Лекция №3. ВВЕДЕНИЕ в ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Как для планирования разработки ТС, так и для ее последующего использования важно знать составляющие так называемого "жизненного цикла", а также совокупность факторов наиболее значительно влияющих на ТС.

Весь "жизненный цикл" (ЖЦ) технической системы состоит из 4-х этапов:

• создание;
• перемещение;
• использование по назначению;
• ликвидация.

Каждый из указанных этапов, в свою очередь, может быть представлен подэтапами, стадиями, операциями. В частности, этап создания ТС включает:

· стадию подготовки к созданию ТС;

· стадию проектирования ТС;

· стадию изготовления ТС.

На стадии подготовки к созданию ТС устанавливается принципиальная возможность и целесообразность создания и составляется техническое задание для проектирования. Наиболее важной частью этой стадии являются поисковые исследования. Они включают фундаментальные исследования, в процессе которых осуществляется сбор и анализ научной информации, формулируются идеи; технические исследования, в процессе которых обрабатывается техническая информация, анализируются известные технические решения, в том числе отечественные и зарубежные изобретения (авторские свидетельства, патенты, промышленные каталоги, проспекты фирм и др.; экономические исследования, в процессе которых изучается спрос, оценивается предварительно конкурентноспособность ТС и перспективы экономической конъюнктуры. По результатам проведенных исследований принимается решение о разработке ТС с его обоснованием. Далее составляется техническое задание (ТЗ) на проектирование ТС с уточнением технических требований, определение основных концепций через принципы работы, через предварительные расчеты и оценки. В рамках поисковых исследований иногда организуется опытное производство.

Стадия проектирования включает: эскизное проектирование, при котором определяется состав и структура ТС и конструктивные решения по отдельным элементам, проводятся предварительные расчеты, определяются ограничения на те или иные свойства и характеризующие их параметры; техническое проектирование, в процессе которого прорабатываются решения по деталям и узлам, определяются материалы и методы изготовления частей системы, а также выбирается (или характеризуется) оборудование, оснастка и инструмент, устанавливаются технические условия, нормы, квалификация и состав исполнителей.

Если в процессе разработки ТЗ выявилось необходимость изготовления и испытания экспериментального образца, то на следующей стадии осуществляется подготовка к изготовлению, изготовление и испытание экспериментального образца. При этом разрабатывается технология изготовления, определяются материалы и оборудование, разрабатываются специальные стенды, программа испытаний, методы оценки результатов испытаний.

После анализов результатов осуществляется корректировка конструкторской и технологической документации, а также принимается решение о серийном производстве данной ТС.

На стадии изготовления вначале осуществляется подготовка серийного производства ТС, в процессе которой решаются вопросы материально-технического обеспечения, вопросы получения и размещения технологического и вспомогательного оборудования, вопросы организации производства, также вопросы хранения и сбыта продукции. Далее осуществляется изготовление установочной серии ТС, когда окончательно отрабатывается технология изготовления узлов и деталей, технология сборки ТС, окончательно решаются вопросы организации производства. На основе анализа производства установочной серии ТС осуществляется окончательная корректировка конструкторской и технологической документации, проверка готовности технических средств и материально-технического снабжения, и принимается решение о серийном выпуске ТС. Заключительным моментом данной стадии является серийное производство ТСв установленные сроки с установленным качеством.

На этапе перемещения ТС изменяются принадлежность системы (изготовитель - применитель), её место расположение (место производства - место использования). Типичными стадиями на этом этапе являются хранение на складах, реклама, упаковка, транспортировка, монтаж, накладка и сдача в эксплуатацию.

На этапе использования ТС осуществляет те или иные действия, предусмотренные теми или иными производственными процессами, в которые она включается, становилась частью другой системы больших размеров. На этом этапе основной стадией является непосредственная работа, а также стадии поддержания параметров в заданных пределах и модернизация отдельных частей или система в целом.

Вследствие морального или физического износа в процессе использования ТС перестает отвечать предъявляемым требованиям и ликвидируется. При этом осуществляется ее демонтаж, а составные части проходят утилизацию в этой или иной форме.

Рассмотренные этапы и стадии описывались с точки зрения их содержания и взаимной последовательности. Не менее важной задачей является установление их временной продолжительности и взаимосвязи, т.к. это позволяет выявить факторы, которые влияют на длительность процессов создания и использования ТС.

