Содержание к диссертации
Введение
1 Интегрированные электроприводные системы технологических комплексов. Задачи оптимизации электроприводных систем и технологических комплексов 20
1.1 Технические, информационные и программные средства современных электроприводных систем технологических комплексов 21
1.2 Типовая алгоритмическая структурная схема комплекса 46
1.3 Характеристики и математические описания электромагнитной, механической и технологической подсистем комплекса 48
1.4 Задачи оптимизации электроприводных систем технологических комплексов на стадиях проектирования и эксплуатации 61
1.5 Критерии и модели электроприводных систем технологических комплексов в задачах принятия оптимальных решений
1.5.1 Обобщенные и частные критерии оптимизации 79
1.5.2 Частные критерии и модели, характеризующие производительность 82
1.5.3 Частные критерии и модели, характеризующие динамическую точность системы и качество технологии 83
1.5.4 Частные критерии и модели, характеризующие энергосбережение 92
1.6 Выводы по первой главе 96
2 Типизация и унификация моделей электроприводных систем технологических комплексов 97
2.1 Принципы типизации и унификации моделей электроприводных систем комплексов 97
2.2 Модели компонентов электроприводных систем на микро и макроуровне 108
2.3 Унифицированные модели типовых компонентов и комплектов подсистем комплекса 123
2.3.1 Модели типовых электротехнических и электронных компонентов электромагнитной подсистемы 123
2.3.2 Модели типовых механических компонентов 142
2.3.3 Модели типовых комплектов электромеханической системы 151
2.3.4 Модели типовых компонентов и комплектов технологической подсистемы 165
2.3.4.1 Типовые компоненты и комплекты технологий обработки и переработки веществ 165
2.3.4.2 Типовые компоненты и комплекты транспортных, подъемно-транспортных и транспортно-манипуляционные технологий 188
2.3.5. Унифицированные модели компонентов подсистем комплекса 197
2.4 Модели блоков-комплексов, учитывающие электромагнитные, механические, технологические и энергетические процессы в электроприводных системах 214
2.5 Формирование моделей блоков-комплексов из моделей типовых компонентов и комплектов подсистем технологического комплекса 220
2.6 Выводы по второй главе 221
3 Принятие оптимальных решений на стадиях разработки и эксплуатации интегрированных электроприводных систем технологических комплексов 227
3.1 Исследование и ранжирование методов оптимизации в задачах принятия оптимальных решений на стадиях разработки и эксплуатации электроприводных систем 227
3.1.1 Структурно-параметрический синтез электроприводных систем 227
3.1.2 Параметрическая оптимизация интегрирорванных электроприводных систем 244
3.1.3 Оптимизация систем с использованием нейронных сетей 256
3.2 Методы принятия оптимальных решений на стадии разработки электроприводных систем 272
3.3 Методы принятия оптимальных решений на стадии эксплуатации электроприводных систем 276
3.4 Автоматическая оптимизация электроприводных систем в процессе их эксплуатации 282
3.5 Выводы по третьей главе 287
4 Информационное и программное обеспечение интегрированных электроприводных систем технологических комплексов на стадиях их разработки и эксплуатации 289
4.1 Информационная система, основанная на концепции (методологии) принятия оптимальных решений при разработке и эксплуатации электроприводных систем технологических комплексов 289
4.2 Обоснование и выбор программных средств информационной системы для решения типовых задач оптимизации электроприводных систем и технологических комплексов 3 4.2.1 CASE-технологии 302
4.2.2 Анализ программного обеспечения процессов моделирования и оптимизации электроприводных систем 303
4.2.3 Программное обеспечение процессов моделирования и оптимизации на основе нейронных сетей 319
4.3 Компьютерные модели типовых компонент подсистем комплекса 329
4.4 Компьютерные модели блоков-комплексов 332
4.5 Алгоритмы управления базами данных в информационной системе ИЭПС 335
4.6 Выводы по четвертой главе 340
5. Прикладные решения конкретных задач оптимизации и повышения эффективности электроприводных систем технологических комплексов 342
5.1 Оптимизация электроприводной системы дробильно-технологического комплекса 342
5.1.1 Автоматизированный дробильный комплекс 342
5.1.2 Алгоритм оптимизации потерь деформации отражательных плит роторной камнедробилки 350
5.1.3 Применение генетических алгоритмов для параметрической оптимизации электромеханических систем дробильных агрегатов 360
5.2 Оптимизация электроприводной системы стана холодной прокатки 365
5.2.1 Система управления непрерывным станом холодной прокатки 365
5.3 Оптимизация электроприводной системы сортового стана горячей прокатки 371
5.3.1 Задачи автоматической оптимизации в непрерывных сортовых прокатных станах 371
5.3.2 Автоматическая оптимизация скоростного режима прокатки с учетом энергосбережения 382
5.4 Оптимизация электроприводной системы участка резки листового проката 391
5.5 Оптимизация электроприводной системы продольно-резательного станка 405
5.6 Выводы по пятой главе 411
Заключение 415
Список литературы
- Характеристики и математические описания электромагнитной, механической и технологической подсистем комплекса
- Модели типовых электротехнических и электронных компонентов электромагнитной подсистемы
- Структурно-параметрический синтез электроприводных систем
- Анализ программного обеспечения процессов моделирования и оптимизации электроприводных систем
Введение к работе
Актуальность проблемы. По официальным данным уровень износа оборудования в большинстве отраслей промышленности РФ составляет в среднем 30-60%. Полностью изношена пятая часть всех производственных фондов, а ежегодно обновляется в последние пять лет не более 2 -2,5%. Повышение цен на электроэнергию и контроль качества электроэнергии создают новые проблемы для отечественного производства, приводящие его к нерентабельности в условиях свободного рынка. В существенной степени обновление и рентабельность производства связываются с использованием возможностей современных интегрированных электроприводных систем (ИЭПС) и новых высокоавтоматизированных технологий.
