Имитационный подход к моделированию структурных преобразований в построении активных виброзащитных систем Текст научной статьи по специальности «Математика»

поэтому требования к соблюдению сроков, количества и качества продукции неизмеримо возросли, Эти обстоятельства предъявили к информационным системам, обеспечивающим принятие управленческих решений, особо жесткие требования по срокам, полноте анализа и надежности информации. Особо актуальным стало совмещение одновременного функционирования нескольких разнородных систем в рамках единого технологического процесса обработки информации. В этом направлении перестраивается и научная работа ученых вузов.

Развитие компьютеризации производств и бизнеса привело к необходимости разработки специализированных информационных систем, поскольку уникальная разработка для каждого конкретного заказчика -предприятия, фирмы, холдинга - становилась слишком долгой, трудоемкой и дорогой, Опыт использования таких систем управления предприятиями и фирмами за рубежом показывает, что практически все они являются интегрированными, объединяющими одновременное функционирование нескольких разнородных систем в рамках единого технологического процесса обработки информации. Это вызвано как историческими причинами поэтапной их разработки и внедрения с учетом накопленного к тому времени опыта и уровня развития техники и информационных технологий, так и различными целями и конкретными задачами управления.

К настоящему времени в мире получили развитие и активно выходят на российский рынок крупные интегрированные программные системы такие, как R/3 фирмы SAP (Германия), Oracle Applications (США), BAAN

(Нидерланды), IFS System IV (Швеция) и др. Все эти системы обладают полным набором функциональных средств интегрированных АСУП и соответствуют сложившимся международным стандартам MRP-II (Manufacturing Resource Planning System), охватывающим, в основном, планирование производства, логистику и учет загрузки оборудования, ERP (Enterprise Resources Planning), являются полнофункциональными, охватывающими уже полный бизнес-цикл, а также клиентно ориентированные информационные системы, или системы CRM-класса (Customer Relationships Management), которые интенсивно развиваются в последнее время, особенно в сфере производства товаров народного потребления и различных, в том числе информационных услуг в рекламном бизнесе.

В этих новых условиях научными задачами в области информатизации производства, типовыми для вузовских коллективов, остаются исследование и алгоритмизация ресурсных потоков предприятия или более крупных хозяйственных единиц - холдинга, промышлен-но-финансовой группы и т.п., но в рамках единой, комплексной технологии бизнес-процессов, включая их коренную реконструкцию соответственно требованиям сегодняшнего дня (реинжиниринг), а не только лишь по отдельным ресурсным составляющим - материальным, финансовым, техническим и другим.

Это, по нашему мнению, сегодня - магистральный путь развития прикладных наук в области кибернетики, информационных технологий и промышленных вычислительных систем в университетах и других высших образовательных учреждениях.

А.А.Засядко

Имитационный подход к моделированию структурных преобразований в построении активных виброзащитных систем

Накопленный потенциал автоматизации прикладных расчетов не получал систематического развития в течение последнего десятилетия вследствие известных обстоятельств спада в разработках новых объектов отечественной техники. В настоящее время стал возрождаться прагматический интерес к инженерным проблемам, которые направлены на восстановление или реконструкцию объектов, что, в свою очередь, поднимает вопросы соответствующего обновления систем прикладного программного обеспечения (СППО) применительно к разработкам виброзащитных систем (ВЗС). Вместе с тем, появление за прошедшее время качественно новых компьютерных систем, отчужденных от ранее созданных СППО, порождает проблему их «наследования», что поднимает вопросы переноса функционального наполнения рассматриваемой предметной области в современную инструментальную среду.

К отличительным особенностям рассматриваемых разработок СППО относятся задачи анализа и синтеза определенного класса механических колебательных систем (МКС), которые лежат в основе ВЗС интересующего назначения. В качестве объектов защиты, имеющей широкий и разнообразный арсенал способов и средств её реализации, выступают критически чувствительные к динамическим нагрузкам аппаратура, оборудование, здания, сооружения и человек. В связи с этим должен быть осуществлен поиск эффективных способов, выбор рациональных средств защиты, а также

теоретические и практические обоснования характеристик ВЗС, котооые способны удовлетворять приемлемый по качеству, надежности или безопасности уровень возбуждения объекта, подвергающегося действию разнообразных нагрузок, При этом возникающие расчеты по выяснению достижимости заданных условий решения задач (с оценкой соблюдения желаемых критериев поведения при имеющихся ограничениях на параметры) сводятся к исследованиям динамических свойств МКС, которые в данной статье рассматриваются как сложные комплексы из компонентов различной природы со специальными источниками энергии, образуя, так называемые, «активные» ВЗС [23],

