Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ содержания и путей решения проблемы управления состоянием электротехнических систем объектов водного транспорта 21
1.1. Функционально-структурный анализ электротехнических систем 22
1.2. Методологические аспекты управления состоянием электротехнических систем 31
1.3. Показатели качества и критерии параметрического управления состоянием электротехнических систем 47
1.4. Целевая функция в процессе параметрического управления состоянием электротехнических систем 53
1.5. Анализ методов параметрического синтеза технических систем по критерию запаса работоспособности 60
1.6. Постановка задач исследования 71
Глава 2. Моделирование электротехнических систем в процессе параметрического управления их состоянием 73
2.1. Модели параметрического управления состоянием электротехнических систем в различных режимах эксплуатации 73
2.2. Модели изменения состояния первичных параметров электротехнических систем 83
2.3. Отображение статических и динамических свойств электротехнических систем факторными моделями 90
2.4. Особенности моделирования электромеханических систем и повышение точности их математического описания 98
2.5. Выводы по главе 2 108
Глава 3. Разработка методов построения областей работоспособности электротехнических систем 109
3.1. Оценка методической погрешности аппроксимации областей работоспособности регулярными фигурами 109
3.2. Аналитическое описание областей работоспособности 114
3.3. Развитие сеточных методов построения границы области работоспособности 123
3.3.1. Методы поиска первой граничной точки области работоспособности 123
3.3.2. Разработка алгоритмов контурного обхода области работоспособности 132
3.3.3. Оценка погрешности определения границы области работоспособности сеточными методами 139
3.4. Развитие и разработка методов непрерывного построения границы области работоспособности 140
3.4.1. Модификация метода секущих 140
3.4.2. Метод параллельных прямых 144
3.4.3. Вероятностные характеристики процесса определения граничных точек непрерывными методами 147
3.5. Разработка методов аппроксимации областей работоспособности заданных граничными точками 149
3.5.1. Анализ методов аппроксимации областей работоспособности 149
3.5.2. Метод касательных гиперплоскостей 155
3.5.3. Метод аппроксимирующих гиперсфер 156
3.5.4. Метод линейной аппроксимации областей работоспособности 159
3.6. Выводы по главе 3 163
Глава 4. Разработка методов и алгоритмов параметрического синтеза электротехнических систем на основе информации о границе области работоспособности 166
4.1. Разработка статистических методов параметрического синтеза 167
4.1.1. Общие положения 167
4.1.2. Параметрический синтез при нормальной плотности распределения отклонений параметров элементов системы 168
4.1.3. Параметрический синтез при произвольной плотности распределения отклонений параметров элементов системы 170
4.2. Разработка поисковых методов параметрического синтеза на основе механической и электрической аналогий 172
4.2.1. Аналитический метод (механическая аналогия) 172
4.2.2. Поисковый метод (электрическая аналогия)
4.3. Метод сужающихся областей 178
4.4. Алгоритмическое обеспечение разработанных методов параметрического синтеза электротехнических систем
4.4.1. Алгоритм оптимизации при произвольной форме области работоспособности и отсутствии информации о ее границе 189
4.4.2. Алгоритм поиска оптимального решения при наличии информации и произвольной форме области работоспособности 202
4.4.3. Алгоритм поиска оптимального решения при односвязной форме области работоспособности и линейной аппроксимации ее границы 205
4.4.4. Алгоритм назначения допусков на параметры электротехнических систем 210
4.5. Оптимальный параметрический синтез настраиваемых электротехнических систем 213
4.5.1. Постановка задачи 213
4.5.2. Определение совокупности настраиваемых параметров 214
4.5.3. Определение пределов изменения и шагов квантования настраиваемых параметров 220
4.6. Выводы по главе 4 221
5. Способы информационного обеспечения задач параметрического управления состоянием электротехнических систем объектов водного транспорта 222
5.1. Постановка задачи 222
5.2. Метод параметрической идентификации электротехнических систем в реальном масштабе времени 224
5.3. Разработка поисковых методов определения запаса работоспособности в пространстве первичных параметров электротехнических систем 232
5.3.1. Развитие метода последовательного перебора граничных точек области работоспособности 232
5.3.2. Адаптивный метод матричного поиска 235
5.3.3. Оценка состояния электротехнических систем на основе метода сужающихся областей 239
5.4. Разработка метода контроля состояния электротехнических систем по измеряемым характеристикам 240
5.5. Разработка методики оценки методической погрешности при контроле состояния электротехнических систем 250
5.6. Выводы по главе 5 254
Глава 6. Автоматизация процесса управления состоянием электротехнических систем 255
6.1. Структура автоматизированной системы параметрического управления состоянием электротехнических систем объектов водного транспорта 255
6.2. Разработка устройства для автоматизации проведения активного эксперимента 264
6.3. Синтез устройства для дискретного поиска граничных точек 270
6.4. Синтез устройств для непрерывного поиска граничных точек 272
6.5. Синтез устройств для контроля состояния электротехнических систем 276
6.6. Выводы по главе 6 284
Глава 7. Примеры практической реализации методологии параметрического управления состоянием электротехнических систем объектов водного транспорта 285
7.1. Примеры построения полиноминальных зависимостей электротехнических систем береговых объектов 285
7.1.1. Построение факторной модели асинхронного электродвигателя 285
7.1.2. Построение факторных моделей электропривода подачи фрезерного станка 288
7.1.3. Построение факторной модели и области работоспособности системы усилитель-двигатель 291
7.2. Параметрический синтез систем управления судовых электростанций 295
7.2.1. Параметрический синтез системы возбуждения синхронного
7.2.2. Параметрическая оптимизация тиристорного регулятора 302
7.2.3. Параметрический синтез системы стабилизации напряжения 309
7.3. Параметрический синтез систем управления электроприводов технологических машин портов и судоремонтных заводов 313
7.4. Моделирование и оптимизация параметров и режимов работы электропривода двухстворчатых ворот шлюза 325
7.5. Выбор совокупности настраиваемых элементов устройства допускового контроля напряжения и частоты судовой сети 333
7.5.1. Параметрический синтез устройства допускового контроля постоянного напряжения 333
7.5.2. Параметрический синтез устройства допускового контроля частоты 339
7.6. Выбор структуры усилителя низкой частоты судовой системы управления 7.7.
