Общие принципы и задачи проектирования электроснабжения. Базовые понятия и определения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие принципы и задачи проектирования электроснабжения. Базовые понятия и определения

Проектирование - это процесс, направленный на создание новых изделий, сочетающий синтез и анализ. Под новым изделием в широком смысле следует понимать - конструкцию, технологический процесс, метод воздействия на объекты материального мира для заданного изменения их качественных и количественных параметров.

Новое изделие само по себе не является конечной целью проектирования. Для создани нового изделия необходимо отвлечение материальных, духовных и интеллектуальных ресурсов. Конечной целью проектирования является создание такого изделия, которое способно обеспечить обществу полезный эффект (ПЭ).

Процесс создания нового изделия можно рассматривать как задачу системного анализа (СА). Основополагающими понятиями СА являются:

сложная система (в дальнейшем Система);

движение Системы в пространстве ее возможных состояний;

целевое (желаемое) состояние Системы;

анализ движения Системы;

синтез Системы с желаемым состоянием (состояниями).

Жизненный цикл изделия. С точки зрения СА проектирование - это задача по синтезу сложной системы с заданными свойствами, обеспечивающая целевую траекторию ее движения в пространстве ее возможных состояний на всем жизненном цикле ее существования. В общем случае жизненный цикл изделия -- это последовательность этапов:

проектирование;

конструктивные разработки;

опытное производство и доводка;

государственное (ведомственное) испытание;

серийное производство;

рыночная реализация (эксплуатация конечным потребителем);

модернизация (сервисное сопровождение);

утилизация.

Признаки системного объекта. В литературе приводятся сотни определений такого емкого понятия как "система". Воспользуемся известным приемом. Когда исследователь не может дать определение какому-то очень сложному понятию или предмету, то он ограничивается перечислением существенных признаков, позволяющих однозначно идентифицировать это понятие или предмет-сущность. Итак, признаками системного объекта являются:

1) большое количество уровней и много элементов на каждом уровне;

2) многообразия связей между элементами;

3) возможность многократного изменения состояния (движение в пространстве состояний);

4) множества показателей качества и критериев.

Энергетику как отрасль производственной деятельности можно подразделить на три основных вида:

электроснабжение;

теплоснабжение;

использование нетрадиционных видов энергии.

В настоящем пособии в основном будут рассмотрены вопросы, возникающие при проектировании, расчете и эксплуатации первого типа. Будут также затронуты некоторые вопросы, связанные с выработкой инженерных решений при теплоснабжении. Электроснабжение как научно-инженерная дисциплина оперирует такими понятиями как энергосистема (в дальнейшем система) и ее режимы [], которые подразделяют на нормальный, аварийный и поставарийный. Существует и более общее подразделение режимов на установившийся и переходной.

С того самого момента когда человечество на рубеже IX-XX веков стало использовать энергоресурсы в таких масштабах, что энергетика стала независимой отраслью мировой экономики, возникла проблема прежде всего по установлению режимных параметров энергосистем со сложной топологией. Это дало мощный толчок развитию науки как в фундаментальных так и в предметных направлениях -- теория электромагнитного поля, теория электрических цепей, электротехника, теория электрических машин и т.п.

Программная среда SciLab

Scilab - это язык высокого уровня для выполнения математических расчетов. Пакет включает в себя набор инструментов и интерактивную документацию. В первом приближении пакет является некоммерческим аналогом пакета Matlab. Для освоения пакета Scilab и использования данной документации знание Matlab не является обязательным.

Основные характеристики пакета Scilab

* Распространение: Scilab свободно распространяется вместе с исходными кодами. Использование, копирование, изменение, распространение - свободные. Пакет защищен специальной лицензией, основное отличие которой от стандартной GNU лицензии, по утверждению авторов, определяется стремлением избежать появления клонов.

* Платформы: UNIX (включая Linux), Windows. Включен в стандартную поставку SuSE. Исходные тексты, рабочая версия для Windows и документация доступны в локальной сети. * Имеется интерфейс и система помощи.

* Имеются алгоритмы базовой математики.

* Имеется возможность программирования.

* Имеется возможность работать не только в численном виде, но и в формульном варианте.

* Имеется возможность работы с графикой.

* Интерфейс с прикладными программами: имеется возможность использовать откомпилированные функции языков Си и Фортран.

Scilab состоит из 3-х частей:

1. интерпретатор

2. библиотека функций (Scilab-процедуры)

3. библиотека Fortran и С процедур

Задача проектирования с различных точек зрения

По степени новизны проектируемой системы различают следующие типичные задачи проектирования:

* частичная модернизация существующей системы - изменение ее параметров (а иногда и структуры), вызывающее сравнительно небольшое улучшение одного или нескольких показателей качества;

* существенная модернизация - изменение параметров и структуры системы, вызывающее значительное улучшение одного или нескольких показателей качества;

* создание новой системы, основанной на новых принципах действия для резкого (например, на порядок и выше), улучшения или нескольких основных показателей качества при решении тех же или новых задач.