Известно, что процессы выбора принципов, построения ВЗС представляются в целом далеко не формализованной задачей, решение которой весьма специфично как по характеристикам объектов защиты и возмущений, так и по требованиям к защите объектов. В обобщенной постановке традиционные условия обуславливают модель объекта, описывающего движения твердого тела при наличии возмущений кинематического или силового типа, представляемых как детерминированными, так и случайными воздействиями в виде вибрации, ударов и пр. При этом построение ВЗС сводится к определению в структурном составе эквивалентной в известном смысле МКС элементов и связей взаимодействия тела, опорного основания или нагрузки, для обеспечения эффектов пассивной или активной защиты, в т.ч. амортизации, демпфирования, изоляции и т.п. Решение задачи заключается в том, чтобы при назначенных критериях качества защиты в качестве предельно допустимых динамических реакций, максимальных ускорений, скоростей, смещений и т.д. отыскать значения параметров, отвечающие заданным ограничениям. Наряду с оценкой желаемых динамических свойств, должны иметь место рекомендации по поиску конструктивного воплощения технических средств реализации предполагаемых эффектов виброзащиты. В том случае, когда достаточно обоснованы границы применимости соответствующих математических моделей ВЗС, на их основе могут быть поставлены и решены задачи непосредственно параметрической и структурной оптимизации. Однако по мере роста разнообразия формулировок задач для новых приложений и соответствующей необходимости расширения методов и средств виброзащиты возрастает роль исследований по выбору расчетных схем для уточнения соответствующих условий, при этом первоочередное значение придается дальнейшему развитию подходов к разрешению наиболее актуальных проблем построения ВЗС на основе потенциала современных методов и средств моделирования,

В целях совершенствования качества расчетов систем защиты технических объектов от вибрации и ударов, улучшения их эффективности за счет привлечения систем нетрадиционного класса из числа активных, были предприняты разработки СППО как функциональной основы для САПР ВЗС. Известные потребности по передаче результатов исследований в широкий круг проектно-конструкторских организаций привели к реализации специального пакета прикладных программ (ППП), предназначенного для автоматизации обоснований при построениях разнообразных ВЗС. Этот пакет, получивший наименование «ВИЗА» (ВИброЗАщита), в свое время успешно внедрялся в инженерную практику, был сдан в ГосФАП с ориентацией на использование ЕС ЗВМ [13]. Определенные представления о достигнутых результатах в период активных разработок 1977-1992 г,г. дает перечень опубликованных материалов, приведенный в библиографии к данной статье [1-31]. В связи с вышеотмеченной проблемой «наследования» СППО как программный продукт «ВИЗА» должен быть переделан в рамках непригодности ранее созданной системной части с ориентацией на применение ПЭВМ типа IBM PC старших поколений. Вследствие их наибольшей распространенности среди потенциальных пользователей, достаточно развитого системного обеспечения, наряду с поддержкой многочисленных пользовательских ППП весьма универсального назначения, эта база представляет в настоящее время основу, вполне удовлетворяющую предполагаемые потребности для рассматриваемого класса задач. Одновременно предстоит подвергнуть ревизии ППП «ВИЗА» в части обновления его функционального наполнения ввиду технологической целесообразности привлечения к решению комплекса тематических задач современных инструментальных систем автоматизации программирования, а также оправданности размещения интересующих задач построения ВЗС в имеющихся на сегодня новых перспективных вычислительных средах эффективного создания инженерных приложений [32 и др].

В программно-алгоритмическом составе функционального наполнения, разработанного в рамках рассматриваемой СППО, находятся следующие ППП:

пассивный линейный и нелинейный упруго-демпфирующий подвес твердого тела при полигармонических и ударных силовых и кинематических возмущениях;

пассивный стохастический линеаризованный упруго-демпфирующий подвес твердого тела при стационарных случайных силовых и кинематических возмущениях;

активный с идеализированными дополнительными связями линеаризованный подвес абсолютно твердого тела при гармонических и импульсных возмущениях основания;

система линеаризованных пассивных подвесов с упруго-демпфирующей разомкн^ой или замкнутой взаимосвязью абсолютно твердых тел под динамической нагрузкой;

пассивный подвес с упруго-податливыми динамическими деформациями элементов. В целом под проектированием ВЗС посредством СППО понимается организация решений путем определенной интеграции взаимообусловленных задач из следующего их общего комплекса:

определение необходимости защиты исходной установки объекта сравнением его динамических характеристик с нормируемыми показателями при заданных возмущениях;

оценка предельных возможностей виброзащиты с оптимальной оценкой назначенного критерия качества системы, достижимого под управлением на классе кусочно-постоянных функций при определенных ограничениях [8];

синтез параметров ВЗС, в частности, по отысканию условий минимизации невязки между движениями объекта с установленным оптимальным управлением при заданных возмущениях основания и показателями системы виброзащиты выбираемого построения [3,11];

анализ динамических характеристик ВЗС, в т.ч. с нахождением спектра собственных частот, оценкой критериев качества виброзащиты в виде абсолютных величин ускорений объекта и смещений его относительно основания при заданных возмущениях;

проверка пригодности технически рекомендуемого построения ВЗС по предложениям на включение в состав системы, в частности, виброизоляторов типовой номенклатуры с выбором их типоразмера, условий рационального монтажа и статического расчета.

