Введение к работе
Актуальность проблемы Современный этап развития подвижней наземных объектов (ПНО) характеризуется, с одной стороны, существі иным расширением функций, выполняемых ими, что требует от оператора изве лиых навыков управления соответствующим оборудованием С другой сторон а, относительно высокая сложность и стоимость самого объекта и оборудо іания, решающего целевые задачи, дороговизна углеводородных энергоносителей и расходных материалов делает проблематичным обучение операторов, осі ован-ное на управлении реальными объектами в естественных условиях С т] етьей стороны, острая конкуренция на рынке объектов исследуемого класса тр 'буют постоянной модернизации аппаратных средств, что предъявляет жесткие условия к срокам освоения операторами новой техники
В этих условиях остро встает проблема сокращения сроков и повьп іения качества массовой подготовки операторов Указанная проблема во всех ш дуст-риально развитых странах мира решается путем замены на ранних этапа, обучения реального управляемого комплекса его аналогом (тренажером), в< здей-ствующим на оператора при соответствующем управлении, так же, как 11 воспроизводимый объект, и обеспечивающим имитацию различных режимов работы, в том числе нештатных ситуаций Это, в свою очередь, порождает прої ілему сокращения сроков и повышение качества проектирования тренажеров, в частности, освоения промышленного выпуска тренажеров параллельно с освої ниєм в производстве воспроизводимых на них объектов
Любой тренажер представляет собой физическую модель, подобнуо реальному объекту в заданных релевантных аспектах В частности, основ іьіми параметрами подвижных наземных объектов, с которыми сталкивается оператор при управлений ими, являются параметры движения, а также парагі етры оборудования, решающего целевые задачи При этом, если физическую м )дель рассматривать как объект проектирования, то она представляет собой ело. <ную эргатическую информационно-измерительную и управляющую систему. В этой системе оператор манипулирует имитаторами органов управления, указанные манипуляции измеряются датчиками сенсорной подсистемы, и обрабатывг ются на ЭВМ Затем приводятся в действие исполнительные подсистемы трена кера, и в результате на оператора должно оказываться механическое, тактильное, звуковое, световое, и прочие воздействия, аналогичные соответствующе воздействиям реального ПНО
Информационно-измерительная система является одной из основи лх в тренажере Именно от точности измерения моторной реакции оператора, ідек-ватности обработки измерительной информации и полноты воспроизве; ения воздействий на оператора зависит уровень статического, динамического 11 информационного подобия тренажеров реальным ПНО, что в конечном итог; определяет эффективность их применения при подготовке операторов
Проблемы целенаправленного проектирования тренажеров ПНО реї. [ены далеко не полностью В частности не сформирована общая концепция и s іето-дология целенаправленного синтеза информационно-измерительных и упр< вля-ющих систем физических моделей, обеспечивающих в совокупности с из исполнительными устройствами и механизмами воспроизведение релеван пых
свойств реальных объектов при воздействии на них со стороны оператора, оптимально соответствующее свойствам ПНО
Все это объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации
Таким образом, объектом исследования диссертационной работы являются информационно-измерительные системы тренажеров подвижных наземных объектов, которые измеряют состояние имитаторов органов управления и за счет обработки измерительной информации обеспечивают реакцию физических моделей в ряде релевантных аспектов точно такую же, как и реакция моделируемого объекта
Вследствие того, что задачи, решаемые в диссертации, и полученные результаты могут быть применены, в том числе и для железнодорожных, морских, воздушных средств базирования спецоборудования, объект исследования может быть расширен до класса объектов
Важным требованием, предъявляемым к информационно-измерительным и управляющим системам физических моделей исследуемого класса, является воспроизведение с заданной точностью релевантных характеристик оригинала Таким образом, предметом исследования диссертации являются характеристики информационно-измерительных и управляющих систем, обеспечивающие статическое, динамическое и информационное подобие физической модели реальным объектам, а также методы целенаправленного изменения указанных характеристик за счет технических решений, закладываемых в системы на этапе проектирования, производства и эксплуатации тренажеров
В диссертационной работе использован подход, к описанию тренажерной техники, основанный на аналитических методах математического моделирования Математические модели, разработанные в рамках примененного подхода, базируются на теориях- подобия, систем, сигналов, управления и принятия оптимальных решений Для описания механических воздействий на оператора как со стороны ПНО, так и со стороны его физической модели, использовались методы теоретической механики Впервые для формирования концепции и методологии целенаправленного синтеза информационно-измерительных и управляющих систем физических моделей теория подобия объединена с теорией принятия оптимальных решений
