RU2796809C2 - Method of optimized operation of fan or fan system - Google Patents
Method of optimized operation of fan or fan system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796809C2 RU2796809C2 RU2020128978A RU2020128978A RU2796809C2 RU 2796809 C2 RU2796809 C2 RU 2796809C2 RU 2020128978 A RU2020128978 A RU 2020128978A RU 2020128978 A RU2020128978 A RU 2020128978A RU 2796809 C2 RU2796809 C2 RU 2796809C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fan
- model
- algorithm
- models
- optimizer
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение касается способа оптимизированной эксплуатации вентилятора или вентиляторной системы с использованием цифрового отображения вентилятора или, соответственно, вентиляторной системы и по меньшей мере одного характерного для эксплуатационного параметра алгоритма.The invention relates to a method for optimized operation of a fan or fan system using a digital display of the fan or fan system and at least one algorithm characteristic of the operating parameter.
1. Цифровой близнец и алгоритм-близнец1. Digital twin and twin algorithm
Здесь в основе лежит принципиальная идея, обеспечить в каждой рабочей точке вентилятора наилучший возможный коэффициент полезного действия и наилучшие возможные эксплуатационные характеристики. Из-за противоречивых эксплуатационных параметров это затруднительно.The basic idea here is to provide the best possible efficiency and the best possible performance at each operating point of the fan. Due to conflicting operational parameters, this is difficult.
Из практики вентилятора известно, что шарикоподшипник и смазка шарикоподшипника являются критическими параметрами для срока службы вентилятора. Срок службы шарикоподшипника и смазки шарикоподшипника в значительной степени зависит от эксплуатационной температуры в или, соответственно, на двигателе и действующих на шарикоподшипник механических сил. Так как в непосредственной близости от подшипника не могут размещаться ни датчики температуры, ни датчики силы, нельзя измерить ни температуру подшипника, ни действующие на подшипник усилия на подшипнике. Следовательно, требуется либо опосредствованно измерять эти параметры, либо определять их путем расчета.It is known from fan practice that the ball bearing and ball bearing lubrication are critical parameters for the life of the fan. The service life of a ball bearing and ball bearing lubrication largely depends on the operating temperature in or on the motor and the mechanical forces acting on the ball bearing. Since neither temperature sensors nor force sensors can be placed in the immediate vicinity of the bearing, neither the bearing temperature nor the bearing forces acting on the bearing can be measured. Therefore, it is required either to indirectly measure these parameters, or to determine them by calculation.
Из DE 10 2010 002 294 A1 известна система или, соответственно, способ определения состояния подшипника электрической машины. Реальные сенсорные блоки определяют измеряемое значение, которое передается в блок моделирования. Посредством блока моделирования определяется результирующее значение, которое является либо значением тока подшипника, либо зависимым от тока подшипника значением. Результирующее значение передается для дальнейшего расчета в следующий блок. Известная система/способ, в связи с необходимой сенсорной техникой, является затратным и при нехватке достаточного конструктивного пространства может только с трудом применяться у вентиляторов.From DE 10 2010 002 294 A1 a system or method is known for determining the condition of a bearing in an electrical machine. Real sensor blocks determine the measured value, which is transferred to the simulation block. The simulation block determines the resulting value, which is either a bearing current value or a bearing current dependent value. The resulting value is passed to the next block for further calculation. The known system/method, due to the required sensor technology, is costly and, in the absence of sufficient structural space, can only be applied with difficulty to fans.
В основе цифрового близнеца и алгоритма-близнеца лежит создание цифрового отображения реального вентилятора, а именно, путем отображения его свойств посредством математических моделей расчета и при необходимости при привлечении известных данных, в данном случае реальных данных измерения. Эти реальные данные измерения могут представлять собой текущие данные измерения из текущего режима эксплуатации каждого индивидуального двигателя (и при необходимости его истории). Также создается и привлекается к дальнейшему расчету по меньшей мере один характерный для эксплуатационного параметра алгоритм с учетом известных зависимостей, характеристик и пр.The basis of the digital twin and the twin algorithm is the creation of a digital representation of a real fan, namely, by displaying its properties through mathematical calculation models and, if necessary, using known data, in this case real measurement data. This real measurement data may be current measurement data from the current operating mode of each individual engine (and if necessary, its history). Also, at least one algorithm characteristic of the operational parameter is created and involved in further calculation, taking into account known dependencies, characteristics, etc.
По цифровому отображению посредством виртуальных датчиков определяются или, соответственно, рассчитываются состояния конструктивных элементов вентилятора. Эти состояния конструктивных элементов вводятся в характерный или для режима эксплуатации или для эксплуатационного параметра или для продукта алгоритм, который из эксплуатационных состояний определяет и рассчитывает конкретные эксплуатационные параметры вентилятора и при необходимости дает выведенные из них, касающиеся эксплуатации вентилятора прогнозы, например, прогнозы по сроку службы вентилятора. Существенным является возможность комбинированного использования определенных состояний конструктивных элементов и реальных данных измерения.According to the digital display, the states of the structural elements of the fan are determined or, accordingly, calculated by means of virtual sensors. These states of the structural elements are entered into an algorithm characteristic either for the operating mode or for the operating parameter or for the product, which from the operating states determines and calculates the specific operating parameters of the fan and, if necessary, gives forecasts related to the operation of the fan, for example, forecasts for the service life derived from them. fan. Essential is the possibility of combined use of certain states of structural elements and real measurement data.
При этом используются два различных компонента программного обеспечения, а именно, первый компонент программного обеспечения, касающийся цифрового близнеца, и второй компонент программного обеспечения, касающийся характерного для эксплуатационного параметра алгоритма, который можно назвать «интеллектуальным» алгоритмом.This uses two different software components, namely a first software component relating to the digital twin and a second software component relating to a performance-specific algorithm, which can be called an "intelligent" algorithm.
Цифровой близнец является цифровым отображением реального, индивидуального объекта, в случае предлагаемой изобретением идеи вентилятора или вентиляторной системы. Цифровой близнец отображает свойства вентилятора посредством модели расчета и при необходимости с привлечением известных данных вентилятора. Задача цифрового близнеца состоит в том, чтобы рассчитывать состояния конструктивных элементов вентилятора в зависимости от каждого эксплуатационного состояния с помощью виртуальных датчиков. Найденные на основании такого расчета состояния конструктивных элементов передаются в характерный для эксплуатационного параметра алгоритм, который из эксплуатационных данных цифрового близнеца определяет/рассчитывает эксплуатационные параметры или эксплуатационные состояния вентилятора, например, срок службы подшипника и/или срок службы смазки подшипника. На основе результата возможна соответствующая ситуации адаптация регулирования. Поэтому эксплуатационные параметры и эксплуатационные состояния являются столь же релевантными, когда они являются расчетными величинами.The digital twin is a digital representation of a real, individual object, in the case of the idea of a fan or fan system proposed by the invention. The digital twin displays the properties of the ventilator through a calculation model and, if necessary, using known ventilator data. The task of the digital twin is to calculate the states of the fan structural elements depending on each operational state using virtual sensors. The states of the structural elements found on the basis of such a calculation are fed into an operational parameter-specific algorithm, which from the operational data of the digital twin determines/calculates the operational parameters or operational states of the fan, for example, bearing life and/or bearing grease life. On the basis of the result, a control adaptation appropriate to the situation is possible. Therefore, operating parameters and operating states are just as relevant when they are design values.
Поясненная выше комбинация цифрового близнеца и характерного для эксплуатационных параметров алгоритма применительно к цифровому алгоритму-близнецу может реализовываться на микропроцессоре, который должен предназначаться для двигателя вентилятора, и таким образом предназначаться для этого вентилятора в качестве постоянного компонента.The above-described combination of a digital twin and a performance-specific algorithm in relation to the digital twin algorithm can be implemented on a microprocessor to be dedicated to the fan motor and thus be dedicated to that fan as a permanent component.
Цифровой алгоритм-близнец является комбинацией описывающего вентилятор цифрового близнеца со своего рода интеллектуальным алгоритмом, который выполнен характерным (специфическим) для эксплуатационного параметра.A digital twin algorithm is a combination of a fan-descriptive digital twin with a kind of intelligent algorithm that is made characteristic (specific) to an operating parameter.
При соответственно выполненном вентиляторе может производиться прогностическое обслуживание, с целью избежать выхода вентилятора из строя, например, из-за поврежденного подшипника или смазки подшипника. Стремятся к соответствующей ситуации адаптации системных параметров, чтобы можно было реализовать практически максимально возможный срок службы вентилятора.With a properly designed fan, predictive maintenance can be performed to avoid fan failure due to, for example, a damaged bearing or bearing grease. We strive to adapt the system parameters to the appropriate situation, so that almost the maximum possible service life of the fan can be realized.
С использованием цифрового отображения вентилятора и характерного для эксплуатационного параметра алгоритма в рамках прогностического обслуживания стремятся по возможности полностью исчерпывать срок службы конструктивных элементов вентилятора и одновременно избегать любого выхода вентилятора из строя. Срок службы вентилятора рассчитывается при взятии за основу расчетных состояний конструктивных элементов и результирующих из них эксплуатационных параметров.With the use of a digital fan display and a performance-specific algorithm, predictive maintenance aims to exhaust the life of the fan components as much as possible and at the same time avoid any fan failure. The service life of the fan is calculated by taking as a basis the design conditions of the structural elements and the resulting operating parameters.
Цифровой близнец использует физические и/или математические и/или статистические и/или эмпирические и/или комбинированные модели для расчета термических и механических состояний конструктивных элементов. Во всяком случае, к ним относятся как математические, так и физические и нефизические модели. Характерному для эксплуатационного параметра алгоритму (интеллектуальный алгоритм) нужны найденные цифровым близнецом состояния конструктивных элементов, чтобы определять любые эксплуатационные параметры, например, также чтобы прогнозировать выход вентилятора из строя. Так как срок службы вентилятора в первую очередь зависит от шарикоподшипников и смазки шарикоподшипника, фокусированный на смазке шарикоподшипника и шарикоподшипнике расчет эксплуатационных параметров играет очень большую роль.The digital twin uses physical and/or mathematical and/or statistical and/or empirical and/or combined models to calculate the thermal and mechanical states of structural elements. In any case, they include both mathematical and physical and non-physical models. The performance characteristic algorithm (intelligent algorithm) needs the states of the structural elements found by the digital twin to determine any performance parameters, for example also to predict the failure of a fan. Since the service life of a fan is primarily dependent on ball bearings and ball bearing lubrication, a focus on ball bearing lubrication and ball bearing lubrication of the performance calculation plays a very important role.
Из практики известно, что срок службы смазки подшипника в значительной мере зависит от эксплуатационной температуры. Чем выше эксплуатационная температура в течение всего срока службы, тем быстрее расходуется смазка подшипника. Следовательно, следует определять температуру подшипника, чтобы определять срок службы смазки подшипника.It is known from experience that the service life of a bearing grease is largely dependent on the operating temperature. The higher the operating temperature during the entire service life, the faster the bearing lubricant is consumed. Therefore, the temperature of the bearing should be determined in order to determine the service life of the bearing grease.