Как заказчик, так изготовитель стремятся по возможности уменьшить время создания системы, поскольку при этом повышается экономическая эффективность предпринятой разработки. С другой стороны, заказчик заинтересован в высоком качестве ТС, что связано, однако с дополнительными затратами времени и средств. Аналогичная ситуация характерна для подготовки к производству и самого производства.

Последовательность выполнения стадий и операций во времени естественно увеличивает общую продолжительность стадий и этапов. Желаемое сокращение времени может быть достигнуто, с одной стороны, путем уменьшения, длительности отдельных стадий и операций, а с другой путем их параллельного осуществления, т.е. совмещение во времени. Наибольшая экономия времени получается при исключении стадии в целом или отдельных операций. Примерами таких возможностей могут служить приобретенные лицензии, благодаря чему выпадает стадия проектирования, или закупка готовых деталей и узлов, благодаря чему выпадают стадии подготовки их к производству и производство, а также сокращается стадия конструирования. Длительность стадии проектирования зависит от объема работ, а также от количества и квалификации конструкторов.

Полезный период существования ТС, т.е. продолжительность ее использования, зависит от ее технического уровня, т.е. использования при ее создании современных материалов и технологии, а также от появления более современных ТС аналогического назначения. Поэтому, несмотря на естественное желание потребителя как можно дольше использовать привычную ТС-му, потребность в более эффективной системе может оказаться сильнее.

Модель цикла "жизни" технической системы

Этапы создания и использования технической системы:

I– технические требования, отчеты по исследованиям, технико-экономическое обоснование;

II– описание технической системы, схема, перечень составных частей, расчеты;

III– планы-графики, технические карты, оборудование для изготовления;

IV – хранение технической системы и подготовка к поставкам;

V– монтаж и отладка технической системы у заказчика на месте работы.

Влияние квалификации конструкторов на качество разработки
_ _ _ совокупная ценность (качество); ____ затраты материалов; – · – · – производственные расходы.

Зависимость качества проекта от длительности процесса конструирования и количества конструкторов
___ х конструкторов; ____ 2х конструкторов

Основные факторы, от которых зависит ценности конструированной системы:
квалификация конструкторов; время конструирования и число усовершенствований

Примерное распределение расходов при единичном производстве сложных изделий

Лекция №3. ВВЕДЕНИЕ в ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Задача преобразования механической (электрической) энергии в электрическую (механическую) в современной технике решается применением электромеханических преобразователей (ЭМП).

Более 90% вырабатываемой электрической энергии производится с помощью ЭМП, которые работают как генераторы и не менее 60% этой энергии используется в автоматизированном электрическом приводе (АЭП), в котором ЭМП работает как двигатель.

ЭМП как генератор, так и двигатель не работают обособленно, а объединены с различными средствами преобразования, управления или регулирования, контроля и защиты, образуя электромеханические комплексы – электромеханические системы (ЭМС).

Следует заметить, что в ЭМС, возникают новые совокупности свойств, которыми не обладают их составные части, прежде всего ЭМП.

Обратимость электромеханического преобразования энергии, общность структур, алгоритмов управления, методов исследования ЭМС генерирования электрической энергии и электрического привода различных механизмов, а иногда совмещение функций генерирования и электрического привода в одном агрегате делают целесообразным рассмотрение общих вопросов построения, исследования и проектирования ЭМС, что и ставится целью при изучении дисциплины «Электромеханические системы».

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ЭМС

1.1. Понятие технической системы (ТС) и ее описание

Большинство определений ТС сводится к тому, что под системой понимают совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных единой целью и общими целенаправленными правилами взаимоотношений или, другими словами — совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных элементов, обеспечивающих выполнение определенной потребности (функции) с требуемым качеством.

В данном случае элементы представляют собой некоторые подсистемы по отношению к системе, являющиеся неделимыми. Следует также понимать различие между совокупностью и набором элементов. Только благодаря взаимосвязанным элементам, их совокупности, система приобретает качественно новые характеристики. Общие характеристики, хотя и обусловлены характеристиками отдельных элементов, но не присущи не только ни одному из них, но и простому набору невзаимосвязанных элементов.

