Содержание к диссертации
Введение
1, Проблемы моделирования ЭТУС 20
1.1. Концептуальная модель ЭТУС как объекта моделирования 20
1.2. Моделирование ЭТУС в задачах проектирования и обучения 27
1.3. Теоретические основы автоматизированного моделирования ЭТУС 32
1.4. Программные средства моделирования ЭТУС в задачах исследования и обучения 53
1.4.1. Анализ требований к ПСМ ЭТУС 53
1.4.2. Общая характеристика ПСМ ЭТУС 56
Результаты и выводы по первой главе 70
2. Теоретические основы моделирования ЭТУС 72
2.1. Метод компонентных цепей как теоретическая основа многоуровневого моделирования ЭТУС 72
2.1.1. Понятийно-определительный и матрично-топологический аппарат МКЦ 72
2.1.2. Сравнительный анализ методов моделирования 79
2.2. Развитие МКЦ для визуального схемного моделирования ЭТУС 81
2.2.1. Модель процесса визуального схемного моделирования .81
2.2.2. Теоретико-множественные модели компонента и компонентной цепи 85
2.2.3. Принципы разработки моделей компонентов 92
2.2.4. Классификация компонентов 94
2.2.5. Классификация и теоретико-множественные модели группирующих сущностей КЦ 103
2.2.6. Исследование способов взаимодействия с моделью ЭТУС 106
2.2.7. Исследование подходов к моделированию взаимодействия ЭТУС и внешней среды 116
2.3. Теоретические основы аналитического моделирования на базе МКЦ 119
Результаты и выводы по второй главе 127
3. Исследование способов формализованного представления основных классов этус для решения задач схемного моделирования 129
3.1. Компоненты для схемотехнического моделирования электрических цепей и аналоговых электронных устройств 129
3.2. Исследование способов формализованного представления электромагнитных элементов 137
3.3. Исследование способов моделирования цифровых и аналого-цифровых устройств 144
3.4. Исследование способов формализованного представления электромеханических систем 148
3.4.1. Концепция моделирования электромеханических систем 148
3.4.2. Компоненты электрических машин 154
3.4.3. Компоненты механики 162
3.5. Компоненты для структурного моделирования ЭТУС 170
3.6. Исследование подходов к моделированию программных средств 181
Результаты и выводы по третьей главе 187
4. Алгоритмы моделирования ЭТУС 189
4.1. Общая характеристика требований к алгоритмам моделирования 189
4.2. Алгоритмы схемного моделирования 190
4.2.1. Базовый алгоритм невизуального схемного моделирования 190
4.2.2. Обобщенная структура вычислительной модели компонента и алгоритм визуального схемного моделирования 198
4.2.3. Алгоритмы автоматического кодирования КЦ 207
4.2.4. Алгоритмы моделирования нелинейных и импульсных САУ 213
4.2.5. Алгоритмы, повышающие быстродействие вычислительного эксперимента 2154.3. Алгоритм формирования КЦ математического выражения 219
4.4. Алгоритмизация процесса разработки моделей компонентов 223
4.4.1. Общая характеристика процесса разработки моделей компонентов 223
4.4.2. Алгоритмы генерации моделей компонентов 229
4.4.3. Приемы разработки моделей компонентов с моделями УГО нестационарного и динамического типа 240
Результаты и выводы по четвертой главе 237
5. Практическая реализация алгоритмов моделирования ЭТУС 242
5.1. Общие вопросы практической реализации алгоритмов моделирования ЭТУС 242
5.2. Общая характеристика ПСМ ЭТУС на базе МКЦ 249
5.3. Система схемного моделирования МАРС-ЭТУ 255
5.3.1. Общие вопросы программной реализации 255
5.3.2. Общая характеристика интерфейса пользователя 260
5.3.3. Библиотеки моделей компонентов ЭТУС 264
5.3.4. Методика проведения вычислительного эксперимента 276
5.4. Система автоматизации математических вычислений «Макрокалькулятор» 281
5.5. Генераторы моделей компонентов 283
5.5.1. Генераторы вычислительных блоков встроенных моделей 283
5.5.2. Генератор моделей условных графических обозначений 285
5.5.3. Генераторы моделей пользователя 287
Результаты и выводы по пятой главе 289
6. Практическое применение программных средств моделирования ЭТУС 291
6.1. Исследование достоверности компьютерных моделей компонентов и КЦ ЭТУС 291
6.1.1. Общие вопросы проверки достоверности моделей 291
6.1.2. Исследование моделей компонентов полупроводниковых приборов и режима многовариантного анализа 293
6.1.3. Исследование моделей компонентов электромагнитных элементов 296
6.1.4. Исследование моделей компонентов электрических машин 300
6.1.5. Исследование моделей компонентов САУ непрерывного типа 309
6.1.6. Исследование моделей компонентов цифровых устройств 316
6.2. Исследование моделей основных классов ЭТУС 318
6.2.1. Схемотехническое моделирование однородных ЭТУ с непрерывным регулированием 318
6.2.2. Физико-информационное моделирование однородных ЭТУ с импульсным регулированием .321
6.2.3. Схемотехническое моделирование неоднородных ЭТУС 323
6.2.4. Физико-информационное моделирование неоднородных ЭТУС с импульсным регулированием 326
6.2.5. Структурное моделирование ЭТУС 327
6.2.6. Моделирование САУ с дискретным временем и программных средств 332
6.3. Оценка алгоритмов моделирования по точности и быстродействию .336
6.4. Практическое применение ПСМ ЭТУС в задачах исследования и обучения 340
Результаты и выводы по шестой главе 348
Заключение 351
Список использованных источников
- Теоретические основы автоматизированного моделирования ЭТУС
- Теоретико-множественные модели компонента и компонентной цепи
- Исследование способов формализованного представления электромагнитных элементов
- Система автоматизации математических вычислений «Макрокалькулятор»
Введение к работе
