможно,

для движителя, без выброса массы, при его способ-

ности к маневру. В этом пространстве меньше ме-

теоритов.

Таким образом, будет осуществляться новая

эпоха в колонизации планет нашей солнечной си-

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

20

стемы и в этом нам помогут движители, без выброса

массы. В теории движения такого движителя важен

закон сохранения энергии, который утверждает: «…

Природа не допускает появление энергии ниоткуда

и исчезновение её в никуда. Возможным оказывает-

ся только так:

_____________________________________________

*Именно с такой скоростью будет двигаться

предлагаемый «пример» в точке С, при путешествии

на Марс.

сколько одно тело теряет энергии, столько

другое приобретает; сколько убывает одного вида

энергии, столько к другому виду прибавляется». Это

утверждение не противоречит тому, что причина

движения устройства (рис. 6) определяется фактом

выполненной работы, которая происходит внутри

этой системы. Здесь уместна теорема о кинетиче-

ской энергии, которая работает всегда, т. к. для её

доказательства применяется второй закон Ньютона.

Этот закон работает во всех системах. Теорема о

кинетической энергии допускает систему – устрой-

ство, которое будет изменять свою кинетическую

энергию за счёт внутренних сил.

Движитель, без выброса массы не следует отно-

сить к перпетуум-мобиле, т. к. для его работы тре-

буется электроэнергия. Если учесть, что электроме-

ханические устройства имеют высокий КПД, то

приблизительный расход электроэнергии можно

определить по работе силы F– силы действия элек-

тромагнитного поля на рабочие тела, отсюда:

Wэл. ≈ 𝑛𝜐𝐹

2. В таком представлении работа движителя

(рис. 6) не будет противоречить законам физики; всё

происходит в рамках этих законов.

Статья публикуется с целью обсуждения науч-

ным сообществом предложений автора. На эти

предложения подавались заявки на изобретение и

полезную модель. В этих заявках движитель был

представлен как реактивный. Отсюда, вытекает ре-

шение об отказе в выдаче патентов с одной и той же

формулировкой: «… работа, заявленного

движителя противоречит фундаментальному

закону сохранения импульса и, следовательно,

реализация назначения заявленного(ой) изобретения

(полезной модели) невозможна». Хотя, заявлен

движитель, при работе которого масса остаётся

неизменной. Для такого случая теория движения

тела переменной массы становится не уместной.

Список литературы:

1. Физика. 9 класс - Кикоин И.К., Кикоин А.К.

2. Заявка на изобретение: 2015105447, «Реактивный движитель, без выброса массы»; дата подачи: 17.02.2015.

3. Заявка на полезную модель: 2019110533, «Неореактивный движитель»; дата подачи: 09.04.2019.

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

21

ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

ПОВЫШЕНИЕ КПД МЕХАНИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

И СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНЕРЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАХОВИКА

В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ

Закиев Денис Даутказыевич

инженер, Поволжский государственный технологический университет, РФ, г. Йошкар-Ола

E-mail: flexibel@mail.ru

Маргин Андрей Николаевич

студент 4 курса бакалавриата, Поволжский государственный технологический университет, РФ, г. Йошкар-Ола

E-mail: margin.andrey@gmail.com

Крутских Николай Алексеевич

канд. техн. наук, доц., Поволжский государственный технологический университет, РФ, г. Йошкар-Ола

E-mail: lpkrut@mail.ru

Алибеков Сергей Якубович

д-р техн. наук, проф., Поволжский государственный технологический университет, РФ, г. Йошкар-Ола

E-mail: AlibekovSY@volgatech.net

IMPROVING THE EFFICIENCY OF MECHANICAL ENERGY STORAGE DEVICES

AND A METHOD FOR STUDYING THEIR INERTIAL CHARACTERISTICS

IN A VACUUM CHAMBER

Denis Zakiev

engineer of PSTU,

Russia, Yoshkar-Ola

Andrey Margin

4th year undergraduate student of the PSTU,

Russia, Yoshkar-Ola

Nikolay Krutskikh

Ph.D., Associate Professor, PSTU,

Russia, Yoshkar-Ola

Sergey Alibekov

doctor of Technical Sciences, Professor, PSTU,

Russia, Yoshkar-Ola

АННОТАЦИЯ В работе приведены сравнительные данные параметров основных известных аккумуляторов классифициро-

ванных по способу запасания и хранения энергии. На основании теоретических зависимостей сделаны выводы

о методах повышения кпд механических накопителей энергии. Показана конструкция вакуумной установки и

описан способ проведения исследования инерционных характеристик маховика.

