Введение к работе
Актуальность темы. Под электромеханическими устройствами понимаются технические устройства, основанные на преобразовании механической энергии в электрическую и наоборот. К ним относятся электрические машины, аппараты и прочие устройства, преобразование энергии в которых осуществляется, главным образом, посредством магнитного поля.
Электромеханические устройства являются основными источниками, преобразователями и потребителями электроэнергии. Одной из главных задач автоматизированного проектирования данных устройств является повышение эффективности их производства и эксплуатации.
Эффективность производства может быть повышена путем разработки технологичных устройств и за счет экономии материалов. Эффективность эксплуатации достигается разработкой устройств с улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями и регулировочными свойствами.
Решение данных задач предполагает, в частности, необходимость поиска новых вариантов конструкций, для которых нет апробированных методик проектирования. В то же время повышаются требования к точности, универсальности и быстродействию математических моделей, заложенных в основу САПР электромеханических устройств.
Связано это в первую очередь с ростом спроса на мелкие партии и даже штучные экземпляры устройств различных исполнений, в том числе и нетрадиционных. При этом зачастую нет времени ни на корректировку методик проектирования и алгоритмов расчета данных устройств, ни на создание опытных образцов. Таким образом, современная рыночная экономика требует быстрого, качественного, экономичного проектирования, выполняемого собственными силами данного предприятия.
Ввиду определяющей роли магнитного поля в процессах преобразования энергии в электромеханических устройствах для поиска новых технических решений используются численные полевые модели, позволяющие учесть влияние особенностей магнитной системы на характеристики проектируемого устройства. В то же время технологии проектирования, опирающиеся на такие модели, пока еще сложны и несовершенны.
Современные системы проектирования электромеханических устройств либо строятся на базе «тяжелых» дорогостоящих систем, пытающихся вместить в себя как можно больше функций, что приводит на практике к использованию их возможностей максимум на 30-40%, либо компонуются из множества автономных систем моделирования, что противоречит принципу модульности САПР. Кроме того, в случае «тяжелых» САПР возникает проблема внедрения в них модулей, созданных сторонними разработчиками, что требует, как правило, опыта высококвалифицированных программистов.
В то же время не существует системы, способной в полной мере удовлетворить все потребности проектировщика.
Таким образом, актуальной является проблема разработки новых, более адаптированных для широкого спектра проектных организаций и подразделений технологий, методов и мобильных средств автоматизированного проектирования электромеханических устройств, основанных на использовании точных наукоемких моделей, позволяющих осуществлять поиск, исследование и практическую реализацию новых решений в более короткие сроки и с меньшими затратами, чем существующие технологии.
Решение данной проблемы способствует повышению качества и снижению сроков проектных работ, определяющим образом влияя на себестоимость и технологичность производства, а также на конкурентоспособность и эксплуатационные показатели готовой продукции.
Данная проблема решается в диссертации путем разработки моделей, алгоритмов и методов, позволяющих упростить процедуру формализации и решения задач анализа и синтеза проектных решений при проектировании электромеханических устройств с использованием результатов расчета магнитного поля, расширив тем самым область применения современных моделей и методов в сфере производства и ремонта этих устройств.
Разработанные в диссертации модели и методы могут использоваться при создании элементов базового программного обеспечения САПР, а именно: проектно-независимых подсистем, решающих задачи функционального проектирования, которые могут применяться на стадии научно-исследовательских работ, а также эскизного и технического проектов, особенно на этапе электромагнитного расчета электромеханического устройства.
Диссертация может быть классифицирована как научно обоснованное техническое решение в области САПР электромеханических устройств.
Состояние проблемы.
Наиболее интенсивно теория САПР развивалась в 70-80-х годах ХХ века. Среди российских ученых, которые внесли значительный вклад в теорию САПР электромеханических устройств можно отметить Д.А. Аветисяна, Ю.Б. Бородулина, С.И. Маслова, И.П. Норенкова, В.Н. Нуждина, И.Н. Орлова, А.И. Половинкина, А.А. Терзяна. Особый акцент в их трудах делается на реализации в САПР наукоемких методов математического моделирования проектируемых устройств и поиска оптимальных решений.