Актуальность работы Несмотря на то что на смену прошлому столетию, названному веком энергетики, пришел век информации, а общество из индустриального превращается в информационное, большинство технологических процессов в различных областях деятельности человека по-прежнему связано с генерированием, преобразованием и потреблением электрической энергии. Электротехнические устройства и системы (ЭТУС) являются основой комплексной механизации и автоматизации производственных и технологических процессов, определяя технический прогресс и эффективность во всех сферах народного хозяйства, уровень развития вооружения и обороноспособность страны Необходимость разработки новых, модернизации и эксплуатации существующих ЭТУС ставит задачи их проектирования, а также подготовки специалистов в области проектирования и технической эксплуатации
Мощным средством исследования процессов функционирования ЭТУС, интенсификации и повышения производительности научно-исследовательского и инженерного труда является компьютерное моделирование, обеспечивающее оперативный расчет установившихся и переходных режимов работы, анализ во временной и в частотной областях, в штатных и нештатных эксплуатационных режимах Методологическую и методическую основу математического моделирования современных ЭТУС на базе устройств силовой электроники и микропроцессорной техники составляют системный подход, имитационное и аналитическое моделирование, численные методы исследования моделей, причем как имитационных, так и аналитических Выбор способа имитационного моделирования ЭТУС - схемотехническое, функциональное, логическое - определяется классом объекта и постановкой задач исследования С позиций задания исходной информации об объекте автор считает правомочным способы моделирования, для которых эта информация имеет вид схем, назвать в данной диссертационной работе «схемными» Трудности моделирования ЭТУС обусловлены их неоднородной физической природой, топологической и математической сложностью моделей, необходимостью реализации многоуровневого моделирования
Решению вопросов моделирования электромеханических и электроэнергетических систем, полупроводниковых преобразователей и систем управления посвящены работы Н Ф Ильинского, В К Цаценкина, А Е Козярука, Б Н Абрамовича, И П Копылова, А В Башарина, Ю В Постникова, В Н Нуждина, К В Кумунжиева, А.Р Колганова, С В Буренина, А Б Комарова, Н И Кузьмина, ЮВ Никитина, В Г Стеблецова, А В Сергеева, О Г. Камладзе, ВД Новикова, А Ф Казмиренко, М В Баранова, Ю.В. Илюхина, Д А Аветисяна, П Д Крутько, А И. Максимова, Л М Скворцова, В А Постникова, Г С Сипайлова, А А Воронова, И А Орурка, А.Н Антамошкина, Б П Соустина, В И Пантелеева, С А Бро-нова, ВИ Иванчуры, А И Чернышева, Ш.Н Исляева, АН. Ловчикова, ЮМ Казанцева, Р Т Шрейнера, Е К Ещина, И Е Наумкина, AM Корикова, Ю А Шу-рыгина и др В развитие теории и практики моделирования на ЭВМ объектов произвольной физической природы большой вклад внесли И П Норенков,
В Б Маничев, П К Кузьмик, О С Козлов, Д Е Кондаков, К А Тимофеев, Е А Арайс, В М Дмитриев, О И Мухин При этом Е А Арайсом и В М Дмитриевым был разработан универсальный метод моделирования физически неоднородных устройств, получивший название метода компонентных цепей Исследованию численных методов моделирования посвящены работы И П Норенкова, В Б Мани-чева, П Д Крутько, А И Максимова, Л М Скворцова, А И Петренко, А И Власова, А П Тимченко Среди зарубежных фирм ведущее положение в разработке программных средств моделирования занимают MathWorks, MicroSim, Cadence Design Systems, Interactive Image Technologies, National Instruments, Spectrum Software, MathSoft, Wolfram Research В области исследования численных методов следует отметить авторов J Vlach, К Singhal, Leon О Chua, Pen-Min Lin, E Hairer, S P Nersett, G Wanner, С W. Gear, L F Shampine
Широкий круг вопросов общего и частного характера в проблеме моделирования ЭТУС вышеуказанными авторами и коллективами решен, однако ситуация в области моделирования ЭТУС по-прежнему остается проблемной Это связано, с одной стороны, с неэффективностью существующей технологии моделирования, обусловленной невозможностью решения всего спектра задач многоуровневого моделирования ЭТУС в рамках одного программного средства (ПС); с другой стороны, с повсеместным использованием зарубежных ПС, в то время как развитие научно-технического и инновационного потенциала страны, в том числе в области программных продуктов, является приоритетной задачей научно-технической и промышленной политики государства, а компьютерное моделирование - одной их критических технологий федерального уровня В этой связи разработка методов, алгоритмов и ПС моделирования (ПСМ) ЭТУС является важной народно-хозяйственной задачей, решению которой и посвящена данная диссертационная работа
Диссертационная работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУРе) Федерального агентства по образованию и обобщает результаты научных исследований и практических разработок автора и научного коллектива кафедры «Теоретические основы электротехники» в области создания ПС моделирования и проектирования, реализованных на базе метода компонентных цепей, за период с 1985 по 2007 год
Связь темы с планами основных научных работ Работа проводилась в рамках ряда НИР, выполняемых в ТУСУРе, последними и основными из которых являются
-госбюджетная НИР "Разработка методологии проектирования высокоэффективных аппаратно-программных средств автоматизации технологических процессов на базе устройств энергетической электроники и микропроцессорной техники", заказ-наряд № 2 3 97 ф, 1997-2001 гг. (№ ГР 01980002352),
— госбюджетная НИР "Разработка теории и принципов построения интеллек
туальных систем автоматизации технологических процессов на базе устройств си
ловой электроники и регулируемого электропривода", тема 1 1 02,2002-2006 гг ,
- "Система автоматизации функционального проектирования электромехани
ческих систем", программа Министерства образования РФ "Научные исследо-
вания высшей школы в области производственных технологий" на 2000 г (шифр 07.01 02),
-"Автоматизация моделирования и проектирования управляемого электропривода", грант Министерства образования РФ на 2001 - 2002 гг (ТОО-3 2-577)