Для определения температуры подшипника в непосредственном окружении подшипника должен был бы размещаться датчик температуры. Вследствие геометрических и функциональных условий вентилятора/двигателя это невозможно. Соответственно предлагаемым изобретением образом такие состояния конструктивных элементом, как температура подшипника, рассчитываются посредством цифрового близнеца вместе с характерным для эксплуатационного параметра алгоритмом.To determine the bearing temperature, a temperature sensor would have to be placed in the immediate vicinity of the bearing. Due to the geometrical and functional conditions of the fan/motor, this is not possible. According to the method proposed by the invention, states of structural elements such as bearing temperature are calculated by means of a digital twin together with an algorithm specific to the operating parameter.
Расчет базируется на математической модели, которая, в свою очередь, базируется на редуцированной связанной термомагнитной модели расчета. Комбинация из цифрового близнеца вместе с характерным для эксплуатационного параметра алгоритмом рассчитывает источники тепла, приемники тепла и термическое состояние касающейся двигателя вентилятора общей системы. Так с помощью виртуальных датчиков цифрового близнеца может определяться температура смазки подшипника в зависимости от эксплуатационного состояния вентилятора/двигателя и включаться в качестве эксплуатационного состояния в характерный для эксплуатационного параметра алгоритм.The calculation is based on a mathematical model, which, in turn, is based on a reduced coupled thermomagnetic calculation model. The combination of the digital twin, together with an algorithm specific to the operating parameter, calculates heat sources, heat sinks and the thermal state of the overall system touching the fan motor. Thus, using virtual sensors of the digital twin, the bearing lubrication temperature can be determined depending on the operating state of the fan/motor and included as an operating state in the algorithm characteristic of the operating parameter.
Как цифровой близнец, включая его виртуальные датчики, так и характерный для эксплуатационного параметра алгоритм может имплементироваться в машинный код (C-код) на уже имеющемся микропроцессоре, благодаря чему вентилятору придается определенный машинный интеллект.Both the digital twin, including its virtual sensors, and the performance-specific algorithm can be implemented in machine code (C-code) on an existing microprocessor, which gives the fan a certain machine intelligence.
Предыдущие варианты осуществления описывают способ определения эксплуатационных состояний вентилятора с использованием цифрового отображения (цифровой близнец) вентилятора при помощи по меньшей мере одного характерного для эксплуатационного параметра алгоритма. Это является основой для расчета последующих этапов способа, эксплуатационных состояний, которые определяются с помощью виртуальных датчиков, при взятии за основу цифрового алгоритма-близнеца, причем для реализации цифрового алгоритма-близнеца в отношении вентилятора определяется рабочий процесс (Workflow). В частности, возможно отказываться от реальных датчиков для определения эксплуатационных состояний.The previous embodiments describe a method for determining fan operating states using a digital display (digital twin) of the fan using at least one operating parameter specific algorithm. This is the basis for the calculation of the subsequent steps of the method, operating states, which are determined by means of virtual sensors, based on a digital twin algorithm, whereby a workflow (Workflow) is defined for the implementation of the digital twin algorithm in relation to the fan. In particular, it is possible to dispense with actual sensors for determining operating states.
2. Интеллектуальный вентилятор2. Intelligent fan
С помощью способа оптимизации коэффициента полезного действия и/или эксплуатационных характеристик вентилятора создается как бы «интеллектуальный» вентилятор, при этом, исходя из характерных для конструктивных элементов или функций численных детальных моделей, при взятии за основу по меньшей мере одного алгоритма, осуществляется редукция модели и вместе с тем данных (уточнение данных) с получением характерных для конструктивных элементов или функций моделей поведения, при этом редуцированные данные моделей поведения в системном моделировании связываются или, соответственно, комбинируются с получением модели поведения системы, имеющей входные и выходные величины, и при этом входные величины и соответствующие выходные величины вентилятора из модели поведения системы предоставляются оптимизатору для выбора, чтобы, в зависимости от рамочных условий, достигать оптимизированного регулирования системы.With the help of the method for optimizing the efficiency and/or performance characteristics of the fan, a kind of "intelligent" fan is created, while, based on the numerical detailed models characteristic of structural elements or functions, taking at least one algorithm as a basis, the model is reduced and at the same time, data (data refinement) to obtain behavior patterns characteristic of structural elements or functions, while the reduced data of behavior models in system modeling are associated or, respectively, combined with obtaining a system behavior model that has input and output values, and at the same time input the values and the corresponding fan output values from the system behavior model are provided to the optimizer for selection in order, depending on the framework conditions, to achieve an optimized system control.
При этом речь идет о цифровом алгоритме-близнеце в контексте «интеллектуального вентилятора» применительно к усовершенствованному варианту осуществления алгоритма-близнеца по пункту 1.In this case, we are talking about a digital twin algorithm in the context of an "intelligent fan" in relation to an improved embodiment of the twin algorithm according to
Дальнейшую разработку цифрового алгоритма-близнеца следует понимать как самостоятельную, соответствующую ситуации адаптацию системных параметров вентилятора или, соответственно, вентиляторной системы, чтобы в каждой рабочей точке обеспечивать наилучший возможный коэффициент полезного действия и наилучшие возможные эксплуатационные характеристики.The further development of the digital twin algorithm should be understood as an independent, situation-appropriate adaptation of the system parameters of the fan or fan system, in order to ensure the best possible efficiency and the best possible performance at each operating point.
Сначала составляются численные детальные модели, например, касающиеся термической модели, модели магнитной цепи или модели, касающейся положения лопастей и потока или, соответственно, условий потока. Детальная модель может быть также цифровым близнецом соответственно вводному пояснению в отношении окружения вентилятора, например, центра обработки данных в контексте общей системы. Также детальная модель может касаться цифрового близнеца вентиляторной системы. Возможны другие детальные модели.First, numerical detailed models are generated, for example regarding a thermal model, a magnetic circuit model or a model regarding the position of the blades and the flow or, respectively, the flow conditions. The detailed model can also be a digital twin according to an introductory explanation of the fan environment, such as a data center in the overall system context. Also, the detailed model may refer to the digital twin of the fan system. Other detailed models are possible.
На следующем этапе происходит редукция детальных моделей в рамках редукции модели, а именно, с получением так называемых моделей поведения. Это сопровождается значительным редуцированием поступающих данных.At the next stage, the reduction of detailed models occurs within the framework of the reduction of the model, namely, with the receipt of the so-called behavior models. This is accompanied by a significant reduction in the incoming data.
После этого в системном моделировании происходит связь имеющих редуцированные данные моделей поведения, результатом которой является исследование поведения, содержащее комбинированную модель поведения.After that, in system modeling, there is a connection of behavior models with reduced data, the result of which is a behavior study containing a combined behavior model.
Моделирование общей системы осуществляется в системном пространстве, имеющем равномерно распределенную комбинацию входных величин. Результатом является таблица, содержащая входные комбинации и соответствующие им выходные величины системы. Таблица отражает модель поведения системы, а именно, с входными величинами и соответствующими выходными величинами вентилятора. На основе этих величин может осуществляться оптимизация.The modeling of the general system is carried out in the system space, which has a uniformly distributed combination of input values. The result is a table containing the input combinations and their corresponding output values of the system. The table reflects the behavior of the system, namely with the input values and the corresponding output values of the fan. Based on these values, optimization can be carried out.
В текущем режиме эксплуатации оптимизатор в зависимости от условий окружения выбирает наилучшие возможные выходные величины системы, такие как, например, коэффициент полезного действия системы, в таблице модели поведения предпочтительно в реальном времени. Как только наилучшая возможная выходная величина системы найдена, из таблицы могут считываться соответствующие входные величины. С помощью этих входных величин система регулируется наилучшим образом, и причем предпочтительно в реальном времени.In the current operating mode, the optimizer, depending on the environmental conditions, selects the best possible output values of the system, such as, for example, the efficiency of the system, in the table of the behavior model, preferably in real time. Once the best possible output value of the system has been found, the corresponding input values can be read from the table. With these input values, the system is controlled in the best possible way, preferably in real time.
В свете предыдущих рассуждений существенно, что оптимизатор выбирает оптимальный коэффициент полезного действия системы из таблицы поведения системы и подает регулирующей системе необходимые входные величины. Так возможна постоянная оптимизация.In the light of the previous considerations, it is essential that the optimizer selects the optimal system efficiency from the system behavior table and supplies the necessary input quantities to the regulating system. In this way, continuous optimization is possible.
3. Предлагаемая изобретением оптимизация3. Optimization according to the invention
В основе настоящего изобретения лежит задача, при взятии за основу цифрового близнеца вместе с алгоритмом-близнецом и оптимизацией коэффициента полезного действия и/или эксплуатационных характеристик вентилятора, с использованием «интеллектуального» вентилятора генерировать, с одной стороны, постоянное улучшение цифрового алгоритма-близнеца, а с другой стороны, улучшенные продукты (вентиляторы) за счет инновации продукта (обновления продукта), а именно, с использованием расчетных эксплуатационных состояний.The present invention is based on the task, when taking the digital twin as a basis together with the twin algorithm and optimizing the efficiency and/or performance of the fan, using an "intelligent" fan, to generate, on the one hand, a continuous improvement of the digital twin algorithm, and on the other hand, improved products (fans) through product innovation (product upgrades), namely using calculated operating states.
Вышеуказанная задача решается с помощью признаков п.1 формулы изобретения, а именно, с помощью способа оптимизированной эксплуатации вентилятора или вентиляторной системы с использованием цифрового отображения вентилятора или, соответственно, вентиляторной системы и по меньшей мере одного характерного для эксплуатационного параметра алгоритма, при этом полученные при эксплуатации данные и сведения предпочтительно передаются предпочтительно на постоянный инновационный и алгоритмический анализ, с целью, с одной стороны, генерировать инновации продукта, а с другой стороны, улучшенные «интеллектуальные» алгоритмы.The above problem is solved using the features of
Основой предлагаемого изобретением способа является использование цифрового близнеца и используемого там алгоритма-близнеца соответственно вводному пояснению к пунктам 1 и 2.The basis of the method proposed by the invention is the use of a digital twin and the twin algorithm used there, according to the introductory explanation to
С помощью инновационного анализа, с одной стороны, и алгоритмического анализа, с другой стороны, генерируется постоянное улучшение цифрового алгоритма-близнеца и новые инновации продукта.Through innovation analysis on the one hand and algorithmic analysis on the other hand, continuous improvement of the digital twin algorithm and new product innovations are generated.