ABSTRACT The work provides comparative data on the parameters of the main known batteries classified by the method of en-

ergy storage and storage. Based on theoretical dependencies, conclusions are drawn about methods for increasing the

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

22

efficiency of mechanical energy storage devices. The design of the vacuum unit and the method for studying the inertial

characteristics of the flywheel are shown.

Ключевые слова: вакуумная установка, исследования, механические накопители энергии, маховик.

Keywords: vacuum installation, research, mechanical energy storage devices, flywheel.

В настоящее время в отечественных научных

литературных источниках наблюдается все возрас-

тающий интерес к области исследования динамиче-

ских характеристик различных механизмов работа-

ющих в условиях вакуума в гравитационном поле

Земли. Интерес к данному направлению вызван по-

пытками создания механических устройств работа-

ющих в условиях разряженной атмосферы, напри-

мер таких как инерционно-кинетические (или меха-

нические) накопители энергии (МНЭ) или их более

совершенный вариант – «Супермаховики», возмож-

ность применения которых в системах автономного

электропитания появилась лишь в последнее деся-

тилетие [1].

МНЭ это обобщенное название всех устройств

преобразующих и запасающих поступающую в них

энергию в механическую энергии вращения махови-

ка. Помимо большего срока службы и низкой утили-

зационной составляющей, по сравнению с преобла-

дающими сейчас химическими накопителями, МНЭ

способны запасать больше энергии на единицу мас-

сы чем все известные накопители энергии. В работе

[7] приводятся данные (таблица 1) сравнительных

характеристик и свойств различных способов запа-

сания энергии, где также важным является параметр

масштабируемости позволяющий создавать устрой-

ства хранения энергии как для локальных источни-

ков небольшой мощности, так и для крупных элек-

тростанций.

Таблица 1.

Сравнение типичных характеристик свойств различных способов запасания энергии

Параметры

Система

Аккумулятор Супер-

конденсатор ГАЭС

Сжатый воз-

дух

Сверх-

проводная

катушка

Супер-

маховик

Эффективность, % 70 95 75 85 95 90

Энергоемкость,

Вт∙ч/кг 150 15 - - 200 300

Количество циклов 103 106 104 104 106 105

Жизненный цикл,

лет 3-5 10 20 20 10 20+

Время заряда ч сек ч ч мин мин

Выходная мощность средняя высокая очень

высокая

очень

высокая высокая высокая

Стоимость низкая средняя очень

высокая

очень

высокая

очень

высокая высокая

Масштабируемость высокая средняя низкая низкая средняя высокая

Экологические про-

блемы средние низкие высокие средние низкие низкие

По совокупности приведенных в таблице 1 дан-

ных можно говорить, что МНЭ, по большинству

сравнительных параметров, превосходят все осталь-

ные аккумуляторы энергии, а по параметру масшта-

бируемости сопоставимы с химическими, обладая

как микро- так и макропотенциалом. Основным

препятствием для внедрения МНЭ в широкую ис-

следовательскую и производственную практику яв-

ляется, по нашему мнению, отсутствие единой спе-

циализированной теоретическо-экспериментальной

базы, в которой могли бы быть объединены вопросы

технологии создания и эксплуатации МНЭ. Основ-

ным недостатком практически всех работ посвя-

щенных МНЭ, в настоящее время, является наличие

только теоретической составляющей описывающие

известные обобщенные принципы механики без

анализа практики применения.