Диссертационная работа является дальнейшим развитием теории и методологии проектирования тренажеров, различными аспектами которой занимались П М Алабужев, В Б Геронимус, В А Веников, М В Кирпичев, Ю Б Под-чуфаров, М А Мамонтов и др (теория подобия), А С Бабенко, В А Боднер, Р А Закиров, В С Шукшунов, и др (теория проектирования тренажеров как технических систем) Из зарубежных специалистов подобные исследования проводили Д А Браун, И Голдстейн, Ж. Кристенсен, Дж О'Брайен, Г Савледи, Д Холдинг, Р Эбертсидр
Цель диссертации состоит в разработке концепции и методологии создания информационно-измерительных систем физических моделей, обеспечивающих оптимальное подобие релевантных параметров тренажеров аналогичным параметрам реальных подвижных наземных объектов
В соответствии с поставленной целью в диссертации решены след} ющие задачи
Определены поколения развития тренажеров, а для тренажеров п эслед-него, четвертого поколения дана их общая классификация, определены структурные особенности и обозначены проблемы, возникающие при разрабо ке их информационно-измерительных и управляющих систем, обеспечивающих подобие физических моделей воспроизводимым объектам
Введены понятия реальных, виртуальных и релевантных парам пров, показано, что пространство релевантных параметров лежит на пересечен ш реального и виртуального пространств
Введено понятие подобия, как расстояния между векторами ии как расстояния между годографами векторов в пространстве релевантных па{ амет-ров, и предложено использовать указанное расстояние в качестве критер] ся подобия при физическом моделировании объекта, дана классификация титов и критериев подобия, для каждого типа критериев получены зависимости, определяющие уровень подобия
Доказано, что в случае, если критерием подобия является квадра" расстояния между годографами, то он может быть определен по спектральнь м характеристикам соответствующих величин
Определена общая структура тренажерного комплекса, где выде іеньг концептуальный уровень, уровень аппаратных средств, уровень математических моделей, уровень программного обеспечения, для каждого уровня or реде-лены компоненты, составляющие структуру тренажера четвертоголюколе? ия
Сформирована общая система дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающая движение ПНО в трехмерном пространстве пох действием приложенных к нему сил воздействия дороги, сопротивления Д] иже-нию, движущих сил движителей, функционирующего оборудования, реша още-го целевые задачи
7. Получена система неоднородных дифференциальных уравнений, описывающая функционирование двигателей внутреннего сгорания или дизе гей в момент их разгона и нормальной работы, а также связывающих режимы ра 5оты двигателей с параметрами продольного движения ПНО
8 Разработана аналитическая модель формирования шумового фона внутри кабины ПНО, учитывающая характер возбудителей шума, наличие ре' они-рующих поверхностей, а также различных каналов передачи звука от источ пика к месту его восприятия, показано, что ряд параметров шума зависит от іегу-лярной составляющей возбудителей шумового сигнала и связаны с работав >щей двигательной установкой и элементами трансмиссии, а другие параметрі і являются следствием случайных воздействий дороги, сухого трения и других факторов
9. Разработана модель формирования светового сигнала, воспринима гмо-го в точке наблюдения оператором или техническим регистрирующим пр ибо-ром, получены зависимости для расчетов фотометрических параметров к местоположения соответствующей точки окружающей среды на плоскости воспринимающих элементов системы восприятия при маневрах ПНО и целей
Получен ряд зависимостей, описывающих управление системой, решающей целевые задачи, силовое воздействие системы на ПНО и информационное воздействие (шумовое и визуальное в виде поля зрения оптических средств наблюдения) на оператора
Получены выражения для варьируемых параметров физической модели при достижении абсолютного статического подобия в линейных системах без ограничений на релевантные параметры объекта и его физической модели, показано, что в качестве варьируемых могут быть выбраны любые N К конструктивных параметров физической модели
Определены условия, при которых необходимо переходить от абсолютного статического подобия к статическому практическому подобию, и показано, что для критерия, определяемого как сумма модулей, задача достижения практического подобия может быть сведена к задаче линейного программирования
Сформулирована задача достижения практического подобия с квадратичным критерием и получены условия для ее решения методом неопределенных множителей, а также методом линеаризации критерия качества
Решена задача достижения абсолютного динамического подобия в информационно-измерительных системах, описанных линейными дифференциальными уравнениями при отсутствии ограничений на релевантные параметры объекта и его физической модели, а также на варьируемые параметры физической модели, в том числе и для случая, когда математическое описание представлено в виде передаточных функций
Показано, что при несовпадении порядка дифференциальных уравнений объекта и его физической модели может быть достигнуто лишь практическое динамическое подобие, причем задача его достижения сводится к задаче конечномерной оптимизации, предложен метод параметрического решения динамической задачи с применением теоремы Куна-Таккера и с применением метода линеаризации критерия подобия.