Однако эти потребности отнюдь не исчерпываются в рассматриваемых задачах обоснования виброзащиты объектов. В излагаемой проблеме дальнейшего развития СППО речь идет о целесообразности организовать процедуры автоматизации так, чтобы иметь в центре внимания достаточные возможности для создания необходимой модели под интересующие построения системы. Данное направление, реализуемое на качественно новой основе с помощью известных современных программно-инструментальных средств, должно позволять обращение с этими моделями для проведения «вычислительных экспериментов» по соответствующему обоснованию систем. Ориентиром на данном пути является формирование таких моделей, которые воспроизводят проникновение в динамику моделируемых систем посредством их разнообразных преобразований и наглядных представлений [30, 31]. Таким образом, можно будет воспользоваться в более полной мере желаемым проявлением достоинств автоматизации составления моделей через рассмотрение своеобразных алгоритмических «кластеров» для совместных решений функциональных и проектных задач.

В связи с этим представляется органическим подход на основе привлечения аппарата имитационного моделирования систем, который закладывает привлекательные перспективы для дальнейших действий в области автоматизации решения задач активной виброзащиты. В рамках современной трактовки данного понятия «...как соединение традиционного математического моделирования с новыми информационными технологиями, обеспечивая программирование вычислений по модели, её идентификацию и эксплуатацию...» [33] рассмотрим ниже в постановочном плане ряд актуальных задач СППО. Далее приведены некоторые материалы, иллюстрирующие возможности развития работ в данном направлении и подлежащие дальнейшей реализации,

Пусть в качестве основополагающей модели для решения задач виброзащиты, которая порождает шлейф различных опорных расчетных схем, выступает, так называемый, «подвес твердого тела» (рис. 1). При этом объект защиты рассматривается в виде абсолютно твердого тела, установленного на произвольно ориентированных в пространнее виброизоляторах как элементах с упруго-демпфирующими характеристиками для обеспечения эффекта снижения внешних возмущений, приложенных к телу или со стороны основания подвеса [34],

О

Х2>-> н

А

I <

#-►

Рис.1. ПоАвес тверлого тела на виброизоляторах

Рис.2. Структурная блок-схема МКС

В рассматриваемой расчетной схеме подвижная система координат выбрана так, что оси х, у, г совпадают с главными центральными осями инерции твердого тела, а оси координат неподвижной системы ц, С в положении равновесия подвеса совпадают с подвижными осями. В качестве обобщенных координат служат перемещения центра масс твердого тела ц2 = Л-Яз = С » УГЛЬ[ поворота твердого тела я4= а , Я5 = р, Яб = у относительно осей

г), С, инерциальной системы, положительные направления которых назначены обычно.

Рассматриваемый подвес твердого тела состоит из определенного количества упруго-демпфирующих виброизоляторов $ = 1,2,3...И (при выполнении условия статического равновесия системы), в общем случае с произвольным расположением их главных осей жесткости в пространстве. Принято представлять каждый б - виброизолятор некоторой приведенной расчетной схемой, где имеют место с суммарной эквивалентной упругостью три взаимно-перпендикулярных элемента, направленных по главным осям жесткости Xs.ys.Zs соответствующих опор, с допустимым обычно упрощением не учитывать вращательную упругость виброизоляторов. Внешняя нагрузка на любую опору вызывает определенную податливость виброизолятора в направлении приложения соответствующей силы. Координаты точек крепления б - виброизолятора к твердому телу задаются значениями г^, ^ . а ориентация Б -системы координат -направляющими косинусами а 1$, а 2$, а Р и. Р 2$. Р з$. у 1$, у 2%. у ъ%.

Кинетическая Т и потенциальная П энергия системы при движениях тела относительно основания находятся в следующем виде:

Т = + я1 + Яг + р\ ' я\ + р] ' ч\ + р\ 'Я1)> Ш

П = I КгЧгЯ.1)> (2)

^ (=1 J=I

где т - масса системы; рх,р - радиусы инерции тела относительно связанных осей х,у,г.

В случае необходимости учета в системе, в частности, сил вязкого трения, обычно присущих виброизоляторам, следует ввести в рассмотрение диссипативную функцию Релея:

ф=4(£ ЪиЧ, •<?,)• Р!

^ Ы / = 1

В выражениях (2) и (3) обозначено: к1 . и с - коэффициенты соответственно жесткости и демпфирования системы, определяемые установленными в б-их виброизоляторах характеристиками упругости [кх ,ку ,к: ) и демпфирования (сх ,сл , с, ), а также направляющими косинусами (а 15> а я, а 38, Р 1$> Р 25. Р я. у и. у 2%. у ъ% )•

В окончательном виде после преобразований уравнения движения рассматриваемой ВЗС могут быть представлены в матричной форме:

А-д + С.д + К-д = д(0, (4)

где =с!1ад ( т,т,т, т • р] ,т- р\,,т • р]) - матрица коэффициентов инерции системы; С = |с, у|| - матрица коэффициентов демпфирования; К = Д1 - матрица коэффициентов жесткости; = (1,6); 6(1) - вектор-

столбец внешних сил или сил инерции системы.