Целью настоящей работы является на основании

общеизвестных зависимостей и теории сделать ряд

практически значимых выводов для дальнейшего

экспериментального исследования маховиков в том

числе в условиях разряженной атмосферы.

Основной задачей, которую ставят практически

все исследования, является повышение кпд МНЭ,

которую можно рассмотреть с точки зрения извест-

ного уравнения динамики вращения маховика, запи-

сываемого в виде:

,трJd

M Mt

d (1)

где: M – общий момент системы; J – осевой мо-

мент инерции маховика; ω – угловая скорость вра-

щения; Mтр – момент трения.

Исходя из уравнения (1), повысить кпд системы

можно увеличивая момент инерции J и угловую

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

23

скорость ω, одновременно уменьшая потери на тре-

ние Мтр.

Момент инерции J является мерой инертности

тела (маховика) и зависит не только от массы, но и

от ее распределения относительно оси вращения,

т.е.:

2 ,J m h (2)

где: m – масса маховика; h – расстояние от оси

вращения. Чем больше масса маховика и чем даль-

ше она отстоит от центра вращения, тем выше мо-

мент инерции.

Общие потери на трение (Мтр) складываются из

нескольких составляющих: электрические, механи-

ческие и аэродинамические потери:

,тр эл мех аM M M M (3)

Потери Мэл можно считать постоянной величи-

ной. Потери Ммех складываются из потерь возника-

ющих в подшипниковых узлах, которые могут быть

определены исходя из известной зависимости [2]:

,2

вмех трf FM

d (4)

где: fтр – приведенный коэффициент трения; F –

результирующая нагрузка на подшипник; dв – внут-

ренний диаметр подшипника.

Для более точных расчетов может быть исполь-

зована зависимость:

,мех нг смM M M (5)

где: Мнг – составляющая момента трения обу-

словленная условиями нагружения; Мсм – составля-

ющая момента трения обусловленная условиями

смазывания (гидравлические потери).

В соответствии с формулой (4) основные

направления для уменьшения механической состав-

ляющей сил трения это уменьшение коэффициента

трения, результирующей нагрузки на подшипники и

их габаритов, т.е. уменьшение площади фрикцион-

ного контакта.

Согласно (2) чем выше масса маховика, тем

больше его момент инерции. Неизбежное увеличе-

ние результирующей нагрузки на подшипники

вследствие увеличения веса маховика может быть

нивелировано использованием в конструкции МНЭ

активной или пассивной магнитной опоры, напри-

мер по принципу, изложенному в патенте

RU_131432 от 23.05.2013. «Уменьшение» веса ма-

ховика позволяет использовать подшипники легкой

серии, уменьшая тем самым и их габариты.

Специфика эксплуатации любого механизма в

условиях вакуума заключается в том, что нефтяные

смазочные материалы неработоспособны в условиях

вакуума, а эксплуатация стандартных цельнометал-

лических подшипников в условиях сухого трения

невозможна [5]. Использование различных пори-

стых втулок, например, из графита как материала

обладающего наименьшим коэффициентом трения,

также сопряжена с рядом трудностей. Известно, что

смазывающие свойства графита зависят от наличия

на его поверхности адсорбированных пленок воды,

масел и др. В сухих газовых средах и вакууме коэф-

фициент трения и износ графита резко увеличива-

ются [4]. Идеальным вариантом для данных условий

является использование керамических подшипников

из диоксида циркония (ZrO2) или нитрида кремния

(Si3N4), которые менее требовательны к условиям

смазывания и по сравнению с обычными цельноме-

таллическими подшипниками показали, по данным

проведенного эксперимента для конструкции верти-

кального вала [3], более высокие инерционные ха-

рактеристики (т.е. более низкий коэффициент тре-

ния). Т.о. расчет механических потерь в подшипни-

ковых узлах в условиях вакуума может быть произ-

веден по классическим зависимостям (4) и (5) при

условии отсутствия составляющей гидравлических

потерь и нахождения экспериментальным путем

значения приведенного коэффициента трения для

керамических подшипников.