16. Разработан принцип фрагментации математического описания подвижного наземного объекта, согласно которому общая математическая модель разбивается на ряд фрагментов, каждый из которых описывается отдельной, и как правило, более простой системой дифференциальных и/или алгебраических уравнений
17 В соответствии с принципом фрагментации описаны следующие ме
ханические и информационные воздействия на оператора
воздействие со стороны дороги с заданным микропрофилем, воздействие со стороны оборудования в момент решения целевых задач, шумовое воздействие от работающего оборудования, информационное воздействие по визуальному каналу
18 На основании анализа передаточных функций и спектральной плотно
сти сигналов, воздействующих на оператора, сделан вывод о возможности за
мены сложного механического воздействия суммой двух гармонических сигна
лов, частота одного из которых соответствует максимуму частотной характери
стики передаточной функции механического фильтра, а частота второго соот-
ветствует частоте воздействия многоопорной конструкции, или микрощ офиля дороги
Разработан принцип и получены зависимости упрощенного оп юания продольного движения ПНО с колесными и гусеничными движителями, ]. котором учтены макрорельеф местности и динамика силовой установки
Разработан принцип моделирования структурированного шума методом фильтрации белого шума
На основании анализа сцен, формируемых при создании информационного подобия движения ПНО на реальной местности, сделан вывод о и глесо-образности кусочно-линейного синтеза образа сцены, что позволяет суще ;твен-но понизить вычислительную сложность изменения параметров изображения при имитации маневров ПНО и целей
22 Определены особенности проектирования информационно-и. мери
тельных систем тренажеров, как эргатических комплексов, представляющих
собой физические модели подвижных наземных объектов
23 Проведена экспериментальная проверка разработанных методо і про
ектирования информационно-измерительных систем физических моделе] і под
вижных наземных объектов на ряде тренажерных Комплексов, произво; имых
промышленностью.
Научные положения, выносимые на защиту, обладающие научш й новизной
Сформулирована концепция и разработана методология создашя ин-формагзюнно-измерительных и управляющих систем тренажеров, обеспе чива-ющих в этом типе физических моделей воспроизведение релевантных ев ойств реальных подвижных наземных объектов с оптимальным уровнем подоби;
Предложена классификация видов подобия и получены зависиь ости, связывающие релевантные параметры объекта и аналогичные параметры ризи-ческой модели в критериях подобия каждого вида
Решены общие задачи достижения абсолютного статического и тдна-мического подобия за счет вариации параметров информационно-измерительной и управляющей системы физической модели при условии ограниченного размера матрицы изменяемых коэффициентов по сравнению с размернс стью матрицы коэффициентов неизменяемой части
Сформулирован ряд оптимизационных задач достижения практич зско-го статического и динамического подобия, для чего разработаны критери \ оптимизации и системы ограничений, для каждой задачи оптимизации пред: оже-ны методы их решения.
В соответствии с концепцией воспроизведения релевантных свойств объекта в его физической модели разработана общая математическая модель управления реальным физическим объектом, описывающая механическое и информационное (звуковое и визуальное) воздействие на оператора как эеак-цию на его манипуляции органами управления реального объекта
Предложен метод фрагментации и последующих упрощений комплексной математической модели объекта для его реализации в информаї ион-но-измерительной системе тренажера
7 Разработан способ и предложена схема конструирования информационно-измерительной системы тренажера для воспроизведения на нем релевантных факторов объекта, воздействующих на оператора,
Принципиальный вклад в развитие теории информационно-измерительных систем тренажеров
Концепция и методология оптимального проектирования информационно-измерительных систем тренажеров, как физических моделей, воспроизводящих релевантные, для конкретного класса учебно-тренировочных задач, свойства реальных подвижных наземных объектов, и находящихся в отношении подобия с ними.