Выводы по главе 7
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
- Показатели качества и критерии параметрического управления состоянием электротехнических систем
- Отображение статических и динамических свойств электротехнических систем факторными моделями
- Оценка погрешности определения границы области работоспособности сеточными методами
- Алгоритм назначения допусков на параметры электротехнических систем
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В стратегии развития морской деятельности и внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года предусмотрены: комплексная модернизация, реконструкция и техническое перевооружение существующих судостроительных мощностей; увеличение объемов выпуска судостроительной продукции с использованием современных технологий; обновление флота и перегрузочной техники в речных портах; обеспечение роста конкурентоспособности внутреннего водного транспорта по отношению к другим видам транспорта.
Необходимым условием для решения этих задач является высокая надежность электрооборудования объектов водного транспорта (ОВТ). Вместе с тем, достигнутый уровень надежности не в полной мере отвечает современным требованиям. Так, например, в последние годы совокупные затраты на техническое обслуживание судов, машин и механизмов береговых объектов за амортизационный срок службы в два-три раза превысили их строительную стоимость, а затраты на ремонт судов достигли половины сумм, расходуемых на строительство нового флота. Это обусловлено специфическими особенностями работы электротехнических систем (ЭТС) ОВТ, характеризующихся изменчивыми и сложными условиями эксплуатации, большим схемным разнообразием, отсутствием статистической информации об их состоянии, автономностью работы. Продолжительный срок службы ЭТС ОВТ привел к росту постепенных (параметрических) отказов. Параметрическая нестабильность ЭТС стала одной из главных причин снижения их уровня качества при эксплуатации. Стала очевидной необходимость обязательного учета параметрической надежности при разработке, изготовлении, наладке ЭТС ОВТ и их элементов.
Отечественный и зарубежный опыт проектирования и эксплуатации ЭТС различного назначения показывает, что основную часть отказов составляют постепенные отказы, а задача учета отклонений параметров от расчетных значений и обеспечения требуемого уровня качества при наличии таких отклонений является одной из наиболее сложных и трудоемких задач проектирования. При этом по мере усложнения ЭТС, повышения требований к их надежности и роста ответственности за выполняемые ими функции, необходимость и важность решения этой задачи постоянно возрастают. Данное обстоятельство привело к появлению развиваемого в настоящее время функционально-параметрического направления в теории надежности, которое предусматривает управление эксплуатационной надежностью ЭТС с учетом определения их технического состояния в условиях ограниченной информации или ее полного отсутствия.
В этой связи особую актуальность приобретает проблема параметрического управления состоянием ЭТС ОВТ, которая в полной мере вписывается в эту стратегию, направлена на обеспечение работоспособности систем и включает в свой состав задачи их оптимального параметрического синтеза и оценки состояния на всех этапах жизненного цикла. Решение этой проблемы обеспечит экономию трудовых, материальных и финансовых ресурсов, что особенно важно в условиях развития рыночных отношений. Следует отметить и положи-
тельный социальный аспект, который выражается в снижении стрессовых ситуаций для персонала, связанных с отказами электрооборудования и необходимостью принятия мер по их ликвидации.
Степень разработанности темы исследования. Разработке методологических основ моделирования и управления состоянием технических объектов посвящены работы таких ученых, как: Арефьев И. Б., Барзилович Е. Ю., Варжапетян А. Г, Герман-Галкин С. Г., Гнеденко Б. В., Казаков И. Е., Кашков-ский В. В., Климов Е. Н, Ковтун Л. И., Коршунов С. В,. Назарычев А. Н., Налимов В. В., Николаев В. И., Норенков И. П., Подиновский В. В., Сиротин Н. Н., Советов Б. Я., Увайсов С. У., Юрков Н. К.
Существенные результаты в развитие теории и практики параметрической надежности, параметрического синтеза и диагностирования ЭТС, включая судовые и береговые технические изделия, получены при активном участии: Батищева Д. И., Васильева Б. В., Гаскарова Д. В., Дидука Г. А., Дружинина Г. В., Калявина В. П., Киреева Ю. Н., Климова Е. Н., Краснова И. А., Кузнецова С. Е., Маслова А. Я., Мозгалевкого А. В., Мироновского Л. А., Норенкова И. П., Осипова О. И., Пархоменко П. П., Половко А. М., Портнягина Н. Н., Пюкке Г. А., Рябинина И. А., Сахарова В. В, Соболя И. М., Статникова Р. Б., Смагина Ю. Е., Тарарыкина С. В., Черноруцкого И. Г., и др.
Весомый вклад в развитие методов параметрического синтеза технических систем с учетом требований надежности внесли сотрудники отдела «Проблем надежности и качества» ИАПУ ДВО РАН под руководством Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора Абрамова О. В.
Обзор литературных источников показал, что имеется большое количество публикаций, посвященных решению конкретных задач проблемы управления состоянием ЭТС. Однако, отдельные вопросы параметрического управления состоянием ЭТС рассмотрены недостаточно полно. Специфика эксплуатации и развития ЭТС ОВТ накладывает дополнительные ограничения на выбор критерия оптимальности. В работе установлено, что в качестве такого критерия следует выбрать запас работоспособности системы. При этом управлять запасом работоспособности следует на всех этапах жизненного цикла ЭТС.