Проектирование ИЭПС для технологических машин и комплексов (ТМиК) выполняется в настоящее время с использованием инжиниринговых средств. Эти средства включает в себя компьютерные средства для: структурного синтеза, расчета режимов работы приводов и механизмов, выбора силовых модулей (питающих, приводных, тормозных, фильтрующих, защитных и др.) и модулей управления (процессорных, интерфейсных, информационных, технологических и др.), образующих конфигурацию комплектного электропривода или комбинацию комплектных электроприводов, адаптированных к объекту. Такие средства инжиниринга разрабатываются производителями и формализованы до стадии получения спецификации на заказ электрооборудования. Они являются частью маркетинга, обеспечивающего рынок сбыта продукции.
Особое место в проектировании ИЭПС занимает исследование и обоснование принимаемых решений в части взаимного согласования оборудования в составе комплекса. Это согласование касается взаимосвязанных электромагнитной, механической и технологической подсистем комплекса.
Математическое описание технологических подсистем содержит описания физических процессов, характерных для той или иной технологии. Как правило, в составе этих описаний используются эмпирические зависимости регулируемых переменных от многих переменных, характеризующих вид исполнительного органа (инструмента), обрабатываемого вещества, особенности технологии.
Компьютерные исследования ИЭПС выполняются по его модели, под которой понимается формализованное описание объекта, системы объектов, процесса или явления. С появлением вычислительной техники новых поколений и совершенствованием методов её использования наметился новый системный подход к организации процесса проектирования на ПК, заключающийся в создании крупных программных комплексов, построенных по модульному принципу с универсальными информационными и управляющими связями между модулями. При решении задач данного класса используются единые информационные массивы, организованные в банки данных.
В настоящее время хорошо разработаны методы и алгоритмы позволяющие: исследовать режимы работы электроприводных систем (ЭПС); анализировать их качество; принимать оптимальное решение; исследовать динамику ЭПС, содержащих элементы с нелинейными характеристиками; рассчитывать оптимальные процессы при наличии ограничений; исследовать динамику стохастических систем и т.д.
В этих условиях перспективными направлениями повышения эффективности проектирования ЭПС являются создание и внедрение новых современных технологий в области моделирования ЭПС, которые основаны не только на применении классических методов, но и на применении интеллектуальных методов (эволюционных, визуального моделирования и др.). Адекватные решения современных задач в области ИЭПС можно получить, если исходить не из идеализированных процессов, происходящих под действием постоянных во времени нагрузок при данном режиме, а из реальных процессов с учетом как детерминированных, так и случайных факторов.
К настоящему времени накоплен большой опыт по исследованию и синтезу основных подсистем и ЭПС в целом. Вопросам теории и разработки методов исследования, синтеза ЭПС посвящены
работы: Башарина А. В., Браславского И. Я., Бычкова М. Г., Бычкова Ю. А., Водовозова В. М., Герман-Галкина С. Г., Глазунова В. Ф., Иванова Г. М., Ильинского Н. Ф., Имаева Д. X., Козярука А. Е., Мещерякова В. Н., Новикова В. А., Онищенко Г. Б., Осипова О. И., Постникова Ю. В., Сабинина Ю. А., Слежановского О. В., Соколовского Г. Г., и др. авторов. Моделированию посвящены работы: Бу-сленко Н. П., Вавилова А. А., Емельянова С. В., Моисеева Н. Н, Колганова А. Р., Советова Б. Я., Яковлева С. А. и др. Адаптивному управлению посвящены работы: Ивахненко А. Г., Красовского А. А., Костюка В. И., Ли И. Т., Петрова Б. Н., Полякова Н. Д., Путова В. В., Терехова В. А., Рутковско-го В. Ю., Солодовникова В. В., Фомина В. Н., Фрадкова А. Л., Цыпкина Я. 3., и др.
Работы известных ученых, выполненные в различное время, в разных научных школах, не содержат комплексного метода, направленного на повышение эффективности проведения компьютерного исследования, синтеза и моделирования ЭПС и эффективного её использования при проектировании и рабочем функционировании (эксплуатации) ЭПС.
Рассмотренный в диссертационной работе комплекс задач сформулирован в контексте проблемы совершенствования методов и средств компьютерного структурного и параметрического синтеза и исследования ЭПС. В основу концепции принятия оптимальных решений заложены блочно-модульные принципы построения ИЭПС, структурные преобразования и визуализация динамических процессов, методики типизации и унификации моделей компонентов, оценка стоимости электроприводных средств и средств автоматизации, использование современных программных средств. А подкрепляются проводимые разработки результатами выполненных научно-исследовательских работ и проведением комплексных исследований на моделях ИЭПС.
Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в разработке научно обоснованных компьютерных технологий, предназначенных для решения задач синтеза и исследования эффективных ИЭПС технологических машин и комплексов на стадиях их проектирования и эксплуатации.
Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:
-
Провести анализ ТМиК непрерывных производств с целью выявления особенностей построения их систем управления, режимов работы и технологических процессов.
-
Выполнить комплексную оценку компьютерных средств и методов инжиниринга ИЭПС. Разработать концепции и принципы, существенно повышающие эффективность проведения компьютерного исследования и синтеза ИЭПС на стадиях проектирования и эксплуатации ТМиК.
-
Провести анализ информационного и программного обеспечения ИЭПС.
-
Выполнить унификацию математического описания компонентов, комплектов и групп комплектов ИЭПС. Разработать компьютерные методы синтеза электромагнитных, механических и технологических подсистем, электромеханической и механико-технологической систем.