Исходной точкой предлагаемого изобретением способа является цифровой алгоритм-близнец, который рассчитывает эксплуатационные состояния вентилятора при эксплуатации, т.е. на месте у заказчика. Эти эксплуатационные состояния отправляются на анализ, а затем для дальнейшей обработки в облако. Анализ использует предпочтительным образом особый инструмент, а именно, программный блок для машинного обучения в облаке. Под «машинным обучением» следует понимать искусственное генерирование знания из опыта.The starting point of the method according to the invention is a digital twin algorithm which calculates the operating states of the fan during operation, i.e. on site at the customer. These operational states are sent for analysis and then for further processing to the cloud. The analysis preferentially uses a specific tool, namely a machine learning block in the cloud. “Machine learning” should be understood as the artificial generation of knowledge from experience.
Такая искусственная система учится на примерах расчетных эксплуатационных состояний по цифровому алгоритму-близнецу и может обобщать их по окончании собственной фазы обучения. Такая система распознает шаблоны и закономерности в обучающих данных на основе расчетных эксплуатационных состояний.Such an artificial system learns from examples of design operational states using a digital twin algorithm and can generalize them at the end of its own learning phase. Such a system recognizes patterns and patterns in training data based on estimated operational states.
В свете предыдущих рассуждений могут производиться инновации продукта и улучшения алгоритмов.In light of the previous considerations, product innovations and algorithm improvements can be made.
Также существенно, что расчет и запись состояний конструктивных элементов служит для получения новых сведений, в частности при разработке новых продуктов. Осуществляется постоянное увеличение количества цифровых ноу-хау.It is also essential that the calculation and recording of the states of structural elements serves to obtain new information, in particular when developing new products. There is a constant increase in the amount of digital know-how.
Также путем инновационного анализа может определяться, что фактически нужно заказчику в отношении вентилятора, и причем при взятии за основу профиля конкретного запроса. Так вследствие индивидуально адаптированных под заказчика вентиляционных продуктов возникают новые инновации.It can also be determined by innovative analysis what the customer actually needs in relation to the fan, and this is based on the profile of a specific request. This is how new innovations arise as a result of individually tailored ventilation products.
Инновационный анализ дает „Feedback to Design“ («обратную связь с проектом») путем анализа умных данных, которые возникают в соответствии с пунктом 2 вводного пояснения вследствие редукции модели.The innovation analysis gives "Feedback to Design" by analyzing the smart data that arises in accordance with
Существующие или, соответственно, улучшенные алгоритмы могут использоваться для расчета срока службы или для оптимизации характеристик вентилятора и улучшаться в ходе анализа. Улучшенные алгоритмы делают вентилятор «интеллектуальным» («умным») и позволяют получить наилучший возможный прогноз для технического обслуживания. Это имеет очень большое значение.Existing or improved algorithms can be used to calculate the lifetime or to optimize the performance of the fan and improve during the analysis. Improved algorithms make the fan "smart" and allow you to get the best possible forecast for maintenance. This is of great importance.
В итоге улучшенные алгоритмы и новые инновации продукта включаются в разработку новых продуктов-вентиляторов и, помимо этого, приводят к постоянному улучшению цифровых алгоритмов-близнецов.As a result, improved algorithms and new product innovations are included in the development of new fan products and, in addition, lead to the continuous improvement of digital twin algorithms.
Есть разные возможности предпочтительным образом воплотить и усовершенствовать идею настоящего изобретения. Для этого, с одной стороны, можно сослаться на пункты формулы изобретения, зависимые от п.1 формулы изобретения, а с другой стороны, на последующее пояснение одного из предпочтительных примеров осуществления изобретения с помощью чертежа. В связи с пояснением предпочтительного примера осуществления изобретения с помощью чертежа поясняются также вообще предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования этой идеи. На чертеже показано:There are various possibilities to implement and improve the idea of the present invention in an advantageous manner. For this, on the one hand, reference can be made to the claims dependent on
фиг.1-16: этапы способа реализации предлагаемой изобретением идеи, имеющие особые отличия, при этом предлагаемая изобретением идея в качестве примера поясняется с помощью фиг.6.Fig.1-16: the steps of the method of implementing the idea of the invention, with particular differences, while the idea of the invention as an example is explained using Fig.6.
Фиг.1-5 служат для понимания предлагаемой изобретением идеи и относятся к цифровому близнецу и цифровому алгоритму-близнецу как основе для интеллектуального вентилятора.1-5 serve to understand the idea of the invention and refer to the digital twin and the digital twin algorithm as the basis for a smart fan.
В конкретном случае, на фиг.1 показана комбинация цифрового близнеца по меньшей мере с одним характерным для эксплуатационного параметра алгоритмом, которая ниже называется цифровым алгоритмом-близнецом. Это можно рассмотреть на примере срока службы смазки подшипника и/или подшипника.In a particular case, FIG. 1 shows the combination of a digital twin with at least one performance-specific algorithm, referred to below as a digital twin algorithm. This can be seen with the example of bearing and/or bearing lubrication life.
Как уже указывалось выше, срок службы смазки подшипника и подшипника зависит от эксплуатационной температуры и частоты вращения двигателя. Так как в непосредственном окружении подшипника не может размещаться датчик температуры, температура подшипника должна рассчитываться посредством модели, в соответствии с изобретением с помощью цифрового алгоритма-близнеца, который получается из комбинации цифрового близнеца и характерного для эксплуатационного параметра алгоритма (интеллектуальный алгоритм).As already mentioned above, the service life of the bearing and bearing grease depends on the operating temperature and engine speed. Since a temperature sensor cannot be placed in the immediate environment of the bearing, the temperature of the bearing must be calculated by means of a model according to the invention with a digital twin algorithm, which is obtained from a combination of the digital twin and a performance-specific algorithm (intelligent algorithm).
Цифровой близнец является не чем иным, как математической моделью, которая основывается на редуцированной связанной термомагнитной и механической расчетной модели. Цифровой близнец рассчитывает термическое и механическое состояние касающейся двигателя общей системы. С помощью принадлежащих цифровому близнецу виртуальных датчиков цифровой близнец может определять температуру смазки подшипника в зависимости от эксплуатационного состояния двигателя.The digital twin is nothing more than a mathematical model based on a reduced coupled thermomagnetic and mechanical design model. The digital twin calculates the thermal and mechanical state of the overall system in contact with the engine. Using virtual sensors belonging to the digital twin, the digital twin can determine the bearing lubrication temperature depending on the operating state of the engine.
Интеллектуальному алгоритму для дальнейшей обработки данных нужны состояния конструктивных элементов, чтобы, например, прогнозировать выход вентилятора из строя. По характеристикам выхода из строя может рассчитываться, или по меньшей мере оцениваться, отказ двигателя. Все касающееся цифрового алгоритма-близнеца программное обеспечение реализовано в машинном коде (C-коде) на микропроцессоре двигателя, так что не требуется никакая другая электроника.For further data processing, an intelligent algorithm needs the states of structural elements in order, for example, to predict the failure of a fan. From the failure characteristics, engine failure can be calculated, or at least estimated. All software related to the digital twin algorithm is implemented in machine code (C-code) on the engine's microprocessor, so no other electronics are required.
На фиг.2 показана последовательность расчета срока службы смазки подшипника в подшипнике двигателя вентилятора. В рамках создания цифрового отображения реального вентилятора требуются численные детальные модели, в конкретном случае, термические модели, модели магнитной цепи и пр. Кроме того, составляются алгоритмы для расчета срока службы смазки. Figure 2 shows the sequence of calculating the service life of the bearing grease in the fan motor bearing. As part of creating a digital representation of a real fan, numerical detailed models are required, in a specific case, thermal models, magnetic circuit models, etc. In addition, algorithms are compiled to calculate the life of the lubricant.
После этого детальные модели редуцируются с получением моделей поведения, чтобы можно было манипулировать объемом данных.After that, the detailed models are reduced to obtain behavior models so that the amount of data can be manipulated.
После этого происходит связь моделей поведения и рассчитывающего срок службы смазки подшипника алгоритма в системном моделировании, а именно, в рамках комбинации цифрового близнеца с характерным для эксплуатационного параметра алгоритмом, который в настоящем случае рассчитывает срок службы смазки подшипника. Из этой системном моделировании генерируется C-код, и происходит непосредственная имплементация C-кода на микропроцессор двигателя.After that, the behavior models and the algorithm that calculates the life of the bearing grease in the system simulation are connected, namely, within the framework of the combination of a digital twin with a characteristic algorithm for the performance parameter, which in the present case calculates the life of the bearing grease. From this system simulation, a C-code is generated and the C-code is directly implemented on the engine microprocessor.
Как уже указывалось выше, редукция детальной модели до модели поведения требуется, чтобы снизить время вычислений. Благодаря этой мере цифровой алгоритм-близнец может реализовываться на микропроцессоре двигателя. Для редукции термической модели могут применяться разные методы, например, метод Крылова. При этом данные детальной модели редуцируются путем понижения порядка модели.As mentioned above, the reduction of a detailed model to a behavior model is required in order to reduce the computation time. Thanks to this measure, the digital twin algorithm can be implemented on the engine microprocessor. To reduce the thermal model, different methods can be used, for example, the Krylov method. In this case, the data of the detailed model are reduced by lowering the order of the model.
Магнитная детальная модель может редуцироваться с помощью алгоритма или с помощью таблицы. В таблице определены предварительно рассчитанные для определенных ситуаций результаты, так что сложные расчеты могут заменяться быстрым поиском значений. С помощью соответственно редуцированных моделей может рассчитываться температура смазки подшипника и температура подшипника. Расчетные значения используют характерный для эксплуатационного параметра алгоритм, здесь рассчитывающий срок службы смазки подшипника алгоритм, чтобы рассчитывать срок службы, с одной стороны, смазки подшипника, а с другой стороны, подшипника.The magnetic detailed model can be reduced using an algorithm or using a table. The table defines results that are pre-calculated for certain situations, so that complex calculations can be replaced by a quick search for values. Using suitably reduced models, the bearing lubrication temperature and the bearing temperature can be calculated. The calculated values use a performance-specific algorithm, here a bearing grease life calculation algorithm, to calculate the life of the bearing grease on the one hand and the bearing life on the other hand.
Кроме того, можно предпочтительно экспоненциально взвешивать использованный срок службы подшипника/смазки подшипника в зависимости от эксплуатационной температуры.In addition, the used bearing life/bearing lubricant can be preferably exponentially weighted as a function of the operating temperature.
На фиг.3 показан характер изменения такого коэффициента взвешивания на протяжении хода изменения температуры, при этом за основу расчета срока службы смазки подшипника берутся взятые в качестве примера параметры, такие как длительная эксплуатация, вид подшипника, вязкость, частота вращения, температура смазки и время эксплуатации/срок службы. Этот пример вычислений при сроке эксплуатации четыре минуты дает использованный срок службы 15 минут. Figure 3 shows how such a weighting factor changes over the course of temperature change, using exemplary parameters such as long-term operation, bearing type, viscosity, rotational speed, grease temperature and operating time as the basis for calculating the life of the bearing grease. /life time. This calculation example, with a lifetime of four minutes, gives a usable lifetime of 15 minutes.
