CC BY
173
D.O. Feofilov, V.V. Kotov
METHOD OF AGGREGATION OF ELEMENTARY MODELS INTO COMBINED MODEL OF MECHANOTRONIC SYSTEM OF ARBITRARY STRUCTURE
A problem of development of program component library that is intended for dynamical synthesis of models of mechanotronic system of arbitrary structure is considered. A method of construction of such library for modeling of mobile ground-based objects is offered.
Key words: mechanotronic system, mathematical model, method of aggregation.
Получено 03.10.11
УДК 629.7.069:629.7.062:681.3.01:519.8
K.M. Тихонов, канд. техн. наук, доц.,+7(903)185-62-13, [email protected],
В.В. Тишков, канд. техн. наук, доц., +7(916)835-40-38, [email protected], В.Г. Струцкий, канд. техн. наук, доц., [email protected],
А.В. Чемякин, асп., +7(916)911-26-07, chemyakin a [email protected],
И.В. Обрезков, студент, +7(916)883-24-42, [email protected] (Россия, Москва, МАИ)
МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ АВИАЦИОННЫХ ПОДВИЖНЫХ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Рассматриваются вопросы разработки методики моделирования авиационных подвижных артиллерийских установок на основе интеграции современных информационных технологий моделирования: CAD-технологии Solidworks, универсальной системы моделирования Simulink Matlab и среды физического моделирования многозвенных пространственных механизмов SimMechanics. Особое внимание уделено включению в физическую модель механики установки моделей силовых следящих приводов.
Ключевые слова: подвижная артиллерийская установка, информационная технология, интегрированная модель, моделирование, силовой следящий привод.
Современная практика проектирования конструкций робототехнических устройств, исследования прочности, динамики их движения невозможна без привлечения современных информационных технологий. Одним из классов робототехнических устройств, функционирование которых определяется действием нестационарных, значительных по величинам внешних воздействующих факторов, являются авиационные подвижные артиллерийские установки (ПАУ). При моделировании конструкции, решении задач прочности, определении собственных частот ПАУ используют информационные CAD/CAE-технологии. Сложнее дело обстоит с исследованием динамики применения ПАУ. В настоящее время CAD/CAE-технологии не позволяют в полной мере смоделировать процесс применения ПАУ (динамику носителя в процессе стрельбы, изменение параметров
85
его движения вследствие действия сил и моментов отдачи; практически невозможно исследовать динамику и точность системы управления ПАУ с учётом прицеливания, наведения оружия, адаптационных свойств человека оператора и др.). Особенно решение такой задачи усложняется из-за наличия в системе управления ПАУ множественных обратных связей (как правило, встроенные в CAE-системы средства моделирования движения, такие, как, например, Solidworks Simulation, поддерживают только разомкнутые системы). В силу указанных ограничений, в большинстве своём приведённый класс задач решается реализацией моделей применения ПАУ прямым программированием. При таком подходе чрезвычайно трудно учесть «тонкие» элементы динамического процесса (например, изменение моментов инерции системы лафет-оружие, возникающее вследствие отката оружия при стрельбе, а также иные особенности механизма ПАУ).
Вместе с тем, существует возможность разработки гибридных моделей ПАУ, обеспечивающих как точный учёт механических характеристик системы, в том числе и их изменение вследствие относительного перемещения отдельных элементов конструкции, так и учёт физических особенностей функционирования входящих в ПАУ подсистем. Указанная возможность обусловлена апробированной технологией моделирования на основе современных информационных систем: CAD-систем (в настоящее время поддерживаются такие системы как Solidworks, Autodesk Inventor и PTC ProEngineer) и универсальной среды моделирования Simulink, входящей в состав универсальной системы компьютерной математики Matlab (компании Mathworks). Указанная технология основана на присутствии в составе Simulink специализированных пакетов расширения, таких как Sim-Mechanics (моделирование пространственных механизмов), SimPowerSys-tems (моделирование задач электроэнергетики, см. [2]), SimHydraulics (моделирование задач гидравлики) и др. [1, 2]. Создание гибридных моделей с применением приведённых средств - задача решаемая, но не простая. При этом, как правило, наибольшие трудности вызывает разработка моделей механизмов в среде SimMechanics. Эти трудности связаны с необходимостью точной передачи пространственного положения элементов механизма, их присоединительных размеров и др. Погрешности в определении указанных параметров при создании модели непосредственно в среде SimMechanics, довольно быстро приводят к отказам в процессе моделирования.
