CC BY
54
УДК 519: 816
Сафронов В.В., Поршнев В.А., Тетерин Д.П., Алилуев С.В.
ОАО «КБ Электроприбор», Саратов, Россия
ГЕНЕРИРОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ РУЛЕВЫХ ПРИВОДОВ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ
Введение. На подвижных объектах, в том числе и на подводных аппаратах, используется большой класс рулевых приводов (РП) . Исследованиями РП занимаются отечественные и зарубежные ученые, научно-исследовательские организации [4,6,15] . Разработчики подводных аппаратов в качестве РП часто применяют пневматические (газовые) либо комбинированные (газо-гидравлические) РП.
Несмотря на значительное количество публикаций, посвященных различным аспектам построения рулевых приводов, вопросам их системного анализа не уделялось достаточного внимания. Вместе с тем, в связи с резким усложнением подвижных объектов существенно возросли как требования к РП, так и сложность его построения. Для решения задач, выполняемых рулевыми приводами как исполнительными устройствами систем управления подводными аппаратами, возможно большое число (сотни - тысячи) вариантов технической реализации рулевых приводов, каждый их которых характеризуется множеством критериев, объединенных в группы по физическому смыслу.
Необходимо выбрать наилучшую по совокупности критериев конструкцию РП для использования его в качестве подсистемы системы управления подводным аппаратом.
Задача решается в два этапа.
На первом этапе следует:
- осуществить генерирование полного множества вариантов РП;
- разработать систему критериев, раскрывающих характерные свойства рулевых приводов;
На втором этапе необходимо:
- выбрать (разработать) метод решения задачи;
- построить множества эффективных вариантов РП (кортеж Парето) и выбрать наилучший по совокупности критериев вариант РП.
В настоящей статье рассматривается содержание первого этапа.
1. Генерирование возможных вариантов рулевых приводов. С использованием метода морфологического ящика [1,2,8] составлены морфологические таблицы (таблица 1, таблица 2), на основе которых может быть сгенерировано множество возможных вариантов РП.
Таблица 1 - Морфологическая матрица
Признаки Альтернативы
1 2 3
Тип используемой энергии Электрическая Химическая энергия топлива Потенциальная энергия давления
В первой таблице в качестве характерных признаков выбран тип используемой энергии. Для рассматриваемого РП на современном этапе приемлемым является использование потенциальной энергии давления. В дальнейшем перспективным для питания РП может оказаться электрическая энергия или химическая энергия топлива.
Вторая таблица включает следующие характерные признаки:
- тип рабочего тела;
- способ накопления энергии;
- тип конструкции агрегата;
- способ соединения штока РП с рулевым органом;
- вариант остановки штока РП ;
- способ торможения;
-конструкция (тип) тормоза;
- усилие торможения;
- особенность конструкции;
- особенность заполнения рабочих полостей жидкостью.
Таблица 2 - Морфологическая матрица РП (Применяется потенциальная энергия давления)
Признаки, обозначения Альтернативы
1 2 3
Тип рабочего тела, A Газ Жидкость Комбинация газ-жидкость
Способ накопления энергии, B Накопленная предварительно Накопленная в процессе функционирования
Тип конструкции агрегата, C Моноблочный Многоблочный
Способ соединения штока РП с рулевым органом, D Жесткое (болтовое, заклепки, сварка, пайка) Шарнирное Комбинированный, например, шарнирно-болтовое
Вариант остановки штока РП, E В крайних фиксированных положениях В любом заданном положении
Способ торможения, F Рабочий цилиндр в режиме торможения Тормозное устройство
Конструкция (тип) тормоза, G Фрикционная муфта Пневмоцилиндр Гидроцилиндр
Усилие торможения, H Постоянное Переменное
Особенность конструкции РП, I Вся конструкция из одного материала (титан) Комбинированный вариант. Силовые элементы и все другие - из разных материалов
Особенность заполнения рабочих полостей жидкостью, J Постоянное заполнение (в заводских условиях) Дискретное, с использованием внешней среды (в процессе эксплуатации)
Всего, в соответствии с приведенной морфологической таблицей 2, возможно 3456 вариантов рулевых приводов (мощность полного множества). Однако не все варианты (альтернативы) признаков могут
быть использованы при формировании допустимого множества вариантов РП. Часть из альтернатив исключается в связи с невыполнением требований к РП, а часть - по другим причинам.