Основные задачи конструирования:

* комплексы миниатюризации на уменьшение габаритов и веса аппаратуры (стойки блока, пульты, шкафы и т.д.);

* решение проблемы охлаждения (теплоотвод внутренний и внешний);

* повышение технологичности (унификация, стандартизация).

Основные этапы проектирования.

Различают следующие этапы проектирования:

* предварительное;

* эскизное;

* техническое.

Результатом первого этапа являются технические предложения (аван-проект). Сюда также относятся теоретические и экспериментальные НИР.

Результатом второго и третьего этапов являются эскизный и технический проекты соответственно.

Каждый из этих этапов включает в себя как теоретические, так и экспериментальные исследования и завершаются испытаниями.

Первый этап завершается испытаниями лабораторных макетов, второй - испытанием экспериментальных образцов; третий - испытаниями опытных образцов.

С точки зрения решаемых задач, процесс проектирования можно разбить на следующие этапы:

1. выбор и формулировка цели проектирования;

2. обоснование исходных данных;

3. определение принципов построения систем;

4. аппаратурный синтез;

5. конструирование;

6. разработка технологии изготовления;

7. разработка испытательной аппаратуры.

Программная среда Matlab

MATLAB (сокращение от англ. «Matrix Laboratory», в русском языке произносится как Матламб) -- пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений. Пакет используют более миллиона инженерных и научных работников, он работает на большинстве современных операционных систем,

MATLAB как язык программирования был разработан Кливом Моулером (англ. Cleve Moler) в конце 1970-х годов, когда он был деканом факультета компьютерных наук в Университете Нью-Мексико. Целью разработки служила задача дать студентам факультета возможность использования программных библиотек Linpack и EISPACK без необходимости изучения Фортрана.

Язык MATLAB является высокоуровневым интерпретируемым языком программирования, включающим основанные на матрицах структуры данных, широкий спектр функций, интегрированную среду разработки, объектно-ориентированные возможности и интерфейсы к программам, написанным на других языках программирования.

Программы, написанные на MATLAB, бывают двух типов -- функции и скрипты. Функции имеют входные и выходные аргументы, а также собственное рабочее пространство для хранения промежуточных результатов вычислений и переменных. Скрипты же используют общее рабочее пространство. Как скрипты, так и функции сохраняются в виде текстовых файлов и компилируются в машинный код динамически. Существует также возможность сохранять так называемые pre-parsed программы -- функции и скрипты, обработанные в вид, удобный для машинного исполнения. В общем случае такие программы выполняются быстрее обычных, особенно если функция содержит команды построения графиков.

Основной особенностью языка MATLAB являются его широкие возможности по работе с матрицами, которые создатели языка выразили в лозунге «думай векторно».

Анализ и синтез структуры жизненного цикла изделия

Рассмотрим четыре возможных варианта реализации распределения количеств циклов доработки изделия:

Вариант 1. Все возможное число циклов доработки относится к стадии маркетинга (рис. 2.3), то есть все 100% возможных ошибок и промахов допускается найти на уровне конечного потребителя.

Вариант 2. Все возможное число циклов доработки относится к стадии технологии производства изделия (рис. 2.4).

Вариант 3. Все возможное количество циклов доработки отнесено к стадии моделирования (рис. 2.5).

Вариант 4. Все возможное количество циклов доработки равномерно распределены между стадиями маркетинга, технологии и моделирования (по 33%) (рис. 2.6).

Вариант 5. Все возможное количество циклов доработки распределено между циклами, в соответствии с весовыми коэффициентами позволяющими улучшить дополнительный показатель качества проектирования (рис. 2.7).

Рассмотрим последовательно все пять вариантов:

Вариант 1 неприемлем (здесь и далее с позиции получения ПЭ) по той простой причине, что если допустить такое большое количество рекламаций на проектируемое изделие со стороны конечного потребителя, то его просто невозможно будет реализовать на рынке. В общем случае здесь можно говорить о плохом уровне проектирования, несмотря на то, что при реализации этого варианта может вполне "гладко пройти" процесс моделирования и внедрения разработки в производство.