Система определяется не только наличием общих характеристик, но и целенаправленными взаимоотношениями как между элементами внутри системы, так и между системой и окружающей ее средой, что обеспечивает целенаправленность действий и возможность выполнения функций системы.

В качестве примера можно рассмотреть коллекторный электродвигатель как совокупность взаимодействующих конструктивных элементов (якорь, индуктор, щеточно-коллекторный узел и др.), объединенных целью преобразования электрической энергии в механическую. Такая совокупность элементов благодаря наличию соответствующих связей, реализованных с учетом определенных закономерностей, обеспечивает присущие рассматриваемой системе электромагнитные, механические, тепловые характеристики. Важно, что ни один из элементов электродвигателя в отдельности не обладает этими характеристиками.

При анализе электродвигателя можно выделить и функциональные подсистемы, например электромагнитную, механическую, тепловую. Первые две подсистемы в данном случае следует рассматривать как основные, поскольку именно с их помощью реализуется целевая функция электродвигателя, состоящая в преобразовании электрической энергии в механическую. Но при детальном анализе необходимо учитывать взаимное влияние всех подсистем электродвигателя, поскольку, например, сопротивления обмоток, мощность потерь, развиваемый момент, надежность работы электродвигателя существенно зависят от температуры. В свою очередь, температура элементов системы зависит от мощности потерь в электромагнитной и механической подсистемах, поэтому и приходится учитывать реальные взаимосвязи подсистем различной физической природы, входящих в состав рассматриваемой ЭМС.

Взаимоотношение элементов в системе реализуется с помощью соответствующих внутренних связей. Устойчивый порядок внутренних пространственно-временных связей между элементами, определяющий функциональное назначение системы и ее взаимодействие с внешней средой, называют структурой системы.

Изучение систем предполагает наличие их описания, т. е. модели, отражающей свойства системы и позволяющей предсказать ее поведение в определенных условиях. Описание систем целесообразно представлять с трех позиций: функциональной, морфологической и информационной.

Функциональное представление связано с пониманием системы как совокупности функций (действий) для достижения определенной цели.

При функциональном описании декомпозиция системы, т. е. ее разделение на подсистемы, осуществляется по функциональным признакам в соответствии с распределяемыми функциями системы. Таким образом, функциональное описание системы получается иерархичным, поскольку функции подсистем оказываются подчиненными функциональному назначению системы в целом.

Например, при функциональном описании электродвигателя, функциональным назначением которого является преобразование электрической энергии в механическую, целесообразно выделить такие функциональные подсистемы, как электромагнитную, механическую, тепловую, информационную и установить связи между ними, а также связи системы с окружающей средой.

Функциональное описание начинается с верхнего уровня иерархии, т. е. с анализа функционального назначения системы в целом и ее внешних взаимодействий. Затем функции можно детализировать и выявлять соответствующие им подсистемы.

Параметры своими значениями характеризуют свойства или процессы функционирования системы. Внешние параметры — это параметры, посредством которых система взаимодействует с внешней средой. Внутренние параметры присущи подсистемам и элементам. Выходные параметры характеризуют правильность и эффективность функционирования системы или подсистемы. На каждом иерархическом уровне описания выходные параметры характеризуют свойства системы, а внутренние — свойства подсистем (элементов). При пере ходе к новому уровню описания системы внутренние параметры могут стать выходными и наоборот. Например, сопротивление обмотки якоря электрической машины — это внутренний параметр при описании системы электропривода, но этот же параметр может рассматриваться как внешний, при описании электрической машины как функционального элемента электропривода.

Среди выходных параметров выделяют показатели эффективности (качества), представляющие собой количественные оценки степени соответствия системы ее целевому назначению. Показателями эффективности технических систем могут быть надежность, производительность (быстродействие), масса, объем, КПД, статическая и динамическая точность, стоимость, технологичность и т. п. Степень важности показателей эффективности определяется функциональным назначением системы, конкретными условиями ее производства и эксплуатации. В дальнейшем этим показателям будет уделено особое внимание.

Морфологическое описание также иерархично и дает представление о строении (структуре) системы, составе ее элементов и связях между этими элементами. Уровень детализации описания выбирается таким, чтобы создать представление о необходимых свойствах системы.

Изучение морфологии начинается с определения состава элементов системы. При этом в составе системы различают энергетические и информационные элементы в соответствии с выполняемыми основными функциями.

