Меняем американца на китайца в цифровых двониках. Двигатели переменного тока – точные модели
Лирическое отступление
Мы живем в неспокойное время. Импортозамещение набирает обороты, но местами буксует как немецкий танк семейства кошачьих в украинской грязи. При чем даже за такое трудное и медленное движение вперед «спасибо» нужно сказать нашим уважаемым партнерам. Без них ничего бы не происходило вообще ничего от слова «совсем». Наши западные «партнеры» пытаются отрезать Россию от передовых инженерных технологий, и мы вынуждены, как те мыши из анекдота, «колоться, плакать», но пытаться съесть кактус.
…Гуд бай Америка о — о — о
где я не буду никогда
нас так долго лечили
любить твои запретные плоды…
И залечили до такой степени, что почти вся российская профессура, за редким исключением вцепилась в западное ПО, как вцепляются в потенциального клиента опытные работницы порта Гамбурга с низкой социальной ответсвенностью. Помню мое посещение знаменитой электронной выставки в Германии. Нам не нашлось мест в гостиницах Ганновера, и мы жили в Гамбурге, и ездили на электричках, из-за нашего иностранного вида и поведения было очень тяжело уворачиваться от предложений на улице, где каждая работница сферы услуг видела в нас потенциальную добычу:
— Для вас есть специальное и очень выгодное предложение!
— Извините я женат.
— Не волнуйся, ты остаёшься женат, после этого!
И даже сейчас в 2024 году «Показателем эффективности преподавательской деятельности являются публикации высоко рейтинговых журналов за рубежам из 1–2 квартиля». Редакции которых находятся в странах развитой демократии, и соответственно ответ на предложения публикации от русских ученых выглядит примерно так:
При этом изменение бюрократических правил и процессов, которые долго были ориентированы на западные технологии, — еще более сложная задача, чем заново собрать на исконно-посконном православном аналоге созданную в богопротивном зарубежном ПО математическую модель сложной системы.
Хотя, казалось бы, как только Россию покинули официальные представители западного автопрома, на дорогах Москвы мгновенно наступило будущее. Любой новый китаец рядом с любой европейской или американской тачкой выглядит как Алиса Селезнева с миелофоном в советской школе времен перестройки.
А что с программным обеспечением? Тут все не так однозначно.
Восток дело тонкое
Год назад на одной российской конференции по импортозамещению инженерного ПО микрофон взял китайский товарищ и заявил примерно следующее: «Я — разработчик китайского ПО, мы с вами одной крови! У нас такая же проблема: наши большие компании с государственным участием всегда покупали западное ПО, а мы, такие же локальные разработчики, только отечество у нас Китай. Мы выживали, как могли, питались крохами со барского стола, «je n’ai mangé pas six jours». И только теперь нас заметили и у нас появился шанс. Верной дорогой идете товарищи! Да здравствует импортозамещение! Выполним и перевыполним мудрые решения коммунистической партии Китая»
Я, конечно, не мог пройти мимо такого заявления. Тем более, не каждый день встречаешь собрата по несчастью из другой страны. В результате данного знакомства и родился данный текст.
Немного терминологии. Цифровой двойник любого объекта — это математическая модель, которая обеспечивает поведение, аналогичное реальному перваку — реальному объекту. В процессе разработки любой математической модели всегда приходится искать компромисс между правдой жизни и скоростью расчета. Чем ближе к правде наши математическим модели, тем больше вычислений мы должны сделать, и тем медленнее идет расчет. Конечно, можно подключить супер-ЭВМ, но это ни разу не помогает. Помню, на моей первой работе, когда мы моделировали теплогидравлические процессы в АЭС, один из руководителей говорил: «Бесполезно вам покупать новые компьютеры, как считали часовой процесс в течении суток 5 лет назад на 286 компьютере, так и сейчас считаете сутки на пентиумах 2 (это было 20 лет назад), только точек расчетных добавили. Раньше считали 3 канала и 10 точек по высоте, теперь 10 каналов и 100 точек по высоте, а толку?» И он где-то даже прав. Те, кто занимаются расчетами на СуперЭВМ, знают, что там можно и несколько недель считать процесс, который в реальной жизни идет несколько секунд.