Редуцированные модели в соответствии с цифровым близнецом и характерным для эксплуатационного параметра алгоритмом, касающиеся срока службы смазки подшипника, включаются в системное моделирование и связываются друг с другом. Системное моделирование может составляться, например, в программе MATLAB. С помощью генератора кода MATLAB можно перевести системное моделирование в C-код и имплементировать на микропроцессоре двигателя.Reduced models according to the digital twin and performance-specific algorithm regarding bearing grease life are included in the system simulation and linked to each other. System simulation can be compiled, for example, in the MATLAB program. Using the MATLAB code generator, you can translate the system simulation into C-code and implement it on the engine's microprocessor.
На фиг.4 и 5 показаны отдельные этапы способа, касающегося создания «интеллектуального» вентилятора, при этом фиг.4 относится к положению угла лопастей, а фиг.5 к распределению нагрузки вентиляторов центра обработки данных (дата-центра). Соответствующие этапы способа от создания или, соответственно, подготовки детальной модели, редуцированной модели, системном моделировании вплоть до модели поведения в том и другом случаях идентичны. При взятии за основу модели поведения оптимизатор отыскивает оптимальный коэффициент полезного действия системы из таблицы повеления системы и передает соответствующие входные величины регулятору, при этом регулирование осуществляется в реальном времени. Эта процедура, вместе с данными, генерируются в C-коде, так что оптимизация может проходить на обычном процессоре. Figures 4 and 5 show the individual steps of the method regarding the creation of an "intelligent" fan, while figure 4 refers to the position of the angle of the blades, and figure 5 to the load distribution of the fans of the data center (data center). The respective steps of the method from the creation or, respectively, the preparation of a detailed model, a reduced model, system modeling up to a behavior model are identical in both cases. Based on the behavior model, the optimizer finds the optimal system efficiency from the system command table and passes the corresponding input values to the controller, while the regulation is carried out in real time. This routine, along with the data, is generated in C code so that the optimization can run on a conventional processor.
В соответствии с изображением на фиг.4 угол положения лопастей вентилятора должен регулироваться так, чтобы получался оптимальный коэффициент полезного действия системы в зависимости от рабочей точки. Из детальной модели при взятии за основу надлежащего алгоритма выводится редуцированная модель, из которой в рамках системном моделировании, при взятии за основу нескольких детальных моделей, получается исследование поведения или, соответственно, результирующая из него модель поведения. Оптимизатор выбирает оптимальный коэффициент полезного действия системы из таблицы поведения системы и передает соответствующие входные величины, с помощью которых может достигаться оптимизация, механизму регулирования. Происходит регулирование общей системы в реальном времени на микропроцессоре, а именно, при взятии за основу модели поведения и служащего для оптимизации алгоритма. Данные и алгоритм программирования имеются в C-коде.In accordance with the image in figure 4, the angle of the fan blades must be adjusted so that the optimum efficiency of the system is obtained depending on the operating point. From the detailed model, when taking the appropriate algorithm as the basis, a reduced model is derived, from which, within the framework of system modeling, when taking several detailed models as the basis, a study of behavior is obtained or, accordingly, the behavior model resulting from it. The optimizer selects the optimal system efficiency from the system behavior table and passes the appropriate input values, with which optimization can be achieved, to the control mechanism. There is a regulation of the overall system in real time on the microprocessor, namely, when taking as a basis a behavior model and an algorithm serving to optimize. The data and programming algorithm is in C-code.
В соответствии с изображением на фиг.5 речь идет о распределении нагрузки системы нескольких вентиляторов, в выбранном примере осуществления о распределении нагрузки вентиляторов центра обработки данных (дата-центра). Скорость потока и необходимое при ней распределение нагрузки отдельных вентиляторов должно регулироваться так, чтобы получался оптимальный коэффициент полезного действия системы в зависимости от температуры, преобладающей в центре обработки данных. Здесь также оптимизатор выбирает оптимальный коэффициент полезного действия системы из таблицы поведения системы и передает механизму регулирования соответствующие входные величины, так что регулирование общей системы может осуществляться в реальном времени на микропроцессоре. И здесь данные модели вентилятора вводятся в служащий для оптимизации алгоритм, при этом программа работает в C-коде на обычных процессорах.In accordance with the image in figure 5 we are talking about the distribution of the load system of several fans, in the selected embodiment of the distribution of the load of the fans of the data center (data center). The flow rate and the required load distribution of the individual fans must be adjusted to achieve optimum system efficiency depending on the temperature prevailing in the data center. Here, too, the optimizer selects the optimum system efficiency from the system behavior table and passes appropriate input values to the control mechanism so that the overall system can be controlled in real time on the microprocessor. And here the fan model data is entered into the optimization algorithm, while the program runs in C-code on conventional processors.
Способ позволяет при взятии за основу рассмотренной выше редукции данных составлять компактный C-код, который может работать на стандартных микропроцессорах. На микропроцессоре происходит своего рода уточнение данных (Big Data → Smart Data большие данные → умные данные), причем это является результатом расчета. Только сжатые уточненные данные подвергаются дальнейшей обработке или, например, пересылаются в облако. Разумеется, за счет этого в очень значительной степени редуцируется объем стриминга связи в облако.The method allows, taking the data reduction discussed above as a basis, to compose a compact C-code that can run on standard microprocessors. A kind of data refinement takes place on the microprocessor (Big Data → Smart Data → smart data), and this is the result of the calculation. Only compressed refined data is further processed or, for example, sent to the cloud. Of course, due to this, the amount of communication streaming to the cloud is reduced to a very large extent.
Также эксплуатационные параметры, определенные у цифрового близнеца и характерного для эксплуатационного параметра алгоритма, могут применяться для прогностического обслуживания и для профилактического обслуживания вентилятора, с одной стороны, и для оптимизации конструкции и эксплуатации вентилятора, с другой стороны, при этом цифровой алгоритм-близнец совершенствуется для самостоятельной, соответствующей ситуации, адаптации системных параметров, а именно, чтобы в каждой рабочей точке обеспечивать наилучший возможный коэффициент полезного действия и наилучшую возможную эксплуатационную характеристику.Also, the performance parameters determined from the digital twin and performance characteristic of the algorithm can be used for predictive maintenance and preventive maintenance of the fan on the one hand, and for optimizing the design and operation of the fan on the other hand, while the digital twin algorithm is improved for independent adaptation of the system parameters appropriate to the situation, namely to ensure the best possible efficiency and the best possible performance at each operating point.
На фиг.6 схематично показана последовательность предлагаемого изобретением способа, при этом цифровой алгоритм-близнец при эксплуатации вентилятора работает на имеющемся там микропроцессоре двигателя. Эксплуатационные состояния рассчитываются с помощью виртуальных датчиков. На основании эксплуатационных состояний возможна адаптация регулирования и расчет срока службы вентилятора. Figure 6 schematically shows the sequence of the method proposed by the invention, while the digital twin algorithm during operation of the fan runs on the motor microprocessor present there. Operating states are calculated using virtual sensors. Based on the operating states, the control can be adapted and the service life of the fan can be calculated.
Данные передаются от микропроцессора двигателя в облако, с одной стороны, для инновационного анализа, а с другой стороны, для алгоритмического анализа.The data is transferred from the engine microprocessor to the cloud on the one hand for innovative analysis and on the other hand for algorithmic analysis.
В области инновационного анализа осуществляется машинное обучение, имеющее результатом постоянные инновации продукта.In the field of innovation analysis, machine learning is carried out, resulting in continuous product innovation.
В области алгоритмического анализа тоже осуществляется машинное обучение, имеющее результатом все более интеллектуальные алгоритмы.In the field of algorithmic analysis, machine learning is also being carried out, resulting in increasingly intelligent algorithms.
Результаты того и другого анализов - инновационного анализа и алгоритмического анализа - посредством обратной связи используются для улучшения цифрового близнеца и цифрового алгоритма-близнеца, с целью «интеллектуальных» алгоритмов и для создания «интеллектуальных» вентиляторов.The results of both analyzes - innovative analysis and algorithmic analysis - are used through feedback to improve the digital twin and the digital twin algorithm, for the purpose of "smart" algorithms and to create "smart" fans.
Для предлагаемой изобретением идеи в рамках одного из особых отличий, соответственно признакам п.5 формулы изобретения, имеет особое значение, что распознаются шаблоны и закономерности. В дополнение к предыдущим рассуждениям в этой связи можно констатировать следующее:For the idea proposed by the invention, within one of the special differences, according to the features of
«Artifical Intelligence» или искусственный интеллект является родовым понятием для описания всех областей исследования, которые занимаются выполнением человеческой интеллектуальной деятельности машинами. Одной из отдельных областей искусственного интеллекта является «Machine Learning» или машинное обучение, в результате которого машины получают возможность генерировать «знания» из опыта, другими словами, обучаться. «Deep Learning» (англ. глубокое обучение) с помощью искусственных нейронных сетей является одним из особенно эффективных методов перманентного машинного обучения на базе статистического анализа больших количеств данных и поэтому наиболее значительной технологией в искусственном интеллекте."Artifical Intelligence" or artificial intelligence is a generic term to describe all areas of research that are concerned with the performance of human intellectual activity by machines. One of the separate areas of artificial intelligence is “Machine Learning” or machine learning, as a result of which machines are able to generate “knowledge” from experience, in other words, learn. "Deep Learning" (English deep learning) using artificial neural networks is one of the most effective methods of permanent machine learning based on the statistical analysis of large amounts of data and therefore the most significant technology in artificial intelligence.
«Deep Learning» является одним из методов обучения в рамках машинного обучения. С применением нейронных сетей машина сама оказывается в состоянии распознавать структуры, оценивать это распознавание и самостоятельно улучшаться или, соответственно, оптимизироваться за несколько направленных как вперед, так и назад прогонов."Deep Learning" is one of the learning methods within machine learning. With the use of neural networks, the machine itself is able to recognize structures, evaluate this recognition and independently improve or, accordingly, optimize in several forward and backward runs.
Искусственные нейронные сети разделены для этой цели на несколько слоев. Эти слои действуют как взвешенный фильтр, который работает в направлении от грубого к тонкому и таким образом повышает вероятность распознавания шаблона и выдачи правильного результата. Это скопировано с человеческого мозга, который работает аналогичным образом.Artificial neural networks are divided into several layers for this purpose. These layers act as a weighted filter that works in a coarse to fine direction and thus increases the likelihood of pattern recognition and a correct result. This is copied from the human brain, which works in a similar way.
Искусственные нейронные сети могут представляться в виде матриц. Это имеет то преимущество, что необходимые расчеты могут производиться достаточно просто. Возможен расчет на традиционном микропроцессоре, принадлежащем также вентилятору. Это позволяет получить интеллектуальный вентилятор без необходимости подключения к интернету.Artificial neural networks can be represented as matrices. This has the advantage that the necessary calculations can be made quite simply. It is possible to calculate on a traditional microprocessor, which also belongs to the fan. This allows you to get a smart fan without the need for an internet connection.
