Глава 12 Системы автоматизированного проектирования электрических машин (Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин)

Глава двенадцатая.

Системы автоматизированного проектирования

электрических машин

Уже в недалеком будущем системы автоматизированного проектирования электрических машин (САПР ЭМ) будут занимать основ­ное место в конструкторских и технологических бюро электротехни­ческих заводов и НИИ.

Каждый день на заводах и НИИ электротехнической промышленности ведется работа по созданию новых и модернизации выпус­каемых электрических машин. От интенсивности работ по созданию новой и модернизации старой продукции зависит экономическое положение заводов и НИИ. Однако большинство инженеров-элект­ромехаников ежедневно значительную часть времени тратят на стандартные расчеты и корректировку чертежей. Системы автома­тизированного проектирования электрических машин (САПР ЭМ) призваны освободить инженеров от рутинной работы, обеспечив большую творческую отдачу инженерных кадров.

В первые годы существования САПР ЭМ считали, что они, в основном, будут применяться при проектировании новых электри­ческих машин. Однако практика показала, что САПР ЭМ лишь час­тично могут заменить творческие коллективы ученых и инженеров, разрабатывающих новые машины, при этом САПР ЭМ работают в интерактивном режиме. Создание банков данных, машинную гра­фику, пересчет на основе базовой машины других машин серии САПР ЭМ могут взять на себя, и на этом пути получен значитель­ный экономический эффект. Растущие объемы выпуска различных модификаций основного исполнения, наличие мелких серий элект­рических машин, бесконечные пересчеты и необходимость строжай­шей экономии материальных ресурсов оправдывают расходы на САПР ЭМ, хотя каждая ЭВМ требует материальных затрат и увели­чивает стоимость выпускаемой продукции. САПР ЭМ необходимы в современном электромашиностроении, но они не заменяют твор­ческие коллективы ученых, инженеров-расчетчиков, конструкторов и технологов. САПР ЭМ дополняют научный потенциал НИИ, за­водов отрасли, обеспечивая сокращение сроков создания новых электрических машин, поднимая их технический уровень [1, 10].

САПР ЭМ развиваются как открытые системы, т. е. они облада­ют свойством удобства включения новых расчетных методов и технических средств. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования — основной принцип построения и эксплуатации САПР ЭМ. Монополии человека в творческом начале и принятии основных решений ЭВМ не угрожают, а только расширяют возможности проектировщика.

Применение ЭВМ для проведения расчетов по существующим формулам проектирования началось в конце 50-х годов. Автомати­зация расчетов позволила повысить точность и сократить время расчетов. К середине 70-х годов отдельные расчеты стали объедини­ться в комплексные системы, обеспечивающие выполнение работ от приема заказа до технического проекта и изготовления опытной партии электрических машин [4]

На современном этапе формирования САПР ЭМ происходит перестройка процесса проектирования, когда многочисленные и разнообразные по содержанию этапы проектирования объединя­ются в единую систему, в основе которой лежит использование универсальных цифровых ЭВМ. САПР ЭМ влияют на необходимость создания новых математических моделей проектирования, удобных для ЭВМ.

Укрупненная структурная схема САПР ЭМ показана на рис. 12.1.

Современная САПР ЭМ — это организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проекти­рования, взаимосвязанного с коллективом разработчиков элект­рических машин (пользователем системы). САПР ЭМ изменяют не только процесс проектирования, но и облик конструкторского и технологического отделов. Изменились рабочие места конструктора, помещения для хранения чертежно-конструкторской документации, растет престижность инженера-конструктора. Не­посредственная связь ЭВМ со станками и отдельными производственными участками — будущее электромашиностроительных заводов.

Комплекс средств САПР ЭМ, как и комплекс других САПР, со­стоит из совокупности следующих подсистем и компонентов: методов автоматизированного проектирования

Рис. 12.1. Укрупненная структурная схема САПР

электрических машин (математическое обеспечение); технических средств для приема, обработки, хранения и передачи информации (техническое обеспече­ние); программ, реализующих как проектные процедуры, так и операции по управлению процессом проектирования и техническими средствами (программное обеспечение); информационной базы системы (информационное обеспечение); языков для представления объекта проектирования, для общения пользователя с системой и для программирования (лингвистическое обеспечение); документа­ции, отражающей состав и функционирование средств автоматизированного проектирования (методическое обеспечение); орга­низационной схемы процесса проектирования (организационное обеспечение).

Математическое обеспечение включает совокупность математи­ческих моделей и алгоритмов проектирования, представленных в за­данной форме.

