Введение к работе
Актуальность темы. Производство высокоэффективных систем вторичного электропитания отвечает актуальным задачам снижения энергоёмкости продукции на промышленных предприятиях нашего государства. Сложность решения производственных задач заключается в том, что широкое внедрение цифровой техники требует повышения качества преобразования электрической энергии, надёжности, электромагнитной совместимости устройств и бесперебойности электропитания. Современные системы бесперебойного электропитания характеризуются сложным, разнородным конгломератом устройств преобразования и резервирования энергии, защиты, мониторинга, вентиляции и т.п., наличием источников и рецепторов кондуктивных помех, широким спектром мощностей, сложной геометрией пространственного размещения устройств в шкафах и производственных помещениях, большим числом нелинейных элементов. Анализ и синтез проектных решений современных систем бесперебойного электропитания и устройств, входящих в их состав, на основе поверхностного представления о протекающих в них физических процессах (по априорным методам оценки реакции на деструктивные воздействия) приводят не только к высокой погрешности при определении характеристик системы, но и увеличению вероятности возникновения аварийных ситуаций.
Для обеспечения производства современных высокоэффективных систем бесперебойного электропитания необходимо создать интегрированную среду «проектирование - производство - эксплуатация» с применением новейших вычислительных средств, программного обеспечения и мирового опыта построения систем автоматизированного проектирования (САПР).
Фундаментальный вклад в теорию САПР электротехнических устройств внесли российские и зарубежные учёные: И.П. Норенков, Д.А. Аветисян, В.М. Одрин, Ф. Цвики и др. Существующие САПР ориентированы на инженерно-технические отделы по разработке и производству электронной аппаратуры, где используются априорные методы оценки уровней кондуктивных помех и частные способы их снижения (использование помехоподавляющих фильтров, экранирование, защитное заземление и пр.). Для удовлетворения требований по функциональной совместимости входных характеристик проектируемой системы электропитания с первичным источником энергии и выходных характеристик с питаемым оборудованием необходима разработка ряда моделей, отражающих физические процессы в динамических режимах и при деструктивных воздействиях, а также методов их параметризации.
Процесс синтеза систем электропитания пока ещё недостаточно автоматизирован и опирается на субъективный опыт специалистов с итерационной отладкой количества модулей в шкафах с устройствами электропитания, длин соединительных кабелей, способов размещения в производственных помещениях, где решается задача однокритериального структурного, либо параметрического синтеза в установившихся режимах. При этом, для упрощения технологии производства и снижения материальных затрат используются типовые, классические проектные решения, не
удовлетворяющие современным требованиям по электромагнитной совместимости устройств.
Таким образом, комплексный подход к решению задачи автоматизации проектирования современных систем бесперебойного электропитания, основанный на интеграции циклов «проектирование - производство -эксплуатация» позволит избежать аварийных ситуаций, уменьшить временные затраты на проектирование, сократить расходы на эксплуатацию, повысить надёжность и помехозащищённость выпускаемых систем бесперебойного электропитания. Поставленные задачи по созданию интегрированной среды управления циклами «проектирование - производство - эксплуатация», начиная от совершенствования моделей физических процессов в динамике, методологии САПР и заканчивая её программной реализацией, представляет общетеоретический и практический интерес.
Объектом исследования являются проектные процедуры современных систем бесперебойного электропитания путём структурного - параметрического синтеза и анализа, увеличения числа критериев оптимизации, включая моделирование физических процессов в динамических режимах с ограничениями по эксплуатационным характеристикам.
Предметом исследования являются средства математического моделирования, процедуры синтеза и анализа систем бесперебойного электропитания, алгоритмы многокритериальной оптимизации и программная реализация маршрутов проектирования для практической реализации САПР.
Цель работы. Основной целью настоящей работы является совершенствование принципов и методов автоматизированного проектирования систем бесперебойного электропитания на основе совокупности моделей, алгоритмов и программных средств, реализующих жизненный цикл «проектирование - производство - эксплуатация».
В соответствии с поставленной целью, необходимо решить следующие основные задачи:
-
Провести анализ современных отечественных и зарубежных электротехнических САПР, выделить основные существующие проблемы в данной области и определить принципы совершенствования автоматизированного проектирования систем бесперебойного электропитания, современные требования к САПР, целевые задачи проектирования и архитектуру технических средств для её реализации.
