Автоматизация процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин

Оперативная интеллектуальная поддержка управления технологическими процессами автоматизированного производства находится в ряду факторов, способствующих повышению конкурентной способности изготавливаемых объектов. Интегрирование в автоматизированную систему управления технологическими процессами расчетных модулей автоматизированной системы научных исследований является одним из путей осуществления такой поддержки. Решающую роль в формировании требуемых рабочих свойств играют параметры активной зоны объекта, на значения которых в процессе изготовления заметно влияют фактические физические свойства материалов и параметры технологических процессов. Учет влияющих факторов позволяет повысить достоверность прогнозирования функциональных характеристик изготавливаемых объектов и оперативно использовать возможности АСУТП по соответствующей корректировке параметров технологических процессов. Задача носит комплексный характер, укрупненная блок-схема решения которой показана на рис. 1. Исследования в работе подчинены автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик изготавливаемых объектов на примере электрических машин. В этой области промышленности в последние годы конкурентная способность фирмы на рынке (европейском, американском и др.) определяется способностью достоверно прогнозировать и оперативно формировать характеристики изготавливаемых объектов в соответствии с конкретным рыночным спросом. Поэтому поиск путей повышения эффективности и надежности как существующих, так и вновь создаваемых поколений электрических машин является актуальным и представляет собой сложную научно-техническую проблему, требующую комплексного рассмотрения целого ряда расчетно-теоретических, исследовательских, проектно-конструкторских и технологических задач [91].

Адаптация к конкретным условиям технологи" изготовления.

Конструкционные н технологические параметры.

Конструкционное м технолога ческое-просктирование в режиме. диалога .

Требования рынка.

Формирование математической модели.

Поиск оптимальных решений в режиме диалога.

Расчет функциональных характеристик.

Адаптация к физическим свойствам материалов.

Фактологические свойства материалов.

НЕТ.

Материалы н полуфабрикаты.

Управляемые технологические Процессы Шгоюкление к +.

Устройства локальных управляющих сигналов Испытания.

Формирование ценового предложения.

Рис. 1.Укрупненная блок — схема интегрированной АСУТП с управляющей ЭВМ.

В основе прогнозирования лежит параметрический синтез и оценка функциональных характеристик электрических машин на базе математического моделирования геометрических размеров активной зоны и электромагнитных процессов.

Значительный вклад в эту область внесли работы профессоров Т. Г. Сорокера и его учеников по асинхронным электродвигателям,.

A.И. Бертинова и его учеников по специальным электрическим машинам,.

B.В. Домбровского, Г. М. Хуторецкого и их учеников по крупным электрическим машинам, В. И. Загрядского, ТА. Сычевой, М. И. Фиготиной, В. А. Яковенко по взрывозащищенным асинхронным двигателям, Е. М. Лопухиной и ГА. Семенчукова по асинхронным микродвигателям, В. В. Хрущёва и Г. В. Тазова б по информационным машинам, И. Н. Рабиновича, И. Г. Шубова, Я. С. Турина по машинам постоянного тока, а также Дж.А. Авестисяна, С. Г. Артанова, Ф. К. Балашова, П. Г. Билинкиса, Н. В. Виноградова, А. П. Воскресенского, В. И. Геминтерна, О. Д. Гольдберга, Ф. А. Горяинова, В. М. Зайчика, И. В. Иванова — Смоленского, Б. М. Кагана, И. П. Копылова, Т. О. Мамиконяна, Ю. В. Мордвинова, М. А. Непомнящего, И. М. Постникова, П. С. Сергеева, А. П. Сивкова, Б. В. Сидельникова, В. С. Соколова, А. А. Терзяна, Т.М. Тер-Микаэляна, В. Х. Хана, В. А. Якубзона, Рихтера Р., Шуйского В. П. и других российских и зарубежных специалистов.

Для опубликованных в печати методов параметрического синтеза и положенных в их основу теоретических разработок характерны неоправданные ограничения и допущения. Расчеты заметно отличаются от результатов испытаний опытных образцов, изготовление которых при этих обстоятельствах совершенно необходимо.

