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大功率整流电源智能CAD系统
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1 前言
随着有色、冶金、化工等行业的迅速发展，对大功率整流电源的需求日益增多。因为运行条件不同，使整流电源的设计呈现多样化。传统的计算机辅助设计只能替代结构设计等工作，而对系统的分析计算、参数优化、控制仿真、模拟等关键指标无能为力。计算机智能设计方法（ICAD）的出现为设计方法的变革提供了机遇。ICAD的提出由来已久，并在机械、电子、建筑等领域中广为应用［1］，但在整流电源设计领域中尚属空白。本文应用ICAD方法处理参数计算、性能分析、设计评价等智能设计任务，开发出了具有一定智能的实用系统。
智能CAD系统，基于中文windows 平台，采用面向对象的程序设计方法，利用功能强大的VB、Visual C＋＋ 编程。应用程序界面采用资源管理树型界面，操作直观，方便简单。
2 大功率整流电源设计流程
大功率整流电源通常电流高达数十千安培，为高能耗设备，一般均要求电源效率高，电流纹波小，运行可靠，其设计流程如图1所示。
首先输入设计要求的原始数据，如负载参数、电网指标参数、工作环境条件、冷却方式、结构尺寸限制、进出线位置、可靠性要求等；然后根据这些条件进行主整流方案设计，包括整流结构型式的选择、整流机组配置方案的确定、稳流控制系统方案的确定、主元件选择、冷却方式的选用、装置结构的选择等。在此段设计过程中，需要参考大量的设计规程、设计经验，需要做许多分析、判断。上述方案设计采用专家系统技术十分恰当；其后再进行电气设计，包括整流电路主参数计算、控制系统设计、保护系统设计等；机械设计包括发热计算、结构设计、冷却系统设计等；系统性能指标分析仿真对整流电源的静、动态特性等进行分析。后三个模块的工作以数值计算为主，所以开发程序采用一般算法语言比较合适。最后阶段是设计结果的输出，包括电路原理图、装置结构图、设计计算书、设备明细表、系统报价、性能曲线等的输出。
3 智能设计系统的结构
整流电源智能CAD系统的设计体现了系统集成思想。利用Windows进程间通信（IPC）功能，将专家系统与机械CAD、电子CAD、CAE及其它系统和技术文档有机地结合在一起。系统结构见图2。
其中调度模块负责设计进程及用户界面的管理，并协调专家系统模块、数据库模块、参数化绘图模块、复合文档管理四个模块的动作。专家系统模块负责处理电源方案设计。
数据库模块采用Microsoft Access设计，它符合SQL标准。由条件数据库、目标数据库、元件材料库和典型设计库组成。条件数据库包括对整流电源的设计要求；目标数据库存放由专家系统推理或参数计算程序求得的结果；元件材料库存放设计所需各种元器件及材料性能参数、价格等数据；典型设计库存放设计工程师常用的典型设计。以上数据库均可方便地维护。
参数化绘图模块编程采用VB，把专家系统推理或计算的结论动态传递给VB-ADS应用程序的外部定义函数，实现参数化绘图。采用VB开发AutoCAD参数化绘图模块，它的速度优于Au-to LISP，开发效率优于C＋＋。
复合文档管理模块用于集中管理CAD设计过程中不同格式的数据文件，通过OLE应用程序，可方便地在同一集成环境下查询、浏览甚至编辑不同格式的数据文件。
[p] 4 主要技术实现
4.1 专家系统的实现
系统采用面向对象的技术实现知识的表示，将多种单一知识表达方法：规则、框架和过程组成一种统一的知识表达模型。它以对象为中心，将对象的属性、动态行为特征和处理等有关知识封装在表达对象的结构中。具体实现采用框架结构来建立统一的知识表达模型，其基本结构由关系槽、属性槽、方法槽与规则槽所组成。关系槽表达对象之间的静态关系；属性槽表达设计对象数据的静态属性；方法槽用来存放对象的方法；规则槽用来存放产生式规则集。