Вариант 2 казалось бы вполне перспективен, то есть нужно так спроектировать изделие, чтобы конечный продукт выставляемый на рынок имел максимальную степень совершенства. При этом варианте не принимаются (или почти не принимаются) во внимание любые доводы технологов о несоответствии образца новой техники технологическим возможностям предприятия или даже отрасли. При этом возможны достаточно значительные по количеству циклы коренной переделки проекта разработчиком с нулевого цикла, чтобы, по существу эмпирически, найти компромиссные решения обеспечивающие как высокий уровень технологичности изделия, так и высокую потребительскую его ценность. Вариант 2 более предпочтителен по сравнению с Вариантом 1, однако затраты на НИОКР, в этом случае, могут "съесть" всю предполагаемую прибыль от реализации конечной продукции и сделать проект в целом нерентабельным. Плюс ко всему весьма повышается риск быстрого морального устаревания идей заложенных в новом изделии. Здесь также можно говорить о плохом уровне как проектирования в целом, так и моделирования.

Вариант 3 по существу является олицетворением идеального использования научных подходов и научных достижений. Действительно к этому стремятся все производители как духовных так и материальных ценностей - отнести все затраты на стадию теоретической и экспериментальной отработки нового проекта, чтобы ни стадия производства ни стадия рыночной реализации не испытывала никаких проблем. Здесь мнения специалистов разделились. Одни говорят, что современные информационные технологии вполне позволяют это сделать, другие говорят, что это невозможно в принципе, так как невозможно просчитать даже на самой мощной ЭВМ все варианты и нет такого коллектива разработчиков, который может создать "безошибочную" Систему. Этот спор продолжается и в настоящее время. Что касается мнения автора настоящего пособия, то, безусловно, с позиции первой половины XX века достигнут существенный прогресс в части получения проектных решений "высокой степени готовности". Однако, нередки случаи, когда при использовании самых современных технологий проектирования возможны и случаются самые настоящие провальные проекты.

Вариант 4 несмотря на кажущуюся "средневзвешенность" по существу тупиковый. С точки зрения "оптимистов" он должен в себя вобрать все положительные качества предыдущих трех вариантов. Однако и инженер и ученый в плане аналитики и интерпретации полученных данных всегда должны быть скептиками (и жизнь это подтверждает). С позиции скептика Вариант 4, скорее, "средневзвешенно" вберет в себя самые негативные стороны предыдущих. Для усиления последнего довода, автор осмелится предположить, что 100 рекламаций или 33 рекламации величины одного порядка "катастрофичности" для нового изделия. Плюс ко всему, в отличие от Варианта 1 сюда прибавятся существенные и напрасные технологические издержки при пуске изделия в производство (даже если считать, что затраты на моделирование были близки к нулю).

Вариант 5 по существу может быть практической реализацией предыдущих четырех. Но основное его отличие заключается в том, что здесь действительно у ЛПР появляется реальная возможность эффективно управлять всеми стадиями реализации жизненного цикла изделия, устанавливая дополнительные критерии эффективности процессом проектирования

Минимальный набор инструментальных средств инженера минимальный набор навыков в области использования ППП в инженерной деятельности по видам ПО и в какой-то мере обосновать представленный выбор:

1)Языки программирования (C, С++, Pascal, Delphi, Fortran, Matlab, VB) - очень часто встроенные инструменты того или иного интегрированного пакета не могут в полной мере удовлетворить потребности пользователя, например при построении графиков, диаграмм, расчета каких-то важных параметров. В этом случае инженер, владеющий тем или иным скалярным языком может оперативно решить возникшую проблему. Большинство интегрированных пакетов позволяют встраивать в себя исполняемые модули написанные на том или ином алгоритмическом языке.

2)Система компьютерной (машинной) графики и дизайна, Autocad, Qcad, PiCAD, ArhiCAD, CorelDRAW, Adobe Illustrator, Adobe Photoshop, 3D MAX Studio. В настоящее время труд во многих видах человеческой деятельности немыслим без использования высокоэффективных средств цифровой визуализации. Что касается инженера, то даже если все стадии проекта он сделал традиционным ?ручным? способом, то представление документации должно быть выполнено в цифровом виде - это объективная действительность настоящего времени. В функции современного специалиста входит также и соответствующее маркетинговое сопровождение спроектированного изделия, для чего необходимы навыки работы в области компьютерного дизайна (последние 4 пакета из списка).

3)Системы компьютерного анализа - MatLab, Scilab, MathCAD, Maple, Statistica, OpenOffice, MSOffice. Пакеты данного класса начиная от универсальных и заканчивая т.н. офисными, позволяют специалисту проводить высокоэффективный анализ по апробтрованным методикам (статистика, корреляционный анализ, оптимизация и т.п.). В отличие от использования традиционых средств, предоставляемых универсальными скалярными алгоритмическими языками, представленный класс пакетов позволяет использовать уже готовый к применению код с удобным интерфейсом пользователя.