Система зависимостей для критериев подобия, отражающих цели проектирования физической модели и связывающих релевантные для данной цели параметры объекта и тренажера
Математические выражения для прямых расчетов варьируемых параметров информационно-измерительной и управляющей системы физической модели при достижении абсолютного статического и динамического подобия
Формулировка задач достижения практического подобия как оптимизационных, разработка для каждой оптимизационной задачи критериев, системы ограничений, и метода решения
Общая математическая модель управления реальным физическим объектом и фрагментация модели для сокращения вычислительной сложности ее реализации в виртуальном объекте информационно-измерительной системы физической модели
Метод целенаправленного конструирования информационно-измерительных систем физических моделей, реатизованный в ряде практических разработок тренажеров
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные в диссертации концепция и методология ориентированы на использование при проектировании информационно-измерительных и управляющих систем как вновь разрабатываемых, так и модернизируемых тренажеров, что позволяет повысить до оптимального уровень их подобия при воспроизведении релевантных характеристик подвижных наземных объектов, а также сократить сроки разработки аппаратных средств и программного обеспечения
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата и успешным применением методологии при решении практических задач по разработке информационно-измерительных и управляющих систем тренажеров подвижных наземных объектов
Реализация и внедрение результатов Разработанные в диссертации концепция, методология, методы и методики внедрены в промышленность при выполнении следующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения»
разработка динамических тренажеров экипажей танков Т-72Г, Т-80У, Т-90, Т-90 С,
разработка тренажеров боевых отделений танков Т-72Г, Т-80У, Т-9С, Т-90 С,
разработка тренажеров боевых отделений модернизированных б >евых машин пехоты БМП-2, БМП-3, боевой машины десанта БМД-4
создание комплексного тренажера экипажей огнеметной системы Т( >С1 А
Ряд теоретический положений внедрен в учебный процесс Тульско *о государственного университета на кафедре «Робототехника и автоматизаци t производства» в лекционных курсах по дисциплинам. «Теория автоматического управления», «Основы информационных устройств роботов», «Математические основы теории систем»
Апробация работы Основные положения диссертации докладыв їлись на следующих конференциях и семинарах
XVI, XVIII и XIX Международные научные конференции «Мате дати-ческие методы в технике и технологиях» ММТТ-16 - Санкт Петербург Спб ГТИ (ТУ), 2003, ММТТ-18 - Казань, КазГТУ, 2005, МКТТ-19 - Воронеж, Е ГТА, 2006
XXI, XXIII, XXIV Научные сессии, посвященные Дню радио - Гула, НТО РЭС им Попова, 2003, 2005, 2006
Всероссийские научно-технические конференции «Проблемы с 1ЄЦИ-ального машиностроения» - Тула, ТулГУ, 2003, 2005, 2006
Межрегиональная научно-техническая конференция «Интеллектуальные и информационные системы» - Тула, ТулГУ, 2005
„5 Межвузовская научно-техническая конференция «Гидропневмс автоматика и гидропривод - 2005» - Ковров КГТА, 2005
6. Всероссийская научно-техническая конференция, посвященна) 50-летию кафедры САУ - Тула, ТулГУ, 2006
Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция «Сие семы управления электротехническими объектами» - Тула, ТулГУ, 2007
Научно-практические конференции профессорско-преподавателы кого состава кафедры «Робототехника и автоматизация производства» Тулы кого государственного университета 2003,2004,2005 и 2006,2007 гг
По теме диссертации опубликовано 47 работ, включенных в список ште-ратуры, в том числе- 19 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1) патентов, 1 монография и 16 публикаций, представляющих материалы или те зисы докладов на конференциях
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пят* разделов, изложенных на 281 странице машинописного текста и включающі х 89 рисунков, 7 таблиц, заключения, приложения на двух страницах, содержа цего акты внедрения результатов исследований в учебный процесс и промышленность, а также списка использованной литературы из 243 наименований
