СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Рабочие материалы к Лекции
по курсу "Электромеханические системы"
СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Синтез - соединение различных элементов в единое целое (систему), т.е. другими словами
комплекс работ по созданию системы. Производится на этапе проектирования системы.
Этапы проектирования электромеханических систем
Проектирование – комплекс работ с целью получения необходимой документации для
создания системы. Включает в себя работы по изысканию, исследованию, расчетам и
конструированию и др.
На рис.126 РМ представлены основные этапы проектирования технических систем.
1. Этап согласования ТЗ.
К разработке и согласованию ТЗ привлекаются высококвалифицированные специалисты,
обладающие большим опытом и знаниями в области проектируемых систем.
Пример ТЗ приведен на стр.114РМ.
Основные разделы ТЗ:
- назначение и область применения;
- технические данные (требования по выходным показателям системы и данные по
параметрам источников питания, требования по точности и стабильности выходных
характеристик, требования к габаритным размерам и массе, требования по надежности
работы и др).
- условия эксплуатации (срок эксплуатации, режим работы S1-S8; климатические условия,
механические нагрузки, условия транспортировки и хранения, требования к
обслуживающему персоналу, ремонту и т.п.).
- требования к конструкции и комплектующим системы (конструктивное исполнение IP,
система охлаждения IC, способ монтажа IM, класс нагревостойкости обмотки и требования
по стандартизации, унификации, технологичности и т.д)
Обычно первый вариант ТЗ разрабатывается заказчиком и передается проектировщику
для рассмотрения и согласования.
При этом Заказчик стремится зафиксировать наилучшие характеристики и короткие сроки
создания системы и т.д. А вот разработчик при анализе ТЗ рассматривает следующие
вопросы:
- обоснованность и необходимость заданных требований;
- выполнимость заданных требований, возможность решения поставленных задач при
имеющихся научно-техническом заделе и квалификации специалистов;
- уточнение и согласование требований к заданным характеристикам;
- оценка трудоемкости и сроков проектирования с учетом своих временных,
производственных и финансовых возможностей.
Ориентировка на низкие технические характеристики неизбежно приведет к созданию
несовершенной и неперспективной системы. В то же время завышенные требования по
одним показателям могут привести к неоправданному снижению других показателей и
привести к созданию неоптимальной системы в целом, или невыполнимости всех
требований.
2. Этап технического предложения.
Осуществляется синтез возможных вариантов решения задачи, удовлетворяющих всем
требованиям ТЗ.
На этом этапе разрабатываются или выбираются:
- принципы построения системы;
- рациональные структуры системы;
- принципы построения элементов системы;
- методы проектирования, обеспечивающих достижение заданных характеристик с
наименьшей затратой времени, сил и средств.
При этом проводятся:
- на основании анализа технического задания заказчика и различных вариантов
возможных решений изделий обоснование целесообразности разработки документации
изделия;
- сравнительная оценка полученных вариантов разрабатываемого и существующих
изделий;
- патентные исследования.
На этом же этапе решается задача обеспечения надежности проектируемой системы.
Итогом данного этапа являются технические предложения по системе. Разработанным на
этом этапе документам присваивается литера "П".
3. Этап эскизного проектирования.
Эскизное проектирование - стадия разработки, на которой получают комплект
конструкторских документов, называемый эскизный проект. Эскизный проект определяет
общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также определяющий
основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия.
Включает в себя:
- дальнейшее уточнение и конкретизацию структурной схемы системы;
- схемную проработку конструкций и устройств;
- разработку эскизной технической документации (схемной, программной,
конструкторской, монтажной, технологической и текстовой).
Широко развертываются работы по математическому моделированию.
С целью проверки принципов работы изделия или его составных частей может быть
изготовлен макетный образец изделия (физическое моделирование).
Результатом этапа является выпуск эскизного проекта. Документам присваивается литера
"Э". Эскизный проект позволяет предварительно оценить целесообразность производства
этого изделия и начать его планировать.
4. Этап технического проектирования.
Технический проект — совокупность конструкторских документов, которые должны
содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об
устройстве разрабатываемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей
конструкторской документации.
Этап предусматривает детальную проработку проекта.
Включает в себя:
- создание полного комплекта технической документации, включая и эксплуатационную.
- выпуск технологической документации, необходимой для изготовления опытной партии
системы в заводских условиях.
- изготовление и испытания макетных образцов;
- коррекция (при необходимости) документаций, и в первую очередь технических условий
и инструкций.
Результатом этапа является выпуск технического проекта. Документам присваивается
литера "Т".