Анализ известных методов параметрической оптимизации технических систем по критерию запаса работоспособности позволил сделать вывод, что основными недостатками этих методов являются низкая достоверность результатов оптимизации при большой размерности пространства параметров ЭТС и практическая трудность их применения для систем, у которых область работоспособности имеет сложную конфигурацию. Отсутствуют эффективные методы и средства оценки состояния ЭТС в условиях ограниченной информации, включая алгоритмы определения их запаса работоспособности.
Из изложенного следует, что для ЭТС ОВТ требуется разработка комплексного подхода, направленного на обеспечение работоспособности этих систем параметрическими методами на всех этапах их жизненного цикла. Необходимы дальнейший поиск и разработка эффективных методов, алгоритмов и технических средств параметрической оптимизации ЭТС ОВТ по критерию запаса работоспособности и достоверной оценки их технического состояния.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является решение проблемы обеспечения работоспособности ЭТС ОВТ на основе разработки теории, методов и средств параметрического управления их состоянием на всех этапах жизненного цикла.
Для достижения поставленной цели определены, сформулированы и решаются следующие задачи:
-
Функционально-структурный анализ категорий «электротехническая система», «состояние» и разработка методологии управления состоянием ЭТС на всех этапах жизненного цикла системы применительно к ОВТ.
-
Выбор и обоснование целевой функции при решении многокритериальной задачи параметрического управления состоянием ЭТС ОВТ.
-
Анализ основных факторов, определяющих параметрическую нестабильность ЭТС ОВТ, методов обеспечения их запаса работоспособности и оценки технического состояния на стадии эксплуатации.
4. Разработка метода математического описания сложных многомассовых
ЭТС и способа взаимного отображения пространств состояний и управляемых
параметров, обеспечивающих их высокую адекватность и возможность приме
нения для решения задач параметрического управления состоянием.
5. Исследование и разработка методов и алгоритмов поиска граничных
точек областей работоспособности ЭТС ОВТ и их аппроксимации, характери
зующиеся эффективностью, точностью и отличающихся возможностью их
применения для многопараметрических систем.
6. Исследование и разработка методов и алгоритмов параметрической оп
тимизации ЭТС ОВТ на основе информации о границе области работоспособ
ности, имеющей разные виды конфигурации. Разработка методики настройки
таких систем по критерию запаса работоспособности.
7. Разработка методов идентификации диагностических параметров и
оценки запаса работоспособности ЭТС ОВТ в процессе их эксплуатации.
8. Разработка структуры автоматизированной системы параметрического
управления состоянием ЭТС ОВТ, включающей все этапы жизненного цикла
системы, и технических средств, автоматизирующих отдельные задачи этого
процесса.
Научная новизна работы состоит в получении следующих основных результатов:
-
Разработана на основе функционально-структурного анализа методология параметрического управления состоянием ЭТС ОВТ, позволившая выбрать и обосновать целевую функцию управления, сформулировать требуемые решения задачи и пути их решения, направленные на обеспечение работоспособности ЭТС ОВТ для всех этапов их жизненного цикла.
-
Обосновано использование запаса работоспособности в качестве целевой функции при решении задач параметрического управления состоянием ЭТС ОВТ.
3. Получена обобщенная модель процессов изменения состояния ЭТС в
различных режимах работы, позволяющая оценить вероятности их пребывания
в состояниях, различающихся запасом работоспособности.
-
Разработан метод моделирования и упрощения расчетных схем механических систем, позволивший существенно повысить адекватность эквивалентной расчетной схемы системы за счет учета коэффициентов жесткостей упругих связей и внутреннего вязкого трения.
-
Предложен способ аналитического и экспериментального взаимного отображения пространств состояний и управляемых параметров, позволивший для ЭТС, характеризующихся высокой размерностью, аналитически описывать ограничивающие область работоспособности гиперповерхности, необходимые для решения задач параметрического управления состоянием этих систем.
-
Разработан метод аналитического описания областей работоспособности ЭТС, назначающий допуски на управляемые параметры системы, и отличающийся принципиальной возможностью его использования для произвольной размерности пространства управляемых параметров, простотой и низкой методической погрешностью аппроксимации области работоспособности.
-
Разработаны методы и алгоритмы построения и аппроксимации областей работоспособности ЭТС в виде множества граничных точек, отличающиеся принципиальной возможностью их применения для систем, характеризующихся высокой размерностью пространства управляемых параметров и низкими затратами времени на практическую реализацию.
-
Разработаны методы параметрической оптимизации ЭТС ОВТ по критерию запаса работоспособности, принципиально отличающиеся от известных методов и позволившие найти глобальный оптимум для произвольной формы области работоспособности и, как следствие, для любой структуры ЭТС.
-
Разработаны методы и алгоритмы идентификации диагностических параметров и определения работоспособности ЭТС ОВТ, отличающиеся принципиальной возможностью оценки запаса работоспособности этих систем.
-
Предложена методика оценки достоверности контроля состояния ЭТС ОВТ, отличающаяся низкой методической погрешностью и возможностью применения для систем высокой размерности.
-
Разработана структура автоматизированной системы параметрического управления состоянием ЭТС ОВТ, позволившая объединить задачи управления, имеющие место на различных этапах их жизненного цикла. Для автоматизации отдельных этапов этого процесса разработаны технические устройства, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами на изобретение.
Теоретическая значимость работы состоит в разработке теории и методов параметрического управления состоянием ЭТС ОВТ, позволивших комплексно решить ряд важнейших задач обеспечения работоспособности ЭТС параметрическими методами, направленными на повышение их параметрической надежности и, как следствие, на снижение эксплуатационных затрат.
Практическая значимость работы заключается в разработке на базе теоретических исследований инженерных приложений, алгоритмов, программ и технических средств, предназначенных для решения практических задач обеспечения работоспособности ЭТС ОВТ на всех этапах их жизненного цикла.
