Основные этапы разработки новых устройств, виды оптимизации, ограничения в системах ЭП

Стадии разработки по ЕСКД:

1 Техническое задание (ТЗ)

1.1 Наименование и шифр разработки

1.2 Цель выполнения работы

1.3 Основные технические характеристики. Указываются те характеристики, которые в дальнейшем подтверждаются результатами испытаний.

1.4 Состав и структура изделия. Принцип действия. Требования к составным частям.

1.5 Требования по помехозащищенности (электромагнитной совместимости), помехи по цепям питания, радиопомехи.

1.6 Требования по условиям эксплуатации

1.7 Транспортировка и хранение, упаковка и маркировка.

1.8 Утилизация

1.9 Календарный план. Сроки выполнения этапов.

1.10 Финансирование

2 Научно-исследовательская работа

2.1 Патентный поиск. Анализ технических решений, применяемых в данных и смежных областях.

2.2 Расчет технических показателей, расчет элементов системы.

2.3 Разработка эскизной документации (достаточная для изготовления макетного образца)

2.4 Изготовление макетного образца, т.е. действующего образца, в котором не реализованы некоторые требования по технологичности, внешнему виду, компановки.

2.5 Испытание макетного образца. Цель: проверка соответствия технических характеристик заданным. По результатам испытаний принимаются решения по уточнению тех. задания, по доработке макета или о постановке на серийное производство.

3 Рабочий проект (опытно-конструкторская работа)

Цель: подготовка серийного производства, сокращение времени на изготовление и отладку, контроль качества выпускаемой продукции.

Выпуск документации на изготовление в полном объеме.

Ведомости покупных и комплектующих изделий с перечнем замен.

Чертежи сборочных единиц, узлов и деталей.

Монтажные схемы или таблицы соединений.

Методики монтажа, проверки. регулировки.

Технические условия (входной и выходной контроль параметров комплектующих и элементов систем, допуск на контролируемые величины).

Методики проверки, приборов и аппаратура, применяемые для контроля.

Разрабатывается испытательная аппаратура.

Виды оптимизации

Любая инженерная задача формулируется как оптимизационная.

По уровню различают:

1 Параметрическая оптимизация – в рамках заданной структуры и законов управления выбираются регулировочные параметры.

2 Структурная оптимизация – в рамках заданных законов регулирования и управления изменяется структура или принцип действия отдельных блоков, затем выбираются параметры (переход с аналогового на цифровое управление; замена релейно-контакторной схемы контроллером).

3 Функциональная оптимизация – выбираются законы управления, структура и параметры.

Математическое описание:

1 Целевая функция

Цель (min, max, const) [F(x) ® min]

2 Ограничения

P(x)< P_{заданной} (стоимость, габариты, энергопотребление)

3 Область вариации параметров

Хmin< Xi< Xmax

Область вариации параметров определяется изменяемыми параметрами: эксплуатационными характеристиками, диапазонами рабочих скоростей, нагрузок, вариантов схем, номиналами элементов.

В качестве целевой функции и ограничений выступают технические и технико-экономические показатели системы (точность, диапазон регулирования, мощность, стоимость, срок службы) и их сочетание.

По системе экспертных оценок целевая функция формулируется в следующем виде:

F(x) = k₁C + k₂T + k₃N, где С, Т, N – весовые коэффициенты, которые определяются по средним значениям оценок экспертов.

Основные ограничения в системах ЭП

Ограничения влияют на область вариации параметров системы.

1 Ограничение по напряжению

Пробой изоляции, в эл. машинах межламельный промежуток коллектора.

Оговаривается напряжение пробоя изоляции (двигатель на 380 В – U_пр = 3 кВ) и номинальное напряжение. Повышение напряжения выше номинального приводит к квадратичному снижению срока эксплуатации. На прочность изоляции дополнительно влияет темп нарастания напряжения и изменения тока (вихревые токи, паразитные индуктивность и емкость).

Защита от перенапряжения – разрядники. Защита от I_кз – 10-12 кратная уставка. Тепловая защита – 1, 1 кратная уставка от номинального. Защита от I_кз – быстродействующий предохранитель или автоматический выключатель.

2 Ограничение по току.

Предельно допустимый ток определяется максимально рассеиваемой мощностью наиболее слабого элемента, разрушение материала проводника или контакта. Например, при превышении тока у ДПТ взрываются щетки.

3 Ограничение по нагреву.

Рассеиваемая мощность на участке цепи. Защита – биметаллические контакты.

4 Ограничение по моменту или передаваемому усилию.

Ломается механическая часть (шпонки, зубчатые передачи, шпильки, муфты, валы). Предельные значения определяются механической прочностью наиболее слабого элемента передачи. Шпонки, ременная передача, фрикционная передача – защита механической части. При расчетах учитывается статическая и динамическая составляющие. Динамическая стойкость ≈ на 30-50% < статической (ударные нагрузки).

5 Ограничение по скорости или частоте вращения.

Нагрев подшипников, динамические нагрузки из-за дисбаланса и центробежных усилий.

6 Ограничение по мощности.

Для автономных систем мощность источника питания. Обычно оговаривается импульсная мощность (пиковый режим) и длительная мощность (номинальный режим).

7 Ограничение по ускорению и рывку.

Рывок – темп набора ускорения (вторая производная от скорости). Связано с динамическими нагрузками на элементы привода. В большинстве механизмов ускорение ограничивается на уровне 3 м/с². Для большинства переменных оговариваются не только максимальные значения, но и темпы их изменения. Например, скорость нарастания тока или напряжения.