Цель работы состоит в разработке методов, алгоритмов и программных средств схемного и аналитического моделирования ЭТУС, ориентированных на эффективное решение задач исследования ЭТУС неоднородной физической природы на базе устройств силовой электроники и новые информационные технологии проведения вычислительного эксперимента
Достижение цели обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач
выявление требований, предъявляемых к программным средствам моделирования ЭТУС, и разработка концептуальных моделей процессов схемного и аналитического визуального моделирования,
разработка теоретических основ визуального схемного моделирования неоднородных ЭТУС на базе метода компонентных цепей,
разработка теоретических основ визуального аналитического моделирования, ориентированного на численные методы исследования моделей и метод компонентных цепей,
исследование методов формирования математических моделей основных классов ЭТУС и разработка способов формализованного представления ЭТУС в рамках задач схемного моделирования;
алгоритмизация концептуальной модели процесса моделирования ЭТУС, исследование и разработка алгоритмов, обеспечивающих достижение максимального быстродействия моделирования,
практическая реализация алгоритмов моделирования, исследование надежности, точности и быстродействия программных средств моделирования ЭТУС,
исследование подходов к автоматизации процесса разработки компьютерных моделей компонентов ЭТУС, разработка алгоритмов и программных средств автоматической генерации моделей,
экспериментальная проверка способов формализованного представления ЭТУС для схемного моделирования, алгоритмов и программ автоматической генерации компьютерных моделей элементов ЭТУС;
определение порядка применения программных средств моделирования ЭТУС в рамках задач исследования и обучения
Методы исследования. Для достижения поставленной цели используются методы теории электрических цепей, электропривода, автоматического управления, теории моделирования, алгоритмизации, методы вычислительной математики, методы анализа математических выражений При практической реализации алгоритмов автоматизированного моделирования использовались методы структурного и объектно-ориентированного программирования и проектирования программного обеспечения, языки программирования ФОРТРАН, Pascal, Object Pascal, Microsoft Visual C++, системы программирования и среды разработки приложений Turbo Pascal, Borland Delphi 4 0, Visual Studio NET
Основные результаты, выносимые на защиту
1) методология моделирования ЭТУС, включающая
метод компонентных цепей (МКЦ) как основу схемного и аналитического моделирования ЭТУС,
приемы построения моделей ЭТУС в форме компонентных цепей (КЦ),
приемы разработки моделей компонентов,
программные средства визуального схемного и аналитического моделирования ЭТУС,
программные средства разработки компьютерных моделей компонентов,
2) концептуальная модель процесса моделирования ЭТУС, в том числе
модель процесса схемного моделирования ЭТУС в форме визуального вычислительного эксперимента,
модель процесса аналитического моделирования ЭТУС в форме обработки математического документа,
модель процесса генерации моделей компонентов,
понятийно-определительный аппарат МКЦ, ориентированный на моделирование структурно сложных ЭТУС неоднородной физической природы в форме визуального вычислительного эксперимента,
способы формализованного представления основных классов ЭТУС на базе устройств силовой электроники в виде КЦ для схемного моделирования,
алгоритмический аппарат МКЦ, ориентированный на решение задач схемного и аналитического моделирования в форме визуального вычислительного эксперимента,
программные средства схемного и аналитического моделирования ЭТУС, созданные на основе МКЦ и разработанных алгоритмов, состав базовой библиотеки моделей компонентов, обеспечивающей решение задач многоуровневого схемного и аналитического моделирования основных классов ЭТУС, методика проведения вычислительного эксперимента,
приемы разработки моделей компонентов, базирующиеся на преобразованиях исходных моделей к каноническим формам моделей в рамках МКЦ, и принципы физико-топологической, тополого-геометрической и тополого-мате-матической интерпретации моделей,
алгоритмы и программные средства разработки компьютерных моделей компонентов
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем
1) раскрыты предпосылки разработки программных средств схемного и аналитического моделирования ЭТУС на единой теоретической основе в виде МКЦ, состоящие в том, что в составе такого ПС может быть обеспечен системный подход к исследованию ЭТУС, в том числе неоднородной физической природы, за счет реализации многоуровневого схемного моделирования, повышена степень универсальности и гибкости ПС схемного моделирования за счет использования аналитического способа описания функциональных моделей компонентов, сокращены затраты на разработку программных средств за счет
использования унифицированных алгоритмов и программ моделирования,
2) разработан понятийно-определительный аппарат МКЦ применительно к
задачам схемного моделирования ЭТУС в форме визуального вычислительного
эксперимента в части
- расширения предикатного множества признаков, учитываемых в моделях
компонента и КЦ, за счет признаков конструкторского и поведенческого аспекта,
-разработки теоретико-множественных моделей структурных сущностей КЦ, включая субмодели функционирования, условного графического обозначения (УГО) и внешнего вида,
-разработки классификации моделей компонентов и группирующих структурных сущностей,
разработаны средства и способы формализованного представления основных классов ЭТУС в виде КЦ, состоящие в том, что на основе исследования моделей ЭТУС и правил выполнения схем выделен базовый набор компонентов ЭТУС, определены характер связей, субмодели функционирования и УГО компонентов, а также установлены правила композиции компонентов в КЦ,