Искусственные нейронные сети могут применяться для адаптации цифрового алгоритма-близнеца под многообразие продуктов какого-либо изготовителя и под различные применения заказчиками во время эксплуатации. Кроме того, искусственные нейронные сети могут применяться, чтобы на основе шаблонов ошибок прогнозировать выход вентилятора из строя. Для этого служат несколько взаимосвязанных факторов, например, повышенный ток и повышенная температура электроники.Artificial neural networks can be used to adapt the digital twin algorithm to a variety of products from any manufacturer and to various customer applications during operation. In addition, artificial neural networks can be used to predict fan failure based on error patterns. This is done by several interrelated factors, such as increased current and increased temperature of the electronics.
Имеет значение, что в основе разработки современных вентиляторов лежит цифровой близнец вентилятора и применение цифрового алгоритма-близнеца. Из эксплуатации вентилятора определяются эксплуатационные состояния, и происходит адаптация регулирования и влияние на срок службы. Инновационный анализ и алгоритмический анализ посредством обратной связи используется в цифровом алгоритме-близнеце и способствует улучшению в направлении «интеллектуального» осуществления алгоритма, с дальнейшей целью, создать «интеллектуальный» вентилятор.It is significant that the development of modern fans is based on the digital twin of the fan and the use of a digital twin algorithm. From the operation of the fan, the operating states are determined, and the control is adapted and the influence on the service life takes place. Innovative analysis and algorithmic analysis through feedback is used in the digital twin algorithm and contributes to the improvement towards "smart" implementation of the algorithm, with a further goal to create a "smart" fan.
Изображение на фиг.7 и 8 служит для дальнейшего пояснения идеи заявляемого изобретения.The image in Fig.7 and 8 serves to further explain the idea of the claimed invention.
Существенным является использование цифрового отображения, а именно, цифрового близнеца вентилятора. Цифровой близнец получается посредством обработки данных. Он получается, в конкретном случае, из комбинации известных входных величин или значений измерения датчиков с расчетными значениями и расчетами/моделями. На основе цифрового близнеца осуществляется определение температуры конструктивных элементов, токов, потерь и пр. в определенных заданных местах вентилятора. На основе цифрового близнеца виртуально определяются реальные значения, такие как, например, конкретные температуры конструктивных элементов, причем тогда, когда в данном конкретном месте вентилятора не существует экономически/конструктивно целесообразной возможности измерения посредством сенсорной техники.Essential is the use of a digital display, namely a digital fan twin. The digital twin is obtained through data processing. It is obtained, on a case-by-case basis, from a combination of known input values or sensor measurement values with calculated values and calculations/models. On the basis of the digital twin, the temperature of structural elements, currents, losses, etc. is determined in certain specified places of the fan. On the basis of the digital twin, real values are virtually determined, such as, for example, specific temperatures of structural elements, even if there is no economically/structurally feasible measurement possibility by means of sensor technology at this specific location of the fan.
Также важное значение для идеи заявляемого изобретения имеет характерный для эксплуатационного параметра алгоритм. На основе результатов или, соответственно, данных, которые дает цифровой близнец, например, температуры подшипника, определяются такие показатели, как, например, вероятность выхода из строя или использованный срок службы вентилятора или, соответственно, подшипника вентилятора. Эти показатели зависят от текущих эксплуатационных параметров вентилятора и их истории, т.е. в каких рабочих точках и окружениях работает/работал вентилятор.Also important for the idea of the claimed invention is the algorithm characteristic of the operational parameter. On the basis of the results or data provided by the digital twin, for example the bearing temperature, indicators such as, for example, the probability of failure or the used lifetime of the fan or fan bearing are determined. These figures depend on the current operating parameters of the fan and their history, i.e. in which operating points and environments the fan is/was running.
Фиг.7 и 8 на конкретном примере поясняют предлагаемый изобретением способ определения эксплуатационных состояний вентилятора с использованием цифрового отображения вентилятора с учетом предыдущих рассуждений.FIGS. 7 and 8 illustrate the inventive method for determining fan operating conditions using a digital fan display based on the foregoing considerations with a specific example.
В левой колонке фиг.7 стоят измеренные и расчетные входные величины, включая проставленные на стрелках единицы измерения. Эти входные величины измеряются с помощью имеющихся стандартных датчиков или известны.In the left column of Fig.7 are the measured and calculated input values, including the units of measurement marked on the arrows. These input quantities are measured with available standard sensors or are known.
Из этих входных величин рассчитываются источники тепла и приемники тепла. За основу берутся базирующиеся на моделировании модели, которые учитывают такие источники тепла, как, например, потери в меди, железе, электронике, и приемники тепла, такие как охлаждение двигателя (колесо охлаждения, обтекающий воздух и температура окружения). Результатом этого являются входные величины для редуцированной термической модели, имеющей виртуальные датчики. Все это соответствует цифровому близнецу применительно к термической модели.From these input values, heat sources and heat sinks are calculated. Based on simulation-based models that take into account heat sources such as losses in copper, iron, electronics, and heat sinks such as engine cooling (cooling wheel, flowing air and ambient temperature). This results in input quantities for a reduced thermal model having virtual sensors. All this corresponds to the digital twin in relation to the thermal model.
Из редуцированной термической модели, имеющей виртуальные датчики, рассчитываются температуры конструктивных элементов. При этом термическая модель отображает физику вентилятора и с помощью виртуальных датчиков рассчитывает температуру в подшипнике, в обмотке, на магните и в разных компонентах электроники, в зависимости от потребности.From the reduced thermal model with virtual sensors, the temperatures of structural elements are calculated. At the same time, the thermal model displays the physics of the fan and, using virtual sensors, calculates the temperature in the bearing, in the winding, on the magnet and in various electronic components, depending on the need.
На фиг.8 в качестве продолжения фиг.7 отчетливо показано, что выходные величины из редуцированной термической модели, при необходимости имеющей другие параметры, привлекаются в качестве входных величин для расчета процесса старения. Лежащие в основе модели старения базируются на исторических данных и могут быть заложены в виде характеристик. Так ограниченный старением остаточный срок службы может индивидуально рассчитываться или корректироваться на месте на основе фактической истории вентилятора и текущего эксплуатационного состояния.Fig. 8, as a continuation of Fig. 7, clearly shows that the output values from the reduced thermal model, optionally having other parameters, are used as input values for calculating the aging process. The underlying aging models are based on historical data and can be embedded in the form of characteristics. So the aging-limited residual life can be individually calculated or adjusted on site based on the actual history of the fan and the current operating condition.
Результатом данных моделей расчета старения является расчетный срок службы в днях или часах, который, рассматриваемый отдельно, может служить чистой информацией. Тогда связанная с этим информация может привлекаться к дальнейшему прогнозу, а именно, к прогнозу остаточного срока службы отдельных конструктивных элементов или всего вентилятора. Тогда этот прогноз может использоваться для интеллектуальной оптимизации остаточного срока службы. Чтобы продлить остаточный срок службы, могут осуществляться меры, например, уменьшение частоты вращения или интеллектуальное распределение нагрузки на несколько вентиляторов. Эти меры могут связываться какой-либо регулирующей величиной.The output of these aging calculation models is an estimated lifetime in days or hours, which, taken separately, can be pure information. Then the information related to this can be involved in a further forecast, namely, in the forecast of the remaining service life of individual structural elements or the entire fan. This prediction can then be used to intelligently optimize the residual life. In order to extend the remaining service life, measures can be taken, such as speed reduction or intelligent load sharing among several fans. These measures can be associated with any control value.
На фиг.9 еще раз показан цифровой близнец вплоть до редуцированной термической модели, имеющей виртуальные датчики, причем вентилятор отображается им вместе с двигателем. Как уже указывалось выше, термическая модель отображает физику (физические характеристики) вентилятора и рассчитывает с помощью виртуальных датчиков разные температуры, которые привлекаются для различных назначений/целей/применений, в ключевых словах, например: Figure 9 once again shows the digital twin up to a reduced thermal model having virtual sensors, with the fan displayed by it along with the motor. As mentioned above, the thermal model displays the physics (physical characteristics) of the fan and calculates with the help of virtual sensors different temperatures, which are used for various purposes/purposes/applications, in keywords, for example:
- для контроля: определение эксплуатационных параметров с помощью виртуальных датчиков и использование их для контроля. Это могут быть: предупреждающие сообщения, СИД статуса, комментарии в считываемом коде ошибки, отображения в облаке или программном приложении, изображение на пользовательском интерфейсе;- for control : determination of operational parameters using virtual sensors and use them for control. These can be: warning messages, status LEDs, comments in a readable error code, displays in the cloud or software application, an image on the user interface;
- для прогностического обслуживания (Predictive Maintenance): способ определения старения вентилятора, состоящего из многочисленных отдельных систем, таких как шарикоподшипник, обмотка, компоненты электроники, магниты, и прогноз остаточного срока службы. Использование, например, для планирования интервалов технического обслуживания, для достижения наиболее долгого возможного срока службы перед интервалом технического обслуживания (т.е. не слишком раннее техническое обслуживание), автоматическое планирование сроков технического обслуживания, сообщение о необходимости технического обслуживания, автоматический заказ запчастей;- for Predictive Maintenance : a way to determine the aging of a fan consisting of numerous individual systems such as ball bearings, windings, electronic components, magnets, and predict the remaining life. Use, for example, for scheduling maintenance intervals, to achieve the longest possible service life before a maintenance interval (i.e. not too early maintenance), automatic maintenance scheduling, maintenance notification, automatic ordering of spare parts;
- для оптимизации: способ определения эксплуатационных состояний, касающихся характеристик продукта, т.е. коэффициента полезного действия, температур конструктивных элементов, частоты вращения, выходной мощности, расхода, шумности, вибраций и пр.;- for optimization : a way to determine the operational states relating to the characteristics of the product, i.e. efficiency, temperatures of structural elements, rotational speed, output power, consumption, noise, vibrations, etc.;
- для создания интеллектуального вентилятора: реакция на определенные эксплуатационные состояния для улучшения поведения или для достижения определенных целей:- to create an intelligent fan : response to certain operating conditions in order to improve behavior or to achieve certain goals:
- изменение рабочей точки/изменение регулирующего параметра для оптимального коэффициента полезного действия;- changing the operating point / changing the control parameter for optimal efficiency;
- изменение рабочей точки для достижения наиболее долгого возможного срока службы;- changing the operating point to achieve the longest possible service life;
- уменьшение частоты вращения, когда вероятность выхода из строя очень высока;- reduction of rotational speed when the probability of failure is very high;
- изменение рабочей точки при ритме день-ночь для наиболее тихого возможного ночного применения;- changing the operating point during the day-night rhythm for the quietest possible night application;
- выдача регулировочной величины для дополнительных устройств или устройств заказчика, например, выдача температуры для использования в регулировании теплового насоса или для дополнительного охлаждения;- output of a control value for additional devices or customer devices, for example, output of a temperature for use in the control of a heat pump or for additional cooling;
- целенаправленный обход критических состояний системы (например, резонансов, повышенных температур и пр.).- purposeful bypass of the critical states of the system (for example, resonances, elevated temperatures, etc.).