-
Провести анализ современных методов и подходов к автоматической оптимизации динамических систем, разработать научно обоснованные алгоритмы автоматической оптимизации ИЭПС с учетом производительности, динамической точности технологии и энергосбережения.
-
Разработать базу математических и компьютерных моделей компонентов, комплектов и групп комплектов ИЭПС, методов синтеза и оптимизации электромеханической и механикотехно-логической систем. На основе этой базы разработать информационную и программную систему с возможностью варьирования моделей компонентов и комплектов и выполнения моделирования подсистем и систем в целом на микро- и макроуровнях.
-
Провести анализ компьютерных сред и программного обеспечения для задач принятия оптимальных решений при проектировании и эксплуатации ИЭПС ТМиК.
-
В рамках выполненного комплекса НИР (по хоздоговорам, грантам, целевым программам) обобщить проведенные теоретические и экспериментальные исследования конкретных ИЭПС для
технологических комплексов: прокатного стана, участка резки листового проката, дробильного комплекса, стана холодной прокатки, продольно-резательного станка.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений электромагнитного поля, электродинамики и теории электрических цепей. Использованы аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений; теории случайных процессов; методы компьютерного моделирования; методы преобразования структурных схем; методы аналитической геометрии.
Достоверность полученных результатов исследования определяется корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, а также подтверждается физическими и математическими экспериментами и практическими испытаниями в реальных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Концепция принятия оптимальных решений при проектировании и эксплуатации интегрированных электроприводных систем технологических машин и комплексов, при обоснованном представлении систем, применяемых в различных технологиях, в виде электромагнитных, механических и технологических взаимосвязанных подсистем, имеющих собственные задачи синтеза и оптимизации на стадиях проектирования и эксплуатации.
-
Метод синтеза систем в соответствии с обобщенными критериями, имеющими стоимостные и иные оценки и содержащими частные критерии, отражающие базовые показатели эффективности систем в виде качества технологии, динамической точности, производительности, энергосбережения и дополнительные показатели, рассматриваемые как ограничения. Использование динамической декомпозиции, обеспечивающей доминирование основных каналов регулирования электромагнитных, механических и технологических переменных систем над каналами взаимосвязей соответствующих переменных, образуемых при выполнении технологии.
-
Методика типизации и унификации моделей компонентов, комплектов и групп комплектов систем, учитывающих электромагнитные, механические, технологические и энергетические процессы в электроприводных системах; методика формирования моделей блоков-комплексов на основании типовых, унифицированных моделей компонентов систем.
-
Адаптивные поисковые методы автоматического управления динамическими процессами и оптимизацией процессов в каждой из подсистем и в системе управления в целом с учетом возможных неопределенностей в параметрах и условиях эксплуатации систем.
-
Компьютерные технологии структурного и параметрического синтеза и оптимизации систем, основанных на интеллектуальных (генетических, нейросетевых, нечеткологических) алгоритмах и оформленных в виде информационной и программной систем.
-
Анализ информационного и программного обеспечения ИЭПС и разработка основ информационной системы с открытыми и пополняемыми базами моделей, данных и методов.
-
Комплекс расчетно-теоретических и компьютерных исследований, выполненных с применением разработанных методов и современных компьютерных технологий и обеспечивающих высокую эффективность в достижении целей исследования.
Научная значимость и новизна работы. В диссертационной работе впервые комплексно решен ряд важнейших задач, позволяющих производить синтез, исследование и оптимизацию ИЭПС с использованием компьютерных технологий, учитывающих особенности построения ИЭПС, и всю совокупность режимов ее работы в технологическом комплексе. Это позволяет значительно повысить эффективность проектирования ИЭПС, снизить технологические потери на стадии рабочего функционирования ИЭПС с учётом ее взаимодействия с технологической средой и влияния случайных факторов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Концепция принятия оптимальных решений при проектировании и эксплуатации ИЭПС технологических машин и комплексов, базируется на совокупности обобщенных и частных критериях структурного и параметрического синтеза по базовым показателям эффективности систем в виде качества технологии, производительности, энергосбережения, динамической декомпозиции, разработанной базе математических моделей компонентов, и комплектов систем, информационной и программной систем.
-
В методе синтеза ИЭПС используется совокупность обобщенных критериев для подсистем технологических машин и комплекса и алгоритм определения весовых коэффициентов критериев, базирующихся на стоимостных оценках компонентов вариативной оптимизации ИЭПС. Задача синтеза рассматривается с учетом адаптивных алгоритмов в подсистемах комплекса и в системе в целом. Динамическая декомпозиция основывается на оценке установленных соотношений корней динамической матриц, описывающих сепаратные системы и их взаимосвязи в технологии.
-
Методики типизации и унификации моделей нацелены на микро- и макромоделирования и предусматривают расширение моделей компонентов подсистем комплекса с учетом показателей обобщенных и частных критериев оптимизации подсистем и систем в целом. Модели наиболее развитой взаимосвязанной механической подсистемы и механико-технологической системы ИЭПС имеют формализованную типовую запись в виде передаточных матриц, элементы которой не зависимо от сложности структуры системы и числа обобщенных координат записываются по разработанной методике в соответствии с собственными значениями динамической матрицы всей системы и динамических матриц частей этой системы.
Математические модели ИЭПС в технологическом процессе имеют переменную структуру в соответствии с меняющимися параметрами процесса, характеризующими взаимодействие исполнительных органов технологического оборудования через обрабатываемый материал в конкретные промежутки времени технологического процесса (модели ИЭПС мелкосортного стана горячей прокатки, продольно-резательного станка и др.).