Нахождение параметров проекта без оптимизационных расчетов характерно для инженерных методик расчета конкретных типов электрических машин [52−54]. Используемые в этом случае численные коэффициенты в расчетных соотношениях отражают одновременно результаты ранее выполненных частичных оптимизаций параметров, опыт предыдущего проектирования и условия эксплуатации проектируемой машины. Таким образом, в основе проектирования лежат рекомендации по значениям рассчитываемых параметров, которые представлены в виде довольно узких численных диапазонов или соответствующих кривых и таблиц. Проектирование осуществляется методом последовательных приближений. Критерием конца итерационного процесса является удовлетворение требованиям технического задания. Степень отклонения полученного проекта от оптимального явным образом не устанавливается. Обсуждаемый путь проектирования можно осуществлять с применением малых ЭВМ, и даже простых микрокалькуляторов. Необходимый объем расчетов определяется степенью соответствия используемых рекомендаций требованиям технического задания на проектирование, а также количеством параметров, которые подлежат варьированию. Объем вычислительной работы быстро возрастает с увеличением количества варьируемых параметров и расширением рекомендуемых диапазонов численных значений рассчитываемых величин.

Для уменьшения необходимого объема вычислений идут на компромисс, когда на ряд важных эксплуатационных параметров накладывают односторонние ограничения. В результате полученная совокупность энергетических, перегрузочных и пусковых свойств, удовлетворяя наложенным ограничениям, может оказаться худшей среди возможных, которые остаются не установленными.

Установление параметров проекта путем аналитической частичной оптимизации позволяет установить степень отклонения принятых параметров проекта от оптимального варианта. Наиболее желательной является аналитическая оптимизация, в результате которой для оптимальных параметров получаются расчетные соотношения. Применительно к вращающимся электрическим машинам из-за большого количества варьируемых переменных и нелинейности системы уравнений проектной задачи полная оптимизация аналитическим путем в общем случае невыполнима. Нелинейная система уравнений проектной задачи может быть аналитически решена только для ограниченной совокупности параметров определенного состава [23, 45]. Очевидно, что возможная частичная оптимизация параметров позволяет находить оптимальный проект только в частных случаях. Частичная оптимизация параметров может быть плодотворной в случае ее применения для установления начального приближения с последующей полной оптимизацией проекта численными методами.

Поиск параметров проекта численными методами с применением теории оптимизации для решения нелинейной системы уравнений проектной задачи снимает ограничения на количество и состав искомых параметров. Этот путь установления совокупности оптимальных параметров широко используется благодаря применению ЭВМ. При этом поиск экстремума осуществляется с помощью методов традиционного математического аппарата теории оптимизации. Ответственность за применение этих методов для решения проектных задач, содержащих математические ситуации типа нелинейности, невыпуклости, отсутствия унимодальности и непрерывности, берет на себя проектировщик, иногда даже не осознавая этого. Необходимость же принятия специальных мер для обработки указанных математических ситуаций с целью корректного применения методов теории оптимизации усложняет процедуру проектирования и снижает ее эффективность. Имеющееся на этом пути разнообразие применяемых процедур обусловлено поиском компромиссного решения поставленной противоречивой задачи.

Стремление использовать при проектировании электрической машины нелинейное программирование естественно, поскольку функции-ограничения имеют нелинейный характер. Однако отсутствие эффективных математических средств надежного нахождения глобальных оптимумов, т. е. наилучших решений во всей области допустимых значений варьируемых параметров, вынуждает искать другие пути.

Очень заманчивым является использование самых эффективных методов линейного программирования. Но их применение требует наложения на решение проектной задачи условий, неизбежно придающих ей частный характер [34, 35, 37].

Этого можно избежать и иметь эффективную процедуру, если сочетать применение методов нелинейного программирования таким образом, чтобы в начале осуществлять предварительную оптимизацию методами нелинейного программирования, а затем — окончательную оптимизацию на основе линейного программирования. В этом случае процедура проектирования имеет явно выраженный поэтапный характер. Л.

Алгоритм поэтапной оптимизации параметров проекта содержит три этапа.

