Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов

Рассматриваются теоретические и практические вопросы построения моделей сложных электрических аппаратов с использованием инструментария общей теории систем. Приведены примеры моделей физических, технических и кибернетических систем в сложных электрических аппаратах Розглядаються теоретичні та практи...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Електротехніка і електромеханіка
Date:	2010
Main Authors:	Поляков, М.А., Ларионова, Т.Ю.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2010
Subjects:	Електричні машини та апарати
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143336
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов / М.А. Поляков, Т.Ю. Ларионова // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 3. — С. 30-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143336
record_format	dspace
spelling	Поляков, М.А. Ларионова, Т.Ю. 2018-10-30T17:41:15Z 2018-10-30T17:41:15Z 2010 Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов / М.А. Поляков, Т.Ю. Ларионова // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 3. — С. 30-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143336 621.311.6: 681.51 Рассматриваются теоретические и практические вопросы построения моделей сложных электрических аппаратов с использованием инструментария общей теории систем. Приведены примеры моделей физических, технических и кибернетических систем в сложных электрических аппаратах Розглядаються теоретичні та практичні питання побудови моделей складних електричних апаратів з використанням інструментарію загальної теорії систем. Наведені приклади моделей фізичних, технічних та кібернетичних систем у складних електричних апаратах The paper considers theoretical and practical problems concerning modeling of complex electric apparatus with application of general system theory tools. Examples of modeling of physical, engineering, and cybernetic systems in complex electric apparatus are given. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричні машини та апарати Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов System models and system characteristics of complex electric apparatus Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов
spellingShingle	Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов Поляков, М.А. Ларионова, Т.Ю. Електричні машини та апарати
title_short	Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов
title_full	Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов
title_fullStr	Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов
title_full_unstemmed	Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов
title_sort	модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов
author	Поляков, М.А. Ларионова, Т.Ю.
author_facet	Поляков, М.А. Ларионова, Т.Ю.
topic	Електричні машини та апарати
topic_facet	Електричні машини та апарати
publishDate	2010
language	Russian
container_title	Електротехніка і електромеханіка
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
format	Article
title_alt	System models and system characteristics of complex electric apparatus
description	Рассматриваются теоретические и практические вопросы построения моделей сложных электрических аппаратов с использованием инструментария общей теории систем. Приведены примеры моделей физических, технических и кибернетических систем в сложных электрических аппаратах Розглядаються теоретичні та практичні питання побудови моделей складних електричних апаратів з використанням інструментарію загальної теорії систем. Наведені приклади моделей фізичних, технічних та кібернетичних систем у складних електричних апаратах The paper considers theoretical and practical problems concerning modeling of complex electric apparatus with application of general system theory tools. Examples of modeling of physical, engineering, and cybernetic systems in complex electric apparatus are given.
issn	2074-272X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143336
citation_txt	Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов / М.А. Поляков, Т.Ю. Ларионова // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 3. — С. 30-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT polâkovma modelisistemisistemnyeharakteristikisložnyhélektričeskihapparatov AT larionovatû modelisistemisistemnyeharakteristikisložnyhélektričeskihapparatov AT polâkovma systemmodelsandsystemcharacteristicsofcomplexelectricapparatus AT larionovatû systemmodelsandsystemcharacteristicsofcomplexelectricapparatus
first_indexed	2025-11-26T20:26:33Z
last_indexed	2025-11-26T20:26:33Z
