大功率整流電源的智能CAD系統(tǒng)研制

Abstract：This paper presents an intelligent method for designing power rectifer. In view of design characteristics of power rectifer, the technologies of expert system and database are used to develop the intelligent CAD software packgage. So the automatic intelligence design is realized in power rectifier field.

Keyword：CAD rectifer expert system

1 　前言

隨著有色、冶金、化工等行業(yè)的迅速發(fā)展，對大功率整流電源的需求日益增多。由于運(yùn)行條件不同，使整流電源的設(shè)計(jì)呈現(xiàn)多樣化。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)只能替換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作，而對系統(tǒng)的分析計(jì)算、參數(shù)優(yōu)化、控制仿真、模擬等關(guān)鍵指標(biāo)無能為力。計(jì)算機(jī)智能設(shè)計(jì)方法(ICAD)的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)方法的變革提供了機(jī)遇。ICAD的提出由來已久，并在機(jī)械、電子、建筑等領(lǐng)域中廣為應(yīng)用[1]，但在整流電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域中尚屬空缺。本文應(yīng)用ICAD方法處理參數(shù)計(jì)算、性能分析、設(shè)計(jì)評價(jià)等智能設(shè)計(jì)任務(wù)，開發(fā)出了具有一定智能的實(shí)用系統(tǒng)。

智能CAD系統(tǒng)，基于中文windows 平臺，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，利用功能強(qiáng)大的VB、Visual C++ 編程。應(yīng)用程序界面采用資源治理樹型界面，操縱直觀，方便簡單。

2 大功率整流電源設(shè)計(jì)流程

大功率整流電源通常電流高達(dá)數(shù)十千安培，為高能耗設(shè)備，一般均要求電源效率高，電流紋波小，運(yùn)行可靠，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

首先輸進(jìn)設(shè)計(jì)要求的原始數(shù)據(jù)，如負(fù)載參數(shù)、電網(wǎng)指標(biāo)參數(shù)、工作環(huán)境條件、冷卻方式、結(jié)構(gòu)尺寸限制、進(jìn)出線位置、可靠性要求等;然后根據(jù)這些條件進(jìn)行主整流方案設(shè)計(jì)，包括整流結(jié)構(gòu)型式的選擇、整流機(jī)組配置方案的確定、穩(wěn)流控制系統(tǒng)方案的確定、主元件選擇、冷卻方式的選用、裝置結(jié)構(gòu)的選擇等。在此段設(shè)計(jì)過程中，需要參考大量的設(shè)計(jì)規(guī)程、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，需要做很多分析、判定。上述方案設(shè)計(jì)采用專家系統(tǒng)技術(shù)十分恰當(dāng);其后再進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)，包括整流電路主參數(shù)計(jì)算、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等;機(jī)械設(shè)計(jì)包括發(fā)熱計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)等;系統(tǒng)性能指標(biāo)分析仿真對整流電源的靜、動(dòng)態(tài)特性等進(jìn)行分析。后三個(gè)模塊的工作以數(shù)值計(jì)算為主，所以開發(fā)程序采用一般算法語言比較合適。最后階段是設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出，包括電路原理圖、裝置結(jié)構(gòu)圖、設(shè)計(jì)計(jì)算書、設(shè)備明細(xì)表、系統(tǒng)報(bào)價(jià)、性能曲線等的輸出。

大功率整流電源設(shè)計(jì)流程

3 智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整流電源智能CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了系統(tǒng)集成思想。利用Windows進(jìn)程間通訊(IPC)功能，將專家系統(tǒng)與機(jī)械CAD、電子CAD、CAE及其它系統(tǒng)和技術(shù)文檔有機(jī)地結(jié)合在一起。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

