CC BY
1
УДК 621.391
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-548-549
СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО И ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПОДГОТОВКЕ СПЕЦИАЛИСТОВ ПО ВЫСОКОТОЧНЫМ СИСТЕМАМ
О.В. Горячев, В.В. Воробьев, Н.Н. Макаров
Реализуется системный подход к организации лабораторного практикума, который предусматривает совместное использование компьютерного и полунатурного моделирования динамических испытаний для экспериментальной отработки высокоточных управляемых комплексов и их элементов. Предложено в учебном процессе реализовать системный подход к организации лабораторного практикума. Системный подход основывается на совместном использовании в обучении компьютерного моделирования в дисплейном классе, работы на полунатурном стенде в лабораторном модуле кафедры, изучения альбомов осциллограмм полигонных и полунатурных испытаний систем управления, а также альбомов конструкций полунатурных динамических стендов и их элементов. Рассмотрен пример совместного использования виртуального и полунатурного стендов для экспериментальной отработки закона управления и динамических испытаний высокоточной системы телеуправления, для которой важна оценка диапазона мгновенной ошибки, а не только её усреднённое значение. Предлагаемый подход способствует углубленному освоению студентами дисциплин учебного плана и формированию требуемых ФГОС компетенций.
Ключевые слова: высокоточная система, компьютерное и полунатурное моделирование, закон управления, динамические испытания.
Введение. Целью лабораторного практикума программы подготовки является закрепление теоретических знаний и приобретение практических навыков проектирования и экспериментальной отработки системы управления (СУ), входящих в состав высокоточных управляемых комплексов.
В практикуме решаются задачи:
- построения математического описания (МО) СУ;
- структурно-параметрической идентификации СУ и их элементов;
- построения виртуального стенда (компьютерной модели) для динамических испытаний СУ;
- изучения методик лабораторно-стендовых динамических испытаний СУ;
- изучения конструкций и элементной базы полунатурных стендов (ПНС) для динамических испытаний
СУ;
- изучения схем и чертежей ПНС;
- экспериментальной отработки алгоритмов управления на основе совместного использования виртуальных и полунатурных стендов.
ПНС, расположенные в боксах лабораторного модуля кафедры «Системы автоматического управления (САУ)» ТулГУ, представляют собой комбинированные модели замкнутых автоматических систем [1 - 6]. ПНС в качестве математической части содержат персональный компьютер, в качестве физической части - натурные блоки и/или физические модели ряда элементов контура управления. В состав ПНС также входят источники питания, средства измерений и регистрации, а также задатчики полезных и возмущающих воздействий на систему. Стенды лабораторного модуля кафедры САУ обеспечивают проведение динамических испытаний:
- газовых, пневматических, электрических и гидравлических силовых и приборных следящих приводов, а также воздушно-динамических и гидравлических рулевых приводов летательных аппаратов (ЛА);
- оптико-электронных систем телеуправления ЛА, а также систем наведения и стабилизации прицелов с моделированием сложной оптической обстановки, включая имитацию движения излучателя ЛА и световых помех, а также фона;
- навигационных систем ЛА, в частности, блоков инерциальных чувствительных элементов с помощью одно- и трехстепенных стендов качки;
- натурных головных частей с бортовой аппаратурой управления малогабаритных ЛА с помощью шести-степенного силового стенда качки, моделирующего сложные движения ЛА на траектории полета;
- беспилотного ЛА с силовой установкой, реализованной на базе моментных электродвигателей;
- перспективных изделий в управляемой аэродинамической до- и сверхзвуковой трубе кратковременного
действия.
Использование в ПНС натурных блоков и физических моделей элементов контура управления повышает адекватность и надежность результатов экспериментальной отработки СУ в условиях структурно-параметрической неопределенности объекта, когда часть его элементов не имеет полного МО. Отметим, что неполнота МО объекта управления является распространённой проблемой в задачах анализа, синтеза и оптимизации высокоточных СУ. Так, неопределенность МО характерна для физических явлений в механической подсистеме следящего привода (упругие деформации, люфт, сухое трение, соударения); в электромагнитной подсистеме (намагничивание материалов, вихревые токи, прохождение магнитного потока через зазоры); в пневмо-, газо- или гидравлической подсистеме (прохождение рабочего тела через дроссели, теплообмен, растворение газа в жидкости); в радио- и оптикоэлектронных датчиках (преобразование электромагнитного излучения в электрический сигнал, помехи, шумы, наводки; в цифровых СУ (случайные сбои) и т.д.