_version_	1850773424643768320
fulltext	30 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №3 УДК 621.311.6: 681.51 М.А. Поляков, Т.Ю. Ларионова МОДЕЛИ СИСТЕМ И СИСТЕМНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Розглядаються теоретичні та практичні питання побудови моделей складних електричних апаратів з використан- ням інструментарію загальної теорії систем. Наведені приклади моделей фізичних, технічних та кібернетичних си- стем у складних електричних апаратах Рассматриваются теоретические и практические вопросы построения моделей сложных электрических аппаратов с использованием инструментария общей теории систем. Приведены примеры моделей физических, технических и кибернетических систем в сложных электрических аппаратах ВВЕДЕНИЕ Объект исследования – электрические аппараты (ЭА) как вид электротехнических устройств, предна- значенных для управления потоками энергии для из- менения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических систем и их составных частей. Основные виды ЭА это аппараты управления и защиты, аппараты автоматического ре- гулирования, аппараты автоматики, выключатели вы- сокого напряжения, токоограничивающие реакторы, ограничители перенапряжений, разъединители и от- делители, измерительные трансформаторы и др. [1]. В известной литературе, в том числе практиче- ски во всех выпусках журнала "Електротехніка і еле- ктромеханіка", исследуются физические явления, ле- жащие в основе функционирования ЭА, научные ос- новы создания, анализа, производства, обеспечения эффективной эксплуатации ЭА. При этом ЭА иссле- дуются, как правило, с использованием описаний и технических, экономических характеристик техниче- ских устройств, реализующих заданные функции управления. Во многих исследованиях отмечается "вылизанность" конструкций современных ЭА и дальнейшее их совершенствование связывается с ин- теллектуализацией ЭА. Технической базой для имплементации интел- лекта в ЭА на основе программно-аппаратной реали- зации алгоритмов управления стали микроконтролле- ры, промышленные контроллеры и персональные компьютеры, которые входят в состав сложного ЭА. Известны интеллектуальные датчики, реле, регулято- ры, источники питания и другие интеллектуальные ЭА. Вместе с тем, авторам не известны работы по систематизации интеллекта, системным моделям и характеристикам ЭА. Отсутствие классификации ЭА как систем раз- личного вида, неопределенность системных характе- ристик ЭА затрудняет моделирование ЭА, анализ их эволюции и определение тенденций развития и, таким образом, является нерешенной научной проблемой. ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ Предмет настоящего исследования – модели сис- тем и системные характеристики сложных ЭА Исследование выполнено с использованием ме- тодов теории систем [2]. В соответствии с этой теори- ей будем рассматривать ЭА как систему с определен- ным уровнем организации, который описывается в категориях сложности и тезауруса. Цель исследований: спроецировать методы и средства описания систем, разработанные в теории систем на предметную область ЭА. Задачи исследования: выделить в сложных ЭА системы различных классов (физические, технические, кибернетические системы); определить системные ха- рактеристики сложных ЭА; раскрыть суть сложности и тезауруса ЭА; проследить эволюцию и определить тенденции развития сложных ЭА как систем. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ В соответствии с [2] системы классифицируют по уровню их организации. Наиболее низкий уровень организации имеют физические системы. Далее по мере роста уровня организации расположены классы технических, кибернетических, биологических, соци- альных и интеллектуальных систем. Процесс разработки системной модели сложного ЭА включает разработку функционального, морфоло- гического и информационного описания. Функциональное описание отражает такие ха- рактеристики систем как параметры, характеристики и иерархию. Морфологическое описание есть четверка ),,,( KVSM σΣ= , где Σ = {Σi} – множество элементов (подсистем) и их свойств; V = {Vj} – множество связей; σ – структура; K – композиция. Информационное описание определяет зависи- мость морфологических и физических свойств систе- мы от качества и количества внутренней (о себе самой и среде) и внешней (поступающей из среды) инфор- мации. Связь между функциональным и информаци- онным описаниями отражает эффективность и энтро- пию, закон изменения эффективности во времени от- ражает энтропийные свойства. Связь между морфоло- гическим и информационным описаниями отражает изменение морфологических свойств во времени. Рассмотрим в качестве