В настоящее время существует множество инвариантных систем, воплотивших в себе теоретические наработки в области САПР, в которых можно реализовать системы проектирования электромеханических устройств. В первую очередь, это пакеты Unigraphics, CATIA, CADDS, Euclid3, Pro/Engineer, SolidWorks, AutoCad. Среди российских пакетов можно отметить СПРУТ, APM WinMachine, T-Flex.
В основе этих пакетов лежат, как правило, системы конструирования, позволяющие создать трехмерную геометрическую модель проектируемого устройства, исследовать ее с помощью систем моделирования физических полей, создать комплект чертежей и т.п. Как правило, это мощные дорогостоящие программные комплексы, имеющие встроенные системы программирования, позволяющие адаптировать их для различных классов задач. Например, можно отметить систему СПРУТ AD, построенную на основе пакета СПРУТ, адаптированного к решению задач электромашиностроения.
Обязательными элементами САПР электромеханических устройств являются расчетные подсистемы, назначение которых в осуществлении функционального проектирования устройства. Поэтому современные инвариантные САПР имеют собственные средства анализа (инженерные расчеты, расчеты на прочность, динамический анализ и т.д.), однако чаще рекомендуется связываться с соответствующими специализированными пакетами.
К числу специализированных пакетов для создания подсистем функционального проектирования электромеханических устройств можно отнести математические процессоры MatLab, MathCad, Maple, Excel. Одним из наиболее признанных пакетов численной математики является MatLab, обеспечивающий проектировщика средой программирования и одной из самых мощных математических библиотек, с помощью которой можно осуществить стыковку моделей, формализовать численный эксперимент и т.п.
Одним из основных требований, предъявляемых к подсистемам функционального проектирования, является требование оптимальности полученного решения. В разработку теории оптимального проектирования электротехнических устройств большой вклад внесли М. Видмар, А.Г. Иосифян, И.П. Копылов, Э.Д. Кравчик, Б.И. Кузнецов, И.М. Постников, Э.Л. Стрельбицкий, Т.Г. Сорокер, В.А. Трапезников, И.Н. Чарахчьян.
Решение задач анализа и синтеза решений в системах проектирования электромеханических устройств осуществляется на основе методов математического моделирования. Известно, что в электротехнических задачах существует два подхода к моделированию явлений: на основе теории поля и теории цепей. Традиционными для инженерных методик проектирования являются модели, построенные на основе теории цепей. Исследовательские задачи решаются, как правило, в полевой постановке. Особенно важно знать картину магнитного поля, из которой можно определить характеристики устройства с учетом особенностей конструкции его магнитной системы. Наиболее прогрессивным считается комбинирование двух названных подходов, так как это позволяет рассчитывать различные режимы работы устройств, в том числе нетрадиционных исполнений. Современные компьютерные средства и технологии программирования позволяют организовать расчет в форме численного эксперимента, являющегося имитацией физических процессов.
В основе алгоритмов расчета электрических цепей с электромеханическими устройствами, реализованных в диссертации, лежат методы, представленные в работах К.С. Демирчяна и Л.Р. Неймана, А.В. Иванова-Смоленского, Г. Крона, В.А. Кузнецова, Д.Уайта и Г. Вудсона, Р.В. Фильца, Л.О. Чуа и Лин Пен-Мина.
При разработке вопросов численного моделирования магнитного поля автор диссертации опирался на работы Р. Галлахера, О. Зенкевича, Э. Митчела и Р. Уайта, Я.А. Новика, Д. Норри и Ж. де Фриза, Л. Сегерленда, П. Сильвестера и Р. Феррари, Г. Стренга и Дж. Фикса.
К числу специализированных пакетов, предназначенных для решения полевых задач в САПР электромеханических устройств, можно отнести ANSYS, FEMLab, Cosmos, Nastran, ElCut. Для моделирования электрических цепей используются Simulink, Electronics Workbench.
Все эти системы в той или иной мере тяготеют к универсальности. С одной стороны, это расширяет класс решаемых ими задач. Одновременно это нагружает систему функциями, которыми большинство проектировщиков никогда не воспользуется, делая ее тяжеловесной и сложной в работе. Кроме того, проектировщик лишается свободы оперирования моделями, или от него требуется наличие навыков профессионального программиста и математика.
