CC BY
127
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Авионика и электротехника
УДК 621.3
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ САМОЛЕТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЪЕКТНОГО ПОДХОДА
С.П. ХАЛЮТИН
Статья представлена профессором Константиновым В.Д.
Рассмотрены принципы и преимущества объектного подхода для моделирования электроэнергетических комплексов. Показаны возможные области применения объектных моделей, их особенности.
Объектный подход к моделированию электроэнергетических комплексов (ЭЭК) [6-12] является развитием принципов объектно-ориентированной методологии, которая впервые наиболее полно была представлена Гради Бучем [3]. Применение этого подхода позволило систематизировать разработки сложных программных систем, а также оптимизировать процессы, связанные с разработками нового оборудования и техническим сопровождением блоков и агрегатов.
Практически на каждом этапе жизненного цикла самолета, в том числе и электроэнергетического комплекса, применяются различные математические модели (ММ) устройств ЭЭК [6] (рис. 1).
При разработке и проектировании как отдельных элементов, так и всей электроэнергетической системы летательного аппарата ММ используют для проведения предварительных расчетов и исследований. Кроме того, математическое моделирование позволяет сделать осознанный выбор среди альтернативных вариантов, а также позволяет обосновать выбор электронных компонентов.
На этапах производства применение адекватных моделей реальных устройств позволяет повысить эффективность испытаний и снизить затраты на использование человеческих и материальных ресурсов.
Рис. 1. Использование математических моделей на этапах жизненного цикла авиационного оборудования
В процессе эксплуатации авиационной техники возникает необходимость в использовании систем наземного и встроенного контроля, которые в той или иной степени реализуют математические модели функционирования систем самолета.
Анализ особенностей построения ЭЭК и известные закономерности в описании электромеханических процессов [1, 2, 4, 5] позволили применить объектный подход для моделирования ЭЭК летательных аппаратов.
В процессе применения такого подхода к моделированию ЭЭК выявлены следующие преимущества:
- возможность раздельного моделирования элементов системы (генератора, приемников электрической энергии и регуляторов напряжения и т.п.);
- унификация базовых классов для системы (генератор серии ГТ, регулятор, статическая нагрузка, асинхронный двигатель и т.п.) благодаря отделению структуры элемента (системы) от его (её) параметров;
- наглядность описания ММ каждого элемента;
- программы для моделирования сложных систем короче традиционных в 2-3 раза;
- время, затрачиваемое на разработку и отладку, уменьшается в 5-10 раз;
- появляется возможность внесения изменений в отдельный объект, не затрагивая реализацию других объектов;
- снижение риска ошибки при разработке ММ большой системы;
- большая открытость моделей и как следствие приспособленность для дальнейшего совершенствования;
- возможность разработки ММ системы несколькими разработчиками одновременно, что позволяет существенно сократить время на разработку и снизить риски невыполнения работы.
Основными принципами построения объектных ММ являются (рис. 2):
- отделение структуры модели от ее параметров;
- описание методов реализации алгоритмов функционирования внутри самого объекта;
- единый способ организации взаимодействия объектов между собой (внутри объекта-системы) на основе закона сохранения энергии (баланса мощностей).
СТРУКТУРА
Дифференциальные
уравнения
Алгебраические уравнения
Логические уравнения
Входящие в состав другие объекты (объектные модели)
Методы реализации алгоритма функционирования
Ж
V
ОБЪЕКТНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ПАРАМЕТРЫ
Физические параметры объекта
Параметры настройки объекта
Параметры ^ | дифференцирования
Рис. 2. Структура объектной математической модели
С использованием объектного подхода разработана ММ системы электроснабжения (СЭС) летательного аппарата в системе координат (Д д, 0), которая структурно состоит из объектных ММ ее элементов (рис. 3), взаимодействие которых моделируется в соответствии с балансом мощностей: в каждый момент времени выполняется условие равенства передаваемой (от источника) и получаемой (приемником) мощности. Это обеспечивается применением итерационной процедуры моделирования источника (рис. 4).