Для лучшего понимания предлагаемой изобретением идеи имеют значение, с одной стороны, последовательность этапов способа, а с другой стороны, их содержание. Последовательность каждого из этапов способа может выводиться из рабочего процесса разработки лежащего в основе алгоритма. Этот алгоритм показан на фиг.10, причем на последнем этапе может осуществляться совершенствование способа.For a better understanding of the idea proposed by the invention, on the one hand, the sequence of the steps of the method, and on the other hand, their content is important. The sequence of each of the steps of the method can be derived from the development workflow of the underlying algorithm. This algorithm is shown in Fig. 10, the last step being the improvement of the method.
Для создания детальной модели принципиально релевантно следующее:To create a detailed model, the following are fundamentally relevant:
Модель является отображением или аппроксимацией реальности, то есть по определению приближением. Модель всегда ограничивается некоторым фрагментом, который интересен для желаемого отображения. Кроме того, модель является в принципе неполной, так как либо она редуцируется для более простого применения в отношении ее необходимых вводных величин, либо отдельные физические элементы поведения при составлении модели неизвестны. В зависимости от более позднего использования и целеполагания, необходим другой вид моделирования, т.е., например, другая рассматриваемая область, необходимая другая точность в результатах или быстрота расчета. Есть очень много видов моделей, при этом в технической области чаще всего модель связывается с математическим представлением, например, с алгебраическими равенствами или неравенствами, системами обычных или частичных дифференциальных уравнений, пространственными представлениями состояний, таблицами, графиками.A model is a reflection or approximation of reality, that is, by definition, an approximation. The model is always limited to some fragment that is interesting for the desired display. In addition, the model is fundamentally incomplete because either it is reduced for easier application with respect to its required inputs, or the individual physical behaviors are not known when the model is built. Depending on the later use and goal setting, a different kind of simulation is needed, ie, for example, a different area to be considered, a different accuracy in the results required, or a speed of calculation. There are many types of models, and in the technical field, most often the model is associated with a mathematical representation, for example, with algebraic equalities or inequalities, systems of ordinary or partial differential equations, spatial representations of states, tables, graphs.
Постоянной составной частью в сегодняшней разработке продукта является виртуальная разработка продукта с применением FE-моделирование (Finite Elemente Simulation, англ. моделирование методом конечных элементов). Классическим образом здесь физический домен (например, прочность или тепло или магнитная цепь) отображается в очень большой (порядок величины 100 Гигабайт) и требующей большого количества вычислений модели, и результаты определяются в этой модели в миллионах мест (узлов). Это один из вариантов детальных моделей. Грубую последовательность составления этих детальных моделей можно обрисовать следующим образом:An integral part of today's product development is virtual product development using Finite Element Simulation (FE) simulation. Classically, here the physical domain (eg strength or heat or magnetic circuit) is mapped into a very large (on the order of 100 Gigabytes) and computationally intensive model, and the results are defined in this model in millions of places (nodes). This is one of the detailed models. A rough sequence of these detailed models can be outlined as follows:
1. импорт 3D-геометрии, например, из области CAD,1. import of 3D geometry, for example from the CAD area,
2. назначение краевых условий, т.е. постоянные закрепления, определенния материалов, условия контактирования (места склеивания, скользящие соединения, теплоизоляция),2. assignment of boundary conditions, i.e. permanent fixings, material definitions, contact conditions (gluing points, sliding joints, thermal insulation),
3. объединение (разделение геометрии на миллион мелких элементов, которые связаны друг с другом),3. union (dividing the geometry into a million small elements that are connected to each other),
4. создание нагрузки, то есть сил, источников/приемников тепла, магнитных полей.4. creating a load, that is, forces, sources / receivers of heat, magnetic fields.
5. автоматическое решение получающихся дифференциальных уравнений для каждого отдельного элемента и сведение в один большой результат для общей модели,5. automatic solution of the resulting differential equations for each individual element and reduction into one large result for the general model,
6. оценка результатов.6. evaluation of results.
Составление детальных моделей, имеющих виртуальные датчики, в отношении вентиляторов/общих систем, имеющих вентиляторы, происходит следующим образом.Compilation of detailed models with virtual sensors in relation to fans/general systems with fans is as follows.
Детальные модели составляются с целью иметь возможность отображать физику вентилятора и/или общей системы. Так называемые виртуальные датчики являются определенными точками расчета в детальных моделях. Эти виртуальные датчики рассчитывают состояния конструктивных элементов, например, температуру обмотки в термической детальной модели вентилятора. Детальные модели являются моделями моделирования, которые являются затратными в отношении времени расчета, необходимой вычислительной мощности и потребной памяти. Такие детальные модели, как, например, термические модели, модели магнитной цепи, модели электроники, модели регулирования, модели силы или модели вибраций служат для расчета нелинейных эксплуатационных состояний. Физические эффекты системы включают в себя взаимодействия между доменами, поэтому отдельные модели должны рассматриваться, будучи связанными в общей системе. Расчеты с помощью детальных моделей в общей системе непрактичны с точки зрения времени расчета, так как взаимодействия не могут оцениваться в реальном времени. Поэтому требуется редукция модели.Detailed models are made to be able to represent the physics of the fan and/or the overall system. So-called virtual sensors are defined calculation points in detailed models. These virtual sensors calculate the states of structural elements, such as winding temperature in a thermally detailed fan model. Detailed models are simulation models that are costly in terms of calculation time, required processing power, and required memory. Detailed models such as, for example, thermal models, magnetic circuit models, electronics models, control models, force models or vibration models are used to calculate non-linear operating conditions. The physical effects of the system involve interactions between domains, so the individual models must be considered as they are related to the overall system. Calculations using detailed models in a common system are impractical in terms of calculation time, since interactions cannot be evaluated in real time. Therefore, model reduction is required.
Создание редуцированных моделей может происходить следующим образом.Reduced models can be created in the following way.
Редукция модели описывает в общих чертах уже существующую модель, чтобы редуцировать другую информацию, например, чтобы оптимизировать ее по потребности в памяти или скорости вычислений. Здесь, в зависимости от конкретного случая применения, есть много вариантов, таких как, например:Model reduction describes an already existing model in general terms in order to reduce other information, for example, to optimize it for memory requirements or computational speed. Here, depending on the specific application, there are many options, such as for example:
- приближение простых математических функций, таких как, например, полиномиальные функции, и только сохранение в памяти коэффициентов;- approximation of simple mathematical functions, such as, for example, polynomial functions, and only storing coefficients in memory;
- закладка таблиц для разных входных величин и затем либо применение этих дискретных значений, либо интерполяция между значениями;- bookmarking tables for different input values and then either applying these discrete values or interpolating between values;
- приближение статистических моделей, которые дают прогнозы из прежних значений;- Approximation of statistical models that give predictions from previous values;
- графики/логические схемы, пример: если T ˃ 200°C, то вентилятор неисправен.- graphs/logic diagrams, example: if T ˃ 200°C, then the fan is faulty.
Создание редуцированных моделей - пример a)Creating Reduced Models - Example a)
Исходной точкой для редуцированной модели является термическая FE-модель, которая отображает температуры в каждой точке модели в зависимости от подвода тепла и отвода тепла. В следующем примере редукция модели упрощается только до одного подвода тепла и одной отвода тепла, только одной определяемой температуры в месте A и только соответственно значений «высокий» и «низкий». Для этого проводится исследование параметров, при котором определяется эта так называемая «справочная таблица»:The starting point for the reduced model is the thermal FE model, which displays the temperatures at each point in the model as a function of heat input and heat removal. In the following example, the reduction of the model is simplified to only one heat input and one heat rejection, only one detectable temperature at location A, and only "high" and "low" respectively. To do this, a study of the parameters is carried out, in which this so-called "reference table" is determined:
После этого есть несколько возможностей использования результатов:After that, there are several possibilities for using the results:
- непосредственное или дискретное использование таблицы. Пример: когда в месте A прогнозируется температура для подвода тепла 4 Вт и отвода тепла 1 Вт, непосредственно принимается значение 40°C;- direct or discrete use of the table. Example: when a temperature for heat input of 4 W and heat removal of 1 W is predicted at location A, the value of 40°C is directly assumed;
- использование таблицы и линейная интерполяция между значениями. Пример: когда в месте A прогнозируется температура для подвода тепла 5 Вт и отвода тепла 1 Вт, посредством линейной интерполяции принимается значение 60°C;- using a table and linear interpolation between values. Example: when a temperature for heat input of 5 W and heat removal of 1 W is predicted at location A, a value of 60°C is assumed by linear interpolation;
- использование таблицы для определения функции прогноза температуры посредством регрессии. Примерами целевых функций являются полиномиальные функции, линейные функции, экспоненциальные функции, статистические функции, дифференциальные уравнения и пр. После этого определение температуры с помощью этой функции.- using a table to determine the temperature prediction function through regression. Examples of objective functions are polynomial functions, linear functions, exponential functions, statistical functions, differential equations, etc. Then determine the temperature using this function.
Создание редуцированных моделей - пример b)Creating reduced models - example b)
Исходной точкой для редуцированной модели является термическая FE-модель, которая отображает температуры в каждой точке модели в зависимости от подвода тепла и отвода тепла. После этого с помощью математических допущений, расчетов и преобразований (например, системы ЛСС (линейная стационарная система) или метода подпространств Крылова) могут приближаться компактные пространственные модели состояний. Эти модели состоят из двух существенных дифференциальных или, соответственно, интегральных уравнений и четырех описывающих всю систему матриц (например, матрицы 200 х 200, заполненные скалярными числовыми значениями). Однако они уже представляют температуру не в миллионах узлов, а только в небольшом количестве выбранных мест. Кроме того, из-за приближения происходит отклонение результатов в зависимости от размера пространственной модели состояния. В принципе, считается, что чем больше модель и ее матрицы, тем меньше отклонение.The starting point for the reduced model is the thermal FE model, which displays the temperatures at each point in the model as a function of heat input and heat removal. After that, with the help of mathematical assumptions, calculations and transformations (for example, the LSS system (linear stationary system) or the Krylov subspace method), compact spatial models of states can be approximated. These models consist of two essential differential or, respectively, integral equations and four matrices describing the entire system (for example, 200 x 200 matrices filled with scalar numerical values). However, they no longer represent temperatures in millions of knots, but only in a small number of selected locations. In addition, due to approximation, there is a deviation of the results depending on the size of the spatial model of the state. In principle, it is believed that the larger the model and its matrices, the smaller the deviation.
Пространственные модели состояния стандартным образом имеются в виде процедур, модулей или объектов во многих компьютерных программах, таких как, например, Matlab, или же в языках программирования, поэтому такие модели могут рассчитываться путем простого импорта матриц. Входными величинами являются здесь, например, тепловая мощность, которая поступает в систему, и приемники тепла посредством конвекции, выходными величинами являются, например, определенные температуры конструктивных элементов (например, три разные температуры конструктивных элементов).Spatial state models are standardly available as procedures, modules, or objects in many computer programs such as Matlab, or in programming languages, so such models can be calculated by simply importing matrices. The input values here are, for example, the thermal power that enters the system and the heat sinks by convection, the output values are, for example, determined component temperatures (eg three different component temperatures).