В результате рабочее место проектировщика электромеханических устройств часто строится из целого комплекса тяжеловесных автономных систем, сложных в применении, каждая из которых решает свою относительно обособленную задачу. При этом одной из главных проблем является создание комбинированных моделей, в которых переплетаются возможности различных систем. Все это в определенной мере противоречит принципу модульности САПР. На мелких предприятиях такой путь практически нереализуем.
Таким образом, суть проблемы, которой посвящена данная диссертация, состоит в отсутствии мобильных средств решения полевых и цепных задач, способных интегрироваться с открытыми приложениями, в том числе с инвариантными САПР, адаптируя их к решению задач проектирования электромеханических устройств, обеспечивая возможность гибкой комбинации различных типов моделей, не требуя при этом установки на данном рабочем месте тяжеловесного программного обеспечения с набором лишних с точки зрения проектировщика функций.
Цель работы заключается в повышении качества проектирования электромеханических устройств путем разработки и использования мобильных универсальных моделей, построенных на основе теории поля и цепей, способов их интеграции в рамках единой проектной среды, а также методов организации численного эксперимента, не реализуемых с помощью традиционных инженерных методик и современных систем моделирования.
Данная цель достигается путем решения следующих задач:
-
Разработка программных средств в форме визуальных компонентов, способных интегрироваться с открытыми приложениями, позволяя решать в них задачи проектирования электромеханических устройств с использованием моделей, основанных на методах теории поля и цепей, а также на методах символьных вычислений и нелинейного программирования.
-
Разработка способов компонентной интеграции моделей в рамках единой проектной среды, в частности, на базе математических процессоров или разрабатываемых приложений.
-
Разработка методов организации численного эксперимента и синтеза электромеханических устройств с требуемыми свойствами с использованием созданных компонентов.
-
Разработка комбинированных моделей, позволяющих реализовать достоинства компонентной интеграции моделей при исследовании электромеханических устройств в статических и динамических режимах и при поиске решений с требуемыми свойствами.
-
Решение конкретных прикладных задач, возникающих при проектировании электромеханических устройств, с использованием разработанных методов и программных средств.
Методы исследования. Поставленные задачи решались с использованием методов общей теории систем, теории электромеханических преобразователей энергии, теории автоматизированного проектирования электромеханических устройств, теории поля, теории цепей, теории вариационного исчисления, теории нелинейного программирования, теории графов, теории множеств, теории сплайновой аппроксимации, техники символьных вычислений, методологии объектно-ориентированного анализа и проектирования.
Научная новизна.
-
-
-
Разработан метод организации поиска и исследования новых решений в автоматизированном проектировании электромеханических устройств в форме программируемого и интерактивного численного эксперимента, основанный на компонентной интеграции наукоемких моделей на базе произвольно выбранных открытых приложений. Метод позволяет создавать гибкие комбинированные модели электромеханических устройств и управлять ими средствами базового приложения.
-
Разработана динамически формируемая параметрическая полевая модель электромеханического устройства, отличающаяся открытостью ее элементов и функций, а также метод полевого моделирования, отличающийся возможностью разработки и реализации в средах открытых приложений программ исследования данных устройств, включающих всевозможные перестройки, деформации и перемещения отдельных узлов.
-
Разработана быстродействующая динамическая полевая модель и метод расчета динамических режимов электромеханического устройства, основанный на трансформации результатов моделирования магнитного поля в цепные модели посредством многомерной сплайновой аппроксимации.
-
Разработана поисковая полевая модель и метод поискового моделирования, позволяющий осуществлять синтез новых технических решений с требуемыми свойствами и характеристиками, отличающийся использованием в алгоритмах поиска динамически формируемых параметрических полевых моделей, что обеспечивает реализацию эффекта структурной оптимизации.
-
Разработана декларативная модель электромеханического устройства, формализуемая системой деклараций, то есть описаний способов реализации поведения объектов, отличающихся отсутствием однозначной направленности операций. Разработан метод проектирования электромеханических устройств, основанный на использовании декларативной модели, отличающийся возможностью создания расчетных подсистем, осуществляющих поиск решения в заданном пространстве состояний при произвольном списке исходных данных с помощью символьных вычислений и методов нелинейного программирования.