4)Инструменты работы с базами данных SQL, MySQL, XQL, ODBC, Oracle. В любом виде проектно-изыскательской деятельности приходится иметь дело с огромными массивами информационных потоков, которыми необходимо эффективно управлять. На настоящий момент наиболее эффективным способ решения этих задач являются специализированные языки или среды ориентированные на работу с файлами баз данных (специально организованными списками и структурами, оптимизированными для выполнения ряда специфических операций: запрос, извлечение, запись и т.п.). Наиболее простой формой организации такого вида работы является использование хорошо известных электронных таблиц. Знание какого либо языка баз данных является желательным и может быть весьма полезным при организации творческого инженерного процесса.

В заключении, для тех, кто пожелает в будущем самостоятельно разрабатывать системы подобные упомянутым в настоящей работе, необходимо упомянуть об еще одном классе программных продуктов, которые являются высоко интегрированными средами разработки САПР-пакетов. Такие продукты существуют и позволяют разрабатывать авторские программы CAD/CAM/CAE предметному специалисту. Исследование рынка таких CAD-креативных сред вполне доступно для самостоятельного освоения (журналы "САПР и графика", "Открытые системы"). Автор считает целесообразным обратить внимание читателя на два продукта, отвечающих критериям доступности (вследствие их открытости) и эффективности - это проекты Ptolemy I, II (Калифорнийский университет, Беркли) и Open Cascad (открытый для свободного использования ядро разработчика САПР французской фирмы с мировым именем Matra).

Составление технического задания на проектирование

В разных странах мира, разных отраслях промышленности она организована по своему, но существует общая для всех процедура начала реализации любого технического проекта по производству нового изделия. Все действия по производству нового изделия должны быть отражены в технической документации, в состав которой входит целый ряд документов, некоторые наиболее важные из них будут рассмотрены в настоящем параграфе.

Техническое задание на проектирование, составляемое на основе исследований и обзора известных технических решений, включает:

указания о назначении объекта проектирования (системы электро- или теплоснабжения, электрическая машина, электрический аппарат и т.д. ) и его комплектности;

сведения об условиях эксплуатации;

формулировку технических требований к характеристикам объекта, его конструктивного исполнения и экономической эффективности.

Технические требования относятся к основным техническим характеристикам объекта (параметры напряжений, токов, мощности на валу, частоты, надежность, средний срок службы и т.д.) Технико-экономические показатели. Одной из важнейших технико-экономических характеристик любого проекта является себестоимость, выражающая в денежной форме затраты на реализацию проекта. Для достижения минимальной себестоимости реализации проекта применяют ряд оценочных технико-экономических показателей, которые можно разделить на абсолютные и относительные (приведенные). Для уменьшения себестоимости разрабатываемых систем и объектов энергетики и их освоения широко используется унификация и стандартизация деталей, узлов, оборудования, проектных решений.

Вопросы отработки конструкций изделий и систем на стадии проектирования с целью обеспечения технологичности и эффективности рассматриваются в Единой системе технологической подготовки производства (ЕСТПП) и Единой системе конструкторской документации (ЕСКД). В ГОСТ 14.202-73.

Специализация ППП класса "front-end"

Frontend -- публичная часть веб-сайтов и веб-приложений, с которой непосредственно контактирует и взаимодействует пользователь. Во Frontend входят отображение пользовательского интерфейса, функционал, выполняющийся на стороне клиента, и обработка пользовательских запросов.

Знания и навыки Frontend-разработчика:

* Frontend-разработчик должен разбираться в дизайне.

Если frontend-разработчик не является сам по себе дизайнером, он должен знать, насколько важен дизайн. Он должен иметь хороший вкус. Он должен знать об инструментах, участвующих непосредственно в разработке.

* Frontend-разработчик должен разбираться в работе серверной части (backend).

Frontend-разработчик должен явно осознавать всю важность серверной части, понимать, с чем взаимодействует backend, что передается на сервер, а что нет, должен уметь объяснить, что должен дать вам backend и что нужно от серверной части frontend-а.

* Frontend-разработчик должен разбираться в производительности.

Frontend-разработчик знает, что производительность имеет важное место в успехе проекта. Необходимо понимать, насколько быстрым должен быть backend, а также что оставшиеся 80% времени - это загрузка сайта, т.е. это frontend.

* Frontend-разработчик должен разбираться в мобильном дизайне.

Frontend-разработчик должен понимать, что его сайтом могут пользоваться везде, на его сайт могут зайти с любого устройства, поэтому необходимо позаботиться заранее на этот счет. Большие экраны, маленькие, сенсорные, устаревшие устройства. Frontend-разработчик должен быть готов к неизвестному!