Вы спросите, а кому сейчас легко? Приходится идти на такие затраты времени, особенно кода цифровой двойник создается при отсутствии первака, то есть реального объекта, откуда можно в реальном времени брать данные для цифрового двойника, как это принято в лучших домах Парижа, Лондона и других цивилизованных стран. Но у русских всегда свой путь, «у наших собственная гордость, на буржуинов смотрим с высока» и в наших стандартах цифровой двойник может создаваться еще на стадии проектирования, когда первака-объекта реально еще нет. Что делать, как быть и кто виноват? Впрочем, кто виноват и так все знают. А что делать, знают, но не только лишь все. Запускать подробные модели на супер-ЭВМ и ждать результат пару тройку дней или недель?
Это конечно цифровой двойник, но уж очень тормознутый. А если ваша задача разработать систему управления, то такой двойник вам не нужен. Нужно посчитать быстро и проверить различные варианты системы управления. Настройки ПИД регуляторов. И здесь приходится упрощать задачу, выкидывая из математической модели какие-либо лишние детали. При этом, естественно, возникает вопрос, не выплеснули ли мы с водой младенца? Или, другими словами, а был ли мальчик?
В качестве ответа на этот вопрос используют разные приемы. Один из них -редуцированные модели. Редуцирование заключается в замене подробных вычислений набором уже насчитанных таблиц, между которыми выполняется интерполяция. В начале мы проводим множество долгих трудных и нудных расчетов в подробной модели и получаем зависимости значения искомого параметра от входных данных, а потом используем эти данные для расчета уже в быстрой модели.
В общем виде такой процесс можно представить как на рисунке 1
Рисунок 1. Цикл разработки электродвигателя с редуцированными моделями
У нас есть требования к электродвигателю, и мы выполняем электромагнитный расчет обмоток, статора с учетом температуры, зазоров и прочих нелинейностей. Это долго, нудно, трудно, но на выходе мы получаем набор данных, которые уже можно забрать в программу структурного моделирования и произвести быстрые расчеты. Именно здесь мы и подключили нашего китайского собрата по разуму (или по несчастью, зависит от того, с какой стороны посмотреть).
Китайский САЕ вместо американского
Вместо американского ПО NASYS Maxwell мы берем китайский импортозамещённый аналог отечественный (правда отечество тут Китай) EASIMotor и собираем в нем модель электромагнитных процессов электродвигателя. Выбираем ротор, статор, размеры, материалы. Задаем соединения обмоток.
Рисунок 2. Соединении обмоток статора
Также задаем мощность, напряжение, питание, частоту оборотов и рабочую температуру — ровно то, что мы хотим от мотора получить. Например, на следующем рисунке задание свойств нашего будущего мотора:
Рисунок 3. Настройка параметров двигателя
Рисунок 3. Настройка параметров двигателяЗапускаем на расчет и получаем огромное количество данных по электромагнитным процессам в нашем моторе. На следующем рисунке только некоторые из них:
Рисунок 4. Пример результатов расчета электромагнитных процессов
Полученные данные можно внимательно изучать, можно выгрузить из программы в эксель. Кто знает, возможно, наши внуки уже будут также спокойно читать иероглифы, как мы сейчас читаем тексты на английском, или как ваши прадеды времен Пушкина читали тексты на французском, если конечно ваших прадедов, как моих, не пороли на конюшне в то время.
Рисунок 5. Экспорт данных по двигателю в Excel
Одновременно, наша волшебная китайская программа создает линейную модель. Для первого приближения эту простую модель можно вставить в Simulink или другу программу структурного моделирования и начать считать, приблизительно, но очень быстро, для разработки системы управления.