Практическая значимость результатов работы состоит в разработке моделей, методов, алгоритмов и программных средств, позволяющих решать задачи проектирования электромеханических устройств, в конструкции которых реализованы нетрадиционные элементы, обеспечивая экономию материалов и технологичность производства. В частности, были разработаны:
компоненты, содержащие полевую, цепную и поисковую модели электромеханического устройства, способные интегрироваться с математическими процессорами и инвариантными САПР;
версии автономных интерактивных систем полевого, цепного и декларативного моделирования электромеханических устройств, построенные на принципах обработки визуальной информации;
варианты среды математического моделирования электромеханических устройств на базе систем MathCad, MatLab, Excel и AutoCad;
версии параметрических генераторов полевых моделей различных классов устройств, в частности, трансформаторов, машин постоянного тока, асинхронных двигателей и магнитожидкостных уплотнений;
версии программ численных экспериментов с использованием комбинаций полевых, цепных и поисковых моделей для исследования разных классов электромеханических устройств;
учебные системы автоматизированного проектирования машин постоянного тока, асинхронных двигателей и трансформаторов.
Разработанные программные средства и методы моделирования электромеханических устройств используются в проектных организациях и подразделениях предприятий, связанных с производством и ремонтом электрических машин, а также при обучении персонала предприятий и студентов в технических вузах в различных городах России.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертации были использованы в ряде хоздоговорных и госбюджетных работ, среди которых можно выделить НИР:
-
"Подсистема формирования чертежей подшипниковых щитов асинхронных двигателей из типовых фрагментов" (отчет по НИР/ гос. рег. № 01880080233, инв. № 02900002199 – Иваново, 1990, 73с.);
-
"Учебно-исследовательская САПР машин постоянного тока" (отчет по НИР/ гос.рег. №01860052721, инв. №02900051802 – Иваново, 1990, 47с.);
-
"Электромагнитный анализ конструктивных исполнений машин с постоянными магнитами на базе модернизированного лодочного электродвигателя" (отчет по НИР – Иваново, 1991, 34 с.);
-
"Автоматизированная система конечно–элементного моделирования магнитных полей электрических машин на ПЭВМ" (отчет по НИР – Иваново, 1992, 52 с.);
-
"Компьютерные системы в наукоемких технологиях образования" (отчет по НИР / гос. рег. № 019700304, инв. № 02970002248 – Иваново, 1996);
-
"Интеллектуальная методология создания и исследования электромеханических преобразователей энергии" (Отчет по госбюджетной работе. РК: исходящий № 16-08/459 от 21.02.2006; регистрационный № 01.2.006 09973. ИК: исходящий № 16-08-01/497 от 12.09.2006; инвентарный № 02.2.006 07124);
-
Комплекс программ конечно–элементного моделирования магнитных систем в разных версиях и на разных типах ЭВМ внедрен в ОАО НИПТИЭМ, НПО "Псковэлектромаш", СКТБ "Полюс", ПНИЛ "Феррогидродинамика", кафедре электромеханики МЭИ, в учебном процессе и научной работе ИГЭУ.
-
Виртуальный лабораторный стенд внедрен в ИГЭУ, МЭИ, Костромской ГСХА, филиале Самарского государственного технического университета в г. Сызрань.
-
В НПО "Псковэлектромаш" внедрены направления совершенствования конструкции двигателей 4ПО80 - 4ПО112 (по А.С. 1511805) и результаты исследований двигателей с постоянными магнитами: электрического лодочного мотора ЭПЛ-2-У5, микродвигателя для видеомагнитофона ДП25А, высокомоментных двигателей с гладким якорем Н100-25.
В диссертации приведены акты внедрения результатов работы в следующих организациях: ОАО НИПТИЭМ (г. Владимир), ЗАО «Трансформер» (г. Подольск Московской обл.), Московский энергетический институт (технический университет), ООО «Промэнергоремонт» (г.Иваново), ООО «Электроремонт» (г.Иваново), ООО «Элтех» (г.Иваново), Костромская ГСХА, филиал Самарского государственного технического университета в г. Сызрань, Ивановский государственный энергетический университет.