В случае силового возбуждения ВЗС составляющими вектора 0(1) являются проекции на оси подвижной системы координат главного вектора и главного момента сил:

/=1 ./= I ./= I

/=1 /=1 /=1 где , , - проекции внешних сил на оси координат х, у, г с координатами их точки приложения

х/' У /'1

В случае кинематического возбуждения ВЗС величина 0(1) является вектором сил инерции в переносном движении твердого тела вместе с основанием. Полагая движения основания как абсолютно твердого тела, охарактеризуем его перемещения, например вектором 8, а повороты - вектором (р. Тогда составляющие вектора-столбца обобщенных сил

й =-т-5х\ ft --т-5у; в3=-т-0г; (6)

ft = -т-р2х-<рх\ Qs = ~т ■ р) '9У: fie = -<рг-

Составленная модель в целях достижения необходимого качества виброзащиты должна подлежать определенным преобразованиям, которые позволяют устанавливать требуемые функциональные зависимости между возмущениями и реакциями системы. Причем данные соотношения между соответствующими параметрами, вводимые при построениях ВЗС, порождаются привлечением в разрабатываемые системы некоторых дополнительных связей. Эти связи, с одной стороны, выступают динамическими по интересующему характеру своего функционального проявления, с другой стороны, обнаруживают при технической реализации почти всегда более сложную природу, заставляя учитывать степень их идеализированности.

Однако, выражения в виде математических уравнений (4) не являются удобными в необходимых преобразованиях ВЗС, особенно составных - активных, поскольку связи между параметрами и динамикой в этих моделях по существу наглядно не просматриваются. Поэтому для решения задач проектирования привлекают в качестве методологического аппарата структурные схемы отображений в интересующих приложениях [23]. В свою очередь, причинно-следственные отношения в системах представляются передаточными функциями, операторы которых устанавливают определенные зависимости между входными и выходными сигналами. Тогда главной характеристикой структурной схемы начинает выступать сигнальный поток в виде однонаправленных процессов в элементах, их блоках и в системе в целом. Это позволяет проводить эквивалентные (в определенном классе зависимостей) перестроения отдельных частей, изменять при необходимости передаточные функции системы и добиваться наглядности проектирования. Отметим, что областью его применения являются непрерывные, дискретные и смешанные, стационарные и нестационарные процессы линейного типа, а также и некоторые нелинейные системы, где нелинейная часть отделена от линейной (для реализации определенных условий их линеаризуемости).

Возвращаясь к рассмотрению «подвеса твердого тела» (см. рис.1) с основополагающей моделью для решения задач виброзащиты заданного класса, будем полагать возможными привычные для инженерной практики упрощения. В частности, объект совершает некоторые малые колебания относительно устойчивого положения статического равновесия, а характеристики упруго-демфирующих элементов его опор являются линеаризованными. При этом заданная МКС на основе выражения (4) представляется линейным уравнением в матричной форме или эквивалентной системой шести скалярных линейных уравнений.

Пользуясь преобразованием Лапласа, запишем соответствующую модель системы в следующем виде:

A-q.p2 +C-q-p + K-q = Q(p), (7)

где р - оператор Лапласа, переводящий дифференциальные уравнения к решению алгебраических в изображениях.

Представим уравнение (7) так, чтобы определить взаимосвязи между возмущением - Q (входным сигналом) и реакцией системы - q (выходным сигналом):

q(p) = W{p).Q{p)t (8)

где W(p) = (Ар2 +Ср + К)"1 - матрица передаточных функций системы, диагональные элементы которой W„ являются собственными передаточными функциями, а недиагональные Wq (i Ф j) - передаточными функциями перекрестных связей системы.

Вводя обозначения Н = (Ар2)"1 и L = -(Ср +К), получим из (8) после преобразований:

Я(р) = Н • (Е - Н • L)~] ■ Q(p), (9)

где Е = WW"1 -единичная матрица; Н(р), L(p) -матрицы прямых и обратных связей системы.

- Выражению (9) можно поставить в соответствие графическую интерпретацию в виде матричной структурной блок-схемы МКС, приведенной на рис. 2. Подобное изображение позволяет представить ВЗС в виде замкнутой динамической системы, функционирующей по принципу отрицательной обратной связи (в пассивном варианте), В общем случае решение задач виброзащиты может быть осуществлено посредством в известном смысле управления МКС с помощью введения произвольных (в активном варианте) дополнительных связей:

U(P) = WAon(ampm+am.1pm"1+ ...+а1р+а0)( Ъпрп+ЪпЛрпЛ+ ...+b1p+b0r1Z(p), (10)

где U(p) и Z(p) - векторы переменных выходов и входов управляющих воздействий.