примера системное опи- сание такого распространенного элемента ЭА как электрический проводник. Этот проводник становит- ся системой определенного класса после выбора че- ловеком варианта использования проводника в ЭА. Вариант использования определяется существенными для человека действиями электрического тока (тепло- ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №3 31 выми, физическими, химическими, световыми, меха- ническими и физиологическими) протекающего через проводник в процессе его использования в ЭА, харак- тера взаимодействия с внешней средой, физическими эффектами и явлениями, возникающими в проводни- ке в результате этого взаимодействия. На рис. 1 представлен вариант UML-диаграммы прецедентов электрического проводника. Актерами системы являются источник постоянного тока I вдоль проводника; источник постоянного напряжения U между проводником и корпусом ЭА; температура Ta окружающей среды, другие элементы конструкции ЭА, например корпус. Источник I Источник U Температура Та Элементы конструкции ЭА Проводить ток Выделять тепло Сопротивляться утечке тока Сопротивляться механическим усилиям Проводить ток Рис. 1 Диаграмма прецедентов системы "электрический проводник" В диаграмме рис. 1 учитываются далеко не все, встречающиеся в практике использования электриче- ских проводников, прецеденты и актеры. Например, согласно эффекту Пельтье (термоэлектронные явле- ния), проводник при определенных условиях, будет не выделять, а поглощать тепло. А в результате тер- момагнитного эффекта Нерста-Эттингсгаузена в про- воднике, в котором имеется градиент температуры и который помещен в магнитное поле, появляется элек- трическое поле. В соответствии с выбранными прецедентами, сформированы функциональные подсистемы провод- ника (рис. 2): электродинамическая (ЭДПС), термо- динамическая (ТДПС), электромеханическая (ЭМПС). Иерархия функционального описания системы "электрический проводник" заключается в том, что ее подсистемы являются физическими системами, взаи- мосвязь входных и выходных величин которых опре- деляется фундаментальными законами физики. На- пример, в ЭДПС под действием тока I и температуры проводника T на входах, на ее выходе выделяется те- пловая мощность ))(1( 0Tпр0 2 TTR IP −α+ = , где Rпр0 – электрическое сопротивление проводника при температуре T0; αТ – температурный коэффици- ент сопротивления. ЭДПС ТДПС ЭМПС F Q Iут I U Ta Е Т Р Рис. 2. Функциональное описание системы "электрический проводник" Кроме того, при протекании по проводнику тока I вокруг него образуется электрическое поле с напря- женностью Е, а под действием электрического напря- жения U между проводником и элементами конструк- ции ЭА возникает ток утечки Iут. Подсистема ТДПС формирует тепловой поток Q от проводника к другим элементам конструкции ЭА и изменяет температуру проводника T на основе температуры окружающей среды Ta и уравнения теплового баланса. Подсистема ЭМПС определяет механическое усилие F на другие элементы конструкции ЭА. Таким образом, функциональное описание систе- мы, представленное на рис. 2, описывает взаимосвязи физических процессов в системе, ее внешние физиче- ские параметры I, U, Ta, F и параметры подсистем. Это описание системы адекватно отражает поведение сис- темы в тех случаях, когда внешние физические пара- метры принадлежат к области допустимых значений. В противном случае, в системе могут возникнуть другие физические процессы. Например, пробой изоляции, испарение проводника. Диапазоны допустимых значе- ний входных переменных определяются через пара- метры элементов конструкции проводника. Вид функционала, описывающего эффектив- ность системы "электрический проводник", связан с прецедентами системы. Эффективность пропускания тока проводником определяется по величине его электрического сопротивления. То есть, из двух про- водников более эффективным считается проводник с меньшим электрическим сопротивлением. Отметим, что в нашем упрощенном примере не учтено, напри- мер, влияние на эффективность локальных уменьше- ний поперечного сечения проводника, которые прак- тически не изменяют его сопротивления, но сущест- венно снижают токонесущую способность. Выраже- ние зависимости сопротивления проводника от его электрофизических параметров и есть функционал эффективности. С течением времени эффективность проводника, как правило, уменьшается, то есть растет его сопро- тивление в результате химических реакций, механи- ческих и токовых перегрузок. Неопределенность зна- чения электрического сопротивления проводника в некоторый момент времени t1, относительно его со- противления в момент t0 (t1 > t0), когда сопротивление