Решение проблемы обеспечения работоспособности и адекватности моделей, создаваемых в SimMechanics, достигается использованием CAD-трансляторов, обеспечивающих корректную передачу всех параметров модели из среды твердотельного моделирования (CAD), как раз и предназначенной для разработки механизмов и конструкций: сборок из твёрдотель-
ных деталей с точным учётом присоединительных размеров, степеней свободы в относительном движении, тензоров моментов инерции деталей практически любой формы и из любых, в том числе и гипотетических, материалов и др. Кроме того, работоспособность модели механизма всесторонне проверяется и обеспечивается в CAD-среде.
Идея создания и внедрения CAD-трансляторов возникла в связи с указанными выше проблемами «ручной» сборки моделей механики в SimMechanics. Отметим, что в Simulink существует устоявшееся обозначение моделей: S-модель. Поскольку SimMechanics является приложением Simulink, везде далее, где речь идёт о таких моделях, будем использовать это обозначение.
Разработчиками Simulink (компания Mathworks) созданы и апробированы трансляторы для моделей сборок применительно к указанным выше SolidWorks, Inventor и ProEngineer. Наличие трансляторов только для этих систем ни в коей мере не препятствуют использованию и других информационных технологий твердотельного моделирования. Известно, что модели могут быть импортированы и другой средой через существующие форматы обмена данными (например, через формат Step). Отметим, что CAD-трансляторы являются свободно распространяемыми продуктами.
Методика применения современных интегрированных информационных технологий в задачах моделирования авиационных робототехнических систем (применительно к авиационным катапультным устройствам) изложена в [3]. Общие вопросы моделирования в SimMechanics изложены в [4].
В настоящей работе указанная методика распространяется на задачи моделирования подвижных артиллерийских установок. Методика включает несколько этапов.
1. Разработка твердотельной CAD-модели (в данном случае в Solidworks) отдельных элементов модели (лафета, подвижных и неподвижных оснований, механической части силовых следящих приводов, оружия) и создание сборки ПАУ. При создании сборки необходимо выполнять предъявляемые к сборкам требования. Эти требования изложены в [3, 4]. Отметим важнейшие из них:
- сборка должна быть иерархической; если есть возможность создать из части деталей узлы, их надо создать, но при этом для обеспечения подвижности входящих в узел элементов, необходимо обеспечить его свободное решение [3];
- все детали и узлы, входящие в сборку должны иметь латинские наименования, в противном случае модель окажется неработоспособной в среде Simulink;
- устанавливать только поддерживаемые CAD-транслятором связи; в противном случае все «неправильные» связи будут заменены на непод-
вижные соединения, и модель не будет работоспособной; отметим, что в принципе допускается ручная замена связей на «правильные» непосредственно в среде БітМєсНапісз, но при этом существует опасность отказов при моделировании.
2. Трансляция САО-модели в среду БШМесНапс и создание, таким образом, ^-модели. Организация процесса трансляции, порядок действий и используемые функции МайаЬ изложен в [3], [4].
3. Дополнение ^-модели механики моделями сопровождения цели, человека-оператора, осуществляющего коррекцию программного сопровождения, силовых следящих приводов управления и др. Указанные модели создаются непосредственно в среде Бітпїіпк или, при необходимости, в его приложениях ($>ітРо-^ег$>у8іет8 идр., см. выше).
На рис. 1 представлены САЛ-модели подвижных артиллерийских установок, как встроенных, так и подвесных. На рис.1, а представлена модель подвесной ПАУ с одной степенью свободы; на рис. 1, б — модель подвесной установки с двумя степенями свободы и продольной главной осью; на рис. 1, виг — модели встроенных передних вертолётных установок с двумя степенями свободы и нормальной главной осью.