Практическое использование результатов диссертационной работы позволит снизить количество отказов ЭТС ОВТ, повысить уровень качества их ра-
боты и сократить время на проектирование и настройку конкретных систем.
Методология и методы исследования. Методология исследования при выполнении диссертационной работы обусловлена использованием для решения сформулированных задач методов оптимизации, исследования операций, теории автоматического управления, планирования эксперимента, теории графов, математического анализа, алгебры логики, аналитической геометрии, статистического моделирования, моделирования электрических цепей и динамических систем, теории надежности и технической диагностики, теории вероятностей и математической статистики, теории принятия решений и многокритериальной оптимизации.
Положения, выносимые на защиту. К основным положениям и результатам работы, выносимым на защиту, относятся:
-
Методология параметрического управления состоянием ЭТС ОВТ, основанная на анализе категорий «электротехническая система», «состояние», «управление состоянием», классификации видов состояний и способов управления состоянием ЭТС на различных этапах их жизненного цикла.
-
Методы и модели параметрического управления состоянием ЭТС ОВТ, позволившие расширить число качественно различных состояний систем, определить вероятности этих состояний и аналитически, с высокой достоверностью, описать многомассовые ЭТС на основе представления расчетных моделей механических систем в виде цепных схем.
-
Методы и алгоритмы поиска граничных точек областей работоспособности и их аппроксимации, предназначенные для решения задач параметрического синтеза ЭТС с большим числом управляемых параметров.
-
Метод аналитического назначения допусков на управляемые параметры ЭТС, характеризующийся принципиальной возможностью его использования для произвольной размерности пространства параметров и низкой методической погрешностью аппроксимации области работоспособности.
-
Методы параметрической оптимизации ЭТС по критерию запаса работоспособности, основанные на идеях аналогии и последовательного сужения области работоспособности в направлении оптимума, характеризующиеся принципиальной возможностью определения глобального оптимума при любой форме области работоспособности.
-
Методы оценки состояния и определения запаса работоспособности ЭТС ОВТ в процессе эксплуатации и методика оценки достоверности контроля их состояния, основанная на вычислении методической погрешности аппроксимации области работоспособности.
-
Принципы и способы построения автоматизированной системы параметрического управления состоянием ЭТС ОВТ и технические устройства для практической реализации методов параметрической оптимизации и контроля состояния этих систем на стадиях производства и эксплуатации.
Степень достоверности. Достоверность научных положений, результатов исследований, выводов и рекомендаций подтверждается:
удовлетворительным согласованием результатов теоретических расчетов с результатами, полученными в ходе многих экспериментальных исследований,
а также сопоставимостью этих результатов с данными, опубликованными известными учеными и специалистами в данной предметной области;
проведением сопоставительного анализа результатов компьютерного моделирования и данных натурных испытаний реальных ЭТС ОВТ.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы получены и использованы при выполнении госбюджетных НИР и хоздоговорных работ, проводимых по заказам Федерального агентства морского и речного транспорта и предприятий отрасли. Результаты работы используются в учебном процессе для направлений подготовки специалистов 140604.65 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и бакалавров 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» при разработке и преподавании десяти учебных курсов.
Внедрение результатов работы отражено в соответствующих актах.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на 54 научно-технических конференциях, симпозиумах, конгрессах и семинарах, наиболее значимыми из которых являются: семинары секции надежности и технического диагностирования центрального правления научно-технического общества имени академика А. Н. Крылова (Ленинград – 1981, 1984, 1988); Всесоюзная научно-техническая конференция «Проблемы комплексной автоматизации судовых технических средств» (Ленинград – 1982); Всесоюзная конференция «Обеспечение надежности и качества технических систем методами диагностики» (Челябинск – 1985); семинар «надежность и качество функционирования систем» (филиал семинара по проблемам надежности АН СССР (Москва, МИИЖТ – 16.01.1986); Всесоюзная школа-семинар «Диагностирование, надежность, неразрушающий контроль электронных устройств и систем» (Владивосток – 1990); VII Всесоюзное совещание по технической диагностике и отказоустойчивости (Саратов – 1990); I, XIV, XV Международные конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Суздаль – 1994, Алушта – 2012, 2014); VI Международная научно-техническая конференция "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств" (Санкт-Петербург – 1998); V, VI, VIII Международные (XVI, XVII, XIX Всероссийские) конференции по автоматизированному электроприводу (Санкт-Петербург – 2007, Тула – 2010, Саранск – 2014); Международная научно-практическая конференция, посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (Санкт-Петербург – 2009); II, III, V Международные научно-практические конференции «Современные информационные и инновационные технологии на транспорте» (Украина, Херсон – 2010, 2011, 2013); Международная научно-практическая конференция «Водный транспорт России: Инновационный путь развития» (Санкт-Петербург – 2010); XII, XIV Международные конференции «Региональная информатика» (Санкт-Петербург – 2010, 2014); IV, VI, VIII Всероссийские мультиконференции по проблемам управления (Таганрог – 2011, 2013, 2015); VII Международная
научно-практическая конференция «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск – 2012); Международная научно-техническая конференция «Автоматический контроль и автоматизация технологических процессов» (Белоруссия, Минск – 2012); Международная научно-практическая конференция "Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы" (Ульяновск – 2012); XIV, XV Международные конференции "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" (Самара – 2012, 2013); XVIII, XIX, XX, XXI Международные симпозиумы «Надежность и качество» (Пенза – 2013, 2014, 2015, 2016); Международная научно-техническая конференция «Вычислительный интеллект» (Украина, Черкассы: Маклаут – 2013); Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям, IS&IT’13 (Таганрог – 2013); II Международная научно-практическая конференция «Fundamental and applied sciences today” (USA, North Charleston – 2013); научно-практический семинар «Методы и средства наладки электроприводов» (Москва, «НИУ МЭИ» – 2014); V Международная конференция «Математика, ее приложения и математическое образование» (Улан-Удэ – 2014); XI, XII Международные научно-практические конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Москва – 2014, 2015); VII Международная научно-практическая конференция «Science in the modern information society» (USA, North Charleston – 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано около 200 работ, в числе которых 4 монографии, 10 учебных пособий, 90 статей, из них 45 статей опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК, 14 авторских свидетельств на изобретения, 70 докладов и тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 226 наименований и 7 приложений. Общий объем диссертации составляет 411 страниц текста, включая 102 рисунка, 34 таблицы и 7 приложений на 33 страницах.