предложена и реализована концепция взаимодействия пользователя с моделью КЦ ЭТУС, заключающаяся в том, что для проведения вычислительного эксперимента в естественной для исследователя ЭТУС среде и с использованием традиционных способов представления результатов расчета выделен базовый набор компонентов средств воздействий, измерений и регулирования, спроектированы их связи и субмодели УГО, функционирования и внешнего вида,
предложена и реализована концепция взаимодействия пользователя с вычислительным ядром ПС схемного моделирования, состоящая в том, что для получения информации о процессе решения модели КЦ и управления вычислительным экспериментом выделен базовый набор компонентов для контроля выполнения эксперимента, определены характер их связей, субмодели функционирования и УГО;
6) разработаны обобщенная структура алгоритмической модели компонента
и алгоритмы
— формирования модели структуры КЦ, учитывающие иерархию структур
ных сущностей КЦ и изменение ее состава и структуры в процессе создания
чертежа КЦ,
- формирования и решения матрично-топологической модели КЦ, в том числе
моделей нелинейных и импульсных систем автоматического управления в
частотной области,
— формирования и решения модели КЦ, обеспечивающие повышение быст
родействия вычислительного эксперимента за счет учета типа компонентных
уравнений и выбора точности решения для групп фазовых переменных и
интервалов анализа,
-формирования КЦ математических выражений в рамках задач аналитического моделирования,
7) разработаны алгоритмы автоматического формирования моделей, обес-
печивающие автоматическую генерацию блоков моделей компонентов
Практическая ценность результатов диссертационной работы определяется следующим
разработанные алгоритмы и программы моделирования реализованы практически в виде ПСМ ЭТУС, состоящих из системы схемного моделирования МАРС-ЭТУ (включающей универсальную систему схемного моделирования МАРС и библиотеку моделей компонентов ЭТУС), универсальной системы автоматизации математических вычислений «Макрокалькулятор», генераторов компьютерных моделей компонентов, данные ПСМ ЭТУС обеспечивают инструментальную поддержку НИР и ОКР в области создания ЭТУС различного функционального назначения,
разработанная методология моделирования ЭТУС обеспечивает решение задач многоуровневого схемного моделирования ЭТУС в рамках одной системы МАРС-ЭТУ, что сопровождается повышением уровня системности исследований, сокращением номенклатуры ПС, используемых в процессе моделирования, и снижением затрат материальных ресурсов на их приобретение,
система схемного моделирования МАРС-ЭТУ обеспечивает организацию циклов виртуальных лабораторных работ и может применяться в вузах технического профиля при подготовке бакалавров, дипломированных специалистов и магистров по специальностям, объект профессиональной деятельности которых включает ЭТУС как неотъемлемую составную часть,
система автоматизации математических вычислений «Макрокалькулятор» обеспечивает организацию циклов практических занятий и расчетных работ в образовательных учреждениях различного уровня и профиля,
разработанные принципы взаимодействия пользователя с моделью ЭТУС обеспечивают реализацию процесса моделирования ЭТУС в форме вычислительного эксперимента при вариативности структуры и параметров моделей ЭТУС и внешней среды, естественных способах взаимодействия пользователя с моделью посредством компонентов средств воздействий и измерений и общепринятой форме представления результатов моделирования,
ПС разработки моделей компонентов (генераторы моделей компонентов) позволяют автоматизировать, существенно ускорить и упростить процесс разработки компьютерных моделей компонентов,
универсальная система схемного моделирования МАРС и генераторы моделей компонентов предоставляют возможность реализации оперативного отраслевого переноса методологии схемного моделирования в предметные области, допускающие декомпозицию исследуемого объекта либо процесса на компоненты и использующие схемные языки для их описания
Внедрение и реализация результатов работы ПСМ ЭТУС внедрены в научно-исследовательских институтах, проектных организациях и вузах, где они используются при проведении НИР и в учебном процессе-
- Томском государственном университете систем управления и радиоэлект
роники при разработке ПСМ ЭТУС и исследовании ЭТУС;
— Федеральном государственном научном учреждении «Научно-исследова-
тельский институт автоматики и электромеханики» (г Томск) для моделирования систем бесперебойного электропитания и электроприводов,
- НИИ электронных систем ЗАО «ЭлеСи» (г. Томск) для исследования
асинхронного электропривода,
-ОАО «Иркутскэнерго» (г Иркутск) для моделирования электроэнергетических систем,
ООО «Инвертор» (г Томск) для исследования систем электропитания и электропривода,
ООО «Производственно-технологическая компания "Трансэлектро"» (г Томск) для моделирования электроинструмента ударного действия,
-Инженерно-консультационном центре ООО «Тепромес» (г. Томск) для моделирования ЭТУС при проектировании и экспертизе строительных и дорожных машин,
-Томском государственном архитектурно-строительном университете для моделирования строительных и дорожных машин
ПСМ ЭТУС использовались при проектировании ряда разработанных и переданных в эксплуатацию ЭТУС
систем бесперебойного электропитания средств связи для Норильского горно-металлургического комбината (г Норильск),
систем бесперебойного электропитания для Кузнецкого металлургического комбината (г Новокузнецк),
электропривода постоянного тока для Государственной районной электростанции (г Назарово),
-систем бесперебойного электропитания для Томского областного центра телекоммуникаций,
-систем бесперебойного электропитания для муниципального лечебно-профилактического учреждения «Городская детская клиническая больница № 4» (г Новокузнецк).