Рис. 1. САБ-моделиПАУ
2. Исключительно важной частью методики является модель носителя, осуществляющего применение ПАУ. В качестве такого носителя выбран вертолёт, как основной в настоящее время и на перспективу носитель артиллерийского вооружения. На рис. 2 представлены САО-модель вертолёта со встроенной в его носовой части ПАУ(вверху) и графическое отображение Б-модели в среде БтЫесИашсБ. Высокое качество отображения ^-модели обеспечивается возможностями САО-транслятора версии 3.0. В процессе трансляции к блокам элементов ^-модели присоединяются гра-
88
фические файлы, обеспечивающие поддержку в процессе моделирования режима виртуальной реальности. В результате, вместо приближённого графического отображения эквивалентными эллипсоидами [4] реализуется отображение, представленное на рис. 2. Очевидно, это существенно повышает наглядность результатов моделирования.
3. Важной подсистемой создаваемой ^-модели является модель системы управления наведением ПАУ. При разработке модели сопровождения цели [5] учитывается динамика и адаптивные возможности человека-оператора, работающего в контуре коррекции программы. Параметры модели оптимизированы по критерию минимума средней суммарной квадратической ошибки наводки. Учитывая существенное различие скоростей носителя и наземной цели относительно земли, в настоящей работе используется модель прямолинейного горизонтального полёта. Однако модель может воспроизводить и полёт по траектории, существенно отличающейся от прямолинейного, в том числе и с облётом рельефа местности. При создании модели важно только, чтобы корректно было описано пространственное движение визирной линии.
Рис. 2. САБ-модель вертолёта (вверху) и графическое отображение соответствующей 8-модели (внизу)
Разработанная таким образом модель представлена на рис. 3. Отметим, что модель динамики полёта вертолёта включает модели продольного и бокового движения [6-8]. Общий порядок разработанной модели «Носи-тель-ПАУ» равен 57 (порядок указан с учётом дифференциальных уравнений механики, создаваемых непосредственно средой БтЫвсНатсз при трансляции САО-модели).
Особое место в создании модели занимает разработанный метод включения в механическую часть модели ПАУ силовых следящих приводов (ССП) вертикального и горизонтального каналов управления. На рис. 4 представлены модели идеализированного ССП (вверху) одного из каналов управления и схема включения её в общую модель системы «Носитель-ПАУ» (внизу).
Рис. 4. Модель силового следящего привода и её включение в общую модель системы «Носитель-ПАУ»
Суть метода состоит в следующем. Силовой следящий привод вместе с механической частью ПАУ, которой он управляет, составляет целостную систему. При этом в используемых моделях ССП механическая часть представляется моментом инерции подвижных частей установки, приведенным к выходному валу привода [9]. В настоящей работе именно такая модель принята как идеализированная. Реально же двигатель через редуктор передаёт подвижному элементу (например, лафету) управляющий момент Мдв . Замыкается привод по углу поворота следящего вала.
Кроме того, по угловой скорости следящего вала замыкается обратная связь цепи коррекции. Если такую модель привода интегрировать с механической частью ПАУ, то параметры движения ПАУ не будут влиять на модель ССП. Это связано с тем, что в модели привод замкнут, а механика представлена в нём только величиной момента инерции. Никаким образом движение элементов модели механики не передаётся модели привода.
В таком виде модели ПАУ можно передать только движение (это так называемая обратная задача проектирования, когда объекту задаются требуемые параметры движения и определяются требуемые для его реализации силы и моменты, см. [4]). Иначе говоря, такая модель представляет привод «бесконечной мощности».
В настоящей работе модель привода разомкнута (см. рис. 4, нижняя модель, место размыкания показано стрелкой). С модели двигателя с учётом редуктора развиваемый момент передаётся блоку, связанному со следящим валом. С него виртуальным датчиком, входящим в состав библиотечных блоков БтЫвсНатсз, снимается величина углового ускорения. Интеграл от ускорения замыкает цепь коррекции. Соответственно интеграл от скорости замыкает обратную связь по углу слежения.
Таким образом, предложенный метод максимально близко к реальности воспроизводит взаимодействие ССП и подвижных элементов ПАУ. Особо следует отметить, что при моделировании в процессе движения тензор моментов инерции изменяется. Фактически в модели присутствует не усреднённая величина момента инерции, а мгновенное значение тензора. Ясно, что это существенно повышает адекватность модели.