Показатели качества и критерии параметрического управления состоянием электротехнических систем
В настоящее время отсутствует общепринятое определение категории «электротехническая система». Это приводит к субъективным толкованиям данного понятия и, как следствие, к неточностям и разночтениям при решении разнообразных задач анализа и синтеза ЭТС [167, 168, 172]. Воспользуемся функционально-структурным анализом и дадим определение ЭТС применительно к ОВТ. Для решения этой задачи рассмотрим близкие к ЭТС определения, приведенные в стандартах и справочниках, а также определения ближайших более общих понятий – техническая система и система. При этом, следуя функционально-структурному анализу, будем исходить из того, что любая техническая система реализует определенную совокупность функций, воспроизведение которых определяется совокупностью элементов системы, объединенных в соответствующую структуру. При взаимодействии элементов системы можно выделить процессы преобразования вещества, энергии и информации.
Электротехника – отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека. С другой стороны, электротехника – область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях. Электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения информации. Из приведенных определений следует, что электроника является составной частью электротехники, которая, в свою очередь, является составной частью более общего понятия – техника [172].
Электротехническое изделие – изделие, предназначенное для производства или преобразования, передачи, распределения или потребления электрической энергии (ГОСТ 18311-80).
Согласно ГОСТ 15895-77 изделие – это единица промышленной продукции, количество которой может исчисляться в штуках (экземплярах). По ГОСТ 2.101-68 изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. При этом устанавливаются следующие виды изделий: детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты. Комплекс – два и более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций. В комплекс, кроме изделий, выполняющих основные функции, могут входить детали, сборочные единицы и комплекты, предназначенные для выполнения вспомогательных функций. В литературе имеются и другие, близкие по содержанию определения изделия, из которых следует, что этот термин, прежде всего, характеризует предмет производства. Вместе с тем, по ГОСТ Р 53480-2009 под изделием понимается любая функциональная единица, которую можно рассматривать в отдельности. Под это определение попадают, например, программное обеспечение или группа людей.
В настоящей работе к электротехническим изделиям будем относить электротехнические предметы производства, в частности, электротехнические комплексы (ЭТК). Известны следующие определения этого понятия. ЭТК – система, состоящая из преобразовательного, электротехнологического, передаточного, информационно-управляющего устройства, и предназначенная для реализации заданного технологического процесса [91]. Судовой ЭТК – два или более электротехнических модуля предназначенных для выполнения взаимосвязанных функций [71]. Здесь понятие модуля фактически совпадает с понятием изделия, подчеркивается лишь, что изделие функционально и конструктивно завершено.
Таким образом, будем считать, что ЭТК – это два или более электротехнических изделия, состоящих из составных частей и предназначенных для выполнения взаимосвязанных функций.
Электронное изделие – изделие, содержащее в конструкции электронные элементы, блоки и узлы (ГОСТ P53314-2009). Электронный элемент – комплек 24 тующий элемент, в котором осуществляется электронная или электронно-дырочная проводимость. Комплектующие элементы (компоненты) – это отдельные элементы, совокупность которых обеспечивает единство конструкции и выполнение функций изделия. Электронный узел – группа электронных элементов, расположенных в конструкции, замена которых может быть проведена без повреждения конструкции. Электронный блок – группа узлов, по крайней мере, один из которых электронный. Таким образом, электронное изделие – это слаботочное изделие, потребляющее электрическую энергию, состоящее из электронных элементов и предназначенное для обработки, хранения и передачи некоторой информации. Из приведенных определений следует, что электронное изделие является частным случаем электротехнического изделия.
Электротехническое устройство – совокупность взаимосвязанных электротехнических изделий, находящихся в конструктивном и (или) функциональном единстве, предназначаемая для выполнения определенной функции по производству или преобразованию, передаче, распределению или потреблению электрической энергии (ГОСТ 18311-80). С другой стороны, электротехническое устройство – совокупность компонентов, использующая электромагнитную энергию для выполнения определенной функции. При этом устройство может быть рассмотрено как компонент более сложной совокупности (МЭК 50(151)-78). В отличие от понятия электротехническое средство в определении электротехнического устройства (ЭТУ) подчеркивается, что оно предназначено для выполнения определенной функции и состоит из нескольких или одного изделия.
Категории система и техническая система не имеют однозначного толкования. В литературе приводится достаточно много определений этих понятий. Например, согласно ГОСТ 34.003-90 система – это совокупность элементов, объединенная связями между ними и обладающая определенной целостностью.
Отображение статических и динамических свойств электротехнических систем факторными моделями
Одной из первых попыток решения этих задач можно считать метод граничных испытаний, который разработан в лаборатории Линкольна Массачусет-ского технологического института в США в конце 50-х годов прошлого века [226]. Метод основан на имитации изменения параметров элементов и исследовании соответствующего изменения выходных ее параметров. Допустимое изменение параметров схемного элемента определяется в зависимости от одного из параметров системы, который называется параметром граничных испытаний. Этот параметр обычно характеризуется наибольшей чувствительностью. Далее строятся области на плоскости в пространстве данного параметра и поочередно для всех остальных первичных параметров. Таким образом, получают совокупность областей на плоскости, где одним из параметров является параметр граничных испытаний. Достоинством метода является его простота и возможность применения при высокой размерности задачи. К недостаткам относятся: невозможность выбора номиналов и допусков в случае зависимости первичных параметров между собой; недостаточная полнота получаемой информации, необходимой для точного решения рассматриваемых задач; низкая эффективность вследствие статичности исследования - все параметры, кроме двух варьируемых, остаются неизменными; возможность применения только при линейности функциональных связей.