Достоверность результатов подтверждается строгими математическими выводами, сравнением с результатами моделирования, полученными с использованием систем Matlab/Simalink 6 5, Mathcad 2000, Mathematica 4 0, Electronics Workbench 5.12, и данными натурных экспериментов
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17 конференциях различного уровня, в том числе Международном симпозиуме СИБКОНВЕРС'99 (Томск, 1999), Международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии (ИСТ'2000)" (Новосибирск, 2000), 3-й Международной (14-й Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2001" (Нижний Новгород, 2001), Международной научно-технической конференции "Электромеханические преобразователи энергии" (Томск, 2001), Всероссийской и Международной научно-практических конференциях "Электронные средства и системы управления" (Томск, 2003, 2004), 4-й Международной (15-й Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2004" (Магнитогорск, 2004), III Всероссийской научно-практической конференции
"Автоматизированный электропривод и промышленная электроника (АЭПЭ-2006)" (Новокузнецк, 2006), VI Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике" (Чебоксары, 2006), 7-й Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий" (Улан-Удэ, 2006)
Публикации Основные результаты исследований изложены в 3 монографиях, 27 статьях в научно-технических журналах и сборниках, из них 13 - в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертаций, 56 трудах и тезисах конференций, 4 учебных пособиях, 5 отчетах о НИР
Личный вклад Большинство приведенных в диссертации результатов получены автором лично Последняя версия ПСМ ЭТУС, реализующая визуальную технологию моделирования, разработана коллективом сотрудников ТУСУРа - канд техн наук Т В Ганджой, А Н Кураколовым, канд техн наук, доцентом В М Зюзьковым, при непосредственном участии автора, руководитель работ - д-р техн наук, профессор В М Дмитриев Объектная ориентация системы моделирования МАРС-ЭТУ и внедрение ПСМ на предприятиях проводились автором лично
Вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве, состоит в анализе литературных обзоров, определении направлений решения проблемы моделирования ЭТУС, постановке частных задач моделирования и проектирования ЭТУС и их программно-алгоритмической реализации, разработке концептуальных моделей, алгоритмов и компьютерных моделей компонентов ЭТУС, их топологической, математической и геометрической интерпретации и программно-алгоритмической реализации, тестировании алгоритмов и программ и интерпретации полученных результатов
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений Общий объем работы — 445 страниц, в том числе 59 страниц приложений Основная часть работы изложена на 386 страницах текста, набранного в редакторе Microsoft Word97 (размер шрифта- 14 пунктов, междустрочный интервал —1,4 пункта, 30 строк на странице), из них 43 страницы рисунков (107 рисунков) и 6 страниц таблиц (10 таблиц), 33 страницы списка использованных источников (341 наименование)
Теоретические основы автоматизированного моделирования ЭТУС
Общая характеристика ЭТУС как объекта моделирования. Электротехническим устройством (ЭТУ) (изделием) называется устройство (изделие), предназначенное для производства, преобразования, распределения, передачи и использования электрической энергии или для ограничения возможности ее передачи (ГОСТ 18311-80. Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий), либо совокупность компонентов, использующая электромагнитную энергию для выполнения определенной функции (СТМЭК 50 (151)—78. Электрические и магнитные устройства) [255]. Согласно СТМЭК 50 (151)—78 электротехническое устройство само может рассматриваться как компонент более сложной совокупности. Таким образом, термин «электротехническое устройство» является достаточно общим и объемным, поскольку в нем установлена лишь связь с природой происходящих в ЭТУ физических явлений преобразования рода, вида и параметров электромагнитной энергии. Он охватывает широкий класс объектов электротехники, реализующих различные виды преобразований энергии, независимо от их функционального назначения, конструктивного исполнения и сложности. К ЭТУ относятся источники электрической энергии (например, электромашинные генераторы, химические источники тока), являющиеся преобразователями неэлектрической энергии в электрическую; преобразователи электрической энергии в неэлектрическую (источники света, электрические двигатели и т. п.) и преобразователи электрической энергии (трансформаторы, выпрямители, инверторы, стабилизаторы и др.) [255, 256].
В соответствии с особенностями конструктивного исполнения и функциональной сложностью выделяются электроинструмент, электрооборудование, электроустановки, электротехнические комплексы и системы. Электроинструмент - машина, предназначенная для выполнения механической работы и составляющая единое целое с электрическим двигателем (например, электроинструмент ударного действия, электродрель, электропила). Электрооборудование - совокупность электротехнических изделий и (или) электротехнических устройств, предназначенных для выполнения заданной работы (например, электрооборудование электрического транспорта, крановых механизмов). Электроустановка - совокупность взаимоподключенного друг к другу электрооборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), выполняющая определенную функцию (например, электротермические и электросварочные установки).
Отличительной особенностью системы как целенаправленного множества элементов является структурированность, наличие цели функционирования, обособленность от окружающей среды и наличие связей с ней [190]. Примерами электротехнических систем являются системы электроснабжения, электропитания, электропривода, освещения, нагрева и охлаждения. Система электроснабжения - совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергии. Система вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры - средство вторичного электропитания, обеспечивающее по заданной программе вторичным электропитанием все цепи комплекса радиоэлектронной аппаратуры. Электропривод -электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение вспомогательных органов рабочей машины и управления этим движением.
С позиций системного анализа и исследования с целью изучения свойств подавляющее большинство технических объектов являются системами. Так в средствах электропитания нагрузка определяет характер электромагнитных процессов полупроводниковых преобразователей. Поэтому в работах посвященных исследованию и проектированию систем электропитания ограниченной мощности, например, Д.А Аветисяна [1, 2], Б.П. Соустина, В.И. Иванчуры, А.И. Чернышева, Ш.Н. Исляева [219], А.Н. Ловчикова [153], А.Г. Гарганеева [53-55], рассматриваются системы «первичный источник электроэнергии - преобразователь - нагрузка». Аналогично характер механической нагрузки определяет электромеханические процессы в электроэнергетических системах [254] и системах электропривода [60, 141, 166, 178]. В работе И.П. Копылова, Ю.П. Сонина, И.В. Гуляева, В.Ф. Байнева [187] обсуждается необходимость учета органической связи электрического двигателя с управляемыми полупроводниковыми преобразователями электрической энергии. Ими вводится в рассмотрение понятие обобщенной электромеханической системы, в состав которой входят обобщенный электромеханический преобразователь, преобразователи частоты в его статорной и роторной цепях, регуляторы преобразователей частоты, задатчики амплитуды и частоты напряжений статора и ротора, задатчики угла фазового регулирования инверторных звеньев преобразователей частоты, датчики скорости вращения ротора и положения результирующего магнитного поля электрической машины. В работе А.В.Иванова-Смоленского и В.А.Кузнецова [127] сама электрическая машина рассматривается как сложная система, объединяющая в себе электромагнитные, электрические, волновые, тепловые, механические и гидродинамические явления. В работе В.И. Ключева [141] электропривод определяется как электротехническое устройство, но в рамках задач исследования его свойств квалифицируется как электромеханическая система.