其中調(diào)度模塊負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)進(jìn)程及用戶界面的治理，并協(xié)調(diào)專家系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、參數(shù)化繪圖模塊、復(fù)合文檔治理四個(gè)模塊的動(dòng)作。專家系統(tǒng)模塊負(fù)責(zé)處理電源方案設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)庫模塊采用Microsoft Access設(shè)計(jì)，它符合SQL標(biāo)準(zhǔn)。由條件數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)數(shù)據(jù)庫、元件材料庫和典型設(shè)計(jì)庫組成。條件數(shù)據(jù)庫包括對整流電源的設(shè)計(jì)要求;目標(biāo)數(shù)據(jù)庫存放由專家系統(tǒng)推理或參數(shù)計(jì)算程序求得的結(jié)果;元件材料庫存放設(shè)計(jì)所需各種元器件及材料性能參數(shù)、價(jià)格等數(shù)據(jù);典型設(shè)計(jì)庫存放設(shè)計(jì)工程師常用的典型設(shè)計(jì)。以上數(shù)據(jù)庫均可方便地維護(hù)。

參數(shù)化繪圖模塊編程采用VB，把專家系統(tǒng)推理或計(jì)算的結(jié)論動(dòng)態(tài)傳遞給VB-ADS應(yīng)用程序的外部定義函數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化繪圖。采用VB開發(fā)AutoCAD參數(shù)化繪圖模塊，它的速度優(yōu)于Au-to LISP，開發(fā)效率優(yōu)于C++。

復(fù)合文檔治理模塊用于集中治理CAD設(shè)計(jì)過程中不同格式的數(shù)據(jù)文件，通過OLE應(yīng)用程序，可方便地在同一集成環(huán)境下查詢、瀏覽甚至編輯不同格式的數(shù)據(jù)文件。

4 主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)實(shí)現(xiàn)知識的表示，將多種單一知識表達(dá)方法：規(guī)則、框架和過程組成一種同一的知識表達(dá)模型。它以對象為中心，將對象的屬性、動(dòng)態(tài)行為特征和處理等有關(guān)知識封裝在表達(dá)對象的結(jié)構(gòu)中。具體實(shí)現(xiàn)采用框架結(jié)構(gòu)來建立同一的知識表達(dá)模型，其基本結(jié)構(gòu)由關(guān)系槽、屬性槽、方法槽與規(guī)則槽所組成。關(guān)系槽表達(dá)對象之間的靜態(tài)關(guān)系;屬性槽表達(dá)設(shè)計(jì)對象數(shù)據(jù)的靜態(tài)屬性;方法槽用來存放對象的方法;規(guī)則槽用來存放產(chǎn)生式規(guī)則集。

大功率整流電源的設(shè)計(jì)工作按分層模塊化的設(shè)計(jì)思想從上到下進(jìn)行分解，建立了框架類樹。主要應(yīng)用輸進(jìn)參數(shù)框架類、主整流方案框架類、冷卻系統(tǒng)框架類、保護(hù)系統(tǒng)框架類、控制系統(tǒng)框架類。由這些框架類天生初始事實(shí)文件，經(jīng)過系統(tǒng)推理后得到與初始事實(shí)相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

系統(tǒng)的知識庫是由一系列框架類構(gòu)成的樹形鏈的結(jié)構(gòu)，采用樹形推理鏈的控制策略來設(shè)計(jì)推理機(jī)。正向推理機(jī)由樹形推理鏈來進(jìn)行推理。設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的知識庫、規(guī)則中嵌套著計(jì)算和過程，因此在推理過程中不僅要考慮單一的陳述性語句匹配，還要完成計(jì)算、賦值等過程。這種能處理多種知識的推理機(jī)，進(jìn)步了推理的靈活性。

4.2 專家系統(tǒng)和繪圖系統(tǒng)的鏈接

將專家系統(tǒng)與繪圖系統(tǒng)進(jìn)行鏈接，是為了克服傳統(tǒng)專家系統(tǒng)缺乏圖形表示的缺點(diǎn)，并滿足將設(shè)計(jì)結(jié)果用圖形表示的需求。系統(tǒng)選用支持對象鏈接與嵌進(jìn)(OLE)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)功能的AutoCAD作為圖形支持。