Развитием метода граничных испытаний является метод рабочих областей [92]. Это графоаналитический метод, основанный на принципе последовательного усечения области оптимальных решений. В процессе оптимизации используются двумерные сечения области работоспособности. К достоинствам метода следует отнести простоту реализации, высокую точность, адекватность процесса моделирования реальным процессам, возможность определения наиболее критичного первичного параметра. Недостатками метода являются: критичность к размерности задачи (п 5); трудность учета связи между номинальными значениями параметров и допусками на них. Кроме того, методу в той или иной степени присущи все недостатки граничных испытаний.
Одним из самых известных является метод матричных испытаний, впервые предложенный Б. В.Васильевым [43]. Метод основывается на более полном ис 63 следовании границ области работоспособности за счет получения матрицы отказов и аналитического расчета центра тяжести области. Доказано, что проектное решение, полученное как центр тяжести области G, максимизирует функцию P(t) для выпуклых областей. Суть метода сводится к тому, что диапазон изменения каждого определяющего первичного параметра системы разбивают на кванты и считают, что середина кванта полностью характеризует значение параметра. Далее перебирают все возможные ситуации и делают заключение о работоспособности системы. Достоинством метода является возможность получения полной информации об исследуемой ЭТС за счет учета многомерности области работоспособности. К недостаткам следует отнести резкое увеличение объема испытаний в зависимости от числа исследуемых параметров. Кроме того, требуются достаточно сложные аналитические расчеты по определению центра тяжести области работоспособности, которая при этом может быть только выпуклой.
Развитие метода матричных испытаний шло в направлении учета реальных производственных законов распределения параметров элементов [178] и в смещении заданной матрицы исследования в соответствии с реальной формой области работоспособности [182], что позволяло получить более точные результаты. Однако оба подхода требовали большого объема исследований и вычислений. В работах [178] предложена модификация метода матричных испытаний. С целью сокращения объема испытаний была введена процедура случайного перебора исследуемых параметров. Кроме того, с целью получения более точных результатов, было предложено проводить матричные испытания с учетом реальных производственных законов распределения параметров элементов системы. Вместе с тем, предложенная модификация принципиально не позволила устранить недостатки известных алгоритмов, реализующих метод матричных испытаний. В работах [72, 83, 99, 178] предлагаются методы, объединяющие и развивающие граничные и матричные испытания. Так в работе [178] предложен метод динамических испытаний, который основывается на дискретно-непрерывном исследовании одновременно изменяющихся параметров при максимальном использовании получаемой в процессе испытаний информации для непрерывного и оптимального управления процессом испытаний. Достоинством методов является одновременное и непрерывное изменение исследуемых параметров с измерением запаса работоспособности, что исключает ошибки, вызванные поэтапным построением n-мерной области с нелинейно-зависимыми параметрами. Кроме того, перебор ситуаций производится не по жесткой программе с постоянным шагом квантования, а по гибкой программе, базирующейся на идеях планирования эксперимента. При этом запас работоспособности может оцениваться не только отношением числа благоприятных ситуаций ко всему числу ситуаций, но и как кратчайшее расстояние от рабочей точки до границы области работоспособности в любом выбранном для оценки качества функционирования сечении. В методе проекций [182], в отличие от рассмотренных методов, производится смещение заданной матрицы исследований в соответствии с формой области работоспособности.
Общим недостатком этих методов является большой объем исследований и невозможность получения точного решения задач параметрического синтеза.
Для решения задач параметрического управления состоянием ЭТС на этапе проектирования могут быть принципиально использованы иетоды теории чувствительности. Вместе с тем, они отличаются трудоемкостью и невозможностью оценки степени близости полученного решения к глобальному оптимуму.
Большой класс методов оптимального определения номиналов и допусков представляют собой поисковые методы [35, 106, 187, 194, 199]. Их можно разделить на следующие группы: косвенные методы; прямые методы; методы случайного поиска; детерминированные методы поиска. Косвенные методы поиска обычно связаны с отысканием корней системы уравнений частных производных целевой функции, однако эти методы сложны и не являются универсальными. Прямые методы поиска исследуют множество решений и отыскивают в этом множестве наиболее подходящее. Эти методы не требуют вычисления производных, а функциональные связи могут быть описаны в неявном виде.
Оценка погрешности определения границы области работоспособности сеточными методами
Воздействия внешних дестабилизирующих факторов ускоряют процессы старения. По влиянию на элементы ЭТС эти факторы можно условно разделить на 6 групп: климатические (изменение температуры окружающей среды, повышенная влажность, пониженное атмосферное давление, иней и роса, морской туман, солнечная и земная радиация, запыленность); механические (вибрации, удары, линейные ускорения); нагрузка (постоянная, с переменным моментом инерции, через жесткость крепления, посредством изменения момента трения); изменения в системе питания (изменение уровня или амплитуды напряжения, изменение частоты тока, ухудшение качества электроэнергии); электромагнитные поля (постоянные и переменные, низкой и высокой частоты); биологические (действие микроорганизмов – плесени и т.п., насекомых, энергоинформационные поля обслуживающего персонала) [89, 110].
Базовыми компонентами любой ЭТС являются пассивные (резисторы, индуктивности, конденсаторы) и активные (диоды, транзисторы, микросхемы) элементы. Рассмотрим влияние внешних факторов на эти элементы.