-
Провести многоуровневую декомпозицию проектируемой системы бесперебойного электропитания по функциональному, структурному и параметрическому аспектам с целью раздельного проектирования с учётом согласования принимаемых проектных решений и создать И/ИЛИ-дерево проектируемого объекта.
-
Выполнить формализацию метода структурно- параметрического синтеза системы бесперебойного электропитания с разнородными структурами на основе морфологического подхода, заключающегося в целенаправленном
поиске рациональной структуры из морфологического множества, представленного в виде И/ИЛИ-дерева.
-
Усовершенствовать метод автоматизированного блочно-иерархического проектирования систем бесперебойного электропитания путём формирования маршрутов с процедурами, включающими структурно-параметрический синтез, анализ системы в статическом и динамическом режимах и многокритериальную оптимизацию, основанную на методе динамического программирования.
-
Разработать математические и имитационные модели базовых элементов систем вторичного электропитания для анализа в динамических режимах и при деструктивных воздействиях, используя современные схемотехнические решения и методы анализа.
-
Провести апробацию САПР систем электропитания и внедрить в производство на предприятиях и в учебном процессе.
Методы исследования. Поставленные задачи решались с использованием методов моделирования сложных систем, динамического программирования, дискретной математики (теории графов, теории множеств, математической логики), системного анализа и многокритериальной оптимизации. В работе использовались современные достижения в области САПР электротехнических устройств, создания баз данных, компьютерные технологии и математическое программирование. Общей методологической основой являлся системный подход.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложен новый принцип построения многоуровневой модели системы бесперебойного электропитания, где иерархия элементов определена их функциональным взаимодействием, внутренней структурой организации и последовательностью выполнения проектных процедур.
-
Установлены логические связи возможных математических операций над графами моделей для формализации синтеза проектируемой системы электропитания с разнородными взаимодействующими структурами разных уровней, повышающие достоверность моделирования за счёт согласования характеристик моделей смежных уровней иерархии и учёта норм электромагнитной совместимости в процессе проектирования для предотвращения аварийных ситуаций при эксплуатации.
-
Разработан метод автоматизированного блочно- иерархического проектирования систем бесперебойного электропитания, где сформированы маршруты, процедурами которых являются структурно- параметрический синтез и анализ, обеспечивающий высокую точность за счёт увеличения числа критериев оптимизации, включая динамические режимы и систему ограничений, учитывающую требования технического задания и нормативно-технической базы с применением трёхэтапного метода динамического программирования.
-
Разработан ряд моделей схемных решений устройств вторичного электропитания для анализа физических процессов в динамических
режимах и при деструктивных воздействиях, а также способ их параметризации, что даёт возможность выявлять плохо предсказуемые эффекты на самых ранних стадиях проектирования и исследовать более широкий класс устройств.
5. Проведена апробация САПР систем электропитания объектов связи
(для радиорелейных линий связи и цифровых телефонных станций) с внедрением результатов при их производстве на предприятиях страны (имеются акты внедрения) и в учебном процессе переподготовки специалистов проектных организаций и промышленных предприятий (имеется акт внедрения).
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием математического аппарата при проведении исследований и доказательстве теоретических положений результатами компьютерных расчётов и данными имитационных испытаний.
Практическая ценность. Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что усовершенствованные методы, разработанные имитационные модели и алгоритмы послужили основой для создания и внедрения программных средств по проектированию устройств и систем бесперебойного вторичного электропитания. Создана библиотека базовых схем и комплектующих узлов с нормативно- технической базой ограничений, входящих в состав систем электропитания, позволяющая повысить эффективность САПР. Разработанные компоненты САПР: методы и алгоритмы оптимизации, математические и имитационные модели позволяют исследовать динамические характеристики разнородных структур устройств электропитания, входящих в состав системы, а также создавать оптимальные структуры с необходимыми для практического использования характеристиками. Последнее повысит достоверность выбора защитных устройств и уменьшит вероятность возникновения аварийных ситуаций во время эксплуатации. Предложенные в работе модели и алгоритмы проверены на практике путём сравнения с экспериментальными и статистическими данными из опыта эксплуатации.