大功率整流电源的设计工作按分层模块化的设计思想从上到下进行分解，建立了框架类树。主要应用输入参数框架类、主整流方案框架类、冷却系统框架类、保护系统框架类、控制系统框架类。由这些框架类生成初始事实文件，经过系统推理后得到与初始事实相应的设计结果。
系统的知识库是由一系列框架类构成的树形链的结构，采用树形推理链的控制策略来设计推理机。正向推理机由树形推理链来进行推理。设计型专家系统的知识库、规则中嵌套着计算和过程，因此在推理过程中不仅要考虑单一的陈述性语句匹配，还要完成计算、赋值等过程。这种能处理多种知识的推理机，提高了推理的灵活性。
4.2 专家系统和绘图系统的链接
将专家系统与绘图系统进行链接，是为了克服传统专家系统缺乏图形表示的缺点，并满足将设计结果用图形表示的需求。系统选用支持对象链接与嵌入（OLE）、动态数据交换（DDE）功能的AutoCAD作为图形支持。
系统建立了一个OLE客户应用程序，把Auto-CAD的图形结果链接到专家系统中，为专家系统提供了图形库，使用户在专家系统中可以浏览图形，并且可以激活OLE服务程序，用AutoCAD对图形对象进行编辑。
专家系统的处理结果需要送入图形处理系统绘制图形，系统采用VB-ADS应用程序建立起专家系统与AutoCAD之间的DDE通道，并通过它把专家系统的推理结论传递给VB-ADS应用程序，进行参数化绘图。
4.3 资源管理型用户界面
整流电源的设计流程表现为树型结构，在根层为项目集，了层依次为子系统层、子系统各模块层。系统采用资源管理器型界面正好符合其设计特点。利用VB5.0提供的Tree View控件、List View控件和Image List控件完成。Tree View控件的节点集（Nodes）表现结构的层次性，List View控件表现数据细节，Image List控件与Tree View控件和List View控件结合使用，为其提供图形资源，从而节省了系统资源。
[p] 5 设计实例
应用开发的CAD系统设计年产五万吨铝电解工程整流机组，基础原始数据及要求见表1
系统的主整流方案为：采用三相桥式同相逆并联整流结构，系统由4个整流机组组成，每机组有两台整流柜，组成4×2×6脉波。两台整流柜配备一台整流变压器。整流柜由12个桥臂构成，每臂并联7只ZPX3000A/2400V整流元件。每台整流柜由84只整流元件及84只快速熔断器组成。主要性能指标为：额定输出整流电压590V，额定输出整流电流4×(2×31500)A，过载能力150％一分钟，机组输出脉波数12，系统输出脉波数48，装置额定功率损耗89.92kw/每柜，整流效率为99.51％，电流储备系数为3.44，电压储备系数为3.7，稳流精度为1％，冷却方式采用纯水强迫循环冷却，柜体结构形式为GGD型冷弯型钢。上述设计结果达到了要求的性能指标。
6 结论
1、在研究大功率整流电源CAD软件时，利用有关专家知识建立专家系统，使CAD系统具有一定的智能。应用面向对象的编程技术，开发出CAD系统，应用该系统设计出了比较满意的整流电源，说明系统具有较好的实用性。
2、利用OLE、DDE强大的进程间通信功能，建立专家系统与图形处理系统之间的动态数据交换应用程序，以及其它复合技术文档之间的热链接，系统集成度高，输出丰富，使用方便。
3、研究了大功率整流电源CAD数据结构特点，开发了资源管理树型用户界面，清晰描述了各组成部分的联系，直观地表达了CAD的设计过程，操作界面符合工程习惯。
4、系统尚需不断扩充知识库，使之具有更丰富的人类专家智能。
参考文献
1 Nbolunt G, Clarke S. Artifical Intelligent and Design Au-tomation System. Journal of Engineering Design, 1994，5（4）：299～314.