Аэродинамические потери маховика обусловле-

ны прежде всего образованием вихрей в циркуляци-

онной зоне прилегающей к его поверхности, вслед-

ствие перетекающих воздушных потоков по оси

вращения сверху вниз, в зону пониженного давле-

ния, и отбрасываемые в дальнейшем к торцевой ча-

сти, к периметру маховика. Они складываются из

профильных потерь, обусловленных формой махо-

вика, шероховатостью его поверхности и частотой

вращения. Существующие теоретические изыска-

ния, обосновывающие снижение аэродинамических

потерь и заключающиеся в использование герме-

тичных камер для МНЭ с различной степенью ваку-

умирования или заполнением их газом с низким

молекулярным весом (водород, гелий и т.д.), не

нашли пока подтверждения в реальной эксперимен-

тальной практике. Неизвестна также степень влия-

ния соотношения объема и формы вакуумной каме-

ры и маховика на показатели эффективности МНЭ в

целом. Известно только то, что силы трения для

вращающегося диска, помещенного в корпус, мень-

ше чем для «свободного» диска [8].

Для исследования влияния вакуума на инерци-

онные характеристики маховика в зависимости от

степени вакуумирования или преобладающей газо-

вой среды, его веса, формы, частоты вращения и т.д.

нами была собрана вакуумная установка (Фото 1)

состоящая из вакуумной камеры (Фото 2) с разме-

щаемым внутри нее испытуемым образцом, трубо-

проводной арматуры для управления процессом

создания, регулирования и поддержания вакуума в

замкнутом объеме с помощью вакуумного насоса

(Фото 3).

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

24

Фото 1. Общий вид вакуумной установки

Фото 2. Вакуумная камера

Фото 3. Вакуумный насос

Передача вращающего момента от двигателя к ис-

пытуемому образцу была выполнена нами бесконтакт-

но посредством двух торцевых магнитных полумуфт

(Фото 4) одна из которых крепится в патроне двигате-

ля, а другая на валу испытуемого образца. Частота

вращения вала испытуемого образца измеряется бес-

контактно с помощью инфракрасного тахометра (Фото

5) через смотровое окно выполненного в верхней ча-

сти вакуумной камеры (Фото 6).

Фото 4. Торцевые магнитные полумуфты

После достижения заданной частоты вращения

двигатель отводится вверх, в результате происходит

расцепление полумуфт, при этом испытуемый обра-

зец продолжает вращение по инерции.

Магнитный ввод вращения в вакуум применяет-

ся в высоковакуумных системах для передачи вра-

щательного движения с большой частотой вращения

и малым крутящим моментом. Он не обеспечивает

кинематической жесткости передачи [6]. В связи с

этим возникшие трудности, связанные с рассинхро-

низацией на этапе запуска, вращения ведущего ва-

лов двигателя и ведомого вала испытуемого образца

были решены посредством установки на полумуф-

тах постоянных магнитов в порядке с чередующейся

полярностью и использования двигателя с возмож-

ностью плавного пуска с постепенного набора за-

данного числа оборотов.

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

25

Фото 5. Инфракрасный тахометр

Фото 6. Смотровое окно

Выводы. МНЭ является перспективным

направлением в области аккумулирования энергии

особенно в связи с появившейся в последнее время

на рынке широкой номенклатурой новых материа-

лов и изделий. Основным препятствием для практи-

ческой реализации МНЭ является отсутствие специ-

ализированных источников информации в которых

могли быть систематизированы, на основе уже име-

ющихся теоретически данных, сведения из области

механики, физики, аэродинамики, трибологии и др.

отраслей наук касающиеся этапов исследования,

создания и эксплуатации МНЭ.

Повышения кпд маховика достигается увеличе-

нием не только его веса, но и его распределением по

объему, который по возможности должен быть мак-

симально удален от центра вращения к периферии.

Уменьшение габаритов подшипников и их разгрузки

от осевой составляющей нагрузки достигается ис-

пользованием магнитной опоры. Для условий ваку-

ума оптимальным вариантом является использова-

ние керамических подшипников.