4. Адаптивные поисковые методы с автоматической настройкой параметров применяются в
каждой из подсистем и в системе в целом и решают как локальные задачи параметрической
настройки ИЭПС, так и настройки показателей эффективности технологий, выполняемых техноло
гическими машинами и комплексами. Автоматическая оптимизация технологических процессов с
натяжением материала (мелкосортный стан горячей прокатки, бумагоделательная машина, продоль
но и поперечно резательные станки) предусматривает оценку рассогласования соотношения скоро
стей смежных машин (агрегатов), на основании которой производится коррекция скоростного ре
жима машин, а также осуществляется минимизация среднеквадратичной ошибки по натяжению пу
тем подстройки параметров регуляторов. Разработанные способы настройки скоростных режимов
технологических комплексов минимизируют расход электроэнергии за счет коррекции сигнала за
дания, поступающего на входы систем управления скоростью машин технологического комплекса.
Выбор оптимальной скорости осуществляется системой автоматической оптимизации, выполняю
щей функции оценки затрат электроэнергии на деформацию материала, выработки оценки функци
онала качества, выработки управляющего воздействия для реализации режима оптимизации (ИЭПС
дробильно-технологического комплекса, мелкосортного стана горячей прокатки).
5. Компьютерные технологии структурного и параметрического синтеза и оптимизации
ИЭПС, оформленные в виде информационной и программной систем соответствуют блочно-
модульной идеологии построения ИЭПС, учитывают параметрическую неопределенность в реали
зации технологического процесса и базируются на выполненной классификации ИЭПС и разрабо
танной базе математических моделей компонентов, и комплектов систем и методов оптимизации.
-
Анализ информационного и программного обеспечения ИЭПС и разработка основ информационной системы с открытыми и пополняемыми базами моделей, данных и методов, обеспечивающих проектирование и эксплуатацию ИЭПС технологических машин и комплексов с оптимальными показателями эффективности.
-
Комплекс расчетно-теоретических и компьютерных моделей, разработанный в ряде выполненных НИР с учетом особенностей ИЭПС технологических машин и комплексов, включает в себя помимо переменных, используемых в традиционных моделях ЭПС показатели обобщенных и частных критериев структурной и параметрической оптимизации, базовые показатели эффективности систем в виде качества технологии, производительности, энергосбережения.
Практическая ценность работы заключается в решении комплексной научно-технической проблемы создания новых компьютерных технологий для решения задач синтеза и исследования ЭПС, повышении эффективности на стадиях проектирования и эксплуатации ее жизненного цикла ЭПС с учётом их взаимодействия и влияния случайных факторов. Совокупность полученных теоретических и практических результатов создает объективные предпосылки для расширения областей применения и внедрения в практику компьютерных технологий с целью эффективности применения ЭПС.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы получены и использованы при выполнении госбюджетных НИР, проводимых в СПбГЭТУ ГБ/РАПС-16 «Разработка и исследование моделей систем управления и автоматизации электротехнических комплексов, технологических процессов и подвижных объектов», ГТАТ/РАПС-21 «Разработка компьютерных методов исследования, синтеза и автоматической оптимизации электромеханических комплексов управления»; ГТАТ/РАПС-25 «Разработка методов синтеза и принципов построения энергосберегающих электромеханических комплексов управления» и хоздоговорных НИР, выполняемых по заказам предприятий и организаций, связанных с разработкой новых систем управления, энергосберегающих технологий. РАПС-41 «Исследование путей повышения качества управления технологическими переменными в картоноделательном производстве средствами компьютеризированных электромеханических комплексов»; РАПС-43 «Разработка проекта модернизации системы управления приводами стана 250 с переходом на микропроцессорную технику»; РАПС-46 «Исследование электромеханических систем ножниц с катящимся резом и выдача рекомендаций для проектирования»; САУ-54 «Автоматизация технологических комплексов средствами компьютеризированных электромеханических систем»; САУ 68 «Разработка теоретических основ и принципов создания современных информационно-управляющих систем в электротехнических, мехатронных и электротехнологических комплексах для промышленных и транспортных объектов»
Материалы диссертации, касающиеся компьютерных технологий для решения задач синтеза и исследования автоматизированных электромеханических комплексов, используются в учебных дисциплинах для студентов направлений 13.03.02 "Электроэнергетика и электротехника " а также магистрантов и аспирантов в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 3 Всесоюзной научно - технической конференции "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств", 24-26 мая 1988 г., Тольятти; 1 Международной (XII Всероссийской) конференции "Автоматизированный электропривод", 26-28 сентября 1995 г. Санкт - Петербург; научно - техническом семинаре "75 лет отечественной школы электропривода", 24-26 марта 1997 г. Санкт-Петербург; 2 Международной (XIII Всероссийской) конференции "Проблемы автоматизированного электропривода", 23-25 сентября 1998 г. Ульяновск; III Международной конференции по автоматизированному электроприводу, Нижний Новгород, сентябрь 2001 г.; семинаре «Школа обмена опытом: Системы управления в черной металлургии, передовой опыт; инструмен-
тарий - анализ предложений мировых лидеров; оптимизация энергоснабжения на предприятиях металлургической промышленности» (Санкт-Петербург, декабрь 2002 г.); международной научно-технической конференции "Современные технологии, материалы, машины и оборудование" Могилев, 16-17 мая 2002 г.; Научной конференции «Энергоресурсосбережение на предприятиях металлургической и горной промышленности (новые решения)» (Санкт-Петербург, январь 2004 г.); IV Международной конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (Магнитогорск, сентябрь 2004 г.); V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007, Санкт-Петербург, 18-21 сентября 2007 г.; VII международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012. Иваново, 2-4 октября 2012 г.; научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 1982, ..., 2015 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 работ, в числе которых 4 монографии, 39 статей, из них 29 статей опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК, 7 авторских свидетельств и свидетельств на полезные модели, 12 алгоритмов и программ, 25 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 199 наименования и 4 приложений. Общий объем диссертации 442 страниц текста (без приложения), включая 122 рисунка и 26 таблиц.