Основное инженерное решение

Разработка новых систем и объектов энергетики состоит из двух основных этапов: научно-исследовательского (НИР) и опытно-конструкторского (ОКР).

На этапе НИР производится исследовательская проработка всех вопросов, решение которых позволяет составить представление об общем облике проекта. В результате НИР составляется отчет, в котором излагаются результаты проведенных исследований, рассматриваются принципы построения систем, входящих в проектируемый объект и возможности технической реализации.

ОКР является инженерным воплощением результатов НИР в виде принципиальных и конструктивных схем. Результаты этой части разработки составляют содержание основного инженерного решения. Конечными результатами ОКР являются теоретические, экспериментальные и расчетные исследования, конструкторско-технологическая и технико-экономическая оценка проектных решений. Этап заканчивается выпуском полного комплекта технической документации, изготовлением и испытанием опытных образцов. Вопросы НИР и ОКР оговорены в ГОСТ 2.103-68. При этом указано, что НИР включает стадии разработки технического задания и технического предложения, а ОКР - эскизное, техническое и рабочее проектирование.

Техническое предложение включает техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности реализации проекта на основе анализа технического задания и обзора различных возможных вариантов решения.

Эскизный проект включает конструкторскую документацию, содержащую принципиальные конструкторские решения, дающие представление об устройстве, принципе действия, назначении и основных характеристиках объекта проектирования.

Технический проект содержит окончательное техническое решение и дает полное представление о сути разрабатываемых проектных решений и данные для разработки рабочей документации.

Рабочий проект содержит совокупность конструкторских документов для изготовления и испытания опытных образцов.

Примеры моделирования элементов объектов электроснабжения

Моделирование длинной линии ЛЭП.

Как известно реальная электрическая высоковольтная линия "плохо" аппроксимируется моделями с сосредоточенными параметрами [5,6]. Дело в том, что реальная протяженная высоковольтная ЛЭП имеет распределенные параметры зарядной емкости c, индуктивности l и активного сопротивления r. Параметры c, l, r определяют так называемый волновой импеданс линии, измеренный со стороны входа/выхода, и задаются как удельные параметры на единицу длины.

Системы с распределенными параметрами описываются в терминах теории поля или уравнениями в частных производных. В принципе все СКМ в том или ином виде реализуют математический аппарат дифференциальных уравнений в частных производных. Решаются заданные пользователем уравнения исключительно численными методами (либо МКЭ, либо МКР). Однако в предлагаемом читателю примере будет предложен к рассмотрению иной подход, очень часто используемый в инженерной практике. Идея предлагаемого метода - это кусочно-линейная аппроксимация. Очевидно, что можно любую нелинейную задачу заменить на конечное достаточно большое количество линейных. В частности, длинную линию можно "эмулировать" большим количеством RLC - четырехполюсников, каждый из которых является линейным элементом воспроизводящим небольшой участок линии. На рис.6.9 показан предельный случай разбиения линии, когда количество этих участков разбиения n=1 (собственно никакого разбиения и в помине нет).

Автоматизированное проектирование систем и объектов электроснабжения. Состав типовой САПР

Увеличение производительности труда разработчиков новых изделий, сокращение сроков проектирования, повышение качества разработки проектов - важнейшие проблемы, решение которых определяет уровень ускорения научно-технического прогресса общества. Развитие систем автоматизированного проектирования опирается на прочную научно-техническую базу. Это - современные средства вычислительной техники, новые способы представления и обработки информации, создание новых численных методов решения инженерных задач и оптимизации.

Системы автоматизированного проектирования дают возможность на основе новейших достижений фундаментальных наук отрабатывать и совершенствовать методологию проектирования, стимулировать развитие математической теории проектирования сложных систем и объектов.

В настоящее время созданы и применяются в основном средства и методы, обеспечивающие автоматизацию рутинных процедур и операций (подготовка текстовой документации, преобразование технических чертежей, построение графических изображений и др.).

По примерным оценкам, основными видами проектной деятельности являются:

- вычерчивание проектируемого изделия и его составляющих - 70 % от общей трудоемкости;

- организация архивов и их ведение - 15 %;

- собственно проектирование - 15 %.

Проектирование подразделяется на:

- копирование архивных прототипов - 70 %;

- модификацию вариантов - 20 %;

- исправление ошибок - 9 %;

- разработка - 1 %.

Система автоматизированного проектирования (САПР) состоит из следующих взаимосвязанных средств обеспечения.

1.Математическое ядро:

1) математические модели анализа;

2) методы, порядок решения поставленной задачи;

3) алгоритмы, подробное описание процесса решения.

2. Программное ядро:

1) общесистемное;

2) базовое;

3) прикладное.