Системный подход к организации лабораторного практикума. С помощью ПНС реализуется системный подход к динамическим испытаниям многоконтурной СУ на заданном классе входных сигналов в условиях неопределенностей объекта. При этом класс сигналов на входе каждого элемента СУ в стенде формируется замкнутой системой в целом, причем с учетом шумов натурной аппаратуры управления, а также внешних регулярных и случайных воздействий на систему.
Для обучения важно, что структура и элементы виртуального и полунатурного стендов находятся во взаимно-однозначном соответствии. При этом программы испытаний СУ в стендах на динамику, точность и помехо-
548
устойчивость практически одинаковые. Наличие осциллограмм полигонных и полунатурных испытаний позволяет студентам путем сравнения оценить адекватность результатов отработки СУ в виртуальном стенде.
Необходимо отметить, что стенды лабораторного модуля кафедры создавались по заказам отраслевых предприятий, разрабатывающих высокоточные управляемые комплексы. Особенностями таких комплексов являются малое время штатной работы, ограниченный ресурс, высокая стоимость экспериментов, необходимость проведения статистических испытаний на динамику, точность, помехоустойчивость и помехозащищенность. Работа на ПНС требует от исследователя высокой квалификации и соблюдения повышенных требований к технике безопасности.
В связи с этим лабораторный практикум студентов проводится только на стендах, которые оборудованы системами дистанционного управления экспериментом, по упрощенным методикам и в ограниченном объеме. Для сложных ПНС изучение материальной части и методик испытаний производится в ознакомительном порядке. Закрепление достигнутых знаний, умений и компетенций осуществляется студентами на основе дополнительного изучения альбомов схем и чертежей ПНС, альбомов осциллограмм полигонных и полунатурных испытаний СУ, а также работой в компьютерном классе на виртуальных стендах. При этом виртуальный стенд может быть реализован, например, в системе МАТЬАВ с использованием пакетов ее расширения [7].
В сравнении с традиционным подходом к лабораторным занятиям по анализу и синтезу сложных СУ, базирующемся на компьютерном моделировании в дисплейных классах, предложенный системный подход позволяет студенту более полно освоить инженерную методологию разработки высокоточных управляемых комплексов, создание которых связано с большим объемом испытаний. В практике экспериментальных работ отраслевых предприятий совместное использование виртуального и полунатурного стендов обеспечивает перенос части полигонных испытаний в лабораторные условия. Это обеспечивает существенное снижение затрат времени, труда и средств на разработку новых и модификацию имеющихся изделий.
Лекции, практические и лабораторные занятия, дипломные, бакалаврские и магистерские работы, в которых методики разработки высокоточных управляемых комплексов основываются на совместном использовании виртуального и полунатурного стендов, способствуют углубленному освоению обучающимися дисциплин учебного плана и формированию требуемых ФГОС компетенций.
Пример. Для испытаний командной оптикоэлектронной системы телеуправления (СТУ) малогабаритного ЛА, функционирующей в условиях кинематических возмущений, шумов аппаратуры управления и подвижных световых помех, разработан полунатурный стенд [6]. ПНС представляет собой комбинированную (физико-математическую) модель замкнутого контура телеуправления, реализованную на элементной базе двух оптических скамей ОСК-2ЦЛ.
Стенд содержит натурную наземную аппаратуру управления (НАУ), компьютерную модель части элементов контура (подвижного объекта и звеньев, описывающих кинематические соотношения и кинематические возмущения), а также физические модели (ФМ) части элементов контура (ФМ на воздухе блока рулевых приводов, предназначенных для работы на горячем газе, ФМ оптического канала связи, ФМ излучателя ЛА и подвижных световых помех) (рис. 1 - 2).
Отметим, что при проектировании СТУ в настоящее время широко используются компьютерные модели систем, в том числе моделирующие шумы и помехи аппаратуры. Однако надежные оценки показателей динамики, точности, помехоустойчивости и помехозащищенности СТУ в условиях совместного воздействия внутренних шумов штатной НАУ и внешних подвижных световых помех могут быть получены именно в полунатурном стенде.
Важно, что в ПНС воспроизводится физическая природа процессов в СТУ, которые значительно влияют на точность и помехозащищенность системы. На этой основе в лабораторных условиях адекватно воспроизводятся критические ситуации в управлении ЛА. Например, это ситуация, когда в дальней зоне работы СТУ накладываются несколько неблагоприятных для наведения ЛА факторов, таких как [8]:
- размах колебаний ЛА относительно линии визирования близок к предельно допустимому;
- в поле зрения объективов НАУ находятся несколько подвижных световых помех;
- световые помехи характеризуются кинематическими характеристиками, мощностью и спектром излучения, которые близки к характеристикам лампы-фары ЛА;
- высокий уровень шумов наземной и бортовой аппаратур управления.
В процессе стендовых испытаний на СТУ воздействуют типовыми тестирующими сигналами (например, равноускоренным, гармоническим и др.). Результаты диагностики СТУ с контролем динамической точности при этом имеют локальный характер, так как производятся на узких классах регулярных воздействий. Статистические испытания СТУ предусматривают использование случайных воздействий. Оценки точности получают усреднением ошибки либо на множестве реализаций, либо на интервале времени наблюдения. Статистические испытания требуют большого объема экспериментов и, как следствие, характеризуются высокой трудоемкостью и снижением ресурсов изделия и стенда.
В связи с этим на лабораторных занятиях изучаются прикладные методики динамических испытаний СТУ, направленные на снижение потребного объема экспериментов.
Точность СТУ будем оценивать отклонением объекта от линии визирования в окрестности цели. В качестве критерия точности предлагается использовать предельную ошибку на заданном классе входных сигналов (при этом вход СТУ - ошибка сопровождения цели). Такой подход позволяет контролировать диапазон динамической ошибки системы. Заметим, что распространенный в инженерной практике интегральный среднеквадратичный критерий точности слежения не позволяет контролировать диапазон мгновенной ошибки СТУ, что является важным для диагностики работы управляемого комплекса.
В основу рациональной методики динамических испытаний СТУ положен метод предельных отклонений, который в настоящее время хорошо развит для задач анализа, синтеза и динамических испытаний стационарных линейных и некоторых типов нелинейных нестационарных систем [6, 9-11]. Рассматриваемая методика предусматривает использование специальных тестирующих сигналов, которые поступают на вход системы от ПЭВМ стенда. Тест-сигналы предназначены для накопления в процессе испытания СТУ динамической ошибки наведения ЛА до значения, близкого к предельной ошибке на заданном классе входных сигналов.
Моделирование воздействия подвижных световых помех в совокупности с эффектом накопления динамической ошибки позволяет воспроизвести в стенде наиболее критическую из возможных ситуаций в процессе
наведения. Это повышает надежность результатов экспериментальной отработки помехозащищённых алгоритмов управления и способствует снижению потребного объема статистических испытаний.
Имитатор объекта Экран (фон) Лазер!
КРА
Рис. 1. Принципиальная схема полунатурного стенда для динамических испытаний СТУ в условиях подвижных световых помех: ЗОС - зеркально-отклоняющая система; КРА - контрольно-измерительная аппаратура
В процессе экспериментальной отработки параметры корректирующего фильтра СТУ, рассчитанные студентами, например, с помощью графоаналитического метода по желаемым частотных характеристикам упрощенной линейной стационарной модели системы, уточняются на основе данных, полученных с помощью ПНС.
Рис. 2. Общий вид стенда для испытаний СТУ На рис. 3 показан пример траекторий излучателя ЛА и трех подвижных световых помех в картинной
плоскости.
N10"
¿0
-3
А
Л 3
-6
-3
о
Z. м
Рис. 3. Траектории движения излучателя ЛА и трех световых помех: 1 - объект, 2,3,4 - световые помехи.
Заключение. В настоящее время на кафедре САУ ТулГУ для повышения качества подготовки магистров направлений 24.04.02 «Системы управления движением и навигация» и 15.04.06 «Мехатроника и робототехника» развивается методология лабораторного практикума, который реализуется на базе компьютерного класса и полунатурных динамических стендов.
Реализуется системный подход к организации лабораторного практикума, предусматривающий совместное использование компьютерного и полунатурного моделирования для экспериментальной отработки высокоточных управляемых комплексов.
Системный подход основывается на совместном использовании в обучении компьютерного моделирования в дисплейном классе, работы на полунатурном стенде в лабораторном модуле кафедры, изучения альбомов осциллограмм полигонных и полунатурных испытаний СУ, а также альбомов конструкций ПНС и их элементов. Рассмотрен пример совместного использования виртуального и полунатурного стендов для отработки закона управления высокоточной СТУ, для которой важна оценка диапазона мгновенной ошибки, а не только её усреднённое значение.
Такой подход способствует углубленному освоению студентами дисциплин учебного плана и формированию требуемых ФГОС компетенций.
Список литературы
1. Мамонтов М.А. Аналогичность. М: изд. МО СССР, 1971. 60 с.
2. Веников, В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики): Учебное пособие для электроэнергетических специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1976. 479 с.
3. Кочубиевский И.Д., Стражмейстер В.А., Калиновская Л.В., Матвеев П.А. Динамическое моделирование и испытания технических систем. М.: Изд-во Энергия, 1978. 303 с.
4. Дубиновский А.М., Панков Э.Д. Стендовые испытания и регулировка оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. 152 с.
5. Подчуфаров Б.М. Построение и использование физических имитационных систем: учеб. пособие / Б.М. Подчуфаров, Ю.Б. Подчуфаров, В.В. Воробьев; ТулГУ. Тула: Изд-во ТулГУ, 1986. 96 с.
6. Воробьев В.В. Методика стендовых испытаний высокоточных систем телеуправления. / В.В. Воробьев О.В. Горячев, Н.Н. Макаров // XIII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2019: труды [Электронный ресурс] / Под общ. ред. Д.А. Новикова. М.: ИПУ РАН, 2019. С. 2856 - 2861.
7. Герман-Галкин С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. Санкт-Петербург: Изд-во Корона-Век, 2008. 368 с.
8. Шипунов А.Г., Семашкин Е.Н. Оптические линии связи малогабаритных управляемых ракет в условиях действия помех двигательных установок. М.: НТЦ «Информтехника», 2000. 180 с.
9. Воробьев В.В. Метод гарантированной точности для релейных следящих систем/ В.В. Воробьев, Н.Н. Макаров, Парамонова А.А. // Мехатроника, автоматизация, управление, № 10 (127). М.: Новые технологии, 2011. С. 32 - 38.
10. Воробьев В.В. Разработка методики статистических лабораторно-стендовых испытаний газодинамического привода / В.В. Воробьев, О.В. Горячев, В.С. Фимушкин, А.С. Фокин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 12. Ч. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 172 - 184.
11. Воробьев В.В. Системный подход к разработке и испытаниям высокоточных систем на классе сигналов / В.В. Воробьев, О.О. Морозов, А.Г. Ефромеев, А.А. Огурцов, А.К. Ломакин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 12. Ч. 3. С. 115 - 126.
Горячев Олег Владимирович, д-р техн. наук, профессор, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Воробьев Василий Викторович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Макаров Николай Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
JOINT USE OF SIMULATION AND SEMI-NATURAL MODELING IN THE TRAINING OF SPECIALISTS IN HIGH-
PRECISION SYSTEMS
O.V. Goryachev, V.V. Vorobyov, N.N. Makarov
A systematic approach to the organization of a laboratory workshop is being implemented, which provides for the joint use of computer and semi-full-scale simulation of dynamic tests for experimental development of high-precision controlled complexes and their elements. It is proposed to implement a systematic approach to the organization of laboratory practice in the educational process. The system approach is based on the combined use of computer simulation in the display classroom, work on a semi-full-scale stand in the laboratory module of the department, study of albums of oscillograms of field and semi-full-scale tests of control systems, as well as albums of structures of semi-natural dynamic stands and their elements. An example of the combined use of virtual and semi-natural stands for experimental development of the control law and dynamic tests of a high-precision remote control system, for which the assessment of the range of instantaneous error, and not only its average value, is important, is considered. The proposed approach contributes to the in-depth mastering of the disciplines of the curriculum by students and the formation of competencies required by the federal state educational standard.
Key words: high-precision system, computer and semi-natural modeling, control law, dynamic tests.
Goryachev Oleg Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Tula, Tula State University,
Vorobyov Vasily Victorovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State
University,
Makarov Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