-Первые два этапа относятся к стадии внешнего проектирования, два последних – к стадии
внутреннего проектирования.
Основной задачей внешнего проектирования является выбор оптимальной для заданных
условий общей структуры системы.
Под этим подразумевается:
- совокупность основных элементов системы;
- численные значения параметров элементов;
- характер функциональных, динамических и конструктивных связей,
которые обеспечивают решение поставленной функциональной задачи наиболее
оптимальным с учетом принятого критерия предпочтения способом.
Выбор оптимального варианта осуществляется путем сопоставительного анализа
ограниченного числа вариантов построения структуры.
Для такого ограниченного числа вариантов проводится математическое и физическое
моделирование, что позволяет определить лучший из сопоставляемых вариантов.
Варианты выбираются на основе эвристического анализа. Так называется анализ,
основанный только на опыте и эрудиции проектировщика. Все это не позволяет рассмотреть
полное множества допустимых структур, а значит, и выбрать самую оптимальную систему.
Чем квалифицированнее разработчик, тем выбранная система будет более приближена к
оптимальной из всех возможных.
Задачей внутреннего проектирования является оптимизация внутренней структуры
элементов принятого варианта построения системы, выбор конкретных технических
решений относительно конструктивного исполнения этих элементов, а также оптимизация
процесса функционирования этой системы.
5. Этап разработки РКД
Отметим, что после этапа технического проектирования следует этап изготовления
рабочей конструкторской документации (РКД).
1. Разработка РКД для опытного образца (опытной партии) изделия.
1.1. Опытный образец (или партия) изготавливается, проводятся предварительные
испытания.
1.2. По результатам изготовления и предварительных испытаний конструкторская
документация корректируется и ей присваивается литера "О".
1.3. Проводятся приемочные испытания опытного образца (опытной партии).
1.4. По результатам приемочных испытаний конструкторская документация вновь
корректируется и ей присваивается литера "О1".
1.5. Для изделий, разрабатываемых по заказу Министерства обороны, при необходимости
производится повторное изготовление и повторные испытания по документации с литерой
"О1" и корректировка конструкторских документов с присвоением им литеры "О2".
2. Разработка РКД для серийного (массового) производства
2.1. Изготовление и испытание серии по документации с литерой "О1" (или "О2").
2.2. Корректировка конструкторской документации по результатам изготовления и
испытания. Присвоение конструкторским документам литеры "А".
2.3. Для изделия, разрабатываемого по заказу Министерства обороны, при необходимости,
повторное изготовление и испытания головной (контрольной) серии по документации с
литерой "А", соответствующая корректировка документов и присвоением им литеры "Б".
Блок схема цикла создания технической системы приведен на рис. 127РМ.
Анализ проблемной ситуации.
Нужно осознать, почему появилась востребованность в этой ТС, где будет применяться и
какими качествами она должна обладать, чем не удовлетворяют ранее использовавшиеся
системы. Формулируется проблема.
Какие цели должны быть достигнуты?
Какие ограничения в выборе решения?
Какие критерии эффективности необходимо использовать при оценке системы?
Иерархия критериев эффективности.
Каковы перспективы развития и применения этой системы.
Все это определяет проблему.
Завершается этап разработкой ТЗ.
Синтез решений
Принять решение можно тогда, когда есть цель, альтернативные варианты и способы
оценки.
Моделирование
Физическое или математическое. Физическое моделирование дорого, поэтому сложные
системы моделируются математически.
Выбор методов моделирования.
Расчет выходных параметров
Анализ полученных результатов. Сравнение с требованиями ТЗ.
Приведение параметров и показателей системы в соответствие с требованиями ТЗ многократный итерационный процесс.
Коррекция параметров - параметрическая оптимизация.
Если параметры не получаются оптимальными – изменяют структуру – при этом в
результате осуществляется выбор оптимальной структуры. Если снова не получается –
изменяется концепция, принцип действия.
После окончательного выбора оптимального варианта оформляется документация,
изготавливаются и испытываются опытные образцы, анализируются результаты испытаний.
При необходимости вносится коррекция.
Процесс проектирования ТС сопровождается рядом ограничений, связанных главным
образом, с ограничениями методов проектирования и ограничениями, связанными с
реализацией проекта, что уменьшает количество возможных решений, вычеркивая при этом,
возможно более оптимальные из них (рис.128РМ).
