Современная электромеханическая система (ЭМС) может быть представлена в виде совокупности взаимосвязанных элементов (рис. 10.1.): технологического агрегата (ТА), обеспечивающего материальную реализацию требуемого технологического процесса, автоматизированного электропривода (АЭП), осуществляющего необходимый характер движения ТА, и устройства управления (УУ), обеспечивающего оптимальное, в некотором смысле, выполнение программы технологического процесса.
P0 - программа выполнения технологического процесса,
U - сигналы управления АЭП, Y- координаты движения АЭП,
Р - показатели технологического процесса,
FA, FT - возмущающие воздействия.
Рис. 10.1 Функциональный состав электромеханических систем:
Развитие ЭМС на современном этапе идет как по пути совершенствования технических средств, так и в направлении поиска новых алгоритмов управления. Достигнутый уровень и перспективы развития технических средств автоматизированного электропривода и компьютерных систем управления таковы, что позволяют практически реализовать в реальном времени алгоритмы управления любой сложности и конфигурации. Проблема состоит лишь в определении оптимального алгоритма управления и в надежности технологического оборудования.
В этих случаях в проектировании и исследовании ЭМС выделяются следующие основные направления:
Автономное проектирование и исследование элементов ЭМС.
Совместное проектирование силовой части автоматизированного электропривода и технологического агрегата с последующим автономным проектированием управляющей части АЭП и управляющего устройства ЭМС.
Совместное проектирование силовой части АЭП и ТА с последующим совместным проектированием управляющих устройств АЭП и системы в целом.
Комплексное совместное проектирование и исследование всех элементов ЭМС.
Наибольшая эффективность проектных решений, очевидно, может быть достигнута при совместном проектировании всех элементов системы. Однако в большинстве случаев ряд субъективных и объективных причин вынуждает отказаться от комплексного решения задачи. Основными причинами здесь являются:
Разобщенность инженерных и научных коллективов, занимающихся исследовательскими и проектными работами в области автоматизированного электропривода и технологических агрегатов. Взаимная противоречивость целей проектирования и критериев качества элементов ЭМС.
Привлекательность использования многообразных проектных решений для ТА и АЭП, полученных автономно.
Значительное различие в затратах на изменение оптимизируемых параметров в отдельных элементах ЭМС. Например, в УУ для этого необходима корректировка компьютерной программы, а в ТА - изменение механической конструкции.
В то же время полный отказ от какого-либо совместного проектирования элементов ЭМС приводит к необходимости экспериментальной “доводки” полученных проектных решений, затраты на которую в большинстве случаев значительно превосходят проектные затраты.
Поэтому, наиболее привлекательным к настоящему времени становится направление 3, предусматривающее совместное проектирование силовой части АЭП и ТА с последующим совместным проектированием устройств АЭП и системы в целом.
Таким образом, проблема автоматизации проектирования и исследования электромеханических систем сопряжена с решением задач автоматизированного построения рациональной силовой схемы ЭМС и автоматизированного синтеза многоуровневой системы управления иерархической структуры.
Решение первой задачи, как правило, не отличается многообразием вариантов проектных решений, каждый из которых получается путем поиска в ограниченном множестве рациональных элементов силовой части и проектирования устройств их взаимодействия (например, устройств передачи механической энергии от электродвигателя к рабочей машине.)
Множество возможных вариантов алгоритмов управления на каждом уровне управления, множество способов и средств реализации этих алгоритмов, простота их перестройки и корректировки обусловливает значительные трудности в решении второй задачи. В то же время, именно здесь могут быть достигнуты значительные успехи в повышении качества проектируемых систем и именно здесь наиболее эффективнее область использования автоматизированного проектирования.
В проектировании систем управления, как и в проектировании большинства технических систем, можно выделить этапыфункционального, технического, конструкторского и технологического проектирования [11].
При проектировании управляющих устройств ЭМС, в том числе и систем управления АЭП, основные трудности возникают на этапах функционального и технологического проектирования.
На первом этапе проектирование затруднено из-за неопределенности целей, отсутствия единой технологии проектирования, необходимого набора математических моделей и универсальных алгоритмов выполнения проектных процедур, а на заключительном (технологическом) этапе либо невозможно, либо экономически неоправданно изготовление опытного образца.
В общем случае, функциональное проектирование включает в себя решение трудоемких задач, связанных с определением принципов построения объектов проектирования, анализа основных свойств этих объектов, исследованием процессов их функционирования.
Применительно к электромеханическим системам можно утверждать, что функциональное проектирование предусматривает создание на уровне различных вариантов математических моделей прототипа системы управления (СУ), обеспечивающего выполнения заданных целей управления, отвечающего требуемым критериям качества и исследование алгоритмов управления и основных свойств этого прототипа путем имитационных экспериментов с математическими моделями.
