Т. Н. Зайченко Россия, Томск, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники информационно-вычислительный комплекс для функционального проектирования электропривода и устройств преобразовательной техники (Доклад)
| Вид материала | Доклад |
- Учебное пособие томск 2003 Томский государственный университет систем управления, 2466.49kb.
- Кредитная политика и кредитные риски ОАО акб «росбанк», 71.58kb.
- Министерство образования Российской Федерации Томский Государственный Университет Систем, 2141.57kb.
- Инструменты управления воспроизводством человеческого капитала для инновационного развития, 374.44kb.
- Рабочая программа по дисциплине Учение о гидросфере для специальности 020801 Экология, 115.19kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины математический анализ уровень основной образовательной, 411.86kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины линейная алгебра и аналитическая геометрия уровень, 426.51kb.
- Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники (тусур) Томский, 19.19kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины история и методология прикладной математики, 537.44kb.
- Программы «Инновационный вуз» Томск 2007 удк 008 (47+57), 1933.77kb.
Т.Н. Зайченко
Россия, Томск, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И УСТРОЙСТВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
(Доклад)
Введение
Автоматизация функционального моделирования и проектирования электропривода (ЭП) является одним из направлений его совершенствования, позволяющим оперативно выбрать и оценить различные варианты построения, способы и алгоритмы управления, принципы коррекции и параметры корректирующих звеньев. В современных системах регулируемого ЭП центральными подсистемами, определяющими качественные показатели (точность, быстродействие, стабильность, диапазон регулирования скорости) при выбранном типе двигателя, являются силовой преобразователь (устройство электропитания) и система управления. Но силовой преобразователь является основой другого самостоятельного класса объектов - средств электропитания, причем практика их проектирования показывает, что для обеспечения требуемых качественных показателей системы необходимо учитывать характер нагрузки и взаимовлияние средств электропитания и нагрузки, а нагрузка часто имеет двигательный характер. Поэтому для исследования на ЭВМ как ЭП, так и средств электропитания могут эффективно применяться одни и те же инструментальные средства моделирования и проектирования. Разработка системы автоматизации функционального проектирования электромеханических систем (ЭМС) и устройств преобразовательной техники (ПТ) является целью проводимых научных исследований.
Структура информационно-вычислительного комплекса
АРМ электромеханика
Автоматизированное проектирование ЭМС и устройств ПТ предполагает решение одинаковых с программно-алгоритмической точки зрения задач:
- систематизации информации о предметах разработки и проектной документации;
- автоматизированного выбора аналогов из банка проектных решений;
- расчета параметров элементов, узлов и блоков по типовым инженерным методикам;
- исследования ЭП и устройств ПТ, оценки базовых статических и динамических показателей по результатам анализа;
- структурно-параметрического синтеза узлов (инверторов, выпрямителей, фильтров и т.п.) и корректирующих звеньев.
Перечисленные проектные процедуры не могут быть выполнены в рамках только одного из имеющихся на рынке программного обеспечения программных продуктов, поэтому задача создания инструментальной среды, позволяющей сделать выполнение основных проектных процедур максимально удобным для инженера-разработчика ЭМС, не являющегося специалистом в области программирования, все еще является актуальной. Целью проводимых исследований является разработка инструментальных средств для автоматизированного решения задач анализа и синтеза ЭМС и устройств ПТ на основном и наиболее трудоемком этапе проектирования – этапе функционального проектирования. Разрабатываемая инструментальная среда получила название АРМ электромеханика - автоматизированное рабочее место электромеханика.
Архитектура АРМ электромеханика определяется решаемыми задачами и включает (рис. 1):
- информационную систему – банк проектных решений,
- банк инженерных расчетных методик проектирования,
- виртуальную лабораторию для решения задач анализа;
- блок структурно-параметрического синтеза и параметрической оптимизации для решения задач синтеза.