Общая постановка задачи синтеза систем
В наиболее общем виде задача синтеза систем может быть сформулирована следующим
образом:
найти (выбрать из допустимых комбинаций)
- такую совокупность структурных элементов системы,
- такие связи между элементами,
- такие численные значения параметров элементов,
которые являлись бы наилучшими в смысле выбранного критерия оптимизации при
выполнении системой возложенных на нее функциональных задач и удовлетворении
накладываемых ограничений.
При этом различают синтез структуры системы и параметрический синтез.
При синтезе структуры определяют оптимальную совокупность элементов и связей между
ними. При параметрическом синтезе – определяют оптимальные значения параметров
элементов.
Сложность поставленной задачи заключается в большом числе всех возможных вариантов
системы.
При этом худшие варианты должны отбрасываться уже на первом этапе на основании
опыта (эвристически). А нехудшие варианты должны просматриваться при использовании
математических методов оптимизации.
Основные этапы синтеза структуры ЭМС
Рис.140РМ.
Решение задачи синтеза структуры проектируемой системы предполагает
предварительное формирование банка исходных данных, содержащего информацию по
возможным вариантам технической реализации функциональных операций, необходимых
для решения поставленной задачи.
В Банк данных включается:
- информация по ранее созданным системам аналогичного вида;
- результаты научно исследовательских работ;
- патентная информация;
- информация по зарубежным системам аналогичного типа.
Эти данные после их оценки вводятся в память ЭВМ, используемой для выполнения
операций выбора структуры системы. Постоянное поддержание банка данных (обновление и
корректировка данных) – необходимое условие для успешного решения поставленных задач.
Чем более опытным и компетентным является специалист-разработчик, тем более
обширным банком данных он располагает тем более приближенной к оптимальной будет
являться выбранная им система.
Процесс синтеза структуры системы можно разделить на три основных этапа.
1) Формирование априорной информации по многообразию возможных вариантов
структуры системы.
Априорная информация – это информация, не основанная на предшествующем опыте
[2];
(противоп. апостериорный), или другими словами, предварительные данные,
источником которых могут быть теоретические соображения или статистические
исследования [3].
Содержание этапа приведено на рисунке.
Конечной целью первого этапа является разработка функционально-избыточной
качественной модели – обобщенной схемы проектируемой системы. Такая схема позволяет
представить все многообразие возможных вариантов структуры системы.
2) Поиск оптимальной структуры проектируемой системы.
На основе анализа обобщенной схемы определяются конкурентоспособные варианты
функционально необходимой структуры. Каждый из них характеризуется показателем
качества Ер>Ермин – численным выражением степени оптимальности данной системы в
смысле заданного критерия предпочтения Из этих вариантов по результирующему
показателю качества с учетом имеющихся ограничений выбирается оптимальный вариант
структуры.
3) Получение апостериорной информации и выбор структуры системы.
По созданной оценочной модели производится оценка показателей качества выбранного
варианта структуры и принятие решения о выборе данной структуры или о необходимости
повторного итерационного цикла структурных исследований с целью получения
дополнительной информации, необходимой для принятия обоснованного решения.
Таким образом, выбор оптимальной структуры проектируемой системы осуществляется в
результате оценки возможных вариантов построения системы, устанавливаемых в процессе
анализа исходной информации и представляемой в формализованной форме некоторой
обобщенной структуры.
Параметрический синтез элементов ЭМС
Параметрический синтез является одним из этапов синтеза систем, когда решение задачи
оптимизации достигается за счет изменения параметров системы.
В качестве параметров системы могут рассматриваться:
- геометрические размеры;
- обмоточные данные;
- характеристики электротехнических и магнитных материалов;
- значение электромагнитных нагрузок и т.д.
Основные операции подготовки решения задачи параметрического синтеза элементов
ЭМС приведены на стр.113РМ.
Задача параметрического синтеза (правый нижний угол рисунка):
Определить такую совокупность значений варьируемых параметров {х1,....,хn}, при
которой результирующий показатель качества (функция цели) принимает экстремальное
(наилучшее в смысле выбранного критерия предпочтения) значение при выполнении всех
заданных ограничений.
Предположим, что необходимо спроектировать электропривод. Разберем содержание
основных блоков:
Функциональные свойства - требования по номинальной частоте вращения,
номинальному и пусковому моментам и т.д.
Ограничения - по габаритным размерам, массе, по допустимому току, допустимому
перегреву элементов конструкции, по выбору материалов и комплектующих и т.д.
Эти требования и ограничения задаются в техническом задании.
Показатели качества – это выходные показатели электропривода, которые являются
важными с позиций функционирования электропривода – например, КПД, пульсация
момента, удельная мощность, масса, габаритные размеры и т.д.