Характеристики и математические описания электромагнитной, механической и технологической подсистем комплекса
Фирмой Omron разработана система для многодвигательных (многоосевых) машин и производственных конвейерных линий в которой возможно управление 16, 32 и 64 исполнительными органами, выполняющими для реализации заданной технологии угловые и линейные движения [157, 197]. Применяются сервоприводы с вращательными и линейными электродвигателями, быстродействующими ПЧ с векторным управлением.
В работе [198] представлены комплекты многодвигательных систем электроприводов, нацеленные на реализацию функций: сложных управляемых движений, многоосевой синхронизации, поточечного позиционирования от одного до многоосевых движений, движений с линейной и круговой интерполяцией, электронных «кулачков» и др.
Тенденции развития электроприводной техники. Развитие электроприводной техники идет по пути, применения многополюсных линейных и враща 36 тельных двигателей, объединения электродвигателей с ИО рабочей машины, СУ многоосевыми движениями для различных технологий, максимального упрощения кинематических передач, создания высоко динамичных ЭПС. Общим здесь является тенденция к усилению влияния высокодинамичных ЭПС на технологию, путем расширения полос пропускания систем регулирования скорости и положения ИО. Потенциальные динамические возможности современных частотно-регулируемых электроприводов являются очень востребованными для повышения эффективности рабочих машин и технологических комплексов. Эта эффективность закладывается на предпроектных и проектных стадиях создания машин и комплексов, а проявляется на эксплуатационной стадии. В связи с этим необходимы обстоятельные исследования динамики многодвигательных ЭПС, для того, чтобы реализовать их возможности для достижения заданных показателей эффективности технологии.
Большинство электротехнических фирм-производителей электроприводной техники приводят данные о полосах пропускания контуров регулирования скорости сервоприводов, называя несколько лет тому назад двухзначные цифры - 40, 50 Гц, далее трехзначные - 200, 400 Гц, а в 2012 г. появились уже и четырехзначные - 2000 Гц [158]. Препятствием в реализации столь высоких частот является динамика механических и технологических частей рабочих машин, проявляющаяся в виде полигармонических колебаний в широком низкочастотном спектре частот, характерном для упругих многомассовых механических подсистем (ММП).
Регулируемые электроприводы совместно с технологическими ИО используются в качестве средств управления технологическими переменными - уровнем, давлением, влажностью, температурой, дозированием и др. Они нацелены на широкое применение для разнообразных технологий.
Можно выделить следующие общие тенденции развития электроприводов, имеющие устойчивый характер: 1. постоянно расширяющееся применение регулируемых электроприводов в промышленном оборудовании, транспорте, медицине, бытовой технике для достижения новых качественных результатов в технологии; 2. замена нерегулируемых электроприводов регулируемыми в энергоемком оборудовании (насосы, компрессоры, вентиляторы и др.) с целью энергосбережения; 3. распространение блочно-модульных принципов построения электроприводов, средств управления, информационных и программных средств, СУ в целом; 4. динамичная компьютеризация электроприводов, механизмов, агрегатов и комплексов, и новая идеология проектирования систем; 5. дальнейшее развитие методов каскадного (подчиненного) управления, получивших широкое распространение в электроприводах и органично применимых к управлению технологическими переменными и интегральными показателями качества обработки, переработки и производства вещества; 6. активное развитие и внедрение систем диагностирования, обслуживания, визуализации ТП и процессов управления, применение адаптивных методов управления; 7. унификация технических и программных средств приводной техники.
Технические средства. Унифицированные системы выполняются на базе комплектных электроприводов переменного и постоянного токов. При создании нового оборудования преимущественно применяют электроприводы переменного тока с асинхронными, синхронными и индукторными двигателями. В качестве систем ступенчатого регулирования скорости используют электроприводы с двух-скоростными асинхронными двигателями, в которых секции обмоток статора соединяются в треугольник или двойную звезду. Однако в большинстве практических приложений в настоящее время используются регулируемые электроприводы с управляемым преобразователем и СУ, оптимальным образом приспособленными по энергетическим и технологическим показателям.
Системы "электронный преобразователь - двигатель". Электронные преобразователи выполняются главным образом как полупроводниковые преобразователи в виде неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов напряжения и тока, инверторов, ведомых сетью, ПЧ с непосредственной связью и со звеном постоянного тока. Для устранения искажения формы напряжения сети в преобразователях применяют фильтрокомпенсирующие устройства. Виды преобразователей и их комбинации определяются типом электродвигателя и задачами управления, мощностью, диапазоном регулирования, необходимостью рекуперации энергии в сеть, влиянием преобразователей на питающую сеть.
Краткая характеристика систем «управляемый электронный преобразователь - двигатель», которые в свое время являлись, а некоторые являются и сейчас, средством унифицированных платформ электроприводов разных фирм дана в [15, 16]. Рассмотренные схемы преобразователей охватывают диапазон мощностей от десятков ватт до десятков мегаватт.
Модели типовых электротехнических и электронных компонентов электромагнитной подсистемы
Приближенные математические модели ТО на микроуровне получают на основе методов сеток. В зависимости от способов осуществления дискретизации и алгебраизации краевых задач различают два метода сеток: метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ) [175]. Рассмотрим основные особенности этих методов.
Технический объект на микроуровне представляет собой сплошную среду, локализуемую в некоторой ограниченной области R геометрического пространства, определяемой вектором координат X, т. е. XGR. Координаты геометрического пространства в дальнейшем будем обозначать х, у, z, тогда X = (х, у, zf.