系統(tǒng)建立了一個(gè)OLE客戶應(yīng)用程序，把Auto-CAD的圖形結(jié)果鏈接到專家系統(tǒng)中，為專家系統(tǒng)提供了圖形庫，使用戶在專家系統(tǒng)中可以瀏覽圖形，并且可以激活OLE服務(wù)程序，用AutoCAD對圖形對象進(jìn)行編輯。

專家系統(tǒng)的處理結(jié)果需要送進(jìn)圖形處理系統(tǒng)繪制圖形，系統(tǒng)采用VB-ADS應(yīng)用程序建立起專家系統(tǒng)與AutoCAD之間的DDE通道，并通過它把專家系統(tǒng)的推理結(jié)論傳遞給VB-ADS應(yīng)用程序，進(jìn)行參數(shù)化繪圖。

4.3 資源治理型用戶界面

整流電源的設(shè)計(jì)流程表現(xiàn)為樹型結(jié)構(gòu)，在根層為項(xiàng)目集，了層依次為子系統(tǒng)層、子系統(tǒng)各模塊層。系統(tǒng)采用資源治理器型界面正好符合其設(shè)計(jì)特點(diǎn)。利用VB5.0提供的Tree View控件、List View控件和Image List控件完成。Tree View控件的節(jié)點(diǎn)集(Nodes)表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的層次性，List View控件表現(xiàn)數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，Image List控件與Tree View控件和List View控件結(jié)合使用，為其提供圖形資源，從而節(jié)省了系統(tǒng)資源。

5 設(shè)計(jì)實(shí)例

應(yīng)用開發(fā)的CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)年產(chǎn)五萬噸鋁電解工程整流機(jī)組，基礎(chǔ)原始數(shù)據(jù)及要求見表1

系統(tǒng)的主整流方案為：采用三相橋式同相逆并聯(lián)整流結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由4個(gè)整流機(jī)組組成，每機(jī)組有兩臺整流柜，組成4×2×6脈波。兩臺整流柜配備一臺整流變壓器。整流柜由12個(gè)橋臂構(gòu)成，每臂并聯(lián)7只ZPX3000A/2400V整流元件。每臺整流柜由84只整流元件及84只快速熔斷器組成。主要性能指標(biāo)為：額定輸出整流電壓590V，額定輸出整流電流4×(2×31500)A，過載能力150%一分鐘，機(jī)組輸出脈波數(shù)12，系統(tǒng)輸出脈波數(shù)48，裝置額定功率損耗89.92kw/每柜，整流效率為99.51%，電流儲(chǔ)備系數(shù)為3.44，電壓儲(chǔ)備系數(shù)為3.7，穩(wěn)流精度為1%，冷卻方式采用純水強(qiáng)迫循環(huán)冷卻，柜體結(jié)構(gòu)形式為GGD型冷彎型鋼。上述設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到了要求的性能指標(biāo)。

6 結(jié)論

1、在研究大功率整流電源CAD軟件時(shí)，利用有關(guān)專家知識建立專家系統(tǒng)，使CAD系統(tǒng)具有一定的智能。應(yīng)用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，開發(fā)出CAD系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了比較滿足的整流電源，說明系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性。

2、利用OLE、DDE強(qiáng)大的進(jìn)程間通訊功能，建立專家系統(tǒng)與圖形處理系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換應(yīng)用程序，以及其它復(fù)合技術(shù)文檔之間的熱鏈接，系統(tǒng)集成度高，輸出豐富，使用方便。

3、研究了大功率整流電源CAD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開發(fā)了資源治理樹型用戶界面，清楚描述了各組成部分的聯(lián)系，直觀地表達(dá)了CAD的設(shè)計(jì)過程，操縱界面符合工程習(xí)慣。

4、系統(tǒng)尚需不斷擴(kuò)充知識庫，使之具有更豐富的人類專家智能。

參考文獻(xiàn)

1 Nbolunt G, Clarke S. Artifical Intelligent and Design Au-tomation System. Journal of Engineering Design, 1994，5(4)：299～314.