Моделирование электротехнических систем и систем автоматики

УДК 658.5 С14

Рецензенты:

канд. техн. наук А.В. Николаев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

профессор Е.М. Васильев

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Сажин, Р.А.

С14 Моделирование электротехнических систем и систем автоматики : учеб. пособие / Р.А. Сажин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2016. – 162 с.

ISBN 978-5-398-01549-2

Определены основные понятия и изложены принципы моделирования электротехнических систем и систем автоматики.

Приведены классификационные признаки различных типов моделей. Рассмотрены вопросы, связанные с принципами организации процесса моделирования, в том числе в анимационной форме. Рассмотрены теоретические вопросы, связанные с организацией математического моделирования некоторых инженерных задач. Описаны технические средства, приемы и программное обеспечение процесса моделирования.

Предназначено для студентов, изучающих курсы «Моделирование электротехнических систем» и «Моделирование систем автоматики».

УДК 658.5

2

4

ВВЕДЕНИЕ

Современные системы автоматического управления представляют собой сложные структуры, состоящие из множества электронных и электротехнических элементов, функционально связанных в единую систему.

Разработка современных работоспособных электротехнических систем и систем автоматики невозможна без исследования на адекватных математических моделях принципов их работы и характера поведения в различных условиях эксплуатации.

Современные системы управления технологическими объектами могут содержать в своей структуре элементы, имитирующие рабочее состояние этих объектов, принципы разработки которых полностью совпадают с принципами математического моделирования.

Целью настоящего учебного пособия является знакомство студентов с основными принципами моделирования работы электротехнических систем и систем автоматики, которые в настоящее время являются необходимым процессом в их проектировании. В процессе проектирования эти системы рассматриваются как технические объекты, становление которых проходит в несколько этапов, в том числе и через этап моделирования.

1. Понятие о техническом объекте

Проектирование любых технических изделий и систем свя-

зано с понятием технического объекта. Под техническим объ-

ектом понимают любой материальный объект, созданный руками человека для удовлетворения его жизненных потребностей.

Науке известно, что первым техническим объектом явилась палка, поднятая рукой первобытного человека, вероятно, для защиты от врагов. Вскоре эта палка уже использовалась им как примитивное орудие труда, которым первобытный человек мог

5

не только успешно отбивать нападения соперников или животных, но и раскапывать землю в поисках растительной пищи, сбивать плоды с деревьев, возможно, охотиться на животных или ловить рыбу. Возможности этого орудия (технического объекта) намного увеличились после того, как первобытный человек нашел способ заострить один из концов этой палки. С тех пор постоянное совершенствование технических объектов стало жизненной необходимостью не только для первобытного человека в его борьбе с дикой природой, но остается таковой и для современного человеческого общества. Это совершенствование технических объектов всегда происходит через творческий процесс, который является основой технического прогресса, с помощью которого постоянно возрастает жизненный уровень человечества.

Таким образом, любой технический объект является продуктом только человеческой деятельности. Этот объект играет посредническую роль между человеком и окружающей его средой. Технический объект всегда усиливает возможности человека при его воздействии на природу.

Между тем технический объект испытывает на себе двойное воздействие, как со стороны человека, так и со стороны самой природы. Природное воздействие всегда отрицательно влияет на технический объект, подвергая его износу, разрушению или старению. Примером того являются руины древних городов, разрушенные пирамиды египетских фараонов, засыпанные пеплом вулканов населенные пункты или потопленные стихией корабли.

В противоположность этому влияние человека на технический объект всегда положительно, так как он постоянно стремится придать этому объекту такие свойства, которые бы активно сопротивлялись разрушительному действию со стороны природы и в то же время наиболее полно удовлетворяли потребности в нем человека. Удачно сконструированный, технический объект успешно служит человеку долгие годы. Подтвер-

6

ждением этого служат великолепные древние строения (по сути, жилища), созданные предшествующими поколениями.

Однако внутренние качества любого технического объекта ненадолго удовлетворяют жизненные потребности человека, который в своем стремлении к совершенству предъявляет все новые и новые требования к возможностям этих объектов, в результате чего он постоянно их изменяет, т.е. совершенствует.

Созданный человеком технически объект своими свойствами на некотором отрезке времени его использования удовлетворяет его потребности. Вместе с тем за этот период изменяются технические возможности человека при производстве этих объектов, увеличивается уровень знаний самого человека о техническом объекте. Это приводит к появлению новых идей для совершенствования технического объекта. Примером является развитие радиоэлектронной техники: сначала гением А.А. Попова был создан радиотелеграф (на примитивном для нашего времени уровне), но постоянное совершенствование этой техники на протяжении целого века привело ее к небывалому, как нам теперь кажется, расцвету – цифровому телевизору с плоским экраном.

Споявлением нового технического объекта его старый образец «морально», но не физически устаревает только потому, что технические свойства нового технического объекта намного превосходят те, которые были присущи его старому образцу.