Техническим обеспечением является совокупность взаимосвязан­ных технических средств, Это ЭВМ, аппаратура сопряжения с лини­ями связи, средства отображения и документирования информации, аппаратура взаимодействия проектировщика с ЭВМ и САПР в целом устройства связи с производственными объектами и др.

Программное обеспечение подразделяется на системное, пробле­мное и сервисное.

Системное программное обеспечение предназначено для организации работы комплекса средств САПР (включая операционную си­стему). Проблемное программное обеспечение ориентировано на выполнение определенных проектных процедур (такие программы оформляются обычно в виде пакетов прикладных программ). Сер­висное обеспечение осуществляет общение пользователя с системой, редактирование и преобразование формы представления информа­ции.

Информационное обеспечение — совокупность в определенной форме данных. К ним относятся массивы справочно-нормативной и технологической информации, словари, отображающие понятийный состав языков, описания заданий и языков управления системы, массивы информации об объекте про­ектирования. При этом должна применяться единая система класси­фикации и кодирования технико-экономической информации, уни­фицированная система документации и массивов данных об объекте проектирования.

Под лингвистическим обеспечением понимается совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка предметной области проектирования и методы сжатия и развертывания текстов. В настоящее время сложились три группы языков: языки программирования, языки описания объекта проектирования и языки управления проектированием.

К методическому обеспечению относят документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автомати­зации проектирования.

В организационное обеспечение входят документы, устанавлива­ющие перечень участвующих в проектировании подразделений, их функции и связи между ними, а также устанавливающие форму представления результатов проектирования и порядок рассмотре­ния проектных документов.

Разработка САПР ЭМ в полном объеме занимает продолжите­льное время, поэтому целесообразно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Постоянный прогресс электромашиностроения, вычислительной техники и вычислитель­ной математики приводят к появлению новых, более совершенных математических моделей и программ, которые должны заменять старые, менее удачные аналоги.

Эффективность работы САПР ЭМ существенно зависит от структуры и организации комплекса технических средств. Для обес­печения эффективности автоматизированного проектирования пре­дусматривается возможность использования проектировщиком раз­личных режимов работы. Такими режимами являются пакетная обработка, режим разделения времени, режим реального масштаба времени компьютерной сети.

При пакетной обработке решение задач ведется по жестким ал­горитмам автоматически, без вмешательства проектировщика. При этом оператор ЭВМ формирует пакеты задач, обеспечивающие до­статочно полное использование ресурсов ЭВМ.

В режиме разделения времени с ЭВМ одновременно взаимодей­ствуют несколько пользователей (каждый со своего терминала), за­нятых отладкой программ, вводом данных, формированием или корректировкой модели объекта проектирования и т. д. При этом ЭВМ по очереди представляет каждому пользователю необходимые ресурсы, так что создается иллюзия монопольного владения маши­ной.

В режиме реального масштаба времени ЭВМ управляет техноло­гическим оборудованием, специальными устройствами ввода и до­кументированием графической информации, обеспечивает опера­тивный диалог проектировщика с ЭВМ, что важно при решении не полностью формализованных проектных задач.

Важной особенностью компьютерной сети является наличие различных программных и аппаратных средств диагностики и восста­новления. Последние позволяют продолжать или восстанавливать вычислительный процесс при сбое.

Большинство задач проектирования электрических машин со­четает в себе необходимость выполнения как вычислений, так и процедур графического характера. Основные затраты времени конструктора идут не на выбор принципиального решения, четко вырисовываемого в его воображении, а на перенос мысленного об­раза на бумагу, с соблюдением всех правил машиностроительного черчения. Предполагается, что роль чертежей в процессе проекти­рования и производства, содержание и форма конструкторской до­кументации должны претерпеть существенные изменения. Резуль­татом применения САПР ЭМ все в большей мере будут программы управления технологическим оборудованием, представленные на машинных носителях. Однако, в настоящее время и ближайшем будущем роль чертежей и других графических документов в процессе подготовки производства электрических машин остается

важной.

В основе программного обеспечения лежит модульный прин­цип. Преимущества модульного программирования заключаются в том, что составление программы сводится к синтезу ее из моду­лей, причем последние можно считать элементами пробле­мно-ориентированного языка. Модули можно унифицировать, т. е. один модуль может использоваться для нескольких про­грамм и они могут формироваться и отлаживаться независимо друг от друга разными программистами, в разных системах про­граммирования. Отладка программ упрощается тем, что в мо­мент объединения модулей каждый из них уже отлажен. Благода­ря модульной структуре программу можно легко изменить путем создания новых модулей, или преобразованием некоторых из уже имеющихся, или перестановкой модулей, определяющих процесс обработки данных. Модульная структура программ облегчает организацию работы больших коллективов программистов и эксплуатацию программ.