Объект проектирования (электропривод) характеризуется некоторой совокупностью
параметров оптимизации {х1,....,хn}, значения которого однозначно определяют совокупность
показателей качества, характеризующих вариант проекта {y1,…,ym}.
Свойства ЭМП характеризует значительное количество и разнообразие параметров.
Часть из этих параметров фиксируют (делая при этом окончательный выбор по их
значениям).
Остальные параметры относят к варьируемым параметрам (параметрам оптимизации). Их
значения будут перебираться при поиске оптимального варианта. При этом задаются
допустимым диапазоном изменения этих параметров.
Варьируемые параметры должны быть:
- взаимно независимы (могли бы изменяться вне зависимости от значения других
варьируемых параметров);
- их число должно быть по возможности меньшим. Это облегчит решение задачи
оптимизации.
Между параметрами оптимизации и показателями качества в общем случае имеется
функциональная связь вида
yj = fj(x1,….,xn) для всех j от 1 до m
Для решения задачи параметрического синтеза выделяется некоторый результирующий
показатель качества – функцию цели – показатель, определяющий по определенному
критерию наилучшую (оптимальную) систему.
Основные требования к результирующему показателю качества (функции цели):
- правильное отражение существа решаемой задачи;
- сильная зависимость от параметров оптимизации.
В качестве результирующего показателя качества можно, например, выбрать КПД. Или
комбинированный показатель качества: КПД со своим весовым коэффициентом и пульсация
момента со своим весовым коэффициентом.
Общая структура алгоритма поиска оптимальных проектных решений
При поиске оптимального проектного решения выполняется ряд задач, включающих в
себя: определение типа, конструктивной схемы, параметров, допусков на параметры,
алгоритма управления. Решение этих задач дает приближение к лучшему в некотором
отношении варианту проекта.
При этом принципиально могут быть использованы два подхода (рис141РМ).
Первый подход (слева) предполагает проведение полного проектного расчета для всех
возможных вариантов ЭМС (например, электродвигателя), из которых будет выбран
оптимальный.
Трудности:
- невозможность просмотра за приемлемое время всего множества альтернатив, которое
включает в себя варианты ЭД всевозможных типов и конструктивных схем с
разнообразными значениями параметров в рамках одной конструктивной схемы, с
различными допусками на параметры и режимами управления ЭД.
- необходимо сразу же использовать самые подробные математические модели с
множеством параметров оптимизации, что еще более усложнило и замедлило процесс поиска
оптимального ЭД.
- использование разнородных моделей с различным набором допущений и различной
точностью может привести к неправомерности сравнения результатов расчетов и потере
действительно оптимального варианта.
В то же время раздельное определение оптимального типа, конструктивной схемы,
параметров также неприемлемо из-за наличия взаимосвязей этих задач.
Второй подход (справа) предусматривает разбиение процесса проектирования
оптимальной системы на шаги и выбор на каждом шаге некоторого приближения к
оптимальному варианту таким образом, чтобы на последнем шаге был получен искомый
оптимальный вариант. Это направленное формирование оптимальной системы.
Последовательно решаются следующие задачи:
1) Выбор аналогов ЭД из полного множества известных допустимых по требованиям
технологии технических решений (ТР).
Аналоги представляют собой первые приближения в решении задачи синтеза и могут не в
полной мере отвечать всем требованиям ТЗ.
Если ЭВМ не находит аналог в банке данных (БД), то разработчик сам задает параметры
первого варианта ЭД и методом проб и ошибок получает значения параметров аналога.
Таким образом, на первом этапе область поиска оптимального ЭД сокращается от полного
множества ТР до множества аналогов проектируемого ЭД.
2) Поиск прототипа ЭД;
Осуществляется преобразование параметров аналогов с целью входа в допустимую
область по показателям ТЗ и получения прототипа оптимального ЭД. Если прототипы не
найдены, то разработчик либо задает параметры следующего аналога, либо делает вывод о
невозможности выполнения требований ТЗ и необходимости их коррекции.
3) Оптимизация прототипа на заданный критерий оптимальности.
Результатом работы алгоритма является набор неулучшаемых альтернатив (вариантов
ЭД), из которых выбирают оптимальный вариант. Под термином "оптимальный вариант"
здесь понимают наилучший для данного ТЗ вариант проекта на множестве известных ТР.
Это не глобально-оптимальный вариант из всех возможных вариантов ЭД, а только
приближение к нему, которое будет находиться к нему тем ближе, чем лучше исследовано
полное множество вариантов.
Его достижение теоретически возможно при применении первого подхода синтеза
оптимальной системы, когда исследуются практически все возможные системы.