2.СТАДИИ СОЗДАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

Смомента формирования замысла конструктора о конкретном техническом объекте до его воплощения в реальное изделие проходит время, включающее несколько стадий, этапов. Процесс создания реального изделия включает стадию проектирования; стадию производства; стадию потребления и утилизации.

7

Стадия проектирования включает в себя четыре этапа:

•поисковые научные исследования;

•опытно-конструкторские работы;

•производство опытного образца изделия,

•испытания опытного образца изделия.

Поисковые научные исследования выполняются с целью получения исходных параметров для формулирования технического задания на проектирование предполагаемого изделия. На этом этапе происходит научное обоснование технических требований к будущему техническому объекту (изделию). Для выполнения этого этапа привлекаются высококвалифицированные научные кадры, способные сформулировать задание на предстоящие исследования, выбрать методику для их проведения и непосредственно их выполнить. Результатом выполнения этого этапа является формулирование технического задания на проектирование нового технического объекта (изделия), в котором должны быть четко определены технические требования к будущему изделию.

Опытно-конструкторские работы представляют собой процесс конструирования изделия, к выполнению которого привлекаются опытные инженерно-конструкторские кадры, способные выполнить проект изделия исходя из полученного на предыдущем этапе технического задания.

Проект состоит из графической части и пояснительной записки. Графическая часть проекта содержит общий вид изделия

сдальнейшей детализацией всех узлов. К проекту приложены чертежи всех деталей, водящих в его состав. В пояснительной записке приведены все необходимые сведения о проекте вплоть до расчетов параметров всех его элементов.

После завершения проектных работ и изготовления необходимого числа копий проекта начинается следующий этап – производство опытного образца изделия.

Производство опытного образца изделия осуществляется

сцелью изготовления одного образца или опытной партии этого

8

технического объекта для последующего испытания. К выполнению этого этапа привлекаются опытные рабочие кадры, способные не только на универсальном оборудовании без специальных технологий изготовить все детали опытного изделия, но

изатем успешно собрать его из этих деталей. Изготовление опытного образца производится на опытно-производственной базе проектного предприятия. После успешной сборки опытного образца или всей опытной партии изделия они подвергаются всесторонним испытаниям силами персонала испытателей проектного предприятия.

Испытания опытного образца изделия производятся пред-

приятием-проектировщиком с целью определения соответствия технических требований к изделию и его фактических параметров, полученных в результате опытных испытаний. К выполнению этого этапа привлекаются опытные инженерные кадры испытателей, способных обеспечить изделию в процессе его испытания необходимый диапазон реальных нагрузочных режимов

изафиксировать рабочие параметры испытываемого изделия.

Последующий анализ результата этих испытаний выполняется для определения их соответствия техническими требованиями на изделие. В случае выявления такого несоответствия испытания завершаются с отрицательным результатом, и проект возвращается на доработку для устранения выявленных несоответствий. В этот проект вносятся конструктивные изменения, которые дополняются изготовлением на опытной производственной базе новых деталей или узлов. После изменений в составе опытного образца он вновь подвергается испытаниям с последующей оценкой их результатов. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока параметры опытного изделия полностью не совпадут с его техническими требованиями.

На этом стадия проектирования считается завершенной. Опытный образец сдается приемочной комиссии (возможно, государственной). После приемки изделия комиссией проект тиражируется и передается предприятию-изготовителю. Начина-

9

ется новая стадия становления технического объекта – стадия его производства.

Стадия производства включает в себя четыре этапа:

•технологическая привязка;

•технологическая подготовка производства изделия;

•выпуск опытной партии изделий;

•запуск серийного или массового производства изделия.

Этап технологической привязки проекта изделия к воз-

можностям предприятия-изготовителя выполняется с целью изменения конструкции некоторых его деталей, для изготовления которых у предприятия нет технологических возможностей. Частичная переделка проекта производится инженерно-конст- рукторским персоналом предприятия-изготовителя, но при обязательном согласовании всех изменений с проектной организацией, которая несет персональную ответственность за работоспособность будущего изделья.

На этапе технологической подготовки производства изде-

лия, параллельно с первым этапом этой стадии, производится разработка технологий производства каждой детали будущего изделия. Эти технологии должны обеспечить качественное изготовление всех деталей на специальном оборудовании рабочим персоналом с возможно более низкой квалификацией. Для этой цели производится подробное описание всех технологических операций, закупается специальное технологическое оборудование, изготавливается вся технологическая оснастка и необходимый технологический инструмент.

Выпуск опытной партии изделий производится с целью про-

верки и дальнейшей отработки технологии массового выпуска новых изделий. Этот этап заканчивается только тогда, когда технические параметры всей опытной партии изделий будут соответствовать их техническим требованиям. До тех пор пока этого не происходит, на предприятии-изготовителе идет уточнение технологического процесса производства нового изделия, и каждый раз в производство запускается только опытная партия изделий.

10