В задачах построения сложных МКС используются скалярные структурные схемы, позволяющие иметь детализированные графические интерпретации. Известная методология частотно-временного анализа в приложении к оценке динамики подвеса абсолютно твердого тела на виброизоляторах закладывается в СППО согласно с приведенной в сокращении на рис. 3 алгоритмической схемой.

Введем в рассмотрение два направления учета возможных идеализаций в рамках совершенствования технологии проектирования при формировании процедур целенаправленного построения ВЗС [35].

«Оценка динамики линейного подвеса абсолютно твердого тела с идеализированными дополнительными динамическими связями»

Задание характеристик возмущений

- вибрационные (но.нп армоннческие)

- ударные (нестационарные)

- комбинированные

Ввод параметров 11с.\од| юн систем ы т (.1). с0. к0

Ввод параметров дополнительной связи

а„ + £/,/> + ... (• аш />"' Ь(, + р + ... + Ь„р"

И'ЛР)

Выбор дополнительных связей из библиотеки типовых передаточных функций: обобщенная 1-го порядка л* = {к + Т7р){Т{1) \- ]) 'V (частные сл>чан)

ГО

гл о н

X тз

ц

<

ю СО

¿в

го о о

О) сл

Реакции системы на внешние воздействия

Вычисления уравнения экстремальных частот системы

Опр А = еделение амплитудно -ных характеристик с, р + к(, частот-Р = Л1'

тр + с „ р + к „ + И/ ,

Вычисление приведенных коэффициентов А|, В;

Вычисление характеристического

уравнения системы 0(Л) = тЛ2 + с0Л + к0 +И/,(Л)

Исходная система (пассивная) А, (и,) =

. 2 2 2 кп +спм>

/I 2 \"> ' ■>

(я0 - т>у ) + с0 гг

Формируемая система (активная)

4»:

$ и* + + ^и>4 + ДУ + 4

Определение зависимостей координат от времени (интегрирование)

Отыскание корней \ равнения экстремальных частот

Нахождение экстремальных значений АЧХ (резонансы. «провалы»)

Определение условий эффективности функционирования Л 1(АП — ]2Да)>0

Построение частотных диапазонов эффективности при Аа<Ап

Построение переходных функций при '0:1 <0 1:/ >0

1(0 =

Определение условий устойчивости системы (метод Рауса -Гурвица)

Построение зон устойчивости (метод О-разбиения на плоскости)

Оценки движений в переходных режимах

Определение областей работоспособности активной системы

Рис. 3. Алгоритмическая схема СППО

'асчет интегральных показателей

з = (0^

Построение весовых функций при

'0;/ о 0 оо;{ - 0

¿(0 =

Расчет непосредственных показателей

/тач.Д/7 .А/./,./,

а> о>

ш гп

О Н

х б:

з;

"о

н

<

ю со

ю

го о о

Модель точечного подвеса

Линеаризованные связи

Нелинейные связи

Моделирование ВЗС

Модель балочного - цепного подвеса

Модель платформенного подвеса

Модель подвеса твердого тела

Модель каскадной системы подвеса

Пассивная

схема системы

Построение ВЗС

Структурные преобразования системы

Обоснование ВЗС

Активная

схема системы

Модель подвеса системы тел

Линеаризованные связи

Нелинейные связи

V У 1 г ч V

Определение необ- Оценка Анализ Синтез Выбор

ходимости защиты предельных динамических параметров и струк- типовых решении

объекта возможностей свойств системы туры системы (методик расчета и

технических средств)

Рис. 4. Функциональная схема СППО

Первое свяжем с предположениями относительно применимости решений по одной из наиболее пригодных в каждый данный период оценки расчетных схем, которые представлены в разрабатываемой СППО следующим рядом моделей:

«точечный» подвес абсолютно твердого тела (см. далее рис. 5); «балочный» или «цепной» подвес абсолютно твердого тела; «платформенный» подвес абсолютно твердого тела; «пространственный» подвес абсолютно твердого тела; «каскадный» подвес тела (система послойно-многоопорных твердых тел);

система подвеса упруго-многосвязанных твердых тел (сетевая структура); 1

комбинированная система (гибридный подвес). Второе направление касается применимости решений по предположениям с учетом полноты реализуемости систем в диапазоне от принципиальных до технически полных воплощений расчетных схем, которые для СППО в приложении к развиваемой методологии построения АВЗС [23] представлены в виде следующего ряда моделей: подвес с «идеализированными» дополнительными связями в системе; система с учетом линеаризованных реализаций дополнительных связей; система с учетом нелинейных реализаций дополнительных связей. Если соотнести данные представления об указанных направлениях синтеза моделей условно с некоторым матричным выражением, то первое можно связать со строками, а второе со столбцами так, что всякий раз компонент этой проектно-технологической матрицы будет отражать часть в целом всей интересующей системы. Таким образом, этот компонент как исследовательский кластер выступает в качестве объекта имитационного моделирования и порождает соответствующую технологическую основу процесса проектирования. На рис, 4 дана схема, которая отображает функциональное наполнения создаваемой СППО для построения АВЗС. В рамках предлагаемого содержания проектно-технологической матрицы предусматривается решение следующих комплексов предметных задач: моделирование, построение и обоснование ВЗС.