На первом осуществляется синтез параметров, численные значения которых должны удовлетворять лишь единственному требованию — лежать в технически реализуемой области. Это условие позволяет до минимума сократить необходимое количество итерационных шагов, а зачастую вообще избежать итерационного процесса. При этом количество и состав параметров, подлежащих предварительному расчету, определяется математической моделью, используемой для оптимизации на последующих этапах. Для синтеза этих параметров могут быть с успехом использованы процедуры нахождения параметров без выполнения оптимизационных расчетов.

На втором этапе устанавливаются значения параметров проекта, которые должны уже лежать в окрестности глобального оптимума. Контроль за выполнением этого требования может быть осуществлен неявным образом по удовлетворению рассчитываемых значений заранее установленному специальному условию. Применительно к электрическим машинам в качестве такого условия может быть принят минимум магнитодвижущей силы (МДС), требуемой для проведения магнитного потока по стали магнитопроводов при одновременном обеспечении требуемых значений КПД и удельной тепловой нагрузки. Количество и состав варьируемых параметров на этом этапе также определяется используемой математической моделью объекта проектирования. Для нахождения значений этих параметров могут применяться различные методы безусловной минимизации функции многих переменных, и в частности метод прямого поиска. Предварительно оптимизированные таким образом значения параметров являются исходными для дальнейшей окончательной оптимизации проекта.

На третьем этапе на основе линеаризованной модели объекта проектирования отыскиваются значения параметров, удовлетворяющие заданному критерию оптимальности проекта (максимуму энергетических показателей, минимуму массогабаритных показателей, минимуму приведенных затрат и т. д.). Применение на этом этапе методов линейного программирования, например симплекс-метода, позволяет быстро и надежно отыскивать требуемый оптимум.

Таким образом, к началу работ, результаты которых излагаются в настоящей диссертации, существовала потребность и открывалась возможность сделать новый крупный шаг в развитии такого перспективного научного направления, как автоматизированные методы параметрического синтеза и оценки функциональных свойств электромеханических объектов.

Совокупность проектно-расчетных и технологических проблем тех или иных электрических машин, с одной стороны, и с другой — видимая возможность универсального решения для многих из них на основе автоматизированных методов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик объектов рассматриваются автором как объективные признаки актуальности данной работы.

Общей задачей настоящей работы было создание максимально развитого в пределах общего принципа программного комплекса параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик вращающихся электрических машин.

Подробное изложение вопросов, касающихся разработки процедуры поэтапной оптимизации параметров электрических машин, дается в последующих главах. Рассмотрение ведется так, как будто разрабатывается одна машина по заданным исходным данным, а ее производство предполагается массовым. Последнее может экономически оправдывать доведение всех данных проектируемой машины до оптимума, связанное с обеспечением необходимого станочного оборудования, набора штампов и других дорогостоящих инструментов, приспособлений и оснастки.

Однако, известные методы математического моделирования электрических машин ориентированы на отдельные типы с присущими им геометрической конфигурацией, применяемыми материалами, технологией изготовления и уровнем проявления отдельных явлений в моделируемом режиме работы. С общих позиций имеют место специальные случаи, обусловленные ограничениями в смысле допущений, существенно сужающие области новых технических решений в конструкции, применении активных материалов и технологии изготовления. По мере выхода за пределы установленных ограничений растет различие между расчетом и опытом, что подтверждают стендовые испытания объектов. Снятие неоправданно устанавливаемых ограничений при одновременном уточнении математической модели является актуальной задачей, решаемой в данной работе. В диссертации представлен универсальный метод параметрического синтеза активной зоны электрических машин, в его основу положен принцип расчета, общий для всех типов электрических машин и не ограниченный физическими особенностями обособленных типов. Автоматизация исследовательских процедур обеспечена на основе современных компьютерных технологий. Разработаны алгоритмы для этих технологий, в основе которых результаты детальных исследований характеристик электрических машин, формируемых различными сочетаниями конструктивных компонентов.