Представленная конструкция вакуумной камеры

позволяет проводить исследование инерционных

характеристик различных тел вращения как в усло-

виях разряженной атмосферы, так и в условиях пре-

обладания какой либо газовой среды, осуществляя в

дальнейшем масштабирование исследуемого явле-

ния методами подобия и размерности.

Список литературы:

1. Аккумулирование энергии в маломощных гелиосистемах автономного электроснабжения Андреев С.А.,

Загинайлов В.И., Шибаров Д.В.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3т. Т.2. - 8-е изд., перераб. и доп. / под ред.

И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001.-912 с.

3. Закиев Д.Д., Маргин А.Н., Крутских Н.А., Алибеков С.Я. Сравнение параметров работы ротора ветроколеса

с радиальными шарикоподшипниками изготовленными из различных материалов по критерию изменения

частоты вращения от времени в режиме разгона и торможения. // Инженерные решения: эл.научный жур-

нал. –2020 – №1(11).

4. Опоры осей и валов машин и приборов / Н. А. Спицын, М. М. Машнев, Е. Я. Красновский и др.; Под ред.

Н. А. Спицына и М. М. Машнева. - Ленинград: Машиностроение. 1970. - 519 с.

5. Подшипники сухого трения. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. Ленигр. отд-ние, 1979. –

224 с., ил.

6. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учеб. для вузов по спец. «Вакуумная техника». – 2-е изд., перераб. и доп.

– М.: Высш. шк. 1990. – 320 с.: ил.

7. Соколов М.А., Томасов В.С., Jastrzebski R. Сравнительный анализ систем запасания энергии и определение

оптимальных областей применения современных супермаховиков // Научно-технический вестник инфор-

мационных технологий, механики и оптики - 2014. - № 4(92). - С. 149-155.

8. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 742 с.

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

26

ЭНЕРГЕТИКА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

СИСТЕМОЙ ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

С СОЛНЕЧНЫМ КОЛЛЕКТОРОМ

Шамигулов Петр Валерьевич

канд. техн. наук, доц., Филиал ФГБОУ ВО Национальный исследовательский университет МЭИ в г. Волжском, РФ, г. Волжский

Жадаева Ольга Павловна

студент 2-го курса магистратуры, Филиал ФГБОУ ВО Национальный исследовательский университет МЭИ в г. Волжском,

РФ, г. Волжский Е-mail: olga_zhadaeva@mail.ru

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF AN ALGORITHM FOR OPTIMAL CONTROL

OF A HEATING SYSTEM AND HOT WATER SUPPLY WITH A SOLAR COLLECTOR

Peter Shamigulov

candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Branch of FSBEI HE "NRU" MPEI " in Volzhsky, Russia, Volzhsky

Olga Zhadaeva

second-year master student at Branch of FSBEI HE "NRU" MPEI " in Volzhsky, Russia, Volzhsky

АННОТАЦИЯ

Представлен алгоритм оптимального управления системой отопления и ГВС с солнечным коллектором в

зависимости от солнечной радиации. Объектом исследования является система автоматического управления

солнечными коллекторами, что связано с распространением использования данного типа систем, а также необ-

ходимостью эффективного управления такими объектами.

ABSTRACT

An algorithm for optimal control of a heating system and hot water supply with a solar collector, depending on so-

lar radiation, is presented. The object of study is the automatic control system of solar collectors, which is associated

with the widespread use of this type of system, as well as the need for effective management of such objects.

Ключевые слова: солнечные коллекторы, солнечная радиация, система автоматического управления, оп-

тимизация.

Keywords: solar collectors, solar radiation, automatic control system, optimization.

В последние годы в мире наблюдается активное

использование возобновляемых источников энер-

гии. Постоянная модернизация производств, появ-

ление новых потребителей энергии и сокращение

ископаемых природных ресурсов ставит перед об-

ществом задачи развития и создания передовых

средств альтернативной энергетики, использующих

возобновляемые ресурсы. По сравнению с другими

видами энергетики солнечная энергетика в целом

является одним из наиболее чистых в экологическом

отношении видов энергии [1].