При использовании рабочего тела «газ-жидкость»:
- применение многоблочный конструкции рулевого привода (вариант C2) нецелесообразно из-за большого количества уплотнений и болтовых соединений, что снижает его надёжность, а также из-за невыполнения требований к габаритно-массовым характеристикам;
- вариант D1 (жесткое соединение штока РП с рулевым органом) не удовлетворяет требованиям к степеням свободы (допускает лишь одну степень свободы, а необходимо не менее двух);
- шарнирное соединение (вариант D2) не удовлетворяет требованиям по габаритным характеристикам;
- вариант E1 (остановка штока РП в крайних фиксированных положениях) не обеспечивает требуемую эффективность работы рулевого органа, не удовлетворяет требованиям к точности;
- вариант G1 (фрикционная муфта) без серьезного усложнения конструкции не может быть применен, т. к. у фрикционного устройства усилия торможения одинаковы, а требуется создавать различные усилия торможения, зависящие от скорости движения объекта;
- применение варианта G2 (пневмоцилиндр) нецелесообразно (возможны перерегулирование, большая
динамическая ошибка, недостаточная точность установки рулевого органа в требуемое положение);
- усилие торможения должно быть переменным, поэтому применение варианта H1 (постоянное усилие
торможения) нецелесообразно;
- вариант J2 (дискретное заполнение рабочих полостей жидкостью с использованием внешней среды)
применять нецелесообразно, поскольку невозможно обеспечить качественную фильтрацию жидкости, которая к тому же является агрессивной и не обладает смазывающим эффектом.
С учетом проведенного анализа допустимыми в рассматриваемом случае являются 8 вариантов:
1. A3, B1,C1, D3, E2, F1,G3, H 2, 11, J1.
2 . A3,B1,C1,D3,E2,F1,G3,H2,12, J1.
3 . A3,B1,C1,D3,E2,F2,G3,H2,11, J1.
4 . A3,B1,C1,D3,E2,F2,G3,H2,12, J1.
5 . A3,B2,C1,D3,E2,F1,G3,H2,11, J1.
6 . A3,B2,C1,D3,E2,F1,G3,H2,12, J1.
7 . A3,B2,C1,D3,E2,F2,G3,H2,11, J1.
8 . A3,B2,C1,D3,E2,F2,G3,H2,12, J1.
Перечисленные варианты и подлежат дальнейшему анализу. Но прежде необходимо сформировать совокупность критериев для всесторонней оценки вариантов РП.
2. Формирование совокупности критериев для оценки рулевых приводов. Совокупность критериев формируется на основе основных положений теории систем, системного анализа, анализа назначения РП, целей его создания, требований технического задания, ГОСТов (в части касающейся систем, подобных РП), особенностей функционирования РП и возможных сценариев его применения [1,7,8,14] . Для выбора эффективного варианта РП предлагается использовать систему критериев, представленную в таблице 3.