Таким образом, объекты, для исследования которых разрабатываются методы и программные средства моделирования, определяются как электротехнические устройства и системы.
Несмотря на более чем двухвековую историю электротехники интенсивная разработка новых и модернизация существующих электротехнических устройств, комплексов и систем различного назначения продолжается и в настоящее время. Это обусловлено обновлением и появлением новых технологических и производственных процессов, изменением требований к их технико-экономической эффективности. Так, по данным Г.С. Зиновьева, лишь 25 % полученной электроэнергии используется оптимально (в смысле мини 23 мизации потерь) для совершения требуемой работы [125]. Силовые преобразователи электрической энергии могут быть выполнены на различной элементной базе - с использованием электрических машин, магнитных усилителей, полупроводниковых элементов. Преобразователи современных ЭТУС, как правило, являются полупроводниковыми. Повышение эффективности технологических процессов генерирования, преобразования и потребления электрической энергии связано с использованием средств преобразования и регулирования на базе устройств силовой электроники (УСЭ), цифровых и микропроцессорных средств управления [125, 236, 251].
Базовыми элементами УСЭ являются управляемые и неуправляемые силовые полупроводниковые приборы, а дополнительными, обеспечивающими улучшение качества преобразования электрической энергии - электромагнитные элементы и конденсаторы. С совершенствованием ключевых элементов, появлением быстродействующих полупроводниковых ключевых приборов с малыми прямым падением напряжения и мощностью управления появилась возможность создавать высокоэффективные средства преобразования и управления электрической энергией. За последние годы предыдущего столетия с появлением и развитием полностью управляемых приборов с полевым управлением значительно расширились области применения силовой электроники, охватывающей в настоящее время практически все сферы жизнедеятельности человека - топливно-энергетический комплекс, промышленность, транспорт, связь, авиация, космос, военная техника, быт и т.п. Самой большой и важной областью применения приборов силовой электроники является электропривод.
Теоретико-множественные модели компонента и компонентной цепи
Общая характеристика моделей ЭТУС. Деятельность, направленная на проектирование и обучение, связана с использованием достаточно большого числа моделей, отличающихся как способом воплощения, так и отражаемым в модели аспектом исследуемого объекта. Прежде чем рассматривать вопросы моделирования ЭТУС, уточним терминологию в данной предметной области в соответствии с основополагающими работами [5, 36, 180, 182, 183, 190, 218, 222].
По способу воплощения моделей выделяются материальные (реальные, вещественные, физические) и абстрактные (идеальные) модели. Материальные модели - модели, построенные из реальных объектов. К особому классу реальных моделей, моделям условного подобия, относятся чертежи схем. Абстрактные модели являются идеальными конструкциями, построенными средствами мышления, сознания. Разновидностью абстрактных моделей явля 33 ется математическая модель - любое формализованное (записанное с помощью математических, т. е. условных однозначно трактуемых символов) описание, отражающее состояние или поведение объекта с требуемой степенью точности.
Структурная модель Мс - модель, отражающая структурные свойства объекта: его состав и структуру. Функциональная модель Мф -математическая модель, характеризующая процессы, протекающие в объекте. Отличие между структурными и функциональными моделями заключается в характере отображаемых свойств. Структурные модели подразделяются на топологические и геометрические. Топологическая модель - модель, отображающая состав и взаимосвязи элементов. Геометрическая модель - модель, отображающая геометрические свойства объекта (взаимное расположение и форму элементов). Функциональные модели могут быть статическими и динамическими. Статическая модель - модель, в которой отсутствует временной параметр. Динамическая модель - модель, описывающая процессы, происходящие в системе со временем. Свойства технических объектов обычно исследуются во временной и частотной областях.
Согласно способу представления свойств объекта различаются аналитические и алгоритмические модели. Аналитическая модель - совокупность аналитических выражений и зависимостей, позволяющих в явном виде оценивать определенные свойства моделируемого объекта. Вид моделей функционирования Мф определяется задачами анализа и степенью детализации физических процессов, методами исследования и используемым подходом. Обычно математическое описание процессов в объекте задается моделью в форме системы уравнений относительно вектора фазовых переменных, которые могут быть исследованы аналитическими либо численными методами. Система уравнений, дополненная алгоритмом численного метода ее решения и уравнением вычисления вектора выходных параметров, рассматривается как алгоритмическая модель. Алгоритмическая модель - это модель, представленная в форме алгоритма, преобразующего множество входных данных во множество выходных.
Описание моделей осуществляется на различных профессиональных языках. Для описания структурных моделей Мс применяются языки схем Lc, обладающие графической нотацией. Структура аппаратных средств детализируются с помощью функциональных, структурных и принципиальных схем [199]; структура программных средств - с использованием схем алгоритмов, программ, данных и программных систем [65]. Описание функциональных моделей Мф аппаратных средств осуществляется на математическом языке Lu, программных средств - на алгоритмических языках, языках программирования и моделирования программных систем [34, 38, 41, 154]. Функциональные модели могут быть представлены в виде структурных схем.