3. Информационное обеспечение:

1) банк данных:

- база данных;

- СУБД;

2) экспертная система:

- база знаний;

- база фактов;

3) методы и средства распределенного проектирования.

4. Лингвистическое обеспечение:

1) языки программирования;

2) языки проектирования.

5. Организационное обеспечение:

1) инструкции, приказы, штатное расписание;

2) средства координирования при коллективном проектировании.

6. Техническое обеспечение:

1) средства программной обработки (процессор, память);

2) средства ввода-вывода, отображения данных (носители, устройства ввода, принтер, сканер, монитор);

3) архив проектных решений (магнитооптические и лазерные устройства);

4) средства передачи данных между территориально разнесенными ЭВМ (локальные и корпоративные сети).

Как видно САПР - это сложное и емкое явление, занимающее особую нишу в материальном производстве. Можно даже говорить об отдельной научно-технической отрасли, о чем свидетельствует наличие отдельной научно-инженерных специализаций связанных с САПР. Понятно, что в рамках одного пособия невозможно осветить все аспекты использования всех компонент САПР даже к одной предметной области (в частности электроэнергетике). Стоит только отметить, что только документация по использованию системы может занимать несколько тысяч страниц убористого текста. Поэтому более целесообразным при освоении машинных методов проектирования было бы изучение ключевых компонент САПР. То, что это возможно и методологически оправдано, будет в какой-то мере обосновано в последующих главах.

Пример динамического расчета линейной системы

Эволюция развития систем машинного проектирования

С этого раздела мы начинаем ознакомление с концепцией построения систем, что называется от истоков. Во-первых, необходимо внести необходимые уточнения в терминологический словарь. Используемая во многих информационных источниках аббревиатура - САПР -- "система автоматизированного проектирования", привычная для постсоветской научной и инженерной среды, является слишком общей и охватывает огромный класс задач и методов их решения.

Для англоязычных стран устоялись следующие три вида специализаций программных продуктов в области проектирования технических объектов и систем - это CAD (computer aided design - проектирование с помощью компьютера), CAM (computer aided manufactor - изготовление с помощью компьютера), CAE (computer aided evaluate/engineering - компьютерный анализ). Отсюда понятие русскоязычное понятие САПР эквивалентно полному комплексу в англоязычной транскрипции CAD/CAM/CAE.

Необходимо отметить, что подавляющее большинство разработчиков и пользователей систем машинного проектирования и анализа принимают и понимают англоязычные термины. Поэтому в настоящей работе мы также будем использовать термины и "слэнг" от создателей большинства инструментов машинного проектирования, а он англоязычный. Переход на англоязычную терминологию, безусловно, полезен для будущего инженера-электрика, так как английский язык является языком обмена информацией для большинства сфер научно-технической деятельности.

Очевидно, что полновесная CAD/CAM/CAE система предъявляет высокие требования, как к пользователю, так и к аппаратным ресурсам. Также понятно, что стоимость такой системы значительна и не всегда доступна не только отдельным индивидам, но и организациям. До середины 90-х годов ХХ столетия произошла "кристаллизация" иерархии систем машинного проектирования на три основных вида:

Системы нижнего уровня (т.н. "легкие" САПР или CAD) - предназначены, как правило, для решения общеинженерных задач по разработке пространственной геометрической модели объекта проектирования с автоматической генерацией конструкторской документации (AutoCAD, PiCad, ArhiCAD и т.д.). При этом в спроектированной модели, как правило, не учитываются реальные физические свойства материалов, из которых созданы составляющие ее компоненты, условия их взаимодействия и свойства среды функционирования (поля различной природы, явления тепломассопереноса, газодинамические процессы и т.д.). CAD-системы занимают лидирующее положение по объему продаж на рынке в силу относительно низкой стоимости, нетребовательности к аппаратным ресурсам, устанавливаются и устойчиво работают практически на всех вычислительных платформах и в любых ОС.

САПР верхнего уровня (""тяжелые"" САПР или CAD/CAM/CAE - системы) - специализированные системы для получения законченных проектных решений в конкретных предметных областях (авиация, автомобилестроение, судостроение, энергетика и т.д.). При этом, зачастую предусматривается возможность непосредственного запуска в производство, минуя стадию получения твердых копий проектной документации (т.н. "безбумажное" проектирование и изготовление). Характерными особенностями тяжелых САПР являются:

1)Высокая надежность (валидность) полученных проектных решений, позволяющая в принципе исключить стадии изготовления и испытаний опытно-промышленных образцов;

2) Значительная стоимость программного обеспечения САПР, как правило, сочетающаяся с необходимостью использования уникальных вычислительных платформ на базе суперкомпьютеров;

3) Корпоративный или ведомственный характер владения и использования, т.е. отсутствие на общедоступном рынке программных продуктов, как по коммерческим соображениям, так и по соображениям национальной безопасности.