Среди языков программирования САПР ЭМ различают машин­ные, проблемно-ориентировочные и машинно-ориентировочные.

Языки программирования геометрических объектов (графиче­ские языки) развиваются в двух направлениях. Первое, более рас­пространенное направление, заключается в создании на одном из процедурных языков программирования набора графических под­программ. Совокупность обращений к этим подпрограммам услов­но квалифицируют как графический язык, являющийся расширени­ем исходного языка геометрическими переменными и операциями. Такой подход удобен тем, что его применение не сопряжено с изменением синтаксиса исходного языка, при этом легко сочетаются действия над графическими изображениями и решения вычислительных задач. К недостаткам метода относится некоторое усложне­ние оператора вызова графических подпрограмм. Второе направле­ний, производимых над элементами изображения. Программа на графическом языке преобразуется транслятором в систему команд на одном из универсальных языков, а затем — в систему команд ЭВМ. Такая схема позволяет включать программы, написанные на графическом языке, в программы, составленные на универсальном языке.

Существуют два способа хранения геометрических данных: ориентация на изделие (трехмерная модель), ориентация на чертеж (двухмерная модель). В случае ориентации на изделие необходимо иметь программы геометрического процессора системы, осуществляющие преобразование данных трехмерной модели объекта в двухмерные отображения в виде стандартных проекций, сечений, разрезов. Когда в системе принята ориента­ция на чертеж, то данные об объекте проектирования хранятся в 1 таком виде, который требуется для получения конструкторского документа. Если проектируются машины, имеющие аналоги или состоящие из типовых, унифицированных элементов, целесообразно строить систему, ориентированную на чертеж. Если же проектируются изделия, не имеющие аналогов или слабо поддающиеся унификации, желательно использовать принцип ориентации на изделие.

В настоящее время при создании программной среды САПР электрических машин широко применяются наряду с языками C++, FORTRAN, в среде Power Station, программные продукты: Math CAD, Matlab, Autocad, существенно облегчающие реализацию кон­кретных алгоритмов проектирования.

Средства автоматизации проектирования непрерывно совершен­ствуются, обеспечивая применение САПР ЭМ и отдельных ее подси­стем на всех электромашиностроительных заводах.

Наибольшие достижения в создании САПР ЭМ достигнуты при создании САПР асинхронных двигателей (САПР АД). Система по­зволяет определить оптимальные размеры активной части машины, удовлетворяющие техническим и технологическим требованиям, выдавать отдельные чертежи конструкции (общий вид, узлы и дета­ли) на графопостроитель, корректировать конструкторско-технологическую документацию в процессе разработки и серийного произ­водства с минимальным использованием ручных работ. С помощью подсистемы оптимизационного расчетного проектирования, исходя из технического задания и критериев оценки технико-экономических показателей разрабатываемых двигателей, осуществляется определение оптимальных электромагнитных характеристик и гео­метрических размеров активной части машины. Подсистема расчет­ного проектирования используется также при разработке многочисленных модификаций двигателей.

При расчете двигателя используют 100 исходных данных. Часть из них предопределена требованиями эксплуатации, материалами, используемыми в производстве, опытом проектирования предшествующих серий. Другая часть устанавливается на основании предва­рительных исследований. К ним относятся выбор класса нагревостойкости изоляции, степени унификации различных исполнений и др.

Задача оптимального расчетного проектирования является мно­гокритериальной. В качестве основного критерия принимают кри­терий минимума суммарных затрат, учитывающий стоимость изготовления двигателя и расходы на его эксплуатацию. Кроме поиска оптимальных параметров машины по основному критерию осуще­ствляется также дополнительный поиск по минимуму размеров сер­дечника статора. Возможно использование и других критериев: мак­симума полезной мощности, минимальной стоимости машины, минимума массы и др.

В математической модели асинхронного двигателя предусмотре­ны два вида ограничений: ограничения, вытекающие из требований стандартов (допустимые значения пускового и максимального мо­ментов, пускового тока, температуры обмотки) и требований на­дежности (скорости нарастания температуры в режиме короткого замыкания); связь лимитеров с конструктивными и технологически­ми требованиями — минимальной шириной зубца, высотой ярма статора и т. д.