Для иллюстрации разработок СППО в приложении к проведенным построениям АВЗС далее приведен ряд рассмотренных опорных расчетных схем систем и их эквивалентных структурных интерпретаций, вытекающих из составленной выше основополагающей модели подвеса абсолютно твердого тела,

«Точечный» упруго-демпфирующий подвес объекта (рис. 5'и 6), имеющий массу т, одиночную (приведенную) опору с коэффициентами жесткости к0 и вязкого демпфирования с0, при действии силовых £0) или кинематических г^)

fo(t)

V"

X /

Ко ^т L-r--J Со

Рис. 5. Принципиальная схема ВЗС

Рис. 6. Структурная блок-схема ВЗС

Рис. 7. Структурно-принципиальная схема АВЗС

Ш)

W0T(P)

к.

Эг

Тгр + \

К.

3г

Тгр+1

¿Г,

7>+1

тгр+\

К'з

wa(P)

сор+ко

Л

-1 *

Рис. в. Структурная схема электрогилравлической АВЗС

возмущений совершает, например, малые колебания Z(f), В целях удовлетворения заданным условиям виброзащиты необходимо обеспечить желаемое изменение динамических характеристик системы, что требует построения АВЗС с помощью подключения к объекту поступательного механизма - П (см, рис. 5), При этом желаемое управление достигается на основе введения в систему (см. рис, 6) определенных дополнительных связей, которые возможны на принципах Wa WB или W0T.

Для завершения построения АВЗС должна быть обоснована её техническая реализация, которая может использовать по эксплуатационным и прочим практическим условиям специальные устройства, например, электрогидравлического принципа действия. В этом случае подлежит исследованиям конкретная модель, приобретающая различные особенности с учетом реализации и отражаемая соответствующей структурной схемой. В частности, при введении дополнительных связей так, как было сделано в предыдущем варианте (рис. 7) при их идеализированных представлениях, система обнаруживает разнообразные искажающие динамические влияния (рис. 8). Для случая линеаризованной реализации АВЗС их связи, определяемые электрогидравлическими параметрами (Кх, Кг, Кэг - коэффициенты усиления, Тг -постоянная времени), должны быть устранены или приспособлены (подстроены) под интересующие динамические процессы. Исследования должны быть закончены анализом нелинейностей, доставляющим рассматриваемым системам оценку полных реализаций.

P(t)

Рис. 9. Структурная схема пассивной B3Cz(t) и реакция Z(t) на случайное силовое возмущение P(t)

Zero-Pole1 Zero-Pole

h

Sine Wave

Ж

(s+2) (S4-2)

(i+S) (s+S)

Gaine Integrator lntegiatoi3

GainS Derivativel

□

Scopel

A(o>)

Рис. 10. Структурная схема активной ВЗС и оценка реакции А(ш) на частотное (а) возмущение

Для изучения способа имитационного моделирования ВЗС в реализацию выполненных разработок приведем некоторые демонстрационные примеры (рис. 9 и 10) структурных и вычислительных представлений «точечного подвеса» в

вариантах пассивного и активного построения систем, используя возможности современной среды проектирования

Maîlab с приложением Simulink (версии 5.2 и 6.5).

Библиографический список

1. Засядко A.A. Автоматизация проектирования и расчета виброзащитных систем II Методы и средства виброзащиты человека: Тезисы докладов III Всесоюзного симпозиума «Влияние вибрации на организм человека и проблемы виброзащиты». - М.: Наука, 1977. - С. 32-37.

2. Засядко A.A., Суворов А.П, Методология построения и структура САПР виброзащитных систем II Методы поиска новых технических решений и их практическое применение в области машиностроения, приборостроения и строительства: Тезисы докладов I Всесоюзной конференции «Автоматизация поискового конструирования», - Йошкар-Ола: Марийское респуб, изд-во, 1978. - С, 229-230.

3. Засядко A.A., Мижидон А.Д. Алгоритм синтеза оптимальных виброзащитных систем сложных технических объектов II Современные методы синтеза машин-автоматов и их систем: Тезисы докладов к Всесоюзному совещанию 15-18 июня 1981 г. - Тамбов, 1981. С. 82-83.

4. Засядко A.A., Зыков В.В., Кухаренко В.П., Мижидон А,Д. Пакет прикладных программ для расчета и исследования виброзащитных систем II Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов: Тезисы докладов на II научно-технической конференции ЦНТИ. - Калининград, 1981, - С. 422-423.