В МКР дискретизация задачи заключается в покрытии области R сеткой и замене непрерывного множества независимых переменных X в области R конечным множеством точек Х , являющихся узлами сетки. Сетка может быть прямоугольной, косоугольной, с постоянными или переменными расстояниями между узлами (шагами сетки). Наиболее часто используют сетку с постоянными величинами шагов.
Алгебраизация задачи в МКР выполняется заменой дифференциального оператора Lq уравнения (1.8) разностным. При этом частные производные аппроксимируют отношениями конечных разностей, выражаемых че дх ду dz рез конечное множество значений функции ф(%, Ук, Zfc) в узлах сетки. В нестационарной задаче, когда ф зависит не только от геометрических координат, но и от времени t, т. е. ф = ф(х, у, z, t), дискретизации подлежит также независимая переменная t.
Дискретизация задачи в МКЭ осуществляется иначе, чем в МКР. Область геометрического пространства R разделяется на непересекающиеся подобласти -конечные элементы (КЭ). В одномерных задачах КЭ представляют собой отрезки линий, в двумерных имеют форму треугольников или прямоугольников, в трехмерных - тетраэдров или параллелепипедов. Непрерывная фазовая переменная ф здесь также заменяется конечным числом значений в точках с координатами Xfc,yfc,Zfc, определяющими положения узловых точек упомянутых геометрических фигур в области R геометрического пространства.
Различаются также способы алгебраизации дифференциальных уравнений в МКЭ и МКР. В МКР аппроксимируются производные, а в МКЭ аппроксимируется искомое решение ф(Х) некоторой функцией v(X)c неопределенными коэффициентами [175].
При управлении теплотехническими объектами используют описание на микроуровне в виде уравнения теплопроводности, связывающее изменение температуры во времени и пространстве со свойствами среды [175]. Это уравнение позволяет выполнять анализ температурных полей в твердых телах.
Макроуровень - это уровень рассмотрения сложных технических систем, состоящих из совокупности взаимодействующих компонентов и имеющих сложную неоднородную структуру. Построение математической модели ТО осуществляется на основе его динамической модели, которая является абстрактным отображением основных физических свойств объекта и характеристик его взаимодействия с внешней средой.
При построении динамической модели следует принимать во внимание лишь те физические свойства объекта и воздействия внешней среды, которые могут оказать существенное влияние на точность результатов исследования моделируемого процесса функционирования объекта. Она представляется в виде совокупности взаимодействующих элементов и ее сложность зависит от степени абстрагирования при отображении физических свойств объекта. Такой подход позволяет избежать необоснованной избыточности в его математическом описании. Но при этом должна быть обеспечена адекватность математической модели.
Для моделирования на макроуровне используют различные методы: функционально законченных элементов, сеток и сосредоточенных масс. Математическая модель непрерывной динамической системы с сосредоточенными параметрами описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями вида (где и - входной сигнал; х - переменная состояния) или уравнениями состояния (система дифференциальных уравнений, записанных в нормальной форме Копій) вида (1.1).
Взаимодействие сосредоточенных масс осуществляется посредством инерционных, упругих, диссипативных, фрикционных и трансформаторных элементов.
Физические свойства ТО в динамической модели макроуровня отображаются совокупностью взаимодействующих элементов. В зависимости от способа построения динамической модели каждый элемент может наделяться одним или несколькими физическими свойствами. При использовании метода функционально законченных элементов или сеточного метода элементы модели обычно обладают несколькими физическими свойствами и являются сложными. В методе сосредоточенных масс все элементы простые, так как каждый из них наделен только одним физическим свойством.
Основные физические свойства ТО любой физической природы - инерционные, упругие и диссипативные отображаются в динамических моделях, соответственно, инерционными, упругими и диссипативными элементами. Фрикционные и трансформаторные элементы отображают специфические свойства, характерные не для всех технических объектов. Математическое описание этих свойств может быть различным, в зависимости от физической природы ТО.
Компонентные уравнения элементов модели могут быть получены аппроксимацией моделей микроуровня или непосредственным использованием физических законов. Для математического описания физических свойств элементов могут быть также использованы физические законы. Компонентные уравнения элементов динамических систем различной физической природы сведены в таблице 2.1.
Сравнивая компонентные уравнения, легко обнаружить динамические аналогии всех рассмотренных видов систем. Топологические уравнения этих систем также абсолютно аналогичны.
Структурно-параметрический синтез электроприводных систем
Если для исследования СУ ИЭПС применяется подсистема моделирования динамических процессов Math Works MATLAB Simulink, то для создания нужного блока целесообразно применять технологию S-функций (Simulink-функции). С помощью языков программирования (C++, Fortran др.) пользователь может создавать описание сколь угодно сложных блоков (блоков, обеспечивающих взаимодействие системы Simulink с аппаратными средствами; блоков на основе математических уравнений; блоков, реализующих анимационные возможности) и включать их в Simulink-модель, при этом они ничем не отличаются от стандартных библиотечных блоков системы Simulink. Создаваемые блоки могут реализовывать непрерывные, дискретные или гибридные (дискретно-непрерывные) модели. S-функции, созданные на языках программирования, компилируются в исполняемые файлы с расширением .dll.
1. Типизация является распространением большого количества функций на малое число объектов. Объединяя их в типовые функциональные группы можно существенно облегчить разработку СУ ИЭПС и обеспечить их экономичную технологию проектирования.
2. Преимущества унификации заключаются в том, что высокая степень унификации дает возможность сократить сроки проектирования и изготовления изделий, повысить производительность труда, увеличить гибкость и мобильность производства при переходе ее на выпуск новых видов продукции, повысить качество, надежность и долговечность изготавливаемых изделий. Унификация позволяет снизить стоимость производства новых изделий, повысить уровень автоматизации производственных процессов.