Таблица 3 - Система критериев для сравнения вариантов РП
Многовекторные компоненты Векторные компоненты Скалярные критерии Обозна -чение Примечание (ранги)
1 2 3 4 5
Тактическая, К Время выхода на режим, К ц Быстродействие (время отклика) К 111 Высокое - 3 Среднее - 2 Низкое - 1
Точность отработки задающего воздействия, К 12 Точность отработки задающего воздействия К 112 Высокая - 3 Средняя - 2 Низкая - 1
Возможность работы системы при различных режимах, К 13 Возможность работы системы в режиме 1 К 131 Имеется - 3 Частично имеется -2 Отсутствует - 1
Возможность работы системы в режиме N
К 13N Имеется - 3 Частично имеется -2 Отсутствует - 1
Техническая, К Масса, К 21 Масса (нижняя и верхняя границы) К 211 , К 212 Относительное значение
Габариты (объем), К 22 Объем (нижняя и верхняя границы) К 221, К 222 Относительное значение
Потребляемая мощность, К 23 Потребляемая мощность (нижняя и верхняя границы) К 231 , К 232 Относительное значение
Надежность (проектная), К 24 Надежность (проектная ) К 241 Высокая - 3 Средняя - 2 Низкая- 1
Помехозащищенность, К 25 Помехозащи- щенность К 251 Высокая - 3 Средняя - 2 Низкая- 1
Эксплуатационно-технологическая, К 3 Назначенный срок службы, К 31 Назначенный срок службы К 311 Относительное значение
Назначенный ресурс, К 32 Назначенный ресурс К 321 Относительное зна-
чение
Удобство эксплуатации, К 33 Электронных эле- К 331 Хорошее - 3
ментов Среднее - 2 Низкое - 1
Механических эле- К 332 Хорошее - 3
ментов Среднее - 2 Низкое - 1
Пневмо-гидросистем К 333 Хорошее - 3 Среднее - 2 Низкое - 1
Безопасность эксплуатации, К Электронных эле- К 341 Высокая - 3
34 ментов Средняя - 2 Низкая - 1
Механических эле- К 342 Высокая - 3
ментов Средняя - 2 Низкая - 1
Пневмо-гидросистем К 343 Высокая - 3 Средняя - 2 Низкая - 1
Надежность в процессе хране- Надежность в про- К 351 Высокая - 3
ния, К 35 цессе хранения Средняя - 2 Низкая- 1
Надежность в процессе приме- Надежность работы К 361 Высокая - 3
нения на различных режимах, системы в режиме 1 Средняя - 2
К 36 Надежность работы Низкая- 1
К 36N Высокая - 3 Средняя - 2 Низкая- 1
системы в режиме N
Степень стандартизации, К 37 Степень стандарти- К 371 Высокая - 3
зации Средняя - 2 Низкая - 1
Степень унификации, К 38 Степень унификации К 381 Высокая - 3 Средняя - 2 Низкая- 1
Степень преемственности, К 39 Степень преемст- К 391 Высокая - 3
венности Средняя - 2 Низкая- 1
Степень технологичности, К Степень техноло- К 3101 Высокая - 3
310 гичности Средняя - 2 Низкая - 1
Экономическая, К Стоимость разработки, К 41 Стоимость разра- К 411 , Высокая - 1
4 ботки (нижняя и К 412 Средняя - 2
верхняя границы) Низкая - 3
Стоимость изготовления, К 42 Стоимость изготов- К 421 , Высокая - 1
ления (нижняя и К 422 Средняя - 2
верхняя границы) Низкая - 3
Стоимость эксплуатации в Стоимость эксплуа- К 431 , Высокая - 1
обычном режиме, К 43 тации в обычном К 432 Средняя - 2
режиме Низкая - 3
Стоимость эксплуатации в Стоимость эксплуа- К 441, Высокая - 1
форсированном режиме, К 44 тации в форсиро- К 442 Средняя - 2
ванном режиме (нижняя и верхняя границы) Низкая - 3
Стоимость утилизации, К 45 Стоимость утилиза- К 451 , Высокая - 1
ции (нижняя и К 452 Средняя - 2
верхняя границы) Низкая - 3
С использованием методов теории принятия решений [1,3,5,7,8-13] предлагаемая система критериев позволяет проводить оценку множества различных вариантов построения РП. Для такой оценки широкое применение нашли различные методы ранжирования [5,10-13].