5. Елисеев C.B., Мижидон А.Д., Карпухин ЕЛ Принципы построения диалоговой системы проектирования виброзащитных устройств II Ударные процессы в технике: Тезисы докладов I Всесоюз. научно-технической конференции, - Николаев, 1981. С. 18-19,

6. Засядко A.A., Зыков В.В., Мижидон А,Д. Функциональное содержание пакета прикладных программ по автоматизации проектирования виброзащитных систем II Разработка пакетов прикладных программ. - Новосибирск: Наука СО, 1982. - С. 93-103.

7. Засядко A.A., Зыко8 В,В. Построение пакета прикладных программ системы автоматизированного проектирования виброзащитных систем II Второй Всесоюзный съезд по теории машин и механизмов, Одесса, 14-18 сентября 1982 г. Тезисы докладов, - Киев: Наукова Думка, 1982. - Ч. 1. - С. 161.

8. Засядко A.A., Мижидон А,Д. Оценка предельных возможностей динамических систем II Четвертая Всесоюзная конференция по оптимальному управлению в механических системах, Москва, 16-18 ноября 1982 г, Тезисы докладов. - М.: Институт проблем механики, 1982. - С, 133-134,

9. Засядко A.A., Карпухин ЕЛ, Кухаренко В.П., Мижидон А,Д., Рубинов A.C. Пакет программ ВИЗА II Пакеты прикладных программ. Итоги и применения, - Новосибирск, Наука Сиб, отд„ 1982, - С. 93-103,

10. Карпухин ЕЛ Системные компоненты в пакете прикладных программ по автоматизации проектирования виброзащитных систем // Управляемые механические системы: Сб. научных трудов. - Иркутск: ИПИ, 1984. - С. 44-49,

11. Мижидон А.Д., Карпухин ЕЛ Диалоговая система синтеза параметров системы виброизоляции твердого тела // Пакеты прикладных программ. Функциональное наполнение, - Новосибирск: Наука Сиб, отд., 1985, - С. 61-71.

12. Засядко А,А,, Елисеев C.B. Задачи и средства автоматизации исследования виброзащитных систем II Шестой Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике, Ташкент, 24-30 сентября 1986 г. Анн, докладов, - Ташкент, 1986. - С. 265-266.

13. Засядко A.A., Карпухин ЕЛ Принципы организации и структура системы прикладного программного обеспечения САПР виброзащитных систем II Автоматизация поискового конструирования и подготовка инженерных кадров: Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции, АПК-87. - Волгоград: ВолПИ, 1987, - С. 80,

14. Елисеев C.B., Засядко АЛ., Карпухин ЕЛ, Свинин М.М. Автоматизация моделирования и исследования динамических свойств управляемых механических систем // Применение ЭВМ в технике и управлении производством. Москва, 20-23 октября 1987 г, Материалы 8 Международной конференции. - М., 1987, - Ч. 2/1. - С, 38-41.

15. ППП системы автоматизированного проектирования виброзащитных систем, (per. № 50860000172). Составитель Засядко АЛ, Бюллетень «Алгоритмы и программы», №1, 1987, - С, 12.

16. Елисеев C.B., Засядко A.A., Карпухин ЕЛ, Кухаренко В,П., Метцгер П.К, Программно-алгоритмический комплекс оптимизационного конструирования сложных виброзащитных систем II Шестая Всесоюзная конференция по управлению в механических системах. Львов, 26-28 апреля 1988 г. Тезисы докладов. - Львов: Институт прикладной механики и математики АН УССР, 1988. - С. 61,

17. Елисеев C.B., Засядко A.A., Карпухин ЕЛ Исследование и проектирование виброзащитных систем средствами специализированных пакетов прикладных программ II Проблемы механики железнодорожного транспорта, Повышение надежности и совершенствование конструкции подвижного состава: Тезисы докладов Всесоюзной конференции, - Днепропетровск: ДИИТ, 1988. - С. 111-112.

18. Елисеев C.B., Засядко A.A., Карпухин ЕЛ, Свинин М.М. Развитие алгоритмических и программных средств САПР в задачах робототехники и виброзащиты II Автоматизация на конструирането и на проектирането на технологични процеси 8 машиностроенето: Сб. рез. пета междунар. конф. САПР-88, 2-4 юни 1988, Пловдив, НРБ, С, 85-87.

19. S. Eliseev, A. Zacyadko, Е. Karpukhin, M, Svinin «Development of modeling for vibration and robotic syslem»/ Prog, of CAD-88 Inter, conf., Plovdiv, Bulgaria, 1988. pp, 68-72.

20. Елисеев C.B., Засядко A.A., Карпухин ЕЛ, Метцгер П К. Проблема интеграции программного обеспечения для задач автоматизированного проектирования виброзащитных систем II Четвертое Всесоюзное совещание по автоматизации проектно-конструкторских работ в машиностроении: Тезисы докладов. - Минск, 1988.