Использование в учебном процессе. Теоретические результаты данной работы были использованы при разработке курсов лекций и комплексов лабораторных работ по дисциплинам: «Электромеханика», «Теория автоматического управления», «Информатика», «Теория подобия и моделирования», «Основы САПР», «Компьютерные технологии в науке и образовании», «Инструментальные средства компьютерного конструирования», «Автоматизированные системы научных исследований». Данные курсы читались автором в Ивановском государственном энергетическом университете для студентов и магистрантов, обучающихся по специальности «Электромеханика».
Автор участвовал в создании учебных САПР, которые используются в курсовом и дипломном проектировании. Система декларативного программирования используется в учебном проектировании в качестве инвариантной оболочки, в которой реализованы методики расчета асинхронных двигателей, двигателей постоянного тока и трансформаторов.
Различные версии системы конечно-элементного моделирования магнитного поля используются на лабораторных работах в курсах «Автоматизированные системы научных исследований», «Теория подобия и моделирования», «Компьютерные технологии в науке и образовании», а также в курсовом и дипломном проектировании и в студенческой научной работе.
Виртуальный лабораторный стенд-тренажер, разработка которого начиналась в рамках программы повышения качества образования, используется для самостоятельной подготовки студентов к лабораторным работам по электромеханике и теории автоматического управления.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях: на III-й областной научно-технической конференции (Иваново, ИЭИ) в 1988 г.; на международной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении» (Бенардосовские чтения, Иваново, ИГЭУ) в 1989, 1991, 1992, 1994, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 г.г.; на IX-й всесоюзной научно-технической конференции «Электродвигатели переменного тока средней и малой мощности» (Владимир-Суздаль) в 1990 г.; на научно-техническом семинаре «Математическое моделирование процессов и аппаратов» (Иваново-Плес, ИЭИ) в 1990 г.; на международной научно-технической конференции «Электродвигатели переменного тока средней и малой мощности» (Владимир-Суздаль) в 1990 г.; на республиканской научно-технической конференции «Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике» (Иваново, ИЭИ) в 1991 г.; на всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (Бишкек) в 1991 г.; на всесоюзной научно-технической конференции «Интеллектуальные электродвигатели и экономия электроэнергии» (Владимир-Суздаль, ВНИПТИЭМ) в 1991 г.; на международной научно-технической конференции «Sixth International conference on magnetic fluids» (Париж) в 1992 г.; на X научно-технической конференции «Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях» (Москва, МЭИ) в 1992 г.; на I-й международной конференции по электротехнике и электротехнологии (ICEE, Суздаль) в 1994 г.; на всероссийской научно-методической конференции «СРС в условиях современной информационной среды» (Н.-Новгород) в 1996 г.; на XII-й междуной конференции по постоянным магнитам (Суздаль) в 1997 г.; на научно-технической конференции студентов и аспирантов вузов России «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ) в 1998, 1999, 2005 г.г.; на международной конференции по магнитным жидкостям (Иваново, Плес) в 1998, 2000 г.г.; на III-й международной конференции «МКЭЭ-98, Электромеханика и электротехнологии» (Клязьма) в 1998 г.; на всероссийском электротехническом конгрессе с международным участием "На рубеже веков: итоги и перспективы" ВЭЛК-99 (Москва) в 1999 г.; на VIII международной конференции «СТО-2002» (Санкт-Петербург) в 2002, 2004 г.г.; на международном научно-практическом семинаре «Стратегия развития высшей школы и управления качеством образования» (Иваново) в 2004 г.; на международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград) в 2004 г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 2 монографии, 13 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 16 статей в межвузовских сборниках и периодических изданиях, 56 публикаций тезисов докладов на конференциях. Получено 1 авторское свидетельство на изобретение, 6 свидетельств на программные продукты.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 264 наименования, и приложения. Основная часть работы изложена на 250 страницах и содержит 100 иллюстраций.
Похожие диссертации на Разработка моделей и методов анализа и синтеза решений в автоматизированном проектировании электромеханических устройств
-
-