3. Методика типизации и унификации моделей компонентов, комплектов и групп комплектов систем, учитывает электромагнитные, механические, технологические и энергетические процессы в ЭПС, нацелены на микро- и макромоделирования и предусматривают расширение моделей компонентов подсистем комплекса с учетом показателей обобщенных и частных критериев оптимизации подсистем и систем в целом.
4. Для эффективности достижения типизации и унификации моделей ЭПС является классификация технологических функций ЭПС.
5. Из типовых функциональных модулей формируются блоки-комплексы. На основании математического описания модулей и средств математической стыковки разных вариантов модулей в составе единого комплекса подготавливаются математические описания и компьютерные модели комплекса, например, в программной среде MATLAB-Simulink и выполняются исследования динамических процессов в соответствии с задачами технологии.
6. Анализ функциональных особенностей технологического оборудования типовых групп [15], рассматриваемых процессов на механико-технологическом и электромеханическом уровнях с учетом контуров регулирования технологиче скими, механическими и электромагнитными переменными и развитие блочно модульной идеологии построения средств и СУ позволил разработать базу мате матических моделей типовых электротехнических и электронных компонентов.
Методы синтеза современных ИЭПС. Целью синтеза является построение ИЭПС технологического комплекса, удовлетворяющей сформулированным в техническом задании требованиям к технико-экономическим показателям (точность, производительность и т. д.). Поэтому при проектировании ИЭПС синтез можно условно разбить на два этапа: 1) выбор структур систем, т. е. компонентов и топологии причинно следственных связей между ними, структур операторов элементов, в частности, алгоритмов управляющих устройств и значений их параметров; 2) параметрический синтез.
На этапе структурного синтеза кроме синтеза структуры ИЭПС и топологии причинно-следственных связей между подсистемами решаются также задачи: 1) формирования управляющих воздействий; 2) компенсации возмущений; 3) выбора структуры регуляторов.
В зависимости от того, какую структуру имеет ИЭПС и какие технологические задачи он решает, следует различать подзадачи синтеза: 1) квазиавтономных систем; 2) отдельных каналов связи; 3) расширенных систем. Синтез ИЭПС выполняется с использованием аналитических, графических и численных методов.
Аналитические методы синтеза линейных систем обычно сводятся к действиям над полиномами, дробно-рациональными функциями, матрицами (числовыми, полиномиальными, дробно-рациональными). Наиболее часто используются алгебраические процедуры раскрытия определителей, решения систем уравнений; различных типов, определения собственных значений матриц и корней полиномов. Метод модального управления [123] решает задачу синтеза собственно СУ.
Операторные методы позволяют решать задачи синтеза автономных систем или отдельных каналов передач СУ ИЭПС. Они обеспечивают тождественность операторных полиномов дифференциальных уравнений систем желаемым. Синтез сводится к решению систем уравнений относительно коэффициентов регулятора. Структура регулятора и топология системы выбираются так, чтобы эти системы уравнений были совместными.
При решении задачи аналитического конструирования оптимальных регуляторов [123] используются модели в форме пространства состояний. Параметрический синтез сводится к решению уравнений типа Риккати (Riccati) относительно коэффициентов регулятора.
Недостаток аналитических методов заключается в том, что они требуют полной определенности постановок задач, не достижимой во многих практических ситуациях [123]. Поэтому аналитические методы являются частью более общих процедур синтеза, строящихся как последовательное раскрытие неопределенности.
К графическим, или графоаналитическим, методам синтеза относятся частотные методы синтеза следящих систем и расчета настроек типовых регуляторов. К графическим относится и метод годографов корней.
Частотные методы, использующие возможности компьютерной графики, позволили создать новые методы синтеза многомерных систем [123].
Численные методы синтеза связаны с многократным вычислением характеристик и показателей качества полностью определенных вариантов систем. Показатели качества сопоставляются со сформулированными требованиями. Анализ повторяется многократно до исчерпания исходного множества решений.
Синтез как многовариантный анализ, так или иначе, связан с перебором вариантов. Полный перебор применяется в случае не очень большой размерности множества возможных структур построения ИЭПС. Прямой (простой) перебор реализуется с помощью программных средств гибкого редактирования моделей, быстрого построения характеристик и вычисления показателей качества.
В случае большого числа исходных вариантов необходимо применять комбинаторные методы, позволяющие сократить перебор за счет использования априорной информации и текущей информации, получаемой в результате анализа предыдущих вариантов.
Поисковые методы синтеза позволяют найти значения параметров, доставляющие минимум показателям качества, или построить поверхности равного значения показателей качества в пространстве параметров без полного перебора. При этом используются разнообразные методы оптимизации [187].
Достоинством численных методов синтеза путем полного перебора и многовариантного анализа является универсальность и надежность. Их недостаток -большая трудоемкость при значительной исходной неопределенности ситуации.
В современных технологиях синтеза, использующих компьютерные программы, интегрируются все перечисленные методы - аналитические, графические, численные, а также применяется теория НС и ГА.
Структурный синтез ИЭПС. В случае если структура объекта задана, то структурный синтез подразумевает выбор изделия из каталога стандартных решений. В этом случае критерием такого синтеза является стоимость средств автоматизации и заданные в техническом задании выходные технологические параметры электромеханической системы. В случае если структура объекта не задана, то для структурного синтеза применяют соответствующие методики структурного синтеза. В этом случае экономическая составляющая может, как входить в функционал качества, так и выполнять функцию ограничения в функционале качества.
Для синтеза работоспособного варианта технической системы необходимо учитывать дополнительную информацию о сочетаемости объектов синтеза в составе одного решения (например, размеры, конструкция и т. д.).