проводника было измерено с достаточной степенью точности, определяет энтропийные свойства провод- 32 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №3 ника в части его способности проводить ток. С увели- чением времени энтропия системы "электрический проводник" возрастает, что характерно для физиче- ских и технических систем. Аналогично определим эффективность отвода тепла проводником (по величине превышения темпе- ратуры проводника над температурой окружающей среды), эффективность сопротивления проводника утечкам тока (по величине сопротивления его изоля- ции) и другие. При морфологическом описании процессы в сис- теме проецируются на ее элементы. Структура систе- мы "электрический проводник" приведена на UML диаграмме классов рис. 3. Рис. 3. Диаграмма классов системы "электрический проводник" Как видно из диаграммы классов, система "элек- трический проводник" построена на гетерогенных элементах. Морфология системы стабильна, разруше- ние элементов в результате старения и действия внешних факторов приводит к отказу системы – ее неспособности выполнять системные функции. Система "электрический проводник" не обладает тезаурусом, поэтому морфологического и функцио- нального описания системы достаточно для описания результатов ее действий, и информационного описа- ния не требуется. Примерами систем с более сложной организаци- ей служат регулятор системы охлаждения [3] и про- граммный компонент идентификации тепловых пара- метров [4] силового маслонаполненного трансформа- тора. Такие трансформаторы в настоящее время ос- нащаются системой мониторинга и управления [5], которая содержит узлы, обладающие вычислитель- ными ресурсами – промышленные контроллеры и компьютеры. Алгоритмы управления в таких узлах, в том числе алгоритмы регулятора и компоненты иден- тификации тепловых параметров, реализованы про- граммно, распределены по нескольким узлам, выпол- няются в режиме реального времени и являются эле- ментами контроллерной системы управления (КСУ). Иерархия в функциональном описании КСУ приведена в табл. 1. Таблица 1 Иерархия функциональных уровней КСУ Уровень Элементы Информационные массивы Местопо- ложение Управление адаптацией Продукционная система База знаний при- ложения, целевая функция Память компью- тера Управление состояния- ми Управляющие автоматы (УА) Таблицы выходов и переходов УА Управление комплекс- ными опе- рациями Входные, вы- ходные, опера- ционные авто- маты (ОА) Файлы (структу- ры) данных, фай- лы форсировки, файлы парамет- ров ОА Управление типовыми операциями Инструкции языка програм- мирования Структуры управления инст- рукций языка программирова- ния Файл статуса (системных пе- ременных) кон- троллера Память пользова- теля кон- троллера Управление системны- ми опера- циями Операционная система (ОС) контроллера Системные пере- менные ОС Системная память контрол- лера Управление аппаратны- ми средст- вами Процессор, входные, выход- ные, сетевые модули, блок питания, опера- торский интер- фейс Системные реги- стры устройств (регистры дан- ных, состояния, конфигурации) Элементы электрон- ной схемы Уровни сопряжения с ОУ и управления аппарат- ными средствами описаны в [6]. Управление систем- ными операциями контроллера осуществляется ОС контроллера со свойствами ОС реального времени и реализацией отдельных команд в виде программных автоматов. Большинство инструкций языков программиро- вания контроллеров имеют довольно сложный алго- ритм выполнения, с внутренними состояниями, кото- рые отображаются через элементы структур управле- ния. С этой точки зрения их можно рассматривать как автоматы типовых операций пользователя и объеди- нить в отдельный уровень управления. На уровне управления комплексными операция- ми выделим множество входных и выходных ОА. Входные ОА выполняют операции над входными пе- ременными различных типов, которые поступают с выходов входных модулей, выходов других ОА или из памяти процессора. Выходные ОА формируют зна- чения выходных переменных контроллера. Уровень управления состояниями системы управления представлен в структуре управления множеством УА. Каждый УА, как правило, управляет состояниями отдельной задачи, программы, процеду- ры, то есть автоматы используются параллельно. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №3 33 Алгоритмы обработки данных и управления со- стояниями могут быть изменены во время эксплуата- ции путем адаптации. В ходе адаптации в системе управления накапливаются и оцениваются результаты управления, формируется прогноз изменения контро- лируемых и неконтролируемых параметров ОУ. На основании этих данных изменяются информационные массивы структур УА и параметры ОА, системные переменные контроллера, коммутируются информа- ционные потоки на входах и выходах этих автоматов, то есть изменяется структура устройства управления объектом. Управление адаптацией можно выделить в отдельный уровень управления, который использует инструментарий систем искусственного интеллекта. Элементы функционального описания объеди- няются в подсистемы с помощью прямых и обратных связей, как в пределах одного уровня, так и с элемен- тами других уровней. При этом, один и тот же эле- мент может выступать в различных подсистемах как объект, средство и инструмент управления. Подсистемы КСУ целенаправленны, то есть, способны к выбору поведения в зависимости от внут- ренней цели [1], что является признаком технических систем. Например, внутренняя цель регулятора охла- ждения [7] – снижение затрат связанных с термиче- ским износом изоляции трансформатора с учетом за- трат на реализацию охлаждения. КСУ имеет многоуровневый тезаурус, который отражает сведения системы о себе и окружающей среде. Такая информация может храниться, например, в статусном файле контроллера. Во время работы КСУ идет накопление тезауруса, путем сохранения в памяти системы и обработке текущих значений внеш- них и внутренних параметров. Например, регулятор охлаждения [3] использует прогноз тока нагрузки трансформатора, который постоянно уточняется пу- тем обработки данных мониторинга [8]. А тепловые параметры трансформатора уточняются по мере на- копления компонентом идентификации КСУ данных о работе трансформатора в различных режимах [4]. Таким образом, ЭА имеющие в своем составе программные компоненты, реализованные в среде КСУ, обладают свойствами кибернетических систем, а их составные части представляют собой техниче- ские системы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Моделирование ЭА и их элементов средствами теории систем с разработкой комплекса из функцио- нального, морфологического информационного описа- ний, основано на учете сложности организации систе- мы и ее тезауруса. Такие модели представляют интерес при проектировании адаптивных, самоорганизующих- ся ЭА, ЭА с программной реализацией алгоритма управления и использованием методов искусственного интеллекта для повышения эффективности ЭА. Предложенные модели и характеристики систем сложных ЭА предполагается использовать при разра- ботке алгоритмического и программного обеспечения систем мониторинга и управления трансформаторами. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Электрические и электронные аппараты. Под ред. Ю. К. Розанова. – М: Информэлектро, 2001. – 420 с. 2. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Проблемы системоло- гии. – Сов. радио, 1976. 3. Поляков М.А. Нечеткий регулятор охлаждения силового масляного трансформатора на основе прогноза изменения возмущающих факторов // Електротехніка і електромехані- ка. – 2007. – № 3. – С. 47-50. 4. Поляков М.А. Идентификация тепловых параметров силового масляного трансформатора по данным монито- ринга параметров // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. – 2007. – № 11. – Ч. 1(117). – С. 167-173. 5. Рассальский А.Н. Система мониторинга и управления силовых трансформаторов //Електротехніка і електромеха- ніка. – 2005, № 2. 6. Parr E.A. Programmable Controllers. An engineer’s guide. Third edition. Oxford: Newness, 2003. – 429 p. 7. Поляков М.А. Управление охлаждением силового мас- ляного трансформатора по критерию эффективности // Еле- ктротехніка і електромеханіка. – 2008. – № 3. – С. 45-47. 8. Поляков М.А., Климов С.И. Методы и информационные технологи обработки данных мониторинга параметров си- лового трансформатора // Вісник національного університе- ту "Львівська політехніка". – 2009. – № 637. – С. 70-74. Поступила 21.10.2009 Поляков Михаил Алексеевич, к.т.н. доц. Ларионова Татьяна Юрьевна Запорожский национальный технический университет кафедра "Электрические аппараты" Украина, 69063, Запорожье, ул. Жуковского, 64 тел. (061) 228-16-10, e-mail: polyakov@zntu.edu.ua, tanyalarionova@mail.ru Polyakov M.A., Larionova T.Yu. System models and system characteristics of complex elec- tric apparatus. The paper considers theoretical and practical problems concern- ing modeling of complex electric apparatus with application of general system theory tools. Examples of modeling of physical, engineering, and cybernetic systems in complex electric appara- tus are given. Key words – complex electric apparatus, modeling, general theory of systems, examples.

Модели систем и системные характеристики сложных электрических аппаратов

Institution

Similar Items