随着有色、冶金、化工等行业的迅速发展，对大功率整流电源的需求日益增多。因为运行条件不同，使整流电源的设计呈现多样化。传统的计算机辅助设计只能替代结构设计等工作，而对系统的分析计算、参数优化、控制仿真、模拟等关键指标无能为力。计算机智能设计方法（ICAD）的出现为设计方法的变革提供了机遇。ICAD的提出由来已久，并在机械、电子、建筑等领域中广为应用［1］，但在整流电源设计领域中尚属空白。本文应用ICAD方法处理参数计算、性能分析、设计评价等智能设计任务，开发出了具有一定智能的实用系统。
智能CAD系统，基于中文windows 平台，采用面向对象的程序设计方法，利用功能强大的VB、Visual C＋＋ 编程。应用程序界面采用资源管理树型界面，操作直观，方便简单。
2 大功率整流电源设计流程
大功率整流电源通常电流高达数十千安培，为高能耗设备，一般均要求电源效率高，电流纹波小，运行可靠，其设计流程如图1所示。
首先输入设计要求的原始数据，如负载参数、电网指标参数、工作环境条件、冷却方式、结构尺寸限制、进出线位置、可靠性要求等；然后根据这些条件进行主整流方案设计，包括整流结构型式的选择、整流机组配置方案的确定、稳流控制系统方案的确定、主元件选择、冷却方式的选用、装置结构的选择等。在此段设计过程中，需要参考大量的设计规程、设计经验，需要做许多分析、判断。上述方案设计采用专家系统技术十分恰当；其后再进行电气设计，包括整流电路主参数计算、控制系统设计、保护系统设计等；机械设计包括发热计算、结构设计、冷却系统设计等；系统性能指标分析仿真对整流电源的静、动态特性等进行分析。后三个模块的工作以数值计算为主，所以开发程序采用一般算法语言比较合适。最后阶段是设计结果的输出，包括电路原理图、装置结构图、设计计算书、设备明细表、系统报价、性能曲线等的输出。
3 智能设计系统的结构
整流电源智能CAD系统的设计体现了系统集成思想。利用Windows进程间通信（IPC）功能，将专家系统与机械CAD、电子CAD、CAE及其它系统和技术文档有机地结合在一起。系统结构见图2。
其中调度模块负责设计进程及用户界面的管理，并协调专家系统模块、数据库模块、参数化绘图模块、复合文档管理四个模块的动作。专家系统模块负责处理电源方案设计。
数据库模块采用Microsoft Access设计，它符合SQL标准。由条件数据库、目标数据库、元件材料库和典型设计库组成。条件数据库包括对整流电源的设计要求；目标数据库存放由专家系统推理或参数计算程序求得的结果；元件材料库存放设计所需各种元器件及材料性能参数、价格等数据；典型设计库存放设计工程师常用的典型设计。以上数据库均可方便地维护。
参数化绘图模块编程采用VB，把专家系统推理或计算的结论动态传递给VB-ADS应用程序的外部定义函数，实现参数化绘图。采用VB开发AutoCAD参数化绘图模块，它的速度优于Au-to LISP，开发效率优于C＋＋。
复合文档管理模块用于集中管理CAD设计过程中不同格式的数据文件，通过OLE应用程序，可方便地在同一集成环境下查询、浏览甚至编辑不同格式的数据文件。
[p] 4 主要技术实现
4.1 专家系统的实现
系统采用面向对象的技术实现知识的表示，将多种单一知识表达方法：规则、框架和过程组成一种统一的知识表达模型。它以对象为中心，将对象的属性、动态行为特征和处理等有关知识封装在表达对象的结构中。具体实现采用框架结构来建立统一的知识表达模型，其基本结构由关系槽、属性槽、方法槽与规则槽所组成。关系槽表达对象之间的静态关系；属性槽表达设计对象数据的静态属性；方法槽用来存放对象的方法；规则槽用来存放产生式规则集。
大功率整流电源的设计工作按分层模块化的设计思想从上到下进行分解，建立了框架类树。主要应用输入参数框架类、主整流方案框架类、冷却系统框架类、保护系统框架类、控制系统框架类。由这些框架类生成初始事实文件，经过系统推理后得到与初始事实相应的设计结果。