Энергетические элементы, как явствует из их названия, предназначены для преобразования энергии в вид и форму, в которых она может быть использована другими элементами. Соответственно информационные элементы служат для приема, запоминания, преобразования и передачи информации. При этом расход энергии на реализацию перечисленных функций незначителен и не оказывает ощутимого влияния на общий баланс энергии в системе.

Процесс преобразования энергии нуждается в информации, которая может быть сосредоточена в энергетических элементах, не требуя обновления, но может и обновляться, пополняться или изменяться за счет поступления информационных сигналов от других элементов системы или из окружающей среды.

Например, в вентильном электродвигателе преобразование электрической энергии в механическую и тепловую осуществляется в электрической машине. Информация, необходимая для реализации этого процесса, сосредоточена в самой электрической машине, т. е. в энергетическом элементе. В вентильном (полупроводниковом) преобразователе этого двигателя также происходит преобразование электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока, протекающего в обмотках якоря электрической машины, и в тепловую энергию. Этот процесс осуществляется на основе как внутренней информации, обусловленной структурой вентильного преобразователя, так и информации, поступающей от других элементов: датчика положения ротора электрической машины, датчика тока, информационно-управляющей системы и внешних устройств управления.

Морфологические свойства системы определяются прежде всего характером связей между элементами. Можно выделить энергетические и информационные связи между элементами, а эти связи подразделить на прямые, обратные и нейтральные.

Прямые связи предназначены для передачи энергии или информации от одного элемента системы другому в соответствии с последовательностью выполняемых функций. При этом качество связи определяется ее пропускной способностью, искажениями информации и потерь энергии, надежностью.

Обратные связи — это некоторое преобразование сигнала, поступающего от предыдущих элементов, и передача результата преобразования обратно, т. е. в направлении, противоположном функциональной последовательности, одному из предыдущих элементов системы.

Обратные связи могут быть как положительными, усиливающими управляемый процесс, так и отрицательными, ослабляющими его. Принято различать гладкие — действующие во всем диапазоне изменения сигнала, и пороговые — включаемые при выходе управляемого процесса за допустимые пределы, обратные связи.

Например, в широтно-импульсном регуляторе релейного типа положительная обратная связь действует только тогда, когда регулируемый процесс выходит за верхнюю или нижнюю границу, и способствует возникновению регенеративного процесса, в результате которого выходной параметр информационного элемента изменяется от одного крайнего значения до противоположного.

Двусторонние обратные связи симметричны направлению изменения управляемого процесса, т. е. реагируют как на усиление, так и на ослабление сигналов. Обратные связи, реагирующие только на усиление или на ослабление сигналов, называют односторонними. Различные комбинации как положительных, так и отрицательных односторонних обратных связей применяются в тех случаях, когда необходима несимметричная реакция элемента на входное воздействие.

По времени реакции обратные связи делятся на мгновенные, запаздывающие и опережающие. При этом термин «мгновенные обратные связи» применяется условно и означает, что запаздывание или опережение во времени, характеризующее реальные связи, можно не принимать во внимание из-за их малости.

Совокупность рассмотренных обратных связей широко используется в технических системах для стимулирования одних процессов и подавления других. Большой интерес представляет поиск эффективных сочетаний различных обратных связей для обеспечения заданного качества функционирования различных технических систем.

Нейтральные связи не являются функционально необходимыми в работе систем. Они непредсказуемы или случайны и нередко приводят к нежелательным последствиям. Например, при нерациональной организации коммутационных процессов в энергетических элементах системы могут возникать высокочастотные сигналы, которые при отсутствии специальных средств защиты информационных элементов и связей образуют нейтральные связи, нарушающие процесс обработки информации.

Информационное описание должно давать представление об организации работы системы. При этом под информацией понимается содержание воздействий, их параметры и значения, изменения в пространстве и во времени, взятые в отрыве от энергетических свойств носителя информации.

Процессы функционирования системы тесно связаны с процессами передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации.

Совокупность функционального, морфологического и информационного описаний позволяет отразить принципы подхода к изучению систем. Степень возможной детализации описания системы в значительной степени определяется задачами, решаемыми на конкретных этапам ее жизненного цикла.

Дата добавления: 2014-07-19; просмотров: 789; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!