В работе рассматривается ряд других технических идей. Часть из них представляются очевидными и нуждались в детальной проработке (аналитическом описании и способах учёта), они доведены до практической реализации. Другие идеи остаются на уровне гипотез. Однако, для изготавливаемых электрических машин, в том числе и на основе компьютерной реализации разработанного метода, получены достаточные для дальнейшей проработки признаки достоверности. Работы проводились в рамках государственных программ и координационных планов академии наук, по ведомственным тематическим заказам, по договорам с отечественными и зарубежными фирмами.' Исследования подчинены решению ряда проблем параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик по фактическим значениям параметров активной зоны машин безотносительно к их типу и конструктивным решениям. Автоматизация указанных процессов сформировалась как приоритетное направление в решении проблем создания и изготовления машин, конкурентно способных на мировом рынке. Приоритет обусловлен высоким уровнем развития вычислительной техники и теории электромеханического преобразования энергии, большими возможностями современной технологии изготовления, что в совокупности создаёт основу для создания объектов с повышенными потребительскими свойствами на основе традиционных и новых конструктивных решений.

Основной целью диссертационной работы является формирование научно методологических основ автоматизированного параметрического синтеза функциональных характеристик активной зоны объектов на базе единого системного подхода к математическому моделированию геометрических размеров и электромагнитных процессов.

Для достижения поставленной цели представлялось необходимым решить следующие логически взаимосвязанные задачи, которые и определяют структуру работы: Ч.

1. Сформировать принцип построения универсальной математической модели активной зоны электрических машин, обеспечивающий автоматизацию численных экспериментов и требуемый уровень достоверности априорной оценки их функциональных характеристик.

2. Проанализировать основные положения электромеханической теории в приложении. к задачам обеспечения повышения уровня адекватности математических моделей эксплуатационных режимов работы электрических машин. .

3. Разработать обобщенную ' математическую модель зависимости функциональных характеристик электрических машин от геометрических параметров их активной зоны.

4. Разработать обобщенный метод поэтапного параметрического синтеза функциональных характеристик машин по заданным требованиям.

5. Определить способы формирования уравнений электромагнитного состояния машин по обобщенному параметру в виде линейной токовой нагрузки якоря.

6. Создать алгоритмы автоматизации процедур параметрического синтеза параметров активной зоны и управления качеством продукции по фактическим параметрам активной зоны в процессе изготовления.

7. Разработать пакет программ, открытый для широкого ассортимента электротехнических материалов, конструкторских решений, технологических процессов изготовления.

При решении указанных задач использовались аналитические и численные методы современной теории электромеханического преобразования энергии, аналитических преобразований, математического аппарата аппроксимаций, интерполяций, дифференциального и интегрального исчислений, методов решения экстремальных задач, численного моделирования, нелинейного и линейного программирования.

Аналитические исследования и численные решения осуществлялись в соответствии с общепризнанными физическими теориями и законами. Правильность предложенных методов формирования обобщённых транспорантов рекурентных зависимостей проверялась сравнением технических характеристик промышленных объектов с результатами их расчёта с помощью разработанного программного комплекса в режиме поверочных расчётов. Для подтверждения результатов расчета использовались результаты стендовых испытаний объектов, спроектированных на базе предложенных методов.

Научная новизна полученных результатов состоит в системном аналитическом описании совокупности автоматизированных процедур параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик вращающихся электрических машин. С этих позиций научный интерес представляют:

1 .Методология формирования уравнений электромагнитного состояния объектов с принятием линейной токовой нагрузки якоря в качестве обобщенного параметра нагрузки.

2. Развитие прикладных аспектов электромеханической теории применительно к задачам моделирования эксплуатационных режимов работы объектов, всегда обеспечивающее баланс мощностей.

3.Обобщенная математическая модель и алгоритм расчета электромагнитных параметров и процессов с линейной токовой нагрузкой якоря в качестве независимой переменной.

4. Способ расчета в относительных единицах с плавающим базисом для управляющей независимой переменной.

5. Математическая модель и алгоритм расчета геометрических размеров активной зоны объектов, обеспечивающие формирование произвольной конфигурации пазов совокупностью простейших геометрических форм в виде прямоугольника, трапеции и полуокружности, как на стадии поверочных, так и на стадии поисковых расчетов.

6. Способ экспресс-анализа последствия отклонений функционально значимых технологических или физических параметров.