Для иллюстрации на рис. 5 изображен график изменения момента двигателя (с учётом редуктора).
Изменение этого момента представляет собой реакцию на влияние опрокидывающего момента, действующего на лафет вследствие эксцентриситета силы отдачи по отношению к оси вращения лафета. При моделировании использованы гипотетические характеристики оружия с темпом стрельбы 1500 в/мин.
Рис. 5. Изменениемомента двигателя (сучётом редуктора)
Итак, разработана методика моделирования динамики системы «Носитель-ПАУ», основанная на интеграции современных информационных технологий: САО-системы SolidWorks, универсальной системы моделирования МайаЬ Simulink и работающей на его платформе системы физического моделирования пространственных механизмов SimMechanics. Указанная методика апробирована на моделировании авиационных катапультных устройств [3] и показала хорошую сходимость результатов моделирования и экспериментальных исследований. Таким образом, обоснованно прогнозируется существенное повышение качества проектирования перспективных ПАУ.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 10-08-00897-а
Список литературы
1. Дебни Дж., Харман Т. SMULINK 4. Секреты мастерства. М.: Бином, 2003.
2. Герман-Галкин С.Г. Мл^АБ & SMULINK. Проектирование меха-тронных систем на ПК. СПб.: КОРОНА-Век, 2008.
3. Применение современных интегрированных информационных технологий в моделировании авиационных робототехнических систем/
А.И. Данеко [и др.] / под ред. чл.-корр. РАРАН Б.В. Обносова. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010.
4. Тихонов К.М., Тишков В.В. SIMMECHЛNICSMЛTLЛБ как средство моделирования динамики сложных авиационных робототехнических сис-
тем // Электронный журнал «Труды МАИ», №41, 2010. http://
www.mai.ru/science/trudy/.
5. Тихонов К.М., Тишков В.В. Разработка модели программного корректируемого сопровождения наземной цели с учётом динамики чело-века-оператора // Электронный журнал «Труды МАИ», №47, 2011. http:// www.mai.ru/science/trudy/ (в печати).
6. Есаулов С.Е., Бахов О.П., Дмитриев И.С. Вертолёт как объект управления. М.: Машиностроение, 1977.
7. Браверман А.С., Вайнтруб А.П. Динамика вертолёта. Предельные режимы полёта. М.: Машиностроение, 1988.
8. Володко А.М. Основы аэродинамики и динамики плёта вертолётов. М.: Изд-во «Транспорт», 1986.
9. Проектирование следящих систем/ Л.В. Рабинович [и др.]. М.: Машиностроение, 1969.
K. V. Tikhonov, V.V. Tyshkov, V.G. Strutsky, A.V. Chemjakin, I.V. Obrjezkov AERIAL ARTILLERY MOVABLE GUNS SIMULATION METHOD, BASED ON MODERN INFORMA TION TECHNOLOGY.
It is considered the problem of the aerial artillery movable guns simulation method development, based on modern information techniques fusion: CAD-technique, Simulink Matlab as well as environment of the multiply connected spatial device physical simulation SimMechanics. Main attention is paid to consideration of the tracking power servodrive mathematical model including into physical model of mechanics.
Key words: movable aerial artillery gun, information technology, simulation, thack-ing power servodrive.
Получено 03.10.11
УДК 004.652
H.B. Лобанов, асп., [email protected],
В.В. Котов, д-р техн. наук, проф., [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
МНОГОМЕРНЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ СТРУКТУРЫ ДАННЫХ В НЕРЕЛЯЦИОННЫХ СУБД
Рассмотрена математическая модель многомерной композитной структуры данных, а также преимущества ее применения в иерархических и сетевых СУБД.
Ключевые слова: математическая модель, многомерная композитная структура данных, нереляционные базы данных.
В традиционных нереляционных СУБД, построенных на основе иерархических и сетевых моделях данных, используются стандартные структуры представления данных, где ключевая часть элемента данных соответствует какому-либо элементу из области значения, а значение