Основными способами автоматизированного исследования являются аналитическое и имитационное моделирование. Для аналитического моделирования характерно описание процессов функционирования в аналитическом виде, анализ которых может осуществляться аналитическими и численными методами. Имитационное моделирование базируется на алгоритмических моделях, а реализующий модель алгоритм воспроизводит процесс функционирования системы при имитации элементарных явлений, составляющих данный процесс. Будем называть моделирование, при котором исходная информация об исследуемом объекте представлена в виде схемы, «схемным». Тогда аналитическое моделирование характеризуется модулем информационного преобразования вида где R - результат моделирования. Решением алгоритмических и аналитических моделей при использовании численных методов исследования являются множества числовых значений фазовых переменных. При аналитическом подходе к исследованию аналитических моделей решение имеет аналитический вид.
На основании модели состава могут быть сформулированы признаки физического аспекта, детализирующие природу ЭТУС и характер протекающих в них процессов: однородные и неоднородные ЭТУС; процессы электрические, электромагнитные, электромеханические и т. д.; -процессы, протекающие в непрерывных пространстве и времени либо только во времени, непрерывные и дискретные, инерционные и безынерционные, детерминированные и стохастические.
Следует отметить, что поскольку системный подход предполагает учет взаимодействия ЭТУ с первичными источниками электроэнергии, нагрузкой и со средой, то даже для физически однородного ЭТУ объектом моделирования может стать неоднородная система «источник-ЭТУ-нагрузка-среда».
Для описания структуры аппаратных средств ЭТУС используются структурные, функциональные и принципиальные (принципиальные электрические, кинематические, электрокинематические) схемы [199, 231]. С точки зрения модели структуры для ЭТУС различного назначения характерны единые принципы построения функциональных узлов и ЭТУС в целом. Задачи обеспечения требуемого качества технологического процесса решаются разомкнутыми либо замкнутыми структурами. Замкнутые структуры реализуются по принципу компенсации внешнего возмущения либо по принципу отклонения (принцип обратной связи). Обратные связи могут быть положительными и отрицательными, жесткими и гибкими, линейными и нелинейными. Блочно-иерархический подход к исследованию и проектированию приводит к необходимости рассмотрения структур иерархического типа и различных способов формализованного представления
Исследование способов формализованного представления электромагнитных элементов
Исходными данными для работы базового алгоритма являются информация о КЦ Ск вида (2.1), режиме и параметрах моделирования. В рамках модели процесса невизуального моделирования данная информация описывается на языке программирования либо в виде списка директив [20, 216]. При этом КЦ должна быть параметризована (заданы все параметры компонентов) и закодирована (пронумерованы ветви, начиная с единицы, и узлы, начиная с нуля).
Работа алгоритма моделирования начинается с задания размерностей массивов и их инициализации (блок А1). С этой целью осуществляется обращение к подпрограммам задания размерности КЦ и начальных условий. В результате работы блока А2 формируется информация, необходимая для построения топологических уравнений модели КЦ. На данном этапе осуществляется опрос топологических блоков моделей компонентов. Блок A3 обеспечивает задание начального значения независимой переменной - времени либо частоты. При опросе вычислительных блоков моделей (блок А4) формируется информация об уравнении при текущем значении независимой переменной. В отличие от топологического опроса, выполняемого один раз, опрос вычислительного блока осуществляется многократно. В блоке формирования топологических уравнений (блок А5) для КЦ со связями энергетического типа создаются уравнение равенства нулю потенциальной переменной базового узла КЦ и топологические уравнения равенства нулю суммы потоковых переменных для всех узлов КЦ за исключением базового.
Результатом работы блока А6 яляются алгебраизованные и линеаризованные уравнения моделей компонентов. Формирование уравнений в блоках А5, А6 осуществляется в соответствии с выбранными областью анализа, режимом анализа и методом решения. Основу алгоритмов формирования модели КЦ составляют явный и неявный методы Эйлера, метод трапеций, метод Ньютона. В частотной области строятся дополнительные уравнения для мнимых составляющих. При исследовании КЦ в статическом режиме обнуляются коэффициенты при производных от переменных связей по времени. В блоке А8 устанавливается корректность сформированной системы уравнений. Если система уравнений корректна, то происходит ее решение в блоке А9, иначе - выдается сообщение об ошибке и процесс моделирования завершается.
Вычислительное ядро схемного моделирования включает следующий набор методов решения систем линейных алгебраических уравнений: - из прямых методов - метод Гаусса и схема Жордана и их модификации; - из итерационных методов - метод Гаусса - Зейделя (последовательной подстановки. Следует отметить особенности матричной модели КЦ ЭТУ вида (2.12): -разреженный характер матриц Ф и W, то есть относительно большое количество в них нулевых элементов; - блочный характер матрицы Ф, блоки которой соответствуют различным классам уравнений, входящих в состав модели КЦ; - квазитреугольный характер матрицы Ф, имеющий место в основном в моделях КЦ информационного типа. Для учета данных особенностей разработаны модификации схемы Жордана в виде алгоритмов: - с полным представлением матриц; - с полным представлением матрицы коэффициентов и учетом большого количества нулевых элементов; - с плотной записью матрицы коэффициентов (без нулевых элементов); -с полным представлением матриц и предварительным исключением уравнений с постоянными коэффициентами.
Учет особенностей модели КЦ и выбор соответствующего метода решения модели системы позволяет оптимизировать вычислительный эксперимент, что особенно важно при выполнении многовариантного анализа и параметрической оптимизации, где объем вычислений многократно больше, чем при одновариантном анализе.
Результатом работы блока А9 является массив решения модели КЦ на очередном шаге изменения независимой переменной. В блоках А10, All осуществляется проверка достижения точности решения. Если точность достигнута, то решение и значение независимой переменной накапливаются (блок А12) с целью последующей обработки и визуализации. Блок А13 обеспечивает увеличение значения независимой переменной на шаг h, где he[hmm,hmax]. В блоке А14 контролируется завершение процесса моделирования: при достижении конца интервала моделирования Ъ, = Ъ,тах алгоритм прекращает работу. В противном случае происходит возврат к блоку А4.
Представленный алгоритм моделирования и структура алгоритмической модели компонента обеспечивают процесс невизуального схемного моделирования. Реализация концептуальной модели процесса визуального моделирования требует исследования способов отражения в модели компонента конструкторского и поведенческого аспектов и разработки новых структуры модели компонента и алгоритма моделирования.
Система автоматизации математических вычислений «Макрокалькулятор»
Электромеханическая система асинхронного электропривода. Рассматривается задача моделирования цикла работы АД с короткозамкнутым ротором типа 4А10082УЗ, состоящего из этапов пуска в ход, работы и реверса. Способ построения КЦ ЭМС (рис. 6.22, а) аналогичен описанному в п. 6.1.4. С целью реализации реверса две фазы питающего напряжения пере Рис. 6.22. КЦ электрокинематической ] схемы (а) и результаты моделирования (б) асинхронного o.i 0.2 аз ы электропривода Q ключаются управляемыми ключами К1-К4 1. Для формирования сигналов управления ключами используются источник ступенчатого воздействия 2 и инвертор 3.
На рис. 6.22, б представлены результаты моделирования работы АД при номинальной нагрузке - временные диаграммы тока статора ц, электромагнитного момента АД Мэ и скорости шг. Решение производилось методом Эйлера с автоматическим выбором шага интегрирования. Минимальный и максимальный шаги интегрирования приняты равными 0,1 и 5 мс; абсолютная точность решения - 0,1. С целью сокращения времени модели рования суммарный момент инерции принят равным 2,32 г м .
Электромеханическая система экскаватора с электроприводом постоянного тока. Настоящим примером иллюстрируются возможности ПСМ ЭТУС в области расчета механических переходных процессов в ЭМС, представленных в виде КЦ с использованием формализма кинематических схем. Исследуются процессы нагружения в ЭМС «механизм подъема - подвеска ковша» одноковшового экскаватора с электроприводом постоянного тока с компенсацией момента и скорости. Копающие механизмы экскаватора образуют многосвязную ЭМС, в которой приводы напора и подъема взаимосвязаны через ковш. Силовое воздействие передается на рабочее оборудование с помощью канатов. Целью моделирования является расчет динамических нагрузок электропривода и элементов рабочего оборудования.
КЦ ЭМС «механизм подъема-подвеска ковша» представлена на рис. 6.23, а [17]. В ее состав входят компонент источник 7, моделирующий кусочно-линейную статическую характеристику электропривода, редукторы 2, валы (крутильная жесткость) 3 и канат (линейная жесткость) 4 механизма напора, инерционности 5. Компонент-источник 6 используется для задания номинальной нагрузки. Компонентом демпфер 7 с большим коэффициентом трения моделируется режим стопорения. Время начала стопорения и его продолжительность регулируются параметрами ключа 8. Момент начала стопорения выбран с учетом завершения переходного процесса разгона элект ропривода при номинальной нагрузке и принят равным 300 с.
Передаточные числа всех редукторов одинаковы и равны 4. Валы также идентичны: длина вала - 0,2 м, диаметр - 0,01 м; длина каната -2 м, его радиус - 3 см. Параметры механической характеристики электропривода: скорость холостого хода - 750 об/мин; пусковой момент 5690 Н-м; момент и скорость в точке перегиба - 5000 Н-м и 650 об/мин соответственно. Параметры всех компонентов визуализируются на чертеже КЦ.
Результаты вычислительного эксперимента согласуются с данными, полученными в Томском государственном архитектурно-строительном университете в ходе натурных испытаний одноковшового экскаватора.
Рассматривается задача пуска в ход АД с короткозамкнутым ротором в стартерном режиме. Первичным источником электропитания является аккумуляторная батарея (АБ), силовым преобразователем - трехфазный инвертор напряжения. Компонентная цепь ЭМС представлена на рис. 6.24.
Модель схемы управления функционального уровня реализована на трех источниках сигнала прямоугольной формы и трех инверторах. Источники сигнала имеют частоту 50 Гц, скважность 2, и их импульсы сдвинуты взаимно на 1/3 периода. Модель обеспечивает формирование сигналов управления ключами инвертора: единичного уровня - на замыкание ключа и нулевого -на размыкание. Для тестового примера с целью сокращения времени моделирования суммарный момент инерции принят равг " " качестве модели нагрузки используется идеализированная к модель типа реактивного момента. Варьируя величину изменять режим пуска в ход АД (вхолостую, с номинальной нагрузкой и т. п.). На рис. 6.25 представлены результаты моделирования работы АД при номинальной на- ;ЬА грузке 13,2 Н-м Временные диаграммы тока: статора/, электромагнитного момента Мд и скорости оод АД для цикла «пуск в ход, работа, торможение выбегом» временные диаграммы тока статора і и скорости шг и м в-момента Мэ двигателя. Решение производилось методом Эйлера с автоматическим выбором шага интегрирования. Минимальный и максимальный шаги интегрирования -0,05 мс и 1 мс; точность решения - 0,1.
Полнота базового набора компонентов системы МАРС-ЭТУ и проверка корректности моделей для структурного моделирования ЭТУС иллюстрируется примерами моделирования электропривода из работы С.Г. Германа-Галкина [60]. При формализованном представлении КЦ структурных схем используются компоненты САУ и математических операций.
Моделирование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. На рис. 6.26, а приведена КЦ для моделирования двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ). Здесь подцепь 1, состоящая из сумматоров, апериодического AZ, интегрирующего IN и про 328
Похожие диссертации на Методы, алгоритмы и программные средства моделирования электротехнических устройств и систем