Рисунок 6. Простая линейная модель
Но этого текста не было бы, если бы мы на этом и остановились. Самая лучшая магия Хогвардса происходит дальше. Мы можем создать, не отходя от кассы, уже нелинейную модель и выполнить расчет параметров двигателя при разных нагрузках, оборотах, напряжении. Данный расчет занимает еще больше времени, но оно того стоит. В итоге мы можем посмотреть на красивые картинки, типа такой:
Риснок 7. Магнитное поле в электродвигателе
И получить неизгладимое эстетическое наслаждение. Но мы также можем сохранить все рассчитываемые параметры в файл специального формата и использовать его в наших отечественных программах.
И здесь нам очень повезло, потому что в отличии от NASYS Maxwell, где между счастливыми пользователями и разработчиками в индийском штате Бангалор стоит сложная и многоступенчатая система поддержки: вопрос из российского офиса компании-дистрибьютора переправляют в московский офис официального представителя, потом этот запрос переправляют в европейский офис по восточной Европе, оттуда в американский офис работы с туземцами, затем в американский офис контроля качества маркетинга, затем в департамент работы со средним и малым бизнесом, потом обратно в европейский отдел претензий и разработки, и, наконец, вы с вашим запросом идете по адресу из видео: https://youtu.be/1Qo35ldlvWo? si=ii4sbFLzZimOyu4a.
Сейчас ситуация значительно упростилась, поскольку ANSYS покинул Россию, и теперь все русские пользователи со своими странными запросами сразу маршируют строем по этому адресу.
Таким образом, с американским софтом достучатся до разработчика нереально. В отличие от американских уважаемых партнеров наши китайские друзья находятся на расстоянии вытянутой руки, мы можем договориться с ними и получить объяснения, пояснения и все необходимые данные в нужном нам формате практически в течение суток. Что мы и сделали. Возьмёмся за руки друзья, чтоб не пропасть по одиночке.
Получив от китайцев полное подробное описание набора данных, мы берем и загружаем все, что мы долго и упорно считали, в систему структурного моделирования, которая считает значительно быстрее. И, вуаля, наша комплексная модель вместо стандартной модели электромагнитных процессов начинает использовать данные, насчитанные подробной моделью из китайского ПО.
Модель сравнения для асинхронного двигателя приведена на следующем рисунке:
Рисунок 8. Структурная модель для сравнения моделей
Мы сравниваем стандартную модель двигателя, в которой мы ничего не знаем про мотор, и две модели, полученные из китайского ПО. Линейную и нелинейную.
Результаты нас удивили и порадовали: мы получили разницу в 30% и полное совпадение с результатами испытаний. Таким образом, используя наших китайских друзей, мы можем получить адекватную быструю модель до того, как соберем двигатель и проведем испытания.
Риснок 9. Сравнение моделей двигателей
Кстати говоря, полученные результаты уже позволят делать выводы о применимости данного двигателя для различных задач. Например, если увеличить график, видно, что происходят высокочастотные колебания момента, которые невозможно парировать работой системы управления. И поэтому, если для задачи важно наличие точности позиционирования, нужно внимательно моделировать инерцию и редуктор для получения параметров погрешности позиционирования с таким двигателем.
Рисунок 10. Увеличенный график момента разных моделей двигателя
Таким образом русский и китайский братья навек. Модель, созданная путем сложных расчетов, упаковывается в 1D модель и присутствует в виде блока на структурной схеме. Пользователь может выбрать какой вариант модели использовать, выбирая в настройках вместо стандартной модели, загрузку подробной модели из файла данных, полученных от наших китайских собратьев по разуму.
Рисунок 11. Выбор загрузки данных модели из файла
Таким образом можно получать разные варианты решения, не меняя общую модель, верхнего уровня, где сам двигатель является только одним из кубиков. Например, на следующем рисунке показано как будет меняться внутренняя структура модели асинхронного двигателя, при изменении типа модели.
Рисунок 12. Разные модели асинхронного двигателя, при разных параметрах блока.
Если вас интересует моделирование двигателя, то можете присоединиться к жаркой дискуссии на тему по этой ссылке.
https://habr.com/ru/articles/813727/