Рисунок. Структура АРМ электромеханика
Центральной частью АРМ электромеханика является система моделирования, обеспечивающая решение задач одновариантного и многовариантного анализа и синтеза. В связи с наличием таких признаков ЭМС и средств электропитания, работающих на нагрузку двигательного характера, как физическая неоднородность, системность, сложность их моделирование является непростой задачей. Коллективом кафедры теоретических основ электротехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники под руководством профессора В.М. Дмитриева ведутся работы по развитию универсальной системы автоматизированного моделирования МАРС [1]. Имеется опыт ее применения для решения задач анализа ЭП и устройств ПТ [2]. Поэтому она и выбрана в качестве основы моделирующей подсистемы АРМ электромеханика.
АРМ электромеханика создается на базе широко распространенной системы математических вычислений Mathcad и оригинальной отечественной системы автоматизированного моделирования МАРС. Для обеспечения непрерывности процесса проектирования допускается возможность использования в качестве графического редактора принципиальных схем САПР печатных плат PCAD. Интегрированная среда АРМ электромеханика разрабатывается в Delphi 3.
Банк проектных решений
Информационная система АРМ электромеханика содержит банк проектных решений, обеспечивающий систематизацию данных об объектах разработки и поиск аналога по заданным критериям. Программно-алгоритмической основой банка проектных решений являются базы данных. База данных проектов содержит информацию о разработанных и разрабатываемых изделиях – ЭП, системах электропитания, а также их отдельных узлах:
- сведения о заказчике и исполнителе;
- технико-экономические показатели изделий;
- текстовую документацию – договор и приложения к нему;
- техническую документацию (ссылки на файлы схем САПР PCAD, файлы исходных данных и результатов расчетов).
На основании имеющейся информации о требуемых параметрах аналога формируется запрос на поиск. Автоматизированный поиск аналогов реализован согласно методике, предусматривающей, что требования на некоторые показатели объекта могут выполняться нестрого и использующей понятия нечетких множеств. Исходные данные для поиска задаются посредством определения верхней и нижней границ допустимых значений каждого показателя, а также уступок по каждому из них – от жесткого закрепления границ до полного пренебрежения параметром, если он не имеет принципиального значения.
Банк инженерных расчетных методик проектирования
При выборе принципа реализации банка расчетных методик принимались во внимание вопросы оперативности наполнения банка новыми расчетными методиками. Были проанализированы два пути построения банка: путем реализации методик на одном из языков программирования и применения систем математических вычислений – и принято решение о реализации последнего с применением системы Mathcad.
В состав банка в настоящее время включены методики оценки параметров трансформаторов, расчета параметров и статических характеристик двигателей - постоянного тока и асинхронных, расчета выпрямителей, инверторов и фильтров, расчета зависимости коэффициента гармоник от коэффициента регулирования для инверторов с широтно-импульсной модуляцией.
Банк методик позволяет оперативно рассчитать параметры основных узлов ЭМС и устройств ПТ. Для их углубленного исследования с учетом особенностей нагрузок и характера технологического процесса служит другая составная часть АРМ электромеханика – виртуальная лаборатория на базе системы моделирования МАРС.
Виртуальная лаборатория
Методической основой системы моделирования МАРС является аппарат компонентных цепей [1, 2]. Система МАРС обеспечивает автоматическое построение модели исследуемого объекта и ее решение в соответствии с выбранным режимом анализа. Ее подсистемами являются графический редактор, вычислительное ядро, блок визуализации и обработки результатов, библиотеки моделей компонентов (см. рис. 1), генератор вычислительных моделей.
Формализованное представление ЭП и устройств ПТ для моделирования совпадает с общепринятым в виде принципиальных либо структурных схем. В зависимости от конкретной задачи и ее сложности используются принципиальные электрические, кинематические и структурные схемы либо схемы, в состав которых входят элементы произвольного типа.
В системе МАРС реализованы традиционные режимы:
- одновариантного анализа – статика, динамика (во временной и частотной областях), динамика с рабочей точкой;
- многовариантного анализа – построение семейств характеристик, анализ чувствительности, статистический анализ.