Типичная ""тяжелая"" CAD/CAM/CAE имеет следующую структуру:

Препроцессор: программная среда, позволяющая задать структуру и параметры проектируемой и/или исследуемой системы. Препроцессор позволяет работать с моделью как с помощью относительно несложного языка программирования (или командной строки), так и, минуя его, буквально ""нарисовать"" модель с помощью компьютерной ""мыши"" на мониторе, использую ""дружелюбный"" графический интерфейс.

Процессор (""solver"" - решатель): программный модуль, реализующий тот или иной численный алгоритм решения систем матричных дифференциальных уравнений методами конечных элементов (МКЭ), к которым сводится построенная в препроцессоре модель системы. Результат анализа запоминается в специальных файлах организованных в виде массивов, структур и баз данных.

Постпроцессор: программный модуль, служащий для удобной и наглядной визуализации полученных решений путем построения графиков, диаграмм, анимационных фильмов, зачастую со встроенными возможностями различных видов анализа (статистического, спектрального, оптимизационного и т.д.).

Безусловно, именно ""тяжелые"" САПР, ориентированные на практическое использование в области энергетики, представляют наиболее универсальный инструмент для решения задач обеспечения всех стадий жизненнго цикла изделия. С другой стороны, данное программное обеспечение (ПО) наиболее приспособлено для интеграции в корпоративный процесс, предусматривающий коллективную работу и по указанным выше причинам недоступен отдельному индивиду. Освоение полновесного ""тяжелого"" пакета CAD/CAM/CAE сама по себе тяжелая и продолжительная работа, а полученные решения требуют длительной процедуры верификации и интерпретации.

К счастью, эволюция развития систем машинного проектирования привела к ситуации в которой можно найти реальный выход из создавшейся, казалось бы, "патовой" ситуации. Во-первых, со второй половины 90-х годов прошлого столетия на рынке стали появляться так называемые системы "среднего" уровня, с одной стороны весьма нетребовательные к аппаратным ресурсам (могут устанавливаться на PC с процессором i486), с другой стороны, вобравшие в себя всю мощь "тяжелых" []. Наибольшее распространение в СНГ получили системы ориентированные на решение задач в области технической механики, машиностроения: ANSYS, FEMAP, SolidWorks. Все "средние" CAD/CAM/CAE прекрасно взаимодействуют с "легкими" (AutoCAD), предусматривают распределенную (сетевую) установку, взаимодействие с модулями, написанными на скалярных языках программирования C, C++, Delphi, Fortran и т.д. Некоторые из них, например SolidWorks, позволяют создавать самостоятельные программные продукты, ориентированные на решение более узкого класса задач, т.е. представляют из себя мощную "креативную" среду.

Относительная открытость данных систем, уже подвигла многих специалистов в области технической механики осуществить собственные коммерческие проекты [11]. Некоторые из этих программных продуктов можно охарактеризовать как жестко соответствующие какому-то одному из трех компонентов. Например, широко известный AutoCAD представляет из себя классическую CAD систему для создания геометрических моделей инженерных конструкций. В советской технической литературе существовал в свое время термин - "чертежный автомат". Так вот - AutoCAD (Autodesk Inc. США) и подобные ему системы (PiCAD, ArchiCAD и т.п.) представляют из себя типичные чертежные автоматы (или, если угодно, автоматические системы для генерации конструкторской документации). CAE системы предназначены, прежде всего, для моделирования физики явлений которые могут происходить в объекте проектирования или исследования. К данному классу можно отнести пакеты Solid Works (механика), Femlab (математическая физика), Electronics Workbench (электротехника, электроника). Очень часто CAE системы представляют из себя не отдельные пакеты, а встраиваемые в "легкие" CAD системы plug-in модули. Например в Autocad, начиная с 14 версии пользователю предоставляется возможность не только нарисовать сколь угодно сложную трехмерную конструкцию, но сделать ее "твердотельной", то есть установить такие физические параметры как масса, момент инерции и т.д.

CAM системы представляют из себя программы-трансляторы между CAD и исполнительными механизмами устройств (станки-ЧПУ, обрабатывающие центры, роботизированные линии, автоматы-трассировщики печатных плат и т.п.). В настоящее время CAM системы могут быть приобретены пользователем отдельно как встраиваемые модули к CAD системам, в которых они создают свои цифровые модели.