系统的知识库是由一系列框架类构成的树形链的结构，采用树形推理链的控制策略来设计推理机。正向推理机由树形推理链来进行推理。设计型专家系统的知识库、规则中嵌套着计算和过程，因此在推理过程中不仅要考虑单一的陈述性语句匹配，还要完成计算、赋值等过程。这种能处理多种知识的推理机，提高了推理的灵活性。
4.2 专家系统和绘图系统的链接
将专家系统与绘图系统进行链接，是为了克服传统专家系统缺乏图形表示的缺点，并满足将设计结果用图形表示的需求。系统选用支持对象链接与嵌入（OLE）、动态数据交换（DDE）功能的AutoCAD作为图形支持。
系统建立了一个OLE客户应用程序，把Auto-CAD的图形结果链接到专家系统中，为专家系统提供了图形库，使用户在专家系统中可以浏览图形，并且可以激活OLE服务程序，用AutoCAD对图形对象进行编辑。
专家系统的处理结果需要送入图形处理系统绘制图形，系统采用VB-ADS应用程序建立起专家系统与AutoCAD之间的DDE通道，并通过它把专家系统的推理结论传递给VB-ADS应用程序，进行参数化绘图。
4.3 资源管理型用户界面
整流电源的设计流程表现为树型结构，在根层为项目集，了层依次为子系统层、子系统各模块层。系统采用资源管理器型界面正好符合其设计特点。利用VB5.0提供的Tree View控件、List View控件和Image List控件完成。Tree View控件的节点集（Nodes）表现结构的层次性，List View控件表现数据细节，Image List控件与Tree View控件和List View控件结合使用，为其提供图形资源，从而节省了系统资源。
[p] 5 设计实例
应用开发的CAD系统设计年产五万吨铝电解工程整流机组，基础原始数据及要求见表1
系统的主整流方案为：采用三相桥式同相逆并联整流结构，系统由4个整流机组组成，每机组有两台整流柜，组成4×2×6脉波。两台整流柜配备一台整流变压器。整流柜由12个桥臂构成，每臂并联7只ZPX3000A/2400V整流元件。每台整流柜由84只整流元件及84只快速熔断器组成。主要性能指标为：额定输出整流电压590V，额定输出整流电流4×(2×31500)A，过载能力150％一分钟，机组输出脉波数12，系统输出脉波数48，装置额定功率损耗89.92kw/每柜，整流效率为99.51％，电流储备系数为3.44，电压储备系数为3.7，稳流精度为1％，冷却方式采用纯水强迫循环冷却，柜体结构形式为GGD型冷弯型钢。上述设计结果达到了要求的性能指标。
6 结论
1、在研究大功率整流电源CAD软件时，利用有关专家知识建立专家系统，使CAD系统具有一定的智能。应用面向对象的编程技术，开发出CAD系统，应用该系统设计出了比较满意的整流电源，说明系统具有较好的实用性。
2、利用OLE、DDE强大的进程间通信功能，建立专家系统与图形处理系统之间的动态数据交换应用程序，以及其它复合技术文档之间的热链接，系统集成度高，输出丰富，使用方便。
3、研究了大功率整流电源CAD数据结构特点，开发了资源管理树型用户界面，清晰描述了各组成部分的联系，直观地表达了CAD的设计过程，操作界面符合工程习惯。
4、系统尚需不断扩充知识库，使之具有更丰富的人类专家智能。
参考文献
1 Nbolunt G, Clarke S. Artifical Intelligent and Design Au-tomation System. Journal of Engineering Design, 1994，5（4）：299～314.
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