2.8. Характеристика оптимизации электромеханических устройств и систем методами пассивного поиска

В курсе лекций изучаются и исследуются методы и алгоритмы пассивного поиска оптимальных проектных решений: сканирования, статистических испытаний, –поиска и рассматривается их применение при параметрической оптими­зации ГД.

Для ЭМУС, и в частности ГД, параметрами оптимизации могут быть

1. геометрические размеры и их соотношения;

2. обмоточные данные;

3. характеристики материалов;

4. параметры электропитания и нагрузки;

5. соотношения показателей и др. [2, 3].

При проектировании ЭМУС укрупнено выполняются следующие действия:

1. часть исходных переменных задаётся из ТЗ, а часть – на основе статистических данных;

2. из всего многообразия параметров ЭМУС выделяется по возможности их минимальное количество, наиболее полно определяющее конструкцию и процессы конкретного устройства или системы;

3. для выделенных параметров них задаются области допустимых значений;

4. проводятся циклические проектные расчёты ЭМУС при вариации исходных переменных.

В качестве параметров оптимизации ГД цилиндрической конструкции обычно принимаются следующие параметры:

K_d – отношение наружного диаметра ГД (наружного диаметра статора при нормальном исполнении или ротора – при обращённом исполнении) к диаметру поверхности статора со стороны зазора;

_n1 – относительная площадь пазов статора – отношение суммарной площади пазов к площади пластины статора;

K_м – кратность максимального момента – отношение максимального электромагнитного момента, развиваемого ГД, к номинальному моменту нагрузки;

 – размер воздушного зазора, см.

Выбор указанных параметров оптимизации продиктован практикой проектирования ГД.

Параметр K_d задаёт распределение полного объёма ГД на статор и ротор, _n1 – распределение объёма статора на магнитопровод и обмотку.

Коэффициент K_м определяет время разгона ГД и, следовательно, время готовности гироскопа.

Размер воздушного зазора – важнейший геометрический параметр ГД, характеризующий процесс электромеханического преобразования энергии в ГД.

Таким образом, любое сочетание двух, трёх или четырёх из указанных параметров однозначно определяет вариант ГД при заданных габаритах.

Разнородность параметров оптимизации, различия в диапазонах их измене­ния приводят к необходимости нормирования параметров оптимизации. При этом реальная область поиска, определяемая диапазонами

(2.11)

заменяется единичным п–мерным объёмом, а текущие значения нормированных параметров вычисляются по формуле:

(2.12)

Рабочими показателями ГД являются:

1. потребляемые токи и мощности в пус­ковом (I_1п , P_1п) и номинальном (I_1н , P_1н) режимах;

2. электромагнитный мо­мент (M);

3. КПД ();

4. время разгона (t_p);

5. крутизна меха­нической характеристики (dM/dS);

6. номинальное относительное скольжение (S_н) и др.

Наиболее часто критериями оптималь­ности назначаются _н, t_p, dM/dS.

Реально при оптимизации ГД приходится учитывать как ограничения на его рабочие показатели, указанные в ТЗ на проектирование, так и ограничения технологической выполни­мости размеров ГД, например, размеров штампа статора и ротора.

Наибольшее распространение для решения задач параметрической оптими­зации ЭМУС получили численные методы нелинейного программирования или ме­тоды поиска, позволяющие определить приближение к экст­ремуму функции цели с определённой степенью точности. В курсе лекций рассматриваются методы пассив­ного поиска: сканирования, статистичес­ких испытаний, –поиска, сущность ко­торых состоит в организации равномерного просмотра вариантов проекта в задан­ной области изменения параметров. При этом процесс поиска не зависит от ре­зультатов, полученных в ходе поиска.

Для данной группы методов заранее опреде­ляется количество вариантов, которые должны быть проанализированы для опреде­ления экстремума функции цели с заданной степенью точнос­ти. Отсюда очевидны основные преимущества этой группы методов:

1. независи­мость процесса и результатов поиска от наличия ограничений и поведе­ния функции цели;

2. возможность прибли­жения к глобальному экстремуму в заданной области изменения параметров.

Основной не­достаток – значительные затраты на поиск, связанные с необходимостью просмотра большого количества точек для получения достоверной информации об экстремуме функции цели.

Каждая точка во всех методах поиска – это конкретный вариант объекта проектирования, в частности при проектировании ЭМУС – вариант, например, гироскопического электродвигателя системы управления летательным аппаратом или генератора системы электроснабжения, а координаты точки – конкретные значения переменных параметров, в зависимости от изменения которых ведётся поиск оптимального варианта объекта проектирования.

Необходимо более подробно рассмотреть алгоритмы этих методов.