Решение нелинейных уравнений узловых напряжений методом простых итераций

Квалификационные требования к пользователям различных компонент CAD/CAM/CAE систем

Решение нелинейных уравнений узловых напряжений методом Зейделя

Правовые аспекты использования ПО

Графический пакет анализа динамических систем Scicos

Система электроснабжения, как объект математических исследований

Система компьютерного моделирования (СКМ) Scilab

Краткие сведения о районных системах электроснабжения

Организация аппаратно-программных средств автоматизации инженерных проектных решений

Уравнения узловых напряжений

Обоснование выбора системы компьютерного моделирования (СКМ)

Динамика объектов электроснабжения. Системный подход при исследовании технических объектов

Организация типовой CAE системы

Задачи, решаемые теорией управления

Теория управления - это наука, разрабатывающая и изучающая методы и средства систем управления и закономерности протекающих в них процессах. Предметом теории управления являются не только процессы материального производства, но и сферы деятельности человека: организационно-административное управление, проектирование и конструирование, информационное обслуживание, здравоохранение, научные исследования, образование, и многие другие.

В теории управления возможна постановка всего двух задач.

* Первая задача: мы хотим управлять объектом в процессе его функционирования сами непосредственно. Это задача управления.

* Вторая задача: мы не хотим управлять объектом в процессе его функционирования, но хотим, чтобы объект -- без нашего непосредственного соучастия в процессе -- самоуправлялся в приемлемом для нас режиме. Это задача самоуправления.

Различие задачи управления и задачи самоуправления заключается в том, что в задаче управления какие-то этапы полной функции управления и алгоритмику их реализации субъект-управленец берёт на себя, а в задаче самоуправления их же возлагает на систему управления объектом. Кроме того, в зависимости от того, какие этапы полной функции включаются, а какие исключаются из конкретного процесса управления, -- задачи управления могут переходить в задачи самоуправления: например в технике -- после того, как люди сделали всё, что необходимо на первом -- четвёртом этапах полной функции управления, далее задача управления может быть преобразована в задачу самоуправления. Поэтому, когда различие задач управления и самоуправления не носит принципиального характера, то в ДОТУ используется термин «управление».

Решение СЛАУ методом простых итераций

проектирование электроснабжение моделирование программный

Метод простой итерации даёт возможность получить последовательность приближённых значений, сходящуюся к точному решению системы.

Преобразуем систему (3.1) к нормальному виду:

Правая часть системы (3.2) определяет отображение:

x=(x1, x2, ..., xn), преобразующее точку n-мерного метрического пространства в точку y=(y1, y2, ..., yn) того же пространства.

Выбрав начальную точку x0=(x01, x02, ..., x0n), можно построить итерационную последовательность точек n - мерного пространства: x0, x1=F(x0), ... , xn+1=F(xn)

При определённых условиях данная последовательность сходится.

Так, для исследования сходимости таких последовательностей используется принцип сжимающих отображений, который состоит в следующем.

Если F- сжимающее отображение, определённое в полном метрическом пространстве с метрикой с(x,y), то существует единственная неподвижная точка x*, такая, что x*=F(x*). При этом итерационная последовательность, {xn}, полученная с помощью отображения F с любым начальным членом х(0), сходится к x*.

Оценка расстояния между неподвижной точкой x* отображения F и приближением х(к) даётся формулами:



где б - множитель, определяемый достаточными условиями сжимаемости отображения F.

Значение множителя б, определяется выбором метрики, в которой проверяется сходимость последовательности значений xi.

Рассмотрим достаточные условия сходимости итерационной последовательности {xn}.

Практически, для применения метода итерации систему линейных уравнений удобно "погрузить" в одну из трёх следующих метрик:

Для того, чтобы отображение F, заданное в метрическом пространстве соотношениями (3.2), было сжимающим, достаточно выполнение одного из следующих условий:

а) в пространстве с метрикой с1:

т.е. максимальная из сумм модулей коэффициентов в правой части системы (3.2), взятых по строкам, должна быть меньше единицы.

б) в пространстве с метрикой с2:

т.е. максимальная из сумм модулей коэффициентов в правой части системы (3.2), взятых по столбцам, должна быть меньше единицы.

в) в пространстве с метрикой с3:

т.е. сумма квадратов при неизвестных в правой части системы (3.2) должна быть меньше единицы

Динамика объектов электроснабжения. Методы теории операций

Решение СЛАУ методом Зейделя

Метод Зейделя представляет собой модификацию метода простой итераций.

Пусть дана приведённая система:

и известно начальное приближение (x01, x02,...,x0n)=x0. Основная идея заключается в том, что при вычислении (k+1) - го приближения неизвестной xi учитываются уже вычисленные ранее (k+1) - приближение неизвестных x1, x2, .., xi-1.

Итерационная схема имеет вид:

Положим б = B + C, где

; .

Тогда процесс Зейделя в матричном виде можно записать как:

xk+1 = B xk +1 + C xk + в

Размещено на Allbest.ru

...