Рассмотрим подсистему производства горячей

воды, состоящую из следующих элементов:

солнечные коллекторы с вакуумными высо-

котемпературными трубками TZ58/1800-30R1 (СК1,

СК2, СК3, СК4);

два цилиндрических бака-накопителя с во-

дой, каждый объемом по 500л. (БН1, БН2);

два трубчатых электронагревателя воды

(ТЭН1, ТЭН2);

циркуляционный насос (ЦН).

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

27

Рисунок 1. Общая схема комплекса производства горячей воды: СК - солнечный коллектор;

БН - бак накопитель; ЦН - циркуляционный насос; ТЭН - трубчатый электронагреватель

Реализована двухконтурная схема нагрева воды.

В первом контуре, состоящем из солнечного кол-

лектора и теплообменника с циркуляционным насо-

сом и расширительного бака, используется незамер-

зающий теплоноситель – 50 % пропиленгликоль

(РВП-50). Второй контур образуют бак-

аккумулятор, теплообменник и электрический

нагревательный элемент.

Уравнения, описывающие систему автома-

тического управления

Тепловой поток в окружающую среду описыва-

ется выражением (1):

𝑄𝑜.𝑐. = 𝑄𝑝 + 𝑄𝑘 , (1)

где Qр – радиационный поток тепла, Вт;

𝑄𝑘 – тепловой поток при конвективной теплоот-

даче, Вт.

Радиационный тепловой поток описывается вы-

ражением (2):

𝑄р = 𝜀(𝑇)𝜎0(𝑇т.н.4 − То.с.

4 )𝐹т.н., (2)

где 𝐹т.н.. – площадь поверхности теплоносителя,

м2;

– постоянная Стефана- Больцмана,

Вт/(м2·град4);

𝜀(T) – степень черноты;

Тт.н.– температура теплоносителя, К;

То.с. – температура окружающей среды, К.

Тепловой поток при конвективной теплоотдаче

описывается выражением (3):

𝑄𝑘 = 𝛼(𝑇т.н. − То.с.), (3)

где: α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·град);

Уравнение теплоотдачи для теплоносителя опи-

сывается выражением (4):

Твхс𝜌𝐹1 = Твыхс𝜌𝐹1 + 𝑞𝑝 − 𝑄𝑜.𝑐., (4)

где qр – плотность теплового потока, Вт/м2 ;

c – теплоемкость теплоносителя, Дж/кг∙К;

𝜌 – плотность теплоносителя, кг/ м3;

F1 – расход теплоносителя, м3/с;

Твх − температура теплоносителя на входе в

солнечный коллектор, К;

Твых − температура теплоносителя на выходе из

солнечного коллектора, К.

Приведенное уравнение характеризует измене-

ние параметров теплоносителя с учетом влияния

солнечного радиационного потока и теплового по-

тока при конвективной теплоотдаче.

Следовательно, повысить производительность

системы отопления и ГВС с солнечным коллекто-

ром возможно путем оптимизации системы, а имен-

но - за счет изменения расхода теплоносителя в за-

висимости от солнечной радиации.

Значение расхода устанавливается автоматиче-

ски посредством контроллера и зависит от уровня

солнечной радиации. Значения уровня солнечной

радиации поступают с датчика, установленного на

метеостанции. Контроллер меняет значение расхода,

регулируя в реальном времени мощность, подавае-

мую на насос, тем самым ускоряя или замедляя цир-

куляцию теплоносителя.

Исследуемая система является экстремальной

системой.

В экстремальных системах экстремальность до-

стигается путем изменения входных сигналов объ-

екта управления и сам критерий оптимальности

определяется естественными свойствами объекта

управления.

Сущность задачи экстремального управления

объектом заключается в формировании такого вы-

ходного сигнала Qвых, который при любых транс-

формациях функции f(Tвх,F) соответствует ее экс-

тремуму, т.е. следит за всеми эволюциями точки

экстремума.

