Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Математическое моделирование технических систем 11
1.1 Некоторые подходы к математическому моделированию технических систем 11
1.2 Краткая характеристика моделируемых систем 19
1.3 Базовый метод физических аналогий и его ограничения 27
1.4 Выводы по первой главе 31
Глава 2. Разработка нового варианта метода моделирования служебных бортовых систем космических аппаратов 33
2.1 Алгоритмическое представление системы уравнений 33
2.2 Моделирование явлений различной физической природы 38
2.3 Алгоритм декомпозиции модели 41
2.4 Подготовка исходных данных и выполнение вычислений 45
2.5 Выводы по второй главе 48
Глава 3. Применение нового варианта метода моделирования служебных бортовых систем космических аппаратов 50
3.1 Модели физических явлений 50
3.2 Моделирование двигательной установки 66
3.3 Моделирование системы терморегулирования 81
3.4 Выводы по третьей главе 88
Глава 4. Разработка проекта системы моделирования 90
4.1 Применение системы в процессах жизненного цикла модели 91
4.2 Интерфейс пользователя 95
4.3 Программное представление составных частей модели 102
4.4 Выводы по четвертой главе 105
Общие выводы и заключение 107
Список литературы 110
- Краткая характеристика моделируемых систем
- Алгоритм декомпозиции модели
- Моделирование двигательной установки
- Интерфейс пользователя
Введение к работе
Актуальность исследования. Задачи управления полетом космических аппаратов (КА) — разработка системы управления и программы полета, подготовка персонала управления, анализ нештатных ситуаций (НШС) и т. д. — решают с использованием модели объекта управления. В составе такой модели присутствуют, как правило, математические модели служебных бортовых систем (СБС) КА, обеспечивающие расчет физических явлений: контактного и радиационного теплообмена, движения заряженных частиц в электрических цепях, течения жидкостей и газов по магистралям, а так же их взаимного влияния.
Модели СБС КА выполняют в приближении сосредоточенных параметров, т. е. пренебрегают пространственной протяженностью элементов исследуемой системы (ИС). Состояние ИС представляют конечным набором фазовых переменных — физических параметров, а физические законы — системой алгебраических и дифференциальных уравнений.
Наиболее сложным этапом моделирования считают создание концептуальной модели — формального представления о протекающих в ИС процессах. Построение концептуальной модели — это искусство, опирающееся на интуицию, эрудицию и изобретательность специалиста.
Для постановки задачи моделирования — перехода от концептуальной модели к математической — применяют различные методы математического моделирования, обеспечивающие представление ИС в виде стандартизованных составных частей (СЧ) и связей между ними.
В настоящее время наиболее распространенным для моделирования технических объектов является метод физических аналогий, в англоязычной литературе известный как методология Bond Graph. Этот метод обеспечивает представление различных физических явлений в виде совокупности типовых элементов, обладающих линейными диссипативными, индуктивными или емкостными свойствами. Для моделирования простого взаимного влияния явлений различной физической природы предусмотрены специальные типовые элементы, описывающие линейные связи между фазовыми переменными.
Одной из отличительных черт СБС КА является их высокая сложность:
зачастую нелинейность является неотъемлемым свойством существенных физических явлений, а линеаризация приводит к неадекватности модели;
взаимное влияние явлений различной физической природы имеет сложный характер;
СБС КА состоят из большого количества элементов и имеют разветвленную структуру связей.
Применение базового метода физических аналогий для моделирования ИС, обладающих перечисленными свойствами, имеет ряд ограничений.
Для создания моделей СБС КА, используемых при решении задач управления полетом, необходимо разработать новый вариант метода математического моделирования, обеспечивающий имитацию нелинейных явлений, их сложного взаимного влияния и допускающий структуризацию моделей.
Цель работы — разработка методологических и алгоритмических основ системы математического моделирования СБС КА.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка нового варианта метода физических аналогий, обеспечивающего создание адекватных моделей СБС КА, а именно: описание нелинейных физических явлений, имитацию взаимного влияния явлений различной физической природы и многоуровневую структуризацию модели.
-
Разработка математического описания существенных для функционирования СБС КА физических явлений и связей между ними в рамках рассматриваемой предметной области. Должны быть созданы модели типовых элементов рассматриваемых СБС КА.
На основе предложенного варианта метода моделирования:
-
Разработка комплекса программ для проведения расчетов. Этот комплекс программ в качестве входных данных должен получать формальное описание структуры модели и моделей типовых элементов, формировать исходные данные для расчета, вычислять невязки между значениями параметров и, используя программные реализации соответствующих вычислительных методов, проводить расчет состояния ИС и его эволюции.
-
Разработка моделей отдельных служебных бортовых систем КА: двигательной установки и системы обеспечения теплового режима, проведение расчетов штатных и нештатных режимов работы этих ИС.
-
Разработка проекта системы математического моделирования, основанной на новом варианте метода моделирования, обеспечивающей создание моделей сложных систем, таких как СБС КА.
Научная новизна.
-
Предложен вариант алгоритмического представления уравнений, описывающих связи между параметрами модели: каждое уравнение должно быть представлено в виде программной функции, вычисляющей невязку между значениями фазовых переменных и их производных. Такой подход позволяет автоматически выполнять синтез всех СЧ в математическую модель ИС и применять известные численные методы для выполнения вычислений. В системах математического моделирования, использующих приближение сосредоточенных параметров, предложенный подход применен впервые.
-
Разработан оригинальный механизм автоматического описания взаимного влияния явлений различной физической природы. Модель ИС разделена на однородные по составу и свойствам детали, участвующие в различных физических явлениях, взаