автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка специального математического обеспечения системы анализа динамики асинхронного электропривода

Введение

1. Средства математического обеспечения процедур моделирования и анализа электромеханических систем

1.1. Общая проблематика моделирования сложных электромеханических систем и комплексов

1.2. Инструментальные средства математического моделирования, анализа и синтеза электромеханических систем

1.3. Анализ средств программного обеспечения систем моделирования сложных электромеханических комплексов 18 Цель работы и задачи исследования

2. Компьютерная система моделирования и анализа динамики асинхронного электропривода

2.1. Обобщенная структура компьютерной системы моделирования и анализа асинхронного электропривода

2.2. Функциональные и сервисные модули компьютерной системы

2.2.1. Модуль муфта (Mufta)

2.2.2. Модул^редуктор (Reduktor)

2.2.3. Модуль панель управления (PanelUpr)

2.2.4. Модуль механической части (Mexl)

2.2.5. Модуль графика (GraphD)

2.2.6. Модуль вида Edit*

2.3. Интегрирование модулей моделирования в различные среды программирования 64 Выводы

3. Математическое обеспечение процедур анализа электромеханических систем на базе обобщенной электрической машины

3.1. Формализованное описание обобщенной электрической машины для условий асинхронного двигателя

3.2. Исследование вариантов модели асинхронного двигателя в программ-мной системе MathCad

3.3. Анализ влияния эффекта вытеснения тока и нелинейности насыщения магнитной системы АД на характер переходных процессов 93 Выводы 109 4. Результаты практической апробации специального программного обеспечения компьютерной системы моделирования и анализа

4.1. Структура специального программного обеспечения

4.2. Моделирование и анализ динамики привода главного подъема тележки мостового крана

4.3. Обработка результатов машинных экспериментов 117 Заключение 127 Список литературы 129 Приложение 1 132 Приложение

Актуальность темы. Повышение темпов производства невозможно без применения новых технологий и соответственно современного оборудования.

Большинство энергоемкого оборудования на предприятиях составляют промышленные электроприводы, у которых в качестве электрической машины используются асинхронные электродвигатели. Выбор оптимального, с точки зрения энергосбережения и качества регулирования, способа управления, а также правильный выбор циклограммы работы ведут к снижению затрат, связанных с установкой электропривода и его эксплуатацией. Разработка компьютерных систем моделирования и анализа, учитывающих особенности определенных типов электроприводов, а также различные режимы их работы, определяют необходимость создания соответствующих средств алгоритмического и программного обеспечения, дающих возможность достижения требуемого уровня качества моделирования, выявления специфических особенностей объекта исследования с целью последующей оптимизации.

Следует отметить, что в настоящее время практически отсутствуют специальные объектно-ориентированные программные средства, позволяющие с высокой точностью и оперативностью проводить структурное моделирование сложных электромеханических комплексов с последующим анализом динамических характеристик. В этой связи разработка специального математического и программного обеспечения объектно-ориентированных систем моделирования и анализа электроприводов различного типа, как альтернатива соответствующих промышленных программных систем, является актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках научного направления ВГТУ - "Вычислительные и программно-аппаратные электротехнические комплексы" (ГББО. 39/10; 50.43/10).

Автор выражает искреннею благодарность к.т.н., профессору кафедры АиТС Фролову Ю.М. за помощь оказанную при подготовке диссертации.

Целью работы является разработка средств специального математического и программного обеспечения системы компьютерного моделирования и анализа динамики сложных электромеханических систем на базе асинхронного электропривода, а также их апробация применительно к конкретным условиям привода подъема тележки мостового крана.

Для реализации данной цели в работе поставлены следующие основные задачи:

- на базе системной методологии разработать структуру компьютерной системы моделирования и анализа динамических характеристик электромеханических систем, позволяющую осуществлять адаптацию содержательных элементов на специфические особенности конкретных электроприводов;

- разработать средства специального математического обеспечения процедур моделирования функциональных компонентов электромеханических систем, позволяющие анализировать характеристики в различных средах, поддерживающих СОМ - технологию;

- разработать алгоритм формирования комплексной модели объекта исследования, обеспечивающий на функциональном уровне осуществлять анализ электромеханических систем с различным числом элементов;

- построить специальное программное обеспечение компьютерной системы моделирования и анализа, позволяющее осуществлять активное взаимодействие пользователя с системой в различных режимах принятия проектных решений;

- осуществить апробацию компьютерной системы моделирования применительно к конкретным условиям асинхронного электропривода подъема тележки мостового крана.

Методы исследования базируются на использовании теории электрических машин, теории электропривода, теории автоматического управления, численных и аналитических методов решения дифференциальных уравнений, теории моделирования.

Научная новизна исследования. В диссертации получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

- структура компьютерной системы моделирования и анализа динамических характеристик электромеханических систем, отличающаяся возможностью её адаптации к условиям различных типов электроприводов;

- средства специального математического обеспечения процедур моделирования основных функциональных компонентов электромеханических систем на базе асинхронного электропривода, отличающиеся учетом нелинейности насыщения магнитной системы и эффектом вытеснения тока;

- алгоритм формирования вариантов комплексной модели объекта исследования, обеспечивающий в интерактивном режиме анализ динамики электромеханической системы за пределами программной оболочки;

- структура специального программного обеспечения системы компьютерного моделирования, позволяющая проводить анализ объекта исследования в различных средах программирования;

- результаты исследования компьютерных моделей электромеханической системы на базе асинхронного электропривода, дающие возможность осуществлять выбор оптимальных проектных решений.

Практическая значимость работы заключается в разработке инструментальных средств моделирования отдельных функциональных компонентов электроприводов различного типа, что позволяет в рамках процедур анализа проводить структурное моделирование сложных электромеханических систем, а также исследование их динамических характеристик. На базе теории обобщенной электрической машины разработана компьютерная модель электромеханического преобразователя энергии (ЭМПЭ) с возможностью адаптации к техническим параметрам конкретного типа электродвигателя. Теоретические результаты работы положены в основу компьютерной модели привода главного подъема тележки мостового крана, реализованной в виде текста прикладной программы "Автоматизированный расчет электроприводов передвижения тележки и подъема мостового крана", зарегистрированного в Государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации № 50200000074 от 25.04.2000 г.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс ВГТУ в рамках дисциплин "Автоматизированное проектирование электроприводов" и "Теория электропривода".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на III Всероссийской конференции "Интеллектуальные информационные системы" (Воронеж, 2000); на межвузовской научно - студенческой конференции "Актуальные проблемы модернизации России в XXI веке" (Воронеж, 2000); на региональной научно-технической конференции "Автоматизация и роботизация технологических процессов" (Воронеж, 2000); на региональной научно - технической конференции "Автоматизация и роботизация технологических процессов" (Воронеж, 2001), а также на научных семинарах кафедры "Автоматики и информатики в технических системах" ВГТУ.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 печатных работах. Лично аспирантом предложены: в [4,5,9,10] - компьютерная модель электропривода главного подъема тележки мостового крана; в [7] -подход к созданию эмулятора электрического привода; в [13,14] - подход к объектно-ориентированному программированию компонентов электропривода, реализующий возможность моделирования и анализа динамики сложных электромеханических систем; в [11] - компоненты среды программирования Delphi 5.0, моделирующие работу функциональных элементов электропривода.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, основной текст изложен на 131 листе и содержит 82 рисунка, две таблицы, список литературы, включающий 82 наименования, и два приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана структура компьютерной системы моделирования и анализа динамических характеристик электромеханических систем с возможностью адаптации её компонентов на специфические особенности конкретных типов электроприводов.

2. Разработаны средства математического обеспечения процедур моделирования функциональных компонентов ЭМС, позволяющие осуществлять анализ динамических характеристик в различных программных средах.

3. Разработаны средства математического обеспечения процедур моделирования функциональных компонентов электромеханической системы, отличающейся учетом нелинейности насыщения магнитной системы электродвигателя и эффекта вытеснения тока.

4. В программной системе MathCad проведены исследования динамических характеристик АД при различных способах регулирования скорости и в различных режимах работы с учетом влияния нелинейности насыщения магнитной системы двигателя и эффекта вытеснения тока.

5. Разработана методика создания пользовательских компонентов среды программирования Delphi, моделирующих работу функциональных элементов асинхронного электропривода.

6. На основе разработанного специального математического обеспечения созданы пользовательские компоненты среды программирования Delphi, моделирующие работу основных элементов электропривода: асинхронный двигатель, соединительная муфта, кинематический редуктор, механическая часть в виде подъемного механизма, панель управления, датчики и элементы графического анализа данных.

125

7. Предложена методика перевода разработанных компонентов в элементы управления ActiveX, что предоставляет возможность моделирования электромеханических систем в различных программных средах, поддерживающих СОМ технологию.

8. На базе созданных компонентов специального математического обеспечения осуществлено моделирование и анализ динамики электропривода главного подъема тележки мостового крана.

1.http://www.exponenta.ru/educat/news/maple8.asp2.http://www.exponenta.ru/educat/news/maple7.asp

2. Прохоров Г.В., Леденев М.А., Колбеев В.В. Пакет символьных вычислений Maple V. М.: Компания "Петит", 1997. 200 е.: ил.4.0чков В.Ф. Физические и экономические величины в Mathcad и Maple. М.: Финансы и статистика, 2002. 192 с.

3. Аладьев В. Эффективная работа в Maple 6/7. Лаборатория Базовых Знаний. 2002. 336 с.

4. Дьяконов В. Maple 6. Учебный курс. С.Пб.: Питер, 2001. 608 с.

5. Солодов А.П., Очков В.Ф. Mathcad. Дифференциальные модели. М.: МЭИ, 2002. 239 с.:ил.

6. Тарасевич Ю.Ю. Математическое и компьютерное моделирование. Вводный курс. М.: Едиториал-УРСС, 2001. 144 с.

7. Поршнев С.В. Компьютерное моделирование физических процессов с использованием пакета Mathcad: Учеб. пособие. М.: Горячая линия -Телеком, 2002. 252 с.

8. Глушаков С.В., Жакин И.А., Хачиров Т.С. Математическое моделирование. Mathcad 2000. Matlab 5.3. ACT. 2001. 524 с.

9. Ивановский Р. Компьютерные технологии в науке. Практика применения систем Mathcad 7 Pro, Mathcad 8 Pro, Mathcad 2000 Pro. СПб.: Издательство СПбГТУ, 2000. 201 с.

10. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000 Pro. М.: ДМК Пресс, 2001. 576 е.: ил.17. http://www.exponenta.ru/educat/svstemat/igliu/2/index.asp18. http://www.exponenta.ru/educat/news/matlab61 .asp19. http://www.exponenta.ru/educat/news/matlab65.asp

11. Семененко М. Введение в математическое моделирование. М.: Со-лон-Р, 2002. 111 с.

12. Мартынов Н. Введение в MatLab 6. М.: Кудиц-образ, 2002. 352 с.

13. Андриевский Б., Фрадков А. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB 5 и Scilab. С.Пб.: Наука, 2001. 286с.

14. Говорухин В., Цибулин В. Компьютер в математическом исследовании: Maple, MATLAB, LaTeX. СПб.: Питер, 2001. 624 с.

15. Чен К., Джиблин П., Ирвинг A. Matlab в математических исследованиях: Пер. с англ. М.: Мир, 2001. 346 с.

16. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. 528 с.

17. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде Matlab: Учебный курс. СПб.: Питер, 2000.432 с.

18. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MatLab 5.x: В 2 т. -М.: ДИАЛОГ - МИФИ, 1999. 304 с.28. http://www.exponenta.ru/educat/news/mathematica4 2.asp29. http://www.exponenta.ru/soft/Mathemat/tour/main.asp

19. Муравьев В., Бурланков Д. Практическое введение в пакет MATHEMATICA. Н. Новгород: Изд-во НГУ, 2000. 124 с.

20. Дьяконов В. Mathematica 4.0: Учебный курс. СПб.: Питер, 2000.656с.

21. Капустина Т. Компьютерная система Mathematica 3.0 для пользователя. М.: Солон, 1999. 240 с.

22. Аладьев В.З., Шишаков M.JI. Введение в среду пакета Mathematica 2.2. М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 1997. 368 с.34. http://www.anriintem.com/ind.shtml

23. Григорьев И. ПОЧЕМУ MICRO-CAP?, "Радио". № 5, 6. 1999. С. 4749, С. 56-57.

24. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V.-M.: Солон, 1997. 280 с.

25. Ключев В.И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: Учебник для вузов.-М.: Энергия, 1980. 360 с.

26. Фролов Ю.М. Обобщенная электрическая машина в электроприводе.: Учеб. пособие / Воронеж, гос. техн. ун-т. Воронеж, 2001. 171 с.

27. Яуре А.Г., Певзнер Е.М. Крановый электропривод: Справочник.-М.: Энергоатомиздат, 1988. 344 с.

28. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. М.: Энергоатомиздат, 1988. 224 с.

29. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 224 с.

30. Мамедов В.М. Управление электроприводами постоянного тока: Учеб. пособие. Воронеж : ВПИ, 1983. 132 с.

31. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977. 432 с.

32. Россия XXI век: опыт, проблемы, контуры развития: Сб. науч. тр. Воронеж: ВПИ, 2001. 198 с.

33. Ильинский Н.Ф., Юньков М.Г. Автоматизированный электропривод. -М.: Энергоатомиздат, 1990. С. 94-98.

34. Егоров В.Н., Корженевский-Яковлев О.В. Цифровое моделирование систем электропривода. JL: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986. 168 с.:ил.

35. Данилевич Я.Б., Домбровский В.В., Казовский Е.Я. Параметры электрической машины переменного тока. М. Л.: Наука, 1965. 339 с.

36. Конопка Рэй. Создание оригинальных компонент в среде Delphi: Пер. с англ. К.: НИПФ "ДиаСофт", 1996. 512 с.

37. Основы автоматизированного электропривода/ М.Г. Чиликин, М.М. Соколов, В.М. Терехов, А.В. Шинянский. М.: Энергия, 1974. 568 с.:ил.

38. Пиотровский J1.M. Электрические машины. М. Л.: Государственное энергетическое издательство, 1960. 532 с.

39. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. 4.2. Машины переменного тока. М. Л.: Энергия, 1965. 703 с.

40. Тейкслер Стив, Паченко Ксавье Delphi 5. Руководство разработчика. Разработка компонентов и программирование баз данных: Учеб. пособие: Пер. с англ.: М.: Издательский дом "Вильяме", 2000. Т.2. 992 с.:ил.

41. Хармон Эрик. Разработка СОМ приложений в среде Delphi: Учеб. пособие: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2000. 464 с. :ил.54. http://www.delphikingdom.com/article/triz.html

42. Романко В.К. Курс дифференциальных уравнений вариационного исчисления. М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. 344 е.: ил.

43. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Лаборатория базовых знаний. 2000. 624 с.:ил.

44. Костомаров Д.П., Корухова Л.С., Манпелей С.Г. Программирование и численные методы. М.: Изд-во МГУ, 2001. 224 с.

45. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока: Пер. с нем. М. Л.: Госэнергоиздат, 1963. 744 с.

46. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе / М.М. Соколов, Л.П. Петров, Л.Б. Масандилов, В.А. Ладензон. М.: Энергия, 1967. 200 с.

47. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973. 400 с.:ил.

48. Шубенко В.А. Некоторые вопросы динамики автоматизированных асинхронных электроприводов// Электричество. 1960. № 1.С. 10 18.

49. Браславский И.Я., Зюзев A.M., Тетяев Е.Ф. Управление тормозными режимами тиристорных асинхронных электроприводов // Электротехника. 1976. № 3. С. 9 12.

50. Шубенко В.А., Браславский И.Я. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением. М.: Энергия. 1972. 200 с.

51. К исследованию динамики пуска асинхронных двигателей при ти-ристорном управлении / В. А. Шубенко, И .Я. Браславский и др. // Электротехника. 1969. № 6. С. 1 3.

52. Браславский И.Я., Валек В.М. Потери в асинхронном двигателе и допустимая частота включений электропривода при тиристорном управлении // Электротехническая промышленность. Сер. Электропривод. 1983. № 5. С. 115.

53. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 2001. 327 с.

54. Сипайлов Г.А., Кононенко Е.В., Хорьков К.А. Электрические машины (специальный курс): Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1987. 287 с.

55. Сипайлов Г.A., Jlooc А.В. Математическое моделирование электрических машин (АВМ): Учеб. пособие для студентов вузов. М.: Высш. шк., 1980. 176 с.

56. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. 576 с.

57. Голован А.Т. Основы электропривода. М. Л., Госэнергоиздат, 1959. 344 с.

58. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. Л. М.: Госэнергоиздат, 1963. 772 с.

59. Башарин А.В., Голубев Ф.Н., Кепперман В.Г. Примеры расчетов автоматизированного электропривода. Л.: Энергия, 1972. 440 с.73. http://www. triz.minsk.by/h/5300100.htm74. http://www.triz.minsk.by/mdex 1 .htm131

60. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: Московский рабочий, 1973. 296 с.

61. Поиск новых идей: от озарения к технологии. Теория и практика решения изобретательских задач / Г.С. Альтшуллер, Б.Л. Злотин, А.В. Зусман и др. Кишинев: Картя Молдовеняске, 1989. 376 с.

62. Альтшуллер Г.С. Как научиться изобретать? Тамбов, 1961. 125 с.

63. Глазунов В.Н. Параметрический метод разрешения противоречий в технике (Методы анализа проблем и поиска решений в технике). М.: Речной транспорт, 1990. 150 с.

64. Елманова Н.З., Трепалин С.В. Delphi 4: технология СОМ. М.: Диалог-Мифи, 1999. 320 с.

65. Озеров В. Delphi. Советы программистов. М.: Символ-плюс, 2002.912 с.

66. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. 2-е изд. М.: Бином, 1998. 560 с.

67. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов.- 2-е изд., пе-рераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 2001. 704 с.