Г
КЛАССЫ
Генератор серии ГТ модель)
Регулятор напряжения
Активно-индуктивная
нагрузка
Гармонический закон изменения нагрузки
1
Асинхронный двигатель
Импульснопериодическая нагрузка
и
ш
"О
ш
2
ф
ч
"О
[Г
0
о\
01 ф ч о го
в
X
■8-
о
"О
2
ш
ч
ф
| ГЕНЕРАТОРЫ 1
I
ГТ16ПЧ8Е
ГТ30НЖЧ12
□ С
ГТ60НЖЧ12
■ ГТ60ПЧ8В и |
| [регуляторы
РНТ-115ВБ
РНТ-115ВМП
о\
РНТ-115НИЛ
Оптимальный ^ регулятор ^
НАГРУЗКА
АДД 30000
I
Р-Ь нагрузка
Гармоническая нагрузка
У
Импульсно-периодическая
Рис. 3. Конструирование объектной ММ СЭС
Коррекция производной тока генератора
Расчет напряжения генератора
Следующий момент времени
Рис. 4. Итерационная процедура моделирования взаимодействия объектов
На рис. 3 представлены классы, отражающие топологию объектов системы электроснабжения:
- генераторов серии ГТ;
- регуляторов напряжения;
- различных типов приемников электрической энергии.
Реализация моделей реальных объектов (например, генератора ГТ30НЖЧ12, активноиндуктивной нагрузки, регулятора РНТ-115ВБ и т.п.) для конкретной системы электроснабжения осуществляется путем выбора соответствующих параметров их настроечного файла в формате XML.
Представленная на рис. 3 иерархия объектов системы электроснабжения использована в процессе синтеза регулятора напряжения, адаптивного к изменению параметров синхронного генератора, а также при поиске новых подходов к оптимизации законов регулирования.
Использование разработанной ММ сводится к последовательному выбору конкретных типов источников электрической энергии, приемников и регуляторов напряжения. Добавление в систему новых объектов связано с редактированием файла настройки параметров. В том случае, если для нового объекта нет разработанных классов, то необходимо добавить (разработать модель) новый класс, а уже потом определять параметры для реализации этого класса. При этом уже разработанные объектные модели элементов СЭС не изменяются.
Обобщая опыт применения объектного подхода для моделирования ЭЭК, можно выделить три основные области его применения и, соответственно, три различных по виду типа объектных моделей:
- ММ для научных исследований и расчетов (компьютерные модели) [6, 7, 8];
- ММ в программно-аппаратных средствах [12];
- объекты, управляющие реальными физическими устройствами [9, 11].
Объектные ММ, применяемые в процессе исследований, отличаются тем, что они не требуют привязки к реальному времени и могут работать с масштабируемым («растянутым») временем. Это позволяет использовать достаточно подробные модели отдельных устройств, наиболее полно отражающие происходящие в них процессы. Такие модели на первых этапах могут формироваться из уже описанных в литературе обобщенных моделей электромеханических преобразователей, простейших моделей потребителей электроэнергии.
Реализация ММ первого типа всегда осуществляется на персональном компьютере (или нескольких компьютерах) и является начальным этапом при разработке и испытаниях реальных физических устройств.
Дальнейшее развитие такого типа объектных моделей связано с их декомпозицией выделением одинаковых сущностей для разного рода элементов ЭЭК. Например, в результате декомпозиции ММ синхронного генератора серии ГТ определились два элемента, на базе которых может быть построена модель такого генератора [7]:
- синхронная трехфазная машина;
- вентильное устройство (коммутатор), применяемое в генераторе в качестве выпрямителя.
На базе этих же элементов «конструируется» ММ бесконтактного двигателя постоянного тока. Отличие состоит только в направлении передачи энергии.
Предел совершенствования ММ отдельных элементов систем видится в получении элементарных с точки зрения электротехники и механики элементов физических устройств - индуктивных катушек, резисторов, конденсаторов, участков магнитопроводов, вентильных элементов и т.п. В этом случае для формирования ММ каждого элемента используются элементарные дифференциальные и алгебраические уравнения. ЭЭК с точки зрения формирования (конструирования) его ММ будет иметь свой базис в пространстве его составных частей.
При решении задачи создания программно-аппаратных комплексов (ПАК) используются ММ, отработанные на уровне компьютерного моделирования [12]. Здесь, в отличие от компьютерных ММ, существуют ситуации, когда такой ПАК вообще невозможно создать. Основным ограничением реализуемости является противоречие между скоростью реакции объекта и неотъемлемым свойством цифровых преобразователей иметь временное запаздывание.
Если такая возможность существует, то необходимо определить требования к вычислительной среде, которая предназначена для реализации программной части ПАК.
Таким образом, возникает задача об определении необходимых и достаточных условий реализуемости ПАК.
Необходимые условия (принципиальная реализуемость) могут быть определены на основе анализа линейной ММ имитируемого физического объекта. Возможность применения такой модели обусловлена тем, что оценка динамических свойств объекта должна быть осуществлена для данного момента времени, то есть для малых отклонений управляющих и возмущающих параметров.