Анализ показывает, что основными внешними факторами появления постепенных отказов резисторов и конденсаторов являются влага и температура. Повышение влажности окружающей среды является причиной увеличения тангенса угла потерь, снижения электрической прочности и сопротивления изоляции, что приводит к снижению пробивного напряжения конденсаторов. Учет температурных воздействий для конденсаторов, как и для резисторов, определяется температурным коэффициентом емкости, который является случайной величиной. Основными причинами постепенных отказов трансформаторов, дросселей и катушек индуктивности являются снижение сопротивления изоляции, ухудшение магнитных характеристик и потеря добротности. Число постепенных отказов увеличивается при работе этих элементов в условиях повышенной влажности и температуры. На основные параметры полупроводниковых диодов, стабилитронов прежде всего оказывают влияние температурные воздействия, влага, режим работы, чувствительность к электрическим перегрузкам. Значительная доля отказов транзисторов (примерно 42%) имеет постепенный характер. Эти отказы связаны с превышением допустимых отклонений параметров транзисторов от нормы. Основная часть отказов связана с постепенным ухудшением (дрейфом) параметров, вызываемых главным образом изменением состояния поверхности полупроводника.. Одной из самых характерных причин ухода функциональных параметров транзисторов является изменение температуры. Причиной постепенных отказов интегральных микросхем является попадание влаги или загрязнение ионами лицевой поверхности кристалла. Снижение срока службы может происходить при повышенных температурах вследствие ускорения диффузии примесей в переходы. Сопротивления резисторов также возрастают, что приводит к такому уменьшению величины переключаемых токов, что суммарное влияние температуры сказывается на уменьшении фронтов и увеличении задержек в транзисторах [37, 85, 89].
Рассмотрим влияние других факторов на изменение первичных параметров ЭТС ОВТ. Для достаточно большого класса ЭТС - электроприводов нагрузка может носить постоянный, переменный или позиционный характер. Инерционная нагрузка определяет колебательность переходных процессов, причем при увеличении этой нагрузки частота колебаний уменьшается, а перерегулирование увеличивается. Например, для рулевых электроприводов при увеличении инерционной нагрузки J постоянная времени нарастания скорости выходного звена увеличивается примерно пропорционально VJ, запаздывание при этом также несколько возрастает. Влияние момента трения нагрузки на динамические характеристики и точность системы выражается в увеличении их показателей устойчивости, в снижении быстродействия и статической точности. Вибрационные возмущения, создаваемые электромеханическими преобразователями, вызывают вынужденные колебания их узлов, что приводит к снижению динамических и точностных показателей качества ЭТС в целом, так как на валу нагрузки появляется периодически действующий момент. Вибрации влияют на настраиваемые элементы, например, на потенциометры, уменьшая или увеличивая их сопротивления [189, 198].
Непрерывное изменение свойств комплектующих элементов и, как следствие, изменение их параметров происходит в результате старения и износа. Под старением понимается совокупность физических и химических процессов, которые протекают в системе и приводят к необратимым изменениям ее работоспособности. Под износом понимается процесс, в результате которого изменяются рабочие параметры ЭТС, и снижается надежность ее работы [85, 108, 176].
Анализ работ [4, 89, 117] показывает, что такие изменения в большинстве случаев являются достаточно медленными и монотонными, причем каждый тип элемента имеет свою типичную кривую старения. Однотипные элементы дают близкие по форме кривые, но с различными параметрами. Модели процессов старения выбирают среди случайных процессов, тренд которых имеет определенную функциональную зависимость от времени, а случайные параметры не зависят от времени.
Любая ЭТС питается от источника энергии, обеспечивающего выполнение возложенных на систему функций. Для судовых и некоторых береговых ЭТС источники энергии имеют ограниченную мощность. Это приводит к существенным колебаниям амплитуды напряжения и частоты автономной питающей сети. Колебания параметров источников питания влияют на характеристики электронных и электромеханических элементов системы и снижают ее показатели назначения. Аналитические зависимости выходных параметров элементов ЭТС от колебаний напряжения и частоты носят нелинейный характер. Поэтому оценку влияния нестабильности источников питания получают обычно экспериментальным путем.
Воздействие непрерывной проникающей радиации приводит к постепенному необратимому изменению первичных параметров ЭТС в связи с нарушениями в структуре материала, а также в изменении его химического состава. Наиболее чувствительными к воздействию радиации являются полупроводниковые элементы. Полученные экспериментально в ряде работ зависимости параметров этих элементов от воздействия облучения являются нелинейными В литературе отмечается также воздействие на свойства ЭТС электромагнитных и энергоинформационных полей, которые находятся в стадии изучения [108].
Алгоритм назначения допусков на параметры электротехнических систем
Переход от координат 0X[X 2 к координатам 0XхX2 производится по известным формулам [158] и для угла поворота между осями Xi\ и Xi, равного 0,25тг получим, что X[ = (X1 + X2)Д/2 и X 2= (X1 -X2)/ І2. Градиентные методы поиска. Для случая, когда зависимость между параметрами X и Y ЭТС является унимодальной функцией, разработан алгоритм целенаправленного определения первой граничной точки области работоспособности. Суть алгоритма основана на увеличении значения і?-функции G(X) до тех пор, пока эта функция не станет положительной. Наиболее эффективными с точки зрения быстродействия являются алгоритмы, реализующие градиентные методы [35, 187]. Вычислим функцию G(AQ) и ее градиент в начальной точке A,. Следующая точка Aх определяется по формуле A1=A0 -HgradGA), где Н - диагональная матрица приращения по координатам Xi, i = \,n. Далее процедура поис 127 ка состоит в проверке выполнения условия G{Al) G(AQ) . Если условие выполняется, то дальнейшее определение точек осуществляется по формуле Ak+l = Ак- HgradG(4fc). (3.15) Определение точек по формуле (3.15) происходит до тех пор, пока соблюдается условие G(Ak+1) G(Ak) 0. Используя свойства Я-функций можно построить такую функцию G(X), которая допускает многократные операции дифференцирования. В том случае, если использование градиентных методов затруднительно, для решения задачи, как показал анализ известных поисковых методов оптимизации, целесообразно использовать процедуру симплексного поиска [54].