Анализ программного обеспечения процессов моделирования и оптимизации электроприводных систем
Математическое описание ИЭПС может быть упрощено введением интегральных переменных, характеризующих работу ТП на конечных интервалах времени и усложнено из-за необходимости учета новых технологических процессов.
Тем не менее, в качестве основной компоненты математического описания для ИЭПС рассматривают дифференциальные уравнения или их дискретный аналог - конечно-разностные уравнения.
С математической точки зрения, позволяющей ставить задачу автоматизации моделирования (а при использовании модели в контуре управления - взаимосвязь с аппаратными средствами системы управления), решения таких задач можно рассматривать как иерархическую декомпозицию поставленной цели (создать ИЭПС с фиксированным набором функций) до уровня всех документов. Вполне естественно, что в процессе декомпозиции возникает потребность в увеличении перерабатываемой информации.
К специфическим особенностям проектирования ИЭПС следует отнести необходимость тщательной координации ее разработки с разработкой других подсистем (оперативного контроля и др.), обеспечивающей совместимость всех видов обеспечений отдельных подсистем.
При создании БМ ИЭПС в первую очередь должен быть проработан и обоснован уже в самом начале процесса разработки критерий эффективности управления, а сам процесс разработки должен преследовать цель придания ИЭПС свойств, гарантирующих достижение максимума эффекта. В то же время в процессе эксплуатации должны быть полностью использованы все заложенные при разработке возможности.
Особое внимание должно быть уделено полноте и точности математических моделей, на которых построен весь процесс структурно-параметрического синтеза ИЭПС, начиная с моделей эффекта управления и кончая моделью прогнозируемых условий эксплуатации.
Выделим еще одну существенную особенность БМ - потребность в постоянном изменении структуры и объема данных. Учитывая это, можно сделать вывод о необходимости создания для БМ специализированных эффективных средств, систем управления БМ (СУ БМ).
Рассматривая возможность автоматизации моделирования ИЭПС и учитывая изложенное выше, отметим некоторые предпосылки создания системы моделирования ИЭПС. К ним относятся: 1. Замкнутый (циклический) характер процесса проектирования, связанный с итерационными процедурами (уменьшения неопределенности обрабатываемой информации). 2. Использование математических моделей, требующее формализации описания ИЭПС. В зависимости от этапов моделирования модели могут содержательно изменяться. 3.Нечеткость задания целевой функции или многокритериальность. 4. Сложный характер функции ИЭПС. 5. Современный уровень развития технического и ПО компьютера дает возможность создания интерфейсных средств, управляемых посредством проблемно-ориентированных трансляторов.
При разработке БМ используется два основных подхода. Первый имеет направленность развития «снизу вверх», от простых машинных расчетов к сложным.
Второй подход к созданию БМ имеет направленность «сверху вниз». Он исходит из единой методологии организации управления данными на основе универсальной или проблемно-ориентированной СУ БМ и соответствующей ей транслирующей системе.
До настоящего времени еще не созданы инструментальные средства, которыми бы обеспечивался сквозной процесс разработки БМ. Состояние работ в области автоматизации разработки БМ ИЭПС можно оценить следующим образом: разработаны и функционируют отдельные пакеты прикладных программ, ориентированные на решение отдельных видов задач. Серьезным препятствием к объ 339 единению отдельных разработок следует считать их разобщенность, основанную на несогласованных решениях, прежде всего в информационном аспекте. Весь процесс разработки БМ представляется как процесс взаимодействия с информацией.
В основе разработки БМ лежит ориентация на максимальное использование типовых алгоритмических и программных модулей (AM, ПМ соответственно), хранящихся в соответствующих банках БАМ и БПМ. Поиск соответствующего модуля производится по имени, кодирующему выполняемую им функцию, а также по внешним характеристикам модуля. Для их обработки могут быть переданы дополнительные сведения, записываемые в форме задания на условия его применимости.
При завершении процесса сборки и создания рабочего каталога библиотеки модулей отдельных моделей происходит генерация управляющей программы, принимающей на себя в дальнейшем все функции по организации процесса обработки информации. Непременное условие автоматической генерации программ -тестирование и документирование. При моделировании ТМиК, их структура и параметры могут корректироваться. Для этих целей могут быть применены методы параметрической оптимизации.
Программные средства для работы с технологическими данными. Назначение ПО Plant Information (PI) System - сбор, хранение, обработка и представление информации. Каждая из перечисленных функций реализуется посредством различных компонентов и модулей ПО PI System. Для сбора и передачи данных от действующих на предприятии СУ ИЭПС можно использовать стандартные PI-ОРС-интерфейсы. PI-интерфейсы обеспечивают: - получение и запись данных от SCADA, DCS, контроллеров в режиме РВ по событиям или расписанию с дискретностью до миллисекунды; - автоматическое оповещение о нарушении физической связи PI-сервера и Р1-интерфейса; - автоматическое восстановление данных при восстановлении связи; - сжатие данных для снижения трафика в локальной сети. Гарантированная доставка данных (без резервирования физического канала) обеспечивается способностью PI-интерфейсов буферизовать данные за несколько суток в условиях отсутствия связи и автоматически передавать данные в Р1-сервер при ее восстановлении.
PI-интерфейс обеспечивает двухсторонний обмен данными между PI System и АСУТП и возможность передачи и хранения данных с миллисекундной отметкой времени. Для взаимодействия PI System с реляционными базами данных используются специализированный интерфейс PI-RDBMS либо стандартные протоколы ODBC или OLE DB, также поддерживаемые PI System. PI System поддерживает стандартные протоколы DDE, COM/DCOM и имеет открытый программный интерфейс PI-АРІ для разработки собственных интерфейсов к нетрадиционным системам.