Библиотека моделей элементов содержит вычислительные модели различного уровня сложности. Библиотека вычислительных моделей элементов включает:
- модели радиоэлектронных аналоговых элементов – диода, стабилитрона, транзисторов;
- модели трансформатора и дросселя;
- логические модели цифровых компонентов;
- модели элементов структурных схем, в том числе регуляторов;
- модели элементов механики;
- модели электромеханических преобразователей - генераторов и двигателей;
- модели источников внешних воздействий – токов (сил, моментов), напряжений (скоростей), сигналов различной формы;
- модели нагрузок электропривода;
- модели измерительных приборов, в том числе функционалов, предназначенных для определения интегральных показателей на всем интервале анализа (длительность переходного процесса, установившееся значение и т.п.).
Для генерации вычислительных моделей элементов в стандарте системы МАРС имеются два генератора моделей:
- генератор моделей, заданных в аналитическом виде, написанный на языке системы Mathematica;
- генератор логических моделей цифровых элементов, заданных в аналитическом виде и в форме таблицы истинности,
- что существенно упрощает наполнение библиотеки моделей новыми компонентами.
Блок оптимизации и синтеза
АРМ электромеханика включает блок программ оптимизации и базирующихся на них программ структурно-параметрического синтеза.
Программы оптимизации реализуют методы многопараметрической оптимизации при известных и неизвестных начальных приближениях – методы покоординатного спуска, градиентные методы (простой и наискорейшего спуска, стохастического градиента), метод простого случайного поиска, а также комплексирующие методы оптимизации при неизвестном начальном приближении с уточнением экстремума. Исходными данными для решения в общем случае являются принципиальная схема исследуемого объекта, целевая и эталонная функции, список оптимизируемых параметров и ограничений на них, диапазон и минимальный шаг изменения параметров, оценка “удачности” шага оптимизации. Результатом оптимизации являются оптимальные значения параметров, минимальное значение целевой функции и графическое представление поверхности отклика целевой функции либо оптимизируемой характеристики системы.
Для задания эталонной характеристики (временной, частотной для линейных систем, вольтамперной и т.п.) и целевой функции предлагается использовать компонентный подход. Компонентное представление позволяет сформировать из информационных компонентов структурных схем компонентные цепи для вычисления целевой функции и требуемых оптимальных характеристик.
Исходные данные для структурно-параметрического синтеза отличаются от перечисленных выше тем, что в компонентную цепь включаются корректирующие звенья без указания типа, обеспечивающие последовательную либо параллельную коррекцию. Путем перебора шести известных типов регуляторов и решения задач параметрической оптимизации выбираются наилучшие с точки зрения выбранного критерия тип и параметры регуляторов.
Аналогично в случае функционального синтеза в компонентную цепь включается вместо конкретного источника внешнего воздействия (источника сигнала трапецеидальной, синусоидальной и т.п. формы) обобщенный компонент-источник без указания его типа. Автоматическое варьирование типа и параметрическая оптимизация обеспечивают автоматизированный синтез входного воздействия.
Заключение
Результаты работ по созданию информационно-вычислительного комплекса АРМ электромеханика применяются в научно-исследовательской работе и учебном процессе. С использованием АРМ электромеханика были решены задачи исследования электромагнитных процессов в ЭП и устройствах ПТ, в том числе в преобразователях с широтно-импульсной модуляцией. На базе АРМ электромеханика в рамках учебных планов специальностей Томского университета систем управления и радиоэлектроники разрабатываются виртуальные учебные лаборатории для исследования ЭП и устройств ПТ, что становится особенно актуальным в связи с широким распространением технологий дистанционного образования.
Литература
1. Арайс Е.А., Дмитриев В.М. Автоматизация моделирования многосвязных механических систем. М,: Машиностроение, 1987.- 240 с.
2. Система автоматизации моделирования управляемого электропривода/ Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н., Зюзьков В.М. и др.- Томск: Изд-во ТГУ, 1997.- 92 с.