0

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

28

Рисунок 2. Схема управления системой отопления и ГВС с солнечным коллектором: ОУ-объект

управления; УУ- управляющее устройство; ТР- триггер; ИМ- исполнительный механизм

Управляющее устройство вырабатывает поло-

жительный импульс всякий раз, когда тепловая

мощность установки начинает уменьшаться. Триг-

гер работает в счетном режиме, т.е. после прихода

входного импульса изменяет свое состояние на про-

тивоположное (с плюс единицы на минус единицу и

наоборот). Как следствие управляющее воздействие

меняет направление изменения каждый раз, когда

выходная величина объекта управления уменьшает-

ся. Таким образом реализуется поисковая система,

обеспечивающая максимум выходной величины.

Для моделирования системы управления ис-

пользовалась среда SimInTech.

По своей идеологии построения и основной

сущности среда SimInTech является программным

средством. Являясь альтернативой зарубежным ана-

логам, ПО SimInTech позволяет рассчитывать, мо-

делировать, исследовать и синтезировать различные

технические устройства (механические, гидравличе-

ские, теплотехнические, электротехнические и др., в

том числе средства и системы автоматики) [2].

На рисунке 3 изображена модель экстремальной

системы регулирования, разработанная в систе-

ме динамического моделирования SimInTech.

В качестве тестового объекта управления рас-

сматривается солнечный коллектор (радиационный

теплообменник), для которого в момент времени

100 с имитируется скачкообразное уменьшение теп-

лоотдачи вследствие изменения внешних условий –

уменьшения величины солнечной радиации. Здесь

представлены модели теплоотдачи солнечного кол-

лектора при различной интенсивности солнечной

радиации.

Рисунок 3. Модель объекта по каналу расход – мощность

На рисунке 4 приведена модель без экстремаль-

ного регулирования. Вследствие уменьшения вели-

чины солнечной радиации, мощность снизилась на

3360 Вт.

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

29

Рисунок 4. Модель системы без настройки

Рассмотрим систему с постоянной самонастрой-

кой (рис. 5) В момент времени 100 с происходит

изменение мощности излучения и наблюдается под-

стройка системы, после чего полезная мощность

возрастает. Как видим, установившееся значение

мощности в системе на 300 Вт больше, чем в систе-

ме без экстремального регулирования.

Рисунок 5. Модель экстремальной системы с непрерывной настройкой

Недостатком данной системы является постоян-

ное периодическое изменение расхода для обеспе-

чения поискового алгоритма, что может привести к

излишним динамическим нагрузкам на привод цир-

куляционного насоса.

Для устранения этого недостатка можно пред-

ложить алгоритм, в котором поисковый алгоритм

реализуется не непрерывно, а включается периоди-

чески, с заданным интервалом.

Модель экстремальной системы с периодиче-

ской настройкой показана на рисунке 6.

№ 2 (12), февраль, 2020 г.

30

Рисунок 6. Модель экстремальной системы с периодической настройкой

Таким образом, представленный алгоритм оп-

тимального управления системой отопления и ГВС

с солнечным коллектором позволит повысить теп-

лопроизводительность системы путем ее оптимиза-

ции, за счет изменения расхода теплоносителя в за-

висимости от солнечной радиации.

Список литературы:

1. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика: учеб. пособие для

вузов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 276 с.

2. Среда динамического моделирования технических систем SimInTech: практикум по моделированию систем

автоматического регулирования / Б.А. Карташов, Е.А. Шабаев, О.С. Козлов, А.М. Щекатуров. – М.: ДМК

Пресс, 2017. – 424 с.

ДЛЯ ЗАМЕТОК

Научный журнал

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

№ 2(12)

Февраль 2020

Свидетельство о регистрации СМИ: ЭЛ № ФС 77 – 74047 от 19.10.2018

Издательство «Грани науки»

630129, Новосибирск, ул. Тайгинская, 22/1, оф. 22

E-mail: mail@journaltech.ru

www.journaltech.ru

Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного

оригинал-макета в типографии «Allprint»

630004, г. Новосибирск, Вокзальная магистраль, 3

16+