21. Засядко АЛ. Карпухин ЕЛ, Алгоритм расчета виброзащитных систем многомассовых конструкций II Шестой национальный конгресс по теоретической и прикладной механике». БНР, Варна, 25-30 сентября 1989 г. Тезисы докладов, 1989. - С, 6.54,

22. Засядко A.A. Комплекс структурных методов и программных средств динамического построения многокомпонентных систем виброизоляции II Вторая Всесоюзная конференция по проблемам 8иброизоляции машин и приборов», Иркутск-Москва, 1989, Тезисы докладов. 1989. - С. 65-66.

23. Засядко A.A. Принципы построения специальных механических колебательных систем II Математическое и программное обеспечение технических систем. - Новосибирск: Наука Сиб. отд., 1989. - С. 17-37.

24. Карпухин ЕЛ Алгоритмическое и программное обеспечение для задач автоматизированного проектирования сложных виброзащитных систем II Математическое и программное обеспечение технических систем. - Новосибирск: Наука, 1989, - С. 90-98.

25. A. Zacyadko, Е, Karpukhin «Algorithms for vibrations proof Systems of multibody Construction». Proc. of 6 Nat. Congress of Theort. and Applied. Mech,, Sofia, Bulgaria, vol. 5, 1989, pp. 257-262.

26. A. Zacyadko, E. Karpukhin, P, Metzger «Development of an integrated software for CAD and CAE Methods for Vibration System in Ship». Proc. 19 th session of SSMSH-90, Varna, Bulgaria, 1990, pp, 75-79,

27. Засядко A.A., Карпухин ЕЛ, Метцгер П.К., Хомяков МЛ. Системный подход в разработке прикладного программного обеспечения задач виброзащиты технических объектов II Механика и процессы управления в технических системах». - Новосибирск: Наука Сиб. отд., 1990. - С. 106-131,

28. A. Zacyadko, Е. Karpukhin «VIZA: Package Programs for Vibration analysis /synthesis in CAD»/«Modelling, Simulation & Control»,B,vol.37, № 2,AMSE PRESS, France,1991, pp. 1-6.

29. A, Zacyadko, E, Karpukhin, P, Metzger «Software for CAD of Vibration System». / Proceeding 32 GUIDE, Spring Conference, Helsinki, 1991, pp, 45,

30. A. Zacyadko «Structural Construction in the Dynamics of complicated Vibroprotechion Systems» / Asia - Pacific Vibration Conf. 93, nov. 14-18, Kitakushu, Japan, 1993, pp. 45-55.

31. Засядко АЛ. Моделирование системных принципов построения механизмов виброзащиты сложных конструкций II Сибирская конференция по индустриальной математике: Тезисы докладов. - Новосибирск: НЭТИ, 1994. - С. 105,

32. Потемкин В,Г. MATLAB 6: среда проектирования инженерных приложений. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003, - 448 с.

33. Павловский Ю.Н, Имитационные модели и системы. - М.: ФАЗИС: ВЦ РАН, 2000. - 134 с.

34. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т./ Ред,со8.: В.Н.Челомей (пред.). - М.: Машиностроение, 1981. Т.6, Защита от вибрации и ударов / Под ред. К.В.Фролова. 1981. - 456 с.

35. Смит, Джон М. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей. - М,'.Машиностроение, 1980, -271 с.

А.А.Лукьянов

Методы управления движением экспериментального мобильного сервисного робота

1. Обзор проекта МНе!?оЬо!

В последнее время в развитых индустриальных странах наблюдается повышенный интерес к использованию робототехнических технологий в офисах компаний, а также в сфере социального обеспечения. Актуальность данной проблемы обусловлена возрастанием в обществе развитых индустриальных стран доли пожилого населения и нехваткой персонала в офисах и в социальной сфере, Роботы, и в первую очередь, мобильные роботы, рассматриваются как потенциальные помощники обслуживающего персонала социальных учреждений и одиноких престарелых людей [1]. Задачей проекта АМеРоЬо1 является создание прототипа сервисного мобильного робота для экспериментальной проверки методов управления роботами данного типа. В рамках проекта были выделены следующие важные области исследования: распознавание образов и людей, распознавание речи, надежные методы навигации. Данная статья рассматривает проблемы последней упомянутой области - проблемы навигации мобильных роботов.

В отличие от промышленных мобильных роботов, обслуживающие роботы обычно должны функционировать в плохо подготовленных для их работы рабочих средах, При работе в таких условиях для построения адекватной модели окружающего робота рабочего пространства и управления роботом требуется информация от большого количества разнообразных сенсоров [2].

Для управления движением (навигации) мобильных роботов было предложено большое количество подходов и методик [3]. Для задач планирования маршрута -от методов динамического планирования маршрута на карте до методик следования по запомненным маршрутам. Для задач обхода препятствий - от методов запланированного обхода препятствий до методик динамического реагирования. Для задач обработки ошибок и непредвиденных ситуаций - от методик оперативного обнаружения и коррекции ошибок до методов принятия решений в условиях неопределенности. Местоположение робота в навигационных системах может учитываться как в глобальной системе отсчета (измеряемое или вычисляемое при помощи обратных