7. Методика синтеза параметров активной зоны и характеристик объектов до установления геометрических размеров и чисел проводников обмоток, исключающая необходимость обработки зависимостей дискретного характера в процессе поиска.

8. Способ управления количеством и очередностью варьирования независимых переменных на стадии параметрического синтеза функциональных свойств объектов.

Практически значимыми являются:

1. Разработанные научно-методологические основы автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин различного назначения, компьютерная реализация которых позволяет эффективно и с наименьшими затратами времени оценивать признаки конкурентной способности и активно управлять технологическими процессами с ориентацией на конечный результат.

2. Программный комплекс, решающий задачу автоматизации управления технологическими процессами в части корректировки функционально значимых параметров для обеспечения требуемых характеристик изготавливаемых объектов.

3. Использование программного комплекса в автономном режиме при промышленном и учебном проектировании.

Диссертация состоит из пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первой главе анализируются функциональные свойства адекватной математической модели. Качественный анализ взаимосвязей параметров и функциональных свойств объектов является основополагающим для выбора независимых переменных математической модели, а именно параметров пазовых слоев.

Во второй главе рассмотрена методология моделирования геометрических размеров активной зоны вращающихся электрических машин. Формирование конфигурации как одинарных, так и других пазов путем составления паза из участков простейших геометрических форм — прямоугольника, трапеции и полукруга в их произвольном сочетании, лежит в основе обобщенной математической модели геометрических размеров активной зоны объектов.

В третьей главе рассмотрен аналитический механизм расчета электромагнитного и теплового состояния объектов, соответствующий технологии вычислительного эксперимента. В качестве управляющего воздействия (проектного параметра или независимой переменной) принимается линейная токовая нагрузка якоря А, которая для машин переменного и постоянного тока играет роль обобщенного параметра нагрузки. Результатом выполненных теоретических исследований является метод прямого расчета режимов работы объектов, не содержащий традиционный промежуточный расчет режима холостого хода.

В четвертой главе представлены теоретические исследования по применению обобщенной модели объектов для параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик вращающихся электрических машин. Эффективность применения разработанной поэтапной процедуры поиска оптимальных функциональных свойств объектов показывает хорошая корреляция теоретических расчетов и результатов стендовых испытаний объектов.

В пятой главе приведены материалы по практическому использованию автоматизированных процедур параметрического синтеза активной зоны электрических машин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на новой методологической основе решен комплекс задач автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин в интересах оперативного управления технологическими процессами с целью обеспечения конкурентной способности изготавливаемых объектов. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложен, теоретически обоснован, экспериментально проверен обобщенный метод математического моделирования электрических машин.

2. Разработана, исследована и обоснована математическая модель, состоящая из подмодели геометрических размеров активной зоны произвольной конфигурации и подмодели электромагнитного и теплового состояния объектов с линейной токовой нагрузкой якоря в качестве независимой переменной.

3.Разработана и реализована методология поэтапного параметрического синтеза функциональных характеристик объектов, обеспечивающая оперативный учет фактических физических свойств материалов и параметров технологических процессов.

4.Программный • комплекс, решающий задачу автоматизации управления технологическими процессами в части корректировки функционально значимых параметров для обеспечения требуемых характеристик изготавливаемых объектов.

5.Использование программного комплекса в автономном режиме в процессе промышленного и учебного проектирования при проведении комплексных исследований научных й технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента. Такие исследования охватывают следующие проблемы:

— адекватность применяемых методик расчёта электромагнитного и теплового состояния объектов энергетическому балансу мощностей во всей области возможных режимов работы;

— технико-экономическая целесообразность применяемых активных материалов (электротехнических сталей, изоляций, проводниковых материалов), конструктивных исполнений, конструкционно-технологических ограниченийдостоверность установления глобального экстремума при наличии локальных в процессе синтеза оптимальных геометрических размеров активной зоны объекта, а также при моделировании режимов его работы. В целом выполненная диссертация является законченной научной работой, в которой решена крупная научно-техническая проблема системных исследований автоматизации процессов параметрического синтеза и оценки функциональных характеристик электрических машин, имеющая важное практическое применение для автоматизации управления технологическими процессами с целью обеспечения конкурентной способности изготавливаемых объектов.