174107. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés anyagáram és energiaáram- hálózatok statikus és dinamikus vizsgálatára
3 174107 4 Fenti lényegi okok mellett kényelmi szempontok - mint pl. a programozás rugalmassága és a számológéphez való jobb hozzáférhetőség - indokolják, hogy folyamatmodellezésre, szimulálásra és hálózattervezési feladatokhoz elterjedt az analóg számológép, ill. analóg modell alkalmazása. Az általános célú analóg számológép hatékony és dinamikus segédeszköz lehet a tervezőmérnök kezében. Terjedelmes, nemlineáris hálózat vizsgálatára azonban felépítésénél fogva alkalmatlan eszköz. Ennek egyik oka az analóg számológép alapvető tulajdonsága, az, hogy az anyag és energiaáram-hálózatban szereplő hajtóerőnek (mely pl. a nyomáskülönbség vagy hőmérsékletkülönbség) és az áramnak (mely pl. térfogatáram v. hőáram) egyaránt villamos feszültség felel meg. Ezáltal az anyag- és energiaáram-hálózatra vonatkozó csomóponti törvény érvényrejuttatása minimálisan a csomópontok számával azonos mennyiségű műveleti erősítőt igényel. Mivel a hálózatok nemritkán többszáz csomópontot tartalmazhatnak, csak a legnagyobb analóg számítógépek jöhetnének számításba. Ugyanakkor még ezek sem lennének alkalmasak a nagyszámú nemlineáris állapotfüggvény modellezésére. Példaképpen felidézzük a Solartron 247-es nagyteljesítményű, modern analóg számológép adatait: 247 db erősítőt és mindössze 6 db 10 szegmensű függvénygenerátort, és 6 db elektronikus szorzót és szervoszorzót tartalmaz. A problémát analóg célszámológéppel, helyesebb elnevezéssel analóg célmodellel lehet megoldani. Anyagáram-hálózatok vizsgálatára alkalmazható néhány ismert megoldású analóg célmodell közös jellemzője az, hogy a nyomáskülönbségnek villamos feszültség, a térfogatáramnak villamos áram felel meg. Ezzel a modellezéssel megtakaríthatók a csomóponti műveleti erősítők, és áttekinthetőbbé válik a modell programozása: az anyagáram-hálózat topológiája megegyezik az analóg modell villamos hálózatának topológiájával. A nemlineáris állapotfüggvények modellezésére különböző megoldások terjedtek el. Alkalmaznak diódás függvénygenerátorokat, melyek a kívánt függvényalakot egyenes szakaszokból összerakott töröttvonal függvénnyel közelítik meg. Alkalmaznak különböző félvezetőeszközök karakterisztikáinak felhasználásával áram-, vagy feszültségfüggő elemeket, továbbá ismeretesek termikusán, hőmérsékletváltozással módosított, nemlineáris villamos karakterisztikán alapuló (pl. izzólámpás) megoldások. Használhatók lennének az analóg célmodellben az analóg számítógépek nemlineáris elemei is (pl. szervo függvénygenerátor, katódsugárcsöves függvénygenerátor, különböző görbekövető eljárások), de ezek túlságosan drága elemek. Minden ismert megoldás közös jellemzője az, hogy az állapotfüggvény generálása áganként, helyileg történik. Ebből következik az, hogy minden nemlineáris tag modellezésére különálló egységet kell alkalmazni. Ez különösen akkor szembetűnően sajnálatos, ha az anyagáram- vagy energiaáram-hálózat egyes ágainak nemlineáris állapotfüggvénye azonos jellegű. A jelenleg ismert analóg modelleknél nincs lehetőség arra, hogy az azonos függvényalakot egyetlen központi egység nagypontosságú és stabilitású függvénygenerátorával állíthassuk elő, pedig jó lehetőség nyílna erre, pl. a turbulens áramlási tartományban dolgozó anyagáram-hálózatnál, melynek minden egyszerű ellenállástagja négyzetes karakterisztikájú, azaz az ágankénti árammal négyzetesen arányos a feszültségesés. Az ismert analóg célmodellekben az ágankénti nemlineáris állapotfüggvény a modellezés teljes időtartama alatt mindenkor a pillanatnyi munkapontnak megfelelően, a lehetőséghez képest pontosan betartott, beszabályozott értékű, állapotú. Ez egyben azt is jelenti, hogy a modellezés az üzembehelyezés után igen rövid idő alatt szolgáltatja a feladat megoldását. Ez a kétségkívül kényelmes tulajdonság az analóg szimulátorok néhány speciális, szabályozási körökben való alkalmazásán kívül nem feltétlenül kívánalom. Sőt, éppen ez a tény választja el az analóg modellezést a szekvenciális módszerektől a legélesebben. Felismertük, hogy az analóg modell működése jelenleg ismert formáiban élesen elválik a szekvenciális módszerektől, melyek pedig különösen a dinamikus vizsgálatok területén járnak számottevő előnnyel. Célunk, hogy a találmányunkkal olyan eljárást és berendezést, különösen iterációs analóg-digitális modellt alakítsunk ki, amely főként nemlineáris anyagáram- és energiaáram-hálózatok statikus és dinamikus vizsgálatára alkalmas, és amely a bevezetőben felhozott hátrányoktól mentes, rugalmasan programozható, nagypontosságú, egyszerűbb, megbízhatóbb és olcsóbb megoldás valamennyi ismert, más szempontból azonos követelményrendszerű eljárásnál és berendezésnél. Elöljáróban meg kell jegyeznünk, hogy bár önmagában sem a hibrid (analóg-digitális) számológép, sem az iterációs analóg modell fogalma nem ismeretlen, találmányunkat úgy funkciója, mint a megoldás elve és annak megvalósítása élesen elkülöníti az ismert hibrid számológépektől és modellektől, ezért összehasonlító értékelést nem adhatunk. A kitűzött célt találmányunk szerint olyan eljárással, valamint ez utóbbi foganatosítására alkalmas berendezéssel érjük el, amelynél egy villamos analóg modell biztosítja a nemlineáris anyagáramvagy energiaáram-hálózatra vonatkozó huroktörvény és csomóponti törvény érvényesülését. Ebben az analóg egységben értelemszerűen az anyagáramvagy energiaáram-hálózatban értelmezhető hajtóerőnek villamos feszültség, és az áramnak villamos áram felel meg. Az egyes ágak állapotfüggvényét - mely lehet statikus, ill. dinamikus állapotfüggvény is — áganként beépített, speciális, a kívánt értékűre beállítható elemi függvénygenerátorok állítják elő. (Egymástól eltérő program szerint beállítható elemi ágfüggvényeket előállító függvénygenerátort a továbbiakban elemi függvénygenerátomak nevezzük.) Az állapotfüggvény alatt az egyes ágak különböző paraméterei közötti kapcsolatot képviselő függvényeket értjük (pl. a nyomásesés és átázandó mennyiség, vagy a hőmérsékletkülönbség és a hőáram közötti összefüggés). Az ágak elemi fuggvénygenerátorainak beállítójelét azonban a ta5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