Создание редуцированных моделей - пример c)Creating reduced models - example c)
Исходной точкой для редукции моделей в этом примере являются результаты экспериментов. Здесь, как и в примере a), составлялась бы таблица из результатов измерений и затем с ней поступали бы эквивалентным образом (дискретное использование, линейная интерполяция или регрессия посредством математических функций.The starting point for model reduction in this example is the results of experiments. Here, as in example a), a table would be created from the measurement results and then dealt with in an equivalent way (discrete use, linear interpolation, or regression by means of mathematical functions.
Дополнительное значение могут иметь связь физических доменов или разных моделей.Relationships between physical domains or different models can have additional value.
Классическим образом при виртуальной разработке продукта домены рассматриваются по отдельности, так как общее рассмотрение является очень затратным в отношении вычислений и памяти и непрактичным. Вследствие редукции моделей возникает возможность связывать модели разных доменов. Например, связь детальной модели магнитной цепи, время вычислений которой на высокопроизводительном вычислительном кластере составляет от нескольких дней до недель, с термической моделью непредпочтительно. Во многих случаях она необходима для как можно более точного отображения реального поведения.Classically, in virtual product development, domains are considered separately, since the overall consideration is very computationally and memory intensive and impractical. Due to the reduction of models, it becomes possible to link models of different domains. For example, the connection of a detailed model of a magnetic circuit, the computation time of which on a high-performance computing cluster ranges from several days to weeks, with a thermal model is undesirable. In many cases, it is necessary to represent the real behavior as accurately as possible.
Связь физических доменов или разных моделей - примеры:Communication of physical domains or different models - examples:
- сопротивление обмотки приблизительно линейно зависимо от температуры меди. В зависимости от сопротивления обмотки мощность потерь в обмотке изменяется приблизительно линейно. В зависимости от мощности потерь термическое поведение, например, температура обмотки и подшипника изменяется сильно нелинейно, что, в свою очередь, сказывается на сопротивлении обмотки. Таким образом, здесь, в зависимости от требования к результатам модели, необходима связь;- the resistance of the winding is approximately linearly dependent on the temperature of the copper. Depending on the resistance of the winding, the power loss in the winding varies approximately linearly. Depending on the power loss, the thermal behavior, for example the temperature of the winding and the bearing, changes strongly non-linearly, which in turn affects the resistance of the winding. Thus, here, depending on the requirement for the results of the model, a connection is needed;
- необходимый вращающий момент и частота вращения вентилятора сильно зависимы от сопротивления установки и, например, разности давления и температуры нагнетаемой среды. В зависимости от момента нагрузки изменяется поведение магнитной цепи, т.е. токи через обмотку, магнитное поле, частота вращения, и пр. Тогда, в зависимости от этого, изменяется также потребление мощности, потери и достижимая частота вращения. И здесь в случае применения заказчиком возможна связь поведения вентилятора с ситуацией монтажа, в зависимости от случая применения.- The required torque and fan speed are highly dependent on the resistance of the installation and, for example, the pressure difference and temperature of the discharged medium. Depending on the load moment, the behavior of the magnetic circuit changes, i.e. winding currents, magnetic field, speed, etc. Then, depending on this, the power consumption, losses and achievable speed also change. Here too, in the case of a customer application, it is possible to link the behavior of the fan to the installation situation, depending on the application.
Конкретизация технического воплощения - пример a):Specification of the technical implementation - example a):
- составление термической FE-модели вентилятора → требующая больших вычислений и большой памяти FE-модель, имеющая 1000000 элементов дополнительно для полиномиальной функции. Источники и приемники тепла, как полиномиальные функции, отображены в зависимости от входного тока и частоты вращения;- compilation of a thermal FE-model of a fan → a computationally intensive and memory-intensive FE-model with 1,000,000 additional elements for the polynomial function. Heat sources and sinks are displayed as polynomial functions depending on the input current and speed;
- составление редуцированной термической модели статистическими методами, которая отображает температуру компонентов электроники в зависимости от входного тока и частоты вращения → полиномиальная функция, которая описывает температуру в зависимости от входного тока и частоты вращения=виртуальный датчик температуры;- compilation of a reduced thermal model by statistical methods, which displays the temperature of the electronic components depending on the input current and speed → a polynomial function that describes the temperature depending on the input current and speed = virtual temperature sensor;
- характеристика из техпаспорта о сроке службы компонента электроники в зависимости от его температуры → характерный для эксплуатационного параметра алгоритм, который с помощью виртуального датчика температуры рассчитывает вероятность выхода из строя;- characteristic from the data sheet on the service life of an electronic component depending on its temperature → an algorithm specific to the operational parameter, which, using a virtual temperature sensor, calculates the probability of failure;
- использование профилактического обслуживания для контроля или для оптимизации рабочей точки → интеллектуальный алгоритм.- use of preventive maintenance to control or to optimize the operating point → intelligent algorithm.
Конкретизация технического воплощения - пример b):Specification of the technical embodiment - example b):
- регистрация индикатора тока и частоты вращения двигателя с помощью интегрированной электроники/регулирования. Отсюда выводится электромагнитная рабочая точка;- registration of the indicator of current and frequency of rotation of the engine by means of the integrated electronics/regulation. From here, the electromagnetic operating point is derived;
- на основе этой рабочей точки посредством справочных таблиц или полиномиальных функций получаются потери двигателя и силовой электроники;- Based on this operating point, the losses of the motor and power electronics are obtained by means of look-up tables or polynomial functions;
- термическая модель обрабатывает значения потерь и определяет температуры критических компонентов системы, таких как шарикоподшипники или полупроводниковые компоненты;- the thermal model processes the loss values and determines the temperatures of critical system components such as ball bearings or semiconductor components;
- одновременно посредством реального датчика записываются вибрации конструктивных элементов. Локальные вибрации виртуально проецируются моделями поведения на общую систему, вследствие чего, например, оценивается нагрузка на подшипник от вибраций;- at the same time, vibrations of structural elements are recorded by means of a real sensor. Local vibrations are virtually projected by behavior models onto the overall system, as a result of which, for example, the load on the bearing from vibrations is estimated;
- с помощью характерных для эксплуатационных параметров алгоритмов найденные температуры и значения вибраций пересчитываются в оценку срока службы конструктивных элементов и вентилятора;- with the help of algorithms specific to operational parameters, the found temperatures and vibration values are recalculated into an estimate of the service life of structural elements and the fan;
- тем самым могут обеспечиваться дальнейшие меры, такие как профилактическое обслуживание;- thus, further measures such as preventive maintenance can be ensured;
- одновременно при знании потерь рабочая точка и коэффициент полезного действия системы может оптимизироваться путем осуществляемых по технике регулирования адаптаций, таких как, например, варьирование предварительного угла управления.- at the same time, knowing the losses, the operating point and the efficiency of the system can be optimized by adaptations carried out according to the control technology, such as, for example, by varying the preliminary control angle.
В рамках применения в вентиляторах и/или вентиляторных системах имеют силу предыдущие рассуждения о редуцировании детальных моделей, при этом может осуществляться понижение порядка методом подпространств Крылова. Целью является минимизация времени вычислений, потребной вычислительной мощности и потребности в памяти, так чтобы был возможен расчет в реальном времени. Виртуальные датчики сохраняются и дают выходные величины.For applications in fans and/or fan systems, the previous considerations about reducing detailed models are valid, and order reduction can be carried out using the Krylov subspace method. The goal is to minimize the computation time, computational power required and memory requirements so that real-time computation is possible. The virtual sensors are saved and give output values.
В соответствии с фиг.10 на следующем этапе редуцированные модели связываются с получением системной модели вентилятора. В конкретном случае редуцированные модели, такие как термическая модель, модель магнитной цепи, модель программного обеспечения, модель электроники и пр. связываются с получением системной модели вентилятора. Системная модель вентилятора отображает физику отдельного вентилятора или группы вентиляторов или вентиляторной системы и рассчитывает, в зависимости от условий окружения и эксплуатационных состояний, коэффициент полезного действия, эксплуатационные характеристики и возможные взаимодействия между отдельными моделями.In accordance with Fig.10 in the next step, the reduced models are associated with obtaining a system model of the fan. In a specific case, reduced models such as a thermal model, a magnetic circuit model, a software model, an electronics model, etc. are associated with obtaining a fan system model. The fan system model displays the physics of an individual fan or a group of fans or a fan system and calculates, depending on the environmental and operating conditions, the efficiency, performance and possible interactions between the individual models.
На следующем этапе происходит связывание системных моделей вентилятора с моделью установки, вследствие чего получается общая системная модель. Общая системная модель состоит из нескольких вентиляторов и одной установки, например, включающей в себя компрессор и/или конденсатор. Модель установки может реализовываться с таким же рабочим процессом, как и системная модель вентилятора. После этого системные модели вентиляторов и модель установки могут связываться с получением одной общей системной модели.At the next stage, the system models of the fan are linked to the model of the installation, as a result of which a general system model is obtained. The overall system model consists of several fans and one unit, for example including a compressor and/or a condenser. The installation model can be implemented with the same workflow as the fan system model. The fan system models and the plant model can then be linked to produce one common system model.
Следующий этап включает в себя исследование поведения, а именно, расчет ответных величин с помощью комбинаций входных параметров.The next stage involves the study of behavior, namely, the calculation of response values using combinations of input parameters.
Целью этого исследования является определить поведение общей системной модели и при помощи этого знания регулировать систему в реальном времени.The aim of this study is to determine the behavior of the overall system model and use this knowledge to regulate the system in real time.
В соответствии с поведением общей системы в проектном пространстве передаются или, соответственно, отображаются воздействия и влияния входных величин моделей на ответные величины моделей.In accordance with the behavior of the overall system in the design space, the influences and influences of the input values of the models on the response values of the models are transferred or displayed, respectively.
Проектное пространство представляет собой многомерное пространство, которое задается возможными входными величинами. Количество входных величин соответствует количеству измерений проектного пространства. При десяти входных величинах это означает десять измерений.The design space is a multidimensional space that is given by the possible input quantities. The number of input quantities corresponds to the number of dimensions of the design space. With ten input values, this means ten dimensions.
Входные величины моделей варьируются в определенных пределах. При этом возникают комбинации параметров, которые равномерно покрывают и тем самым описывают многомерное пространство. Ответные величины моделей, такие как коэффициент полезного действия и эксплуатационные характеристики, рассчитываются на основе комбинаций параметров. Исследование поведения дает проектное пространство, которое наполнено ответными величинами в зависимости от входных величин. Это пространство отображает поведение общей системы.The input values of the models vary within certain limits. In this case, combinations of parameters arise that uniformly cover and thus describe the multidimensional space. Model responses such as efficiency and performance are calculated from combinations of parameters. The study of behavior provides a design space that is filled with response values depending on the input values. This space represents the behavior of the overall system.