Полученные в работе результаты позволяют проводить расчёт динамических характеристик разнородных структур системы электропитания, когда по различным причинам нельзя провести экспериментальные исследования на объектах (проверка режима короткого замыкания в нагрузке и при других деструктивных воздействиях).
Система автоматизации проектирования устройств и систем электропитания может быть использована как самостоятельный программный модуль или в сочетании с имеющимися комплексами на предприятиях, выпускающих электронное оборудование, оборудование связи, источники бесперебойного электропитания и в учебном процессе.
Внедрение работы. Научные результаты внедрены на предприятиях, предоставляющих услуги связи местного и регионального значения на территории России, а также выпускающих электропитающее оборудование,
системы бесперебойного электропитания и другие устройства электронной техники. Исследования, проведённые в ходе работы, являются составной частью НИР по теме «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий». Её результаты использовались при разработке источников гарантированного электропитания аппаратуры связи в научно - исследовательской лаборатории преобразовательной техники при ФГБОУ ВПО СибГУТИ, где проводились исследования параллельной работы конверторов напряжения (имеется акт внедрения ОНИЛ ФГБОУ ВПО СибГУТИ г. Новосибирска). Результаты исследований использовались при внедрении новых технологий развития телевизионных и радиовещательных сетей (имеются акты внедрения ООО «Телесиб» и ФГУП РТРС по СФО «Сибирский региональный центр») и нашли практическое применение при модернизации электрической сети сотовой связи (имеется акт внедрения ЗАО «Новосибирская Сотовая Связь-450»). Результаты работы также использованы на практике (имеются акты внедрения ОАО «Сибирьтелеком» в г. Новосибирске) при выполнении проектных работ по модернизации системы бесперебойного питания на стороне постоянного тока, где проведена замена автоматов рядовой защиты по результатам исследований динамических режимов работы проектируемой системы. Результаты исследования параллельной работы конверторов напряжения также внедрены в учебный процесс на кафедре «Беспроводных информационных систем и сетей» ФГБОУ ВПО СибГУТИ. САПР нашла применение при выполнении хоздоговорной научно-исследовательской работы «Разработка конструкции микросхемы импульсного интегрального драйвера светодиодов с управлением по среднему току», выполняемой согласно договору между «Новосибирским заводом полупроводниковых приборов с ОКБ» (НЗПП с ОКБ) и ФГБОУ ВПО СибГУТИ (имеется акт внедрения). Теоретические результаты данной работы были использованы при разработке дистанционных курсов по направлению Т28: «Проектирование систем электропитания» в Межрегиональном учебном центре при ФГБОУ ВПО СибГУТИ.
Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах её выполнения, докладывались и обсуждались на:
Международной научно-технической конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта», Москва, 2011;
Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1997, 1998;
Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1999; 2001; 2004...7; 2011;
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 2006;
Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития энергетики связи - 2000», Санкт-Петербург, 2001.
Публикации. Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, опубликованы в 63 печатных работах, из них 5 монографий, 4 патента и 18 входят в перечень ВАК.
Личный вклад. Лично автором получены все основные результаты исследований и выполнена экспериментальная проверка.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
-
Принцип построения многоуровневой модели системы бесперебойного электропитания, где иерархия определена функциональным взаимодействием уровней, внутренней структурной организацией и последовательностью выполнения проектных процедур.
-
Формализованные процедуры структурно- параметрического синтеза проектируемой системы электропитания с использованием теории графов и заданием маршрутов (ориентированных графов) согласования характеристик моделей смежных уровней иерархии.
-
Метод и алгоритм автоматизированного проектирования систем бесперебойного электропитания, объединяющий процедуры структурно-параметрического синтеза, анализа и многокритериальной оптимизации с применением метода динамического программирования.
-
Библиотека моделей для анализа физических процессов в динамических режимах и при деструктивных воздействиях и их параметризация.
-
Результаты апробации САПР систем электропитания.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Работа содержит 263 страницы из них 6 страниц приложения, 86 рисунков, 47 таблиц и 186 наименований используемых литературных источников.