Как показывает анализ системы критериев, используемых для сравнения вариантов построения РП, задача принятия решений сводится к задаче гипервекторного ранжирования [11-13]. Действительно, совокупность критериев характеризуется четырьмя многовекторными компонентами (KV..KA) , двадцатью
тремя векторными компонентами, сорока одним скалярным критерием.
Заключение. 1. Важнейшей проблемой, с которой сталкиваются разработчики РП, является задача построения упорядоченного множества эффективных вариантов (кортежа Парето) и выбора из этого множества наилучшего по совокупности критериев варианта РП. Сложность задачи определяется тем, что РП характеризуются множеством критериев: четырьмя многовекторными компонентами ( Kl5K2,K3,K4 ), двадцатью тремя векторными компонентами ( Ku,Kn,...,K15,K21,K22,K23,...,K45,K46 ) , сорока одним скалярным критерием. С точки зрения системного анализа задача выбора наилучшего варианта РП сводится к задаче гипервекторного ранжирования.
2. На основе метода морфологического ящика составлены морфологические таблицы. В качестве характерных признаков выбраны: тип используемой энергии; тип рабочего тела; способ накопления энергии; тип конструкции агрегата; способ соединения штока РП с рулевым органом; вариант остановки штока РП; способ торможения; конструкция (тип) тормоза; усилие торможения; особенность конструк-
ции; особенность заполнения рабочих полостей жидкостью. Сгенерировано множество возможных вариантов РП (3456 вариантов), определено восемь допустимых вариантов РП, которые и подвергаются дальнейшему анализу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волкова В. Н., Денисов А. А. Основы теории систем и систем и системного анализа: Учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению «Системный анализ и управление». Изд. 3-е, пере-раб. и дополн. СПб.: Издательство СПбГПУ, 2003. 520 с.
2. Джонс Дж. К. Методы проектирования. Перевод с английского. 2-е издание, дополненное. М.:
Мир, 1986. 326с.: ил.
3. Дубов Ю. А., Травкин С. И., Якимец В. Н. Многокритериальные модели формирования и выбора вариантов систем. М.: Наука, 1986. 296 с.
4. Костин С.В., Петров Б.И., Гамынин Н.С. Рулевые приводы. М.: Машиностроение, 1973. 208 с.
5. Ларичев О. И. Наука и искусство принятия решений. М.: Наука, 1979. 200 с.
6. Матвеенко А. М. Аналитическое проектирование гидравлических систем летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1977. 168 с.
7. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981. 488 с.
8. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ: учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1989. 367с.
9. Подиновский В. В., Ногин В. Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 256 с.
10. Руа Б. Проблемы и методы решений в задачах со многими целевыми функциями // Вопросы анализа и процедуры принятия решений. М.: Мир, 1976. С. 20-58.
11. Сафронов В. В. Гипервекторное ранжирование сложных систем // Информационные технологии. 2003. № 5. С. 23-27.
12. Сафронов В. В. Сравнительная оценка методов «жесткого» ранжирования и анализа иерархий в задаче гипервекторного ранжирования систем // Информационные технологии. 2011. №7. С. 8-13.
13. Сафронов В. В. Применение метода идеальной точки в пространстве критериев для решения задачи гипервекторного ранжирования // НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО: Труды Международного симпозиума: //
Под ред. Н. К. Юркова. Пенза : Изд-во Пенз. ГУ, 2010. Т.1. С. 12-14.
14. Сафронов В. В., Юдин С.Ю. Выбор критериев для сравнительной
оценки систем связи // НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО: Труды Международного симпозиума: // Под ред. Н. К. Юркова. Пенза : Изд-во Пенз. ГУ, 2010. Т.1. С.326-327.
15. Следящие приводы: В 3-х т. Т.1: Теория и проектирование следящих приводов / Под ред. Б. К.
Чемоданова. М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999 . 904 с.