Достаточные условия также определяются динамическими свойствами физического объекта, однако, в этом случае определяются требования к аппаратным средствам реализации программной части ММ. Здесь следует поставить вопрос об определении вспомогательной объектной модели - цифрового устройства управления (ЦУУ) [10]. Благодаря этому объекту задача определения параметров элементов ЦУУ (аналого-цифровых, цифро-аналоговых преобразователей, микропроцессоров и др.) может быть формализована и, как следствие, автоматизирована.
Следует отметить, что здесь рассматриваются только цифровые вычислители. В общем случае любая форма закона (математической модели) может быть реализована с помощью аналоговых элементов и тогда ограничения на реализуемость станут менее жесткими. Однако в настоящее время это сопряжено с определенными трудностями в реализации и уменьшением гибкости ММ.
Третий тип объектных моделей относится в основном к задаче создания устройств для диагностирования авиационного оборудования [11]. В этом случае объектные ММ имеют дополнительную функцию - они управляют работой реальных физических устройств. Здесь также возникает вопрос об их реализуемости.
Основным критерием реализуемости является минимальный интервал времени между процессами приема и передачи сигналов для проверяемого блока. В большинстве случаев для авиационного оборудования не накладывается жестких требований по указанному критерию. Однако вопросы достаточности для реализуемости опять же зависят от параметров применяемых цифровых устройств и, кроме того, от скорости обмена данными между участвующими в проверке устройствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.В.Ильин, Б.Р.Липай, С.И.Маслов, П.А.Тыричев. Анализ и синтез электромеханических систем. -М.:Изд-во МЭИ, 1999.
2. Б.Р.Липай, С.И.Маслов. - Компьютерные модели электромеханических систем. - М: Изд-во МЭИ, 2002.
3. Г.Буч. - Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения / Пер. с англ. - М.: Конкорд, 1992.
4. Колонтаев А.С., Маслов С.И., Маслова Т.Н. Компьютерное моделирование электромеханических систем / Под. ред. Маслова С.И. - М.: Изд-во МЭИ, 1996.
5. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. - М.: Высш. шк., 1994.
6. Халютин С.П. Объектно-ориентированный подход к представлению электроэнергетических комплексов летательных аппаратов и их элементов. В сб.: Перспективы развития электроэнергетических комплексов летательных аппаратов. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2003.
7. Халютин С.П., Жмуров Б.В., Окладников И.В. Обобщённая объектная математическая модель синхронной машины и ключевого элемента для моделирования электроприводов и генераторов. Самолётное электро-
оборудование. Сборник материалов научно-технической конференции под ред. Б.В. Иванова. - М.: ОАО «Аэро-электромаш», 2004.
8. Халютин С.П. Особенности применения объектного подхода к моделированию электроэнергетического комплекса летательного аппарата. Самолётное электрооборудование. Сборник материалов научно-технической конференции под ред. Б.В. Иванова. - М.: ОАО «Аэроэлектромаш», 2004.
9. Халютин С.П., Михеенков Ю.П., Хомченко А.А., Патрикеев А.П., Жмуров Б.В. Диагностика авиационного оборудования с применением вычислительной техники. Сборник материалов международной научнотехнической конференции «Датчики и системы - 2005». - Пенза: НИИФИ, 2005.
10. Халютин С.П., Хомченко А.А., Жмуров Б.В. Объектная модель обобщенного цифрового устройства управления. Сборник материалов международной научно-технической конференции «Датчики и системы - 2005». - Пенза: НИИФИ, 2005.
11. Халютин С.П., Михеенков Ю.П., Горшков П.С. Формализованный метод разработки автоматизированной диагностирующей системы на основе применения объектного подхода. Сборник материалов международной научно-технической конференции «КБД Инфо-2005». - Сочи, 2005.
12. Халютин С.П., Жмуров Б.В. Имитационная модель авиационного синхронного генератора как элемента системы диагностирования. Сборник материалов международной научно-технической конференции «КБД Инфо-2005». - Сочи, 2005.
MATHEMATICAL MODELING OF AIRCRAFT ELECTRICAL POWER SYSTEMS USING
OBJECT-ORIENTED TECHNOLOGY
Khalutin S.P
Principles and advantages of the objective approach to modelling electrical power complexes are considered. Possible applications of objective models and their features are shown.
Сведения об авторе
Халютин Сергей Петрович, 1968 г.р., окончил Рижское ВВАИУ им. Я.Алксниса (1990), МГУ им. М.В. Ломоносова (1993), кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника кафедры электрооборудования ВВИА им. Н.Е. Жуковского, автор более 40 научных работ, область научных интересов -применение информационных технологий при моделировании электроэнергетических систем.