Симплексный метод поиска. Анализ тестовых примеров показал, что для решения рассматриваемой задачи наиболее эффективна специально разработанная процедура адаптивного симплексного поиска с переменным шагом. Предлагаемый алгоритм [131] позволяет: исключить при поиске анализ выполнения ограничений на координаты отображаемой точки, поскольку они автоматически учитываются целевой функцией, представляющей собой аналитическое описание области работоспособности; повысить быстродействие алгоритма за счет использования процедуры адаптации, предусматривающей уменьшение размера симплекса в зависимости от траектории его движения; использовать алгоритм при большой размерности пространства первичных параметров и любой заданной точности определения координат точки RQ . При этом расчетное число шагов поиска и коэффициент, определяющий закон уменьшения шага поиска, вычисляются по специально выведенным расчетным формулам.
Исходными данными алгоритма являются: допусковая область Dx, определяющая предельные значения параметров X., / = \,п; координаты центра исходного симплекса, совпадающие с центром области Dx; размер ребра исходного симплекса d0; функция, определяющая закон уменьшения шага поиска juk; допустимая погрешность определения координат граничных точек S; целевая функция G(X) в виде аналитического описание области; параметр к = 0, определяющий номер шага поиска первой граничной точки R = RQ. Координаты вершин регулярного симплекса с центром в центральной точки области Dx. задаются строками матрицы S размером (и + 1)хи: где SXt = (Xfmax + Xfmin)/2, і = \n\ rn= d/J2n(n + X), Rn = djn/2(n + X). Элементы rn и Rn матрицы S представляют собой радиусы вписанной и описанной гиперсфер соответственно для и-мерного симплекса со стороной d.
В пространстве R" первичных параметров X существуют (п +1)! направления, по которым перемещение центра симплекса происходит наиболее быстро. Направляющие косинусы для всех направлений наискорейшего движения центра симплекса задаются всеми перестановками чисел с1,с2,...,сп: 3 {п + \- Jn + \)(n + 2-2t) с. (i + a) 2п Jn(n + X)(n + 2) гдеґ = 1Д...,и + 1; я = 1 при/ ґ; я = 0 при/ ґ. Смещение центра симплекса А вдоль любого направления наискорейшего движения к цели за один шаг равно модулю проекции вектора шага Л = 2г на это направление и определяется следующим выражением [54]: Л = /Д/и(и + 1)(и + 2)/6. При перемещении симплекса по одному из направлений наискорейшего движения траектория центра симплекса будет иметь вид ломаной винтовой линии. Модуль проекции вектора d = Vlk+X - Vlk на направление наискорейшего движения равен Л , где Vlk - новая вершина симплекса на к–м шаге поиска. Согласно работе [54] выбор величины d0 следует выполнять из условия d0 b[n(n + \)/2f5/(2 + n), где b - минимальный диапазон изменения одного из параметров. Принимая во внимание скорость движения симплекса и его маневренность в начале поиска, размерность пространства параметров R", а также безразмерную систему координат с предельными значениями параметров X. 1, і = \,п, полу чим следующую расчетную формулу: d0 = (n-\)[2(n + 3)/nf5/(n + 2) .
Погрешность определения координат граничных точек зависит от размера ребра dN последнего симплекса. Для вычисления dN, при котором погрешность поиска не превышает заданную, воспользуемся известной формулой [54]: dN=S[2n/(n + \)f. Для уменьшения размеров симплекса при поиске воспользуемся функцией juk = е Ък, которая обеспечивает высокую скорость движения симплекса и равномерное уменьшение его размеров на каждом к-м шаге поиска. Параметр Ь, уменьшения размеров симплекса при поиске, рассчитывается по формуле: b = (lnd0-lndN)/N. Для вычисления коэффициента Ъ необходимо знать число шагов поиска N. Выведем эмпирическую формулу для расчета этого числа.
Суммарное перемещение центра симплекса вдоль любого направления наискорейшего движения при переменном шаге поиска должно быть равно заданному значению L. Следуя работе [54], получим N (3.17) = 2г0б/0]Гф Мк_1+-{ Мк_1-Мк) к=\ L где ф = sin 0,5тгк\ cos р0 + cos 0,5тгк\ cos а0; dk= d0/uk; ъ 1 + СіГб/(и + 2)-11 і—-( —г — cosа0 = . ; cosP0 = Jl-11-cos аЛ сх; сх = J\ + c 2l+2cl\6l(n + 2)-\\ V V П Заданное значение L определяется расстоянием от центра области DX , в котором расположен центр исходного симплекса, до границы этой области. Отсюда 130 следует, что Ьє 1;yfn , где у/п определяется движением симплекса по главной диагонали гиперкуба DX. В качестве начального расстояния примем L0 = %fn. По мере движения симплекса к цели значение L будет уточняться.
Анализ выражения (3.17) показал, что зависимость Л0 = f(g,n) при L = L0 является существенно нелинейной, а функция N0 = f(ri) при заданных значениях g может быть аппроксимирована зависимостью N1 = a1n1 +s1 при п = 3,4,...9 и зависимостью N2 = a2n2+s2 при и = 10,11,...,100. Для построения функции N0=f(n) воспользуемся Я-конъюнкцией функций Ж и N2. При этом получим: Л 0 = 0,5[(9,5-«)Л 2 + («-9,5)М1-(9,5-«)Л 2-(«-9,5)М1]/9,5-«.