Прикладные пакеты моделирования электротехнических комплексов и систем.

 

Приведено формальное описание задач, решаемых при проектировании сложных электротехнических комплексов и систем. Назначение прикладных программ для моделирования электротехнических комплексов и систем.

 

Для обсуждения и обоснования подходов к разработке проблем математического моделирования технических устройств и процессов в них представляется целесообразным предварительно рассмотреть условную схему (рис.1.1), определяющую последовательность проведения отдельных этапов общей процедуры вычислительного эксперимента [1].

Начальной позицией схемы является технический объект (ТО), под которым будем понимать конкретное техническое устройство. На первом этапе осуществляется неформальный переход от рассматриваемого ТО к его расчетной схеме (РС). При этом в зависимости от направленности вычислительного эксперимента и его конечной цели акцентируют те свойства, условия работы и особенности ТО, которые вместе с характеризующими их параметрами должны найти отражение в РС, и наоборот, аргументируют допущения и упрощения, позволяющие не учитывать те качества ТО, влияние которых предполагают в рассматриваемом случае несущественными.

При разработке новых ТО успешное проведение первого этапа в значительной степени зависит от профессионального уровня инженера, его творческого потенциала и интуиции.

Второй этап характеризуется формальным описанием РС в виде математических соотношений, устанавливающих связь между параметрами, характеризующими РС ТО, и называют математической моделью (ММ).

На третьем этапе проводят качественный и оценочный количественный анализ построенной ММ. На этом этапе могут быть выявлены противоречия, ликвидация которых потребует уточнения или пересмотра РС (пунктирная линия на рис.1.1). Итог анализа на рассматриваемом этапе – это обоснованный выбор рабочей ММ ТО, которая подлежит в дальнейшем детальному количественному анализу.

Четвертый этап состоит в обоснованном выборе метода количественного анализа ММ, в разработке эффективного алгоритма, а пятый этап – в создании работоспособной программы, реализующей этот алгоритм средствами вычислительной техники. Для успешного проведения четвертого этапа необходимо владеть арсеналом современных методов вычислительной математики, а при математическом моделировании довольно сложных ТО выполнение пятого этапа требует профессиональной подготовки в области программирования на ЭВМ.

На шестом этапе результаты вычислений должны пройти тестирование. Анализ результатов вычислений и их инженерная интерпретация могут вызвать необходимость в корректировке РС и соответствующей ММ. После устранения всех недостатков комплекс «алгоритм – модель – программа» можно использовать в качестве рабочего инструмента для проведения вычислительного эксперимента и выработке на основе получаемой информации практических рекомендаций, направленных на совершенствование ТО, что составляет содержание седьмого, завершающего «технологический цикл» этапа математического моделирования.    

При решении общей задачи разработки сложных электротехнических комплексов и систем большое внимание уделяется вопросам применения новых информационных технологий для автоматизации расчета конструктивных и энергетических параметров объектов на начальных этапах проектирования. К подобным электротехническим комплексам в полной мере относится современный электропривод с использованием полупроводниковых элементов, включающий в свой состав силовые преобразовательные устройства, электромеханическую часть и информационную систему для управления силовым полупроводниковым преобразователем и обеспечения заданных свойств электроприводу.

В современном подходе к решению задачи проектирования электрического привода можно выделить множество взаимосвязанных проблем включающих формирование технического задания, выполнение этапов разработки, тестирование режимов работы привода. В последние годы успешное преодоление проблем проектирования стало возможным на совершенно новой основе, и в теоретическом плане это обусловлено использованием новых информационных технологий реализуемых в виде прикладных пакетов программ, способных решать задачи анализа, синтеза, расчета, как отдельных элементов, так и системы в целом.

Формирование компьютерной модели для рассматриваемых систем является творческой задачей, причем на передний план выступают вопросы адекватного использования прикладной программы для исследования электрического привода конкретного применения. В связи с этим меняется содержание творческого начала в работе исследователя, которое теперь заключается в выборе соответствующего прикладного пакета, эффективном его использовании и корректной обработке полученных результатов и представлении их в удобной форме. В настоящее время возникла материальная база для становления и быстрого развития математического моделирования и появились реальные предпосылки для использования вычислительного эксперимента не только в качестве расчетно-теоретического сопровождения на стадии отработки технического устройства, но и при его проектировании, подборе и оптимизации его эксплуатационных режимов, анализе его надежности и прогнозировании отказов и аварийных ситуаций, а также при оценке возможностей форсирования характеристик и модернизации технического устройства. С учетом тенденции наметившейся в ИВТ к использованию прикладных программ для моделирования физических процессов сложных технических комплексов и систем разработчику необходимо быть не только грамотным специалистом в предметной области, но и обладать уверенными навыками работы с прикладными пакетами для моделирования.

Для исследования и проектирования электронных блоков хорошо зарекомендовали себя прикладные пакеты, в основе которых используется пакет PSpice: OrCAD, Workbench, Circuit Marker и др [8, 9, 12]. Анализ схем электроснабжения хорошо реализован в программах CYME.PSAF, РТП, «Энергоконтроль» и др.

Для моделирования электрического привода предъявленным требованиям в полной мере отвечает система MatLab (матричная лаборатория) со своими пакетами расширений (ToolBoxes), принятая в данном учебном пособии в качестве основного инструмента моделирования электрического привода.

Главным требованием, выполнение которого необходимо для усвоения изложенного материала – обязательное наличие компьютера с инсталлированной последней версией пакета MatLab.

Следует отметить, что первая версия пакета MatLab была разработана уже более 20 лет тому назад. Название пакета происходит от словосочетания Matrix Laboratory, и он ориентирован в первую очередь на обработку массивов данных (матриц и векторов). К настоящему времени доступна седьмая версия пакета MatLab, который представляет собой библиотеку функций ориентированных на решение поставленной задачи.

Для облегчения специалистам различных областей науки и техники работы с пакетом вся библиотека функций разбита на разделы.

 

 

Рис. 1.2 Обобщенная схема электрического привода поршневого компрессора

 

 

Современная научная парадигма в области моделирования сложных технических систем представляет собой положения, согласно которым общая математическая модель объединяет в себе модели подсистем различной физической природы. Расчет подобной модели налагает определенные требования как на метод решения задачи, так и на архитектуру вычислительной системы. В настоящее время состояние ИВТ позволяет разнообразить диапазон методов расчета различных комплексов и систем.

На рис. 1.2. приведена обобщенная схема электрического привода поршневого компрессора, представляющая собой совокупность отдельных подсистем: источник питания (электрические процессы), преобразовательное устройство (электромагнитные процессы), электродвигательное устройство (электромагнитные и электромеханические процессы), передаточное устройство (механические процессы), исполнительный механизм (гидравлические процессы).

Проектирование указанного привода делает задачу создания общей математической модели системы актуальной и во многом отвечающей тенденции к применению прикладных информационных технологий для решения сложных технических задач.

 

Вопросы для самопроверки.

1. Поясните условную схему общей процедуры вычислительного процесса.

2. Какие пакеты прикладных программ применяются для схемотехнического моделирования?

3. Преимущества пакета MatLab по сравнению с другими математическими программами, например, Mapple и MathCad.

4. Что такое технический объект, какие требования предъявляются к техническому объекту при решении общей задачи моделирования?

5. Поясните элементы математической модели: уравнения ограничения и связи, начальные условия, общая система уравнений.