Введение к работе
Актуальность работы. При проектировании приборов, так же как объектов машиностроения в общем случае, последние часто обладают свойствами гетерогенности, т. е. состоят из физически разнородных компонентов. Поскольку эти компоненты входят в объект проектирования, они определяют такие его свойства как масса, объем, функциональные характеристики.
Предлагаемая подсистема САПР построения математических моделей гетерогенных объектов предназначена для обеспечения построения математических моделей объектов проектирования в аналитическом виде. Однако сложность гетерогенных объектов проектирования вызывает трудности при построении исходной математической модели, той модели, опираясь на исследование которой будут приниматься решения о свойствах объекта проектирования на всех последующих этапах. Математическая модель, построенная вручную, ограничена не только большой трудоемкостью и вероятностью многих ошибок в части адекватности объекту, но и в силу ограниченности возможностей по проведению ее верификации.
Сегодня при проектировании используется большое количество программных средств для представления геометрии объекта, создания его образца, а также программных средств позволяющих выполнять расчеты по уже известным математическим моделям. К сожалению, используемые математические модели по-прежнему создаются вручную и требуют значительного времени и труда специалистов, понимающих физические условия проектирования, которые включают не только геометрию объекта, но и учитывают влияние внешней среды и других возмущений. Чем точнее будет построена математическая модель гетерогенного объекта, тем качественнее можно выполнить последующее его проектирование. К тому же для проектирования гетерогенного
объекта необходимо строить модель с учетом взаимного влияния звеньев различной физической природы друг на друга. Поэтому разработка методики и алгоритмов построения математических моделей гетерогенных объектов и соответствующей подсистемы (инструмента) САПР является весьма актуальной задачей.
Решению этой важной в автоматизации проектирования задачи и посвящена данная работа. В работе приведена методика построения математических моделей гетерогенных динамических объектов, алгоритмы построения математических моделей, в том числе сопряжения гетерогенных компонентов, решены вопросы лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов. Применение такой подсистемы рассматривается на гидромеханической системе - замкнутом резервуаре с жидкостью, на электромеханических объектах, таких как гиростабилизаторы.
В работе предложено использование математических моделей в аналитическом виде на всех этапах проектирования наряду с геометрической ЗБ-моделью. Существующие развитые средства геометрического проектирования (Euclid, AutoCAD, Mechanical 2008, NanoCAD, Mechanics, Plant-4D,REAL Steel и др.) направлены на решение конструкторских задач. Однако учет динамики объекта проектирования в соответствующих проектных процедурах не проводится. В то же время успешные конструкторские решения нуждаются в дополнении геометрических моделей динамическими математическими моделями. При наличии таких математических моделей в аналитическом виде появляется возможность выполнить процесс проектирования на качественно новом уровне. Поэтому важно математическую модель гетерогенного объекта в аналитическом виде «тянуть» от начала проектирования до этапа изготовления опытного образца.
В частности, резервуар с жидкостью как объект проектирования является сложной гетерогенной системой, содержащей гидромеханические звенья. Например, таким объектом является топливно-измерительная система.
При проектировании резервуаров одной из задач является измерение уровня жидкости в динамике, для чего проектировщики строят тарировочные характеристики при различных углах наклона резервуара и затем по ним производят расстановку датчиков уровня. Но тарировочная характеристика часто не позволяет обеспечивать заданную точность с учетом возмущений. Поэтому требуется построение математических моделей, позволяющих определить поведение жидкости в динамике в зависимости от внешних возмущений, оказывающих воздействие на резервуар и движение жидкости в нем и тем самым повысить точность измерения.
Цель работы. Основной целью работы является разработка
и исследование математического, лингвистического и
программного обеспечения подсистемы САПР построения
математических моделей гетерогенных объектов. Для
достижения поставленной цели потребовались определение
требований к структуре подсистемы САПР построения
математических моделей гетерогенных объектов, выбор метода
построения математических моделей гетерогенных объектов в
аналитическом виде, разработка лингвистического и
программного обеспечения построения математических моделей гетерогенных объектов, разработка принципов организации коллективного доступа к инструментальной среде создания программных приложений для дальнейшего численного моделирования по полученным математическим моделям при подстановке заданных числовых параметров объекта.
Научную новизну и ценность составляют следующие полученные в работе результаты:
1. Методика построения математических моделей
гетерогенных объектов в САПР.
-
Методика взаимодействия проектировщика с подсистемой САПР построения математических моделей гетерогенных объектов.
-
Алгоритмы, входящие в математическое обеспечение САПР, позволяющие реализовать методы построения математических моделей гетерогенных объектов.
-
Алгоритмы взаимодействия проектировщика с подсистемой САПР.
-
Методика преобразования математической модели гетерогенного объекта в соответствующую UML-диаграмму.
-
Интерфейс коллективного доступа к подсистеме САПР построения математических моделей гетерогенных объектов, созданный в среде Visual Studio.
-
Предложенная подсистема САПР позволяет строить математические модели электромеханических объектов, таких как гиростабилизаторы и гидромеханических объектов, таких как модель движения жидкости в замкнутом резервуаре, в том числе топливно-измерительные системы.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
методика и алгоритмы построения математических моделей гетерогенных объектов,
- методика коллективного доступа к математическим
моделям гетерогенных объектов в процессе проектирования,
- методика построения математической модели движения
жидкости для гидромеханических систем, применительно
к задачам повышения точности измерения уровня
жидкости,
специальное лингвистическое и программное обеспечение, реализующие перечисленные методы и позволяющее выполнять построение математических моделей гетерогенных объектов в аналитическом виде
Практическая ценность работы заключается в том, что
применение разработанной методики, алгоритмов,
лингвистического и программного обеспечения построения математических моделей гетерогенных объектов и соответствующей подсистемы САПР показало значительное сокращение времени и повышение качества проектирования в сравнении с применявшимися ранее средствами.
Реализация результатов работы.
Разработанная подсистема САПР построения математических моделей гетерогенных объектов использовалась в части построения математической модели трехосной системы гиростабилизации спутниковой антенны (СГСА), измерения жидкости в замкнутом резервуаре, что подтверждается документом о внедрении и отзывом о проделанной работе.
Подсистема САПР построения математических моделей гетерогенных объектов внедрена в учебный процесс в СПбГУАП и СПбГЭТУ «ЛЭТИ», что также подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции «Instrumentation in Ecology and Human Safety» («IEHS'07»), St.Petersburg, 2007, научные сессии аспирантов (СПбГУАП, 2006, 2007, 2008 гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, включая 1 статью в журнале рекомендуемом ВАК, 2 учебно-методических пособия и 1 свидетельство регистрации разработки в отраслевом фонде алгоритмов и программ № 9441.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 70 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 139 страницах
машинописного текста. Работа содержит 48 рисунков и 3 таблицы.