На фиг.11 показано, как разные входные величины вливаются в системные модели вентиляторов и модели циркуляционного контура охлаждения, вследствие чего получается модель общей системы охлаждения. Соответствующая выходная величина должна пониматься как результат модели общей системы охлаждения. Полученное в результате этого знание в соответствии с фиг.12 может переводиться в таблицу поведения. Если поведение общей системы известно, входные величины могут адаптироваться для получения наилучшей возможной ответной величины. 11 shows how different input values are fed into the fan system models and the cooling circuit models, resulting in a model of the overall cooling system. The corresponding output value must be understood as the result of a model of the overall cooling system. The resulting knowledge according to FIG. 12 can be translated into a behavior table. If the behavior of the overall system is known, the input quantities can be adapted to obtain the best possible response quantity.
Адаптация или выбор ответной величины и соответствующей ей комбинации входных величин из таблицы поведения реализуется оптимизатором, а именно, в соответствии с показанным на фиг.10 следующим этапом способа, после чего оптимизатор выбирает наилучшую ответную величину и вместе с тем выбирает наилучшую возможную комбинацию входных параметров для текущего эксплуатационного состояния.Adaptation or selection of the response value and the corresponding combination of input values from the behavior table is implemented by the optimizer, namely, in accordance with the next step of the method shown in Fig. 10, after which the optimizer selects the best response value and at the same time selects the best possible combination of input parameters for current operational state.
В соответствии с изображением на фиг.13 оптимизатор выбирает наилучшую ответную величину и определяет наилучшую возможную комбинацию входных параметров для текущего эксплуатационного состояния. Другими словами, оптимизатор в зависимости от условия окружения/эксплуатационного состояния выбирает наилучшую возможную модель ответа. Соответствующие ей комбинации параметров входных величин настраиваются. При этом система может регулироваться наилучшим образом. Таблица поведения общей системы охлаждения может работать на любом процессоре, предпочтительно на микропроцессоре вентилятора, который, таки или иначе, имеется. Так возможно регулирование.Referring to FIG. 13 , the optimizer selects the best response value and determines the best possible combination of inputs for the current operational state. In other words, the optimizer, depending on the environment/operational state, chooses the best possible response model. The combinations of parameters of the input values corresponding to it are adjusted. In this case, the system can be regulated in the best possible way. The General Cooling Behavior Table can run on any processor, preferably a fan microprocessor that is available anyway. This is how regulation is possible.
Фиг.14 относится к одному из возможных усовершенствованных вариантов осуществления, согласно которому таблица поведения общей системы охлаждения в соответствии с изображением на фиг.13 расширяется с помощью системного моделирования контура охлаждения в облаке. Система включает в себя цифровых близнецов вентилятора, цифровых близнецов контура охлаждения, блок валидации и виртуальный регулятор/оптимизатор. Fig. 14 relates to one of the possible advanced embodiments, according to which the table of behavior of the general cooling system in accordance with the image in Fig. 13 is expanded with system modeling of the cooling loop in the cloud. The system includes fan digital twins, cooling loop digital twins, a validator and a virtual regulator/optimizer.
Цифровые близнецы вентилятора и циркуляционного контура охлаждения физически отображают систему. Виртуальный регулятор располагает знанием таблицы поведения общей системы охлаждения в соответствии с изображением на фиг.13. Кроме того, виртуальный регулятор путем машинного обучения может обучаться, например, в отношении учета специфических применений заказчиком. Блок валидации улучшает цифровых близнецов путем сравнения заданного значения и действительного значения. Так, система способна моделировать специфические шаблоны заказчика и улучшаться на основании результирующих из них сведений.The digital twins of the fan and cooling circuit physically represent the system. The virtual controller has knowledge of the table of behavior of the overall cooling system in accordance with the image in Fig.13. In addition, the virtual controller can be trained by machine learning, for example, to take into account specific customer applications. The validator improves the digital twins by comparing the set value and the actual value. Thus, the system is able to model specific customer patterns and improve based on the resulting information.
В соответствии с комбинацией признаков по п.1 формулы изобретения особое значение имеет инновационный анализ. Целью инновационного анализа является улучшение коэффициента полезного действия, эксплуатационных характеристик и снижение стоимости материала благодаря знанию применений заказчиком. Собираются цифровые отображения во время реального режима эксплуатации заказчиком. Путем распознавания шаблонов, при необходимости с использованием ИИ (ИИ - искусственный интеллект, машинное обучение) отфильтровываются и распознаются характеристические свойства режима эксплуатации заказчиком. На основе этих характеристических свойств режима эксплуатации заказчиком составляется модель заказчика. Посредством искусственного интеллекта осуществляется анализ модели в отношении слабых мест.In accordance with the combination of features according to
Примером такого слабого места является эксплуатация вентилятора в области, в которой отбор тепла не оптимален. По сравнению с каталожными измерениями коэффициент полезного действия снижен. После распознавания таких слабых мест цель оптимизации заключается в повышении коэффициента полезного действия в рабочей точке заказчика. Оптимизатор применяет для оптимизации детальную модель вентилятора и модель шаблона заказчика. Результатом оптимизации может быть, например, адаптация обмотки и/или адаптация геометрии для улучшенного отвода тепла вентилятора.An example of such a weak point is the operation of a fan in an area where heat extraction is not optimal. Compared to catalog measurements, the efficiency is reduced. Once such weaknesses have been identified, the goal of optimization is to increase the efficiency at the customer's operating point. The optimizer uses the detailed fan model and the customer's template model for optimization. The result of the optimization may be, for example, an adaptation of the winding and/or an adaptation of the geometry for improved heat dissipation of the fan.
На фиг.15 показан Workflow (рабочий процесс), который происходит автономно в указанном/каком-либо облаке. Figure 15 shows a Workflow (workflow) that occurs autonomously in the specified / any cloud.
Фиг.16 относится к алгоритмическому анализу в облаке. 16 refers to algorithmic analysis in the cloud.
Целью интеллектуальных алгоритмов является улучшение и разработка новых алгоритмов для классификации и прогноза выхода вентилятора из строя. Цифровые отображения собираются во время реального режима эксплуатации заказчиком. Искусственный интеллект составляет из собранных данных шаблон и распознает специфические изменения в шаблоне на протяжении истории вплоть до случая ошибки. На основе изменений шаблонов случай ошибки может классифицироваться и составляться прогноз выхода из строя. Этот прогноз преобразуется в алгоритм, как правило, базирующийся на нейронных сетях или, соответственно, самообучающихся системах. Алгоритм после улучшения или повторного составления переносится на режим эксплуатации заказчиком, при этом улучшение может осуществляться циклически или соответственно периодически. Workflow (Рабочий процесс) происходит автоматизированным образом в облаке соответственно изображению на фиг.16.The goal of intelligent algorithms is to improve and develop new algorithms for classifying and predicting fan failure. The digital displays are collected during real operation by the customer. Artificial intelligence constructs a pattern from the collected data and recognizes specific changes in the pattern throughout the history up to the error case. Based on the pattern changes, the error case can be classified and a failure prediction can be made. This forecast is converted into an algorithm, usually based on neural networks or, accordingly, self-learning systems. The algorithm, after improvement or re-compilation, is transferred to the operation mode by the customer, while the improvement can be carried out cyclically or periodically, respectively. Workflow (Workflow) occurs in an automated way in the cloud, according to the image in Fig.16.
Наконец, следует непосредственно указать, что описанные выше примеры осуществления служат только для поясненния идеи заявляемого изобретения однако она не ограничена этими примерами осуществления.Finally, it should be directly pointed out that the above-described embodiments serve only to explain the idea of the claimed invention, however, it is not limited to these embodiments.
Claims (17)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018201709.3 | 2018-02-05 | ||
DE102018201709 | 2018-02-05 | ||
PCT/DE2019/200009 WO2019149326A1 (en) | 2018-02-05 | 2019-02-04 | Method for optimized operation of a fan or a fan assembly |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020128978A RU2020128978A (en) | 2022-03-09 |
RU2796809C2 true RU2796809C2 (en) | 2023-05-29 |
Family
ID=
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1669226A1 (en) * | 2004-12-07 | 2006-06-14 | Behr-Hella Thermocontrol GmbH | Model based method for controlling a vehicle air conditioning system. |
RU2450302C1 (en) * | 2011-03-29 | 2012-05-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота" | Method of identifying effect of technological changes over time of input control values on dynamic control channel characteristics of object with variable structure |
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1669226A1 (en) * | 2004-12-07 | 2006-06-14 | Behr-Hella Thermocontrol GmbH | Model based method for controlling a vehicle air conditioning system. |
RU2450302C1 (en) * | 2011-03-29 | 2012-05-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота" | Method of identifying effect of technological changes over time of input control values on dynamic control channel characteristics of object with variable structure |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111684369B (en) | Method for optimized operation of a fan or fan assembly | |
CN111684160B (en) | Method for optimizing the efficiency and/or the operating performance of a fan or a fan arrangement | |
US10719092B2 (en) | Building energy modeling tool systems and methods | |
JP7069269B2 (en) | Semi-supervised methods and systems for deep anomaly detection for large industrial surveillance systems based on time series data using digital twin simulation data | |
CN111684162B (en) | Method for determining the operating state of a fan | |
CA2746385C (en) | Turbine lifespan modeling | |
WO2018004464A1 (en) | Large scale machine learning-based chiller plants modeling, optimization and diagnosis | |
US20160077538A1 (en) | Load forecasting for residential sector demand response | |
JP2012149839A (en) | Air conditioner linkage control system, air conditioner linkage control method, and air conditioner linkage control program | |
CN103941591A (en) | System and method to control energy consumption efficiency | |
US11404986B2 (en) | Torque control based on rotor resistance modeling in induction motors | |
CN115398797A (en) | System, apparatus and method for managing an electromechanical system | |
JP6455937B2 (en) | Simulation apparatus, simulation method, and program | |
RU2796809C2 (en) | Method of optimized operation of fan or fan system | |
WO2017088172A1 (en) | Method and system for controlling cooling system of power equipment | |
Stock et al. | HVAC performance evaluation and optimization algorithms development for large buildings | |
RU2779855C2 (en) | Method for optimization of performance and/or operational characteristics of fan or fan system | |
RU2778874C2 (en) | Method for determination of operational conditions of fan | |
KR102719111B1 (en) | Deep learning based cooling system temperature prediction apparatus according to physical causality and method therefor | |
US20240265262A1 (en) | Method for training a hardware metric predictor | |
BR112020014573B1 (en) | METHOD FOR OPTIMIZING THE EFFICIENCY AND/OR OPERATING PERFORMANCE OF A FAN, OR AN ARRANGEMENT OF FANS | |
CN113711242A (en) | Apparatus and method for driver selection using machine learning | |
KR20230101720A (en) | Method, Apparatus, System and Computer Program for optimal operation of factory production facilities to reduce energy cost | |
CN116888543A (en) | Integrated model for a technical system and method for providing the model | |
TW202436758A (en) | A method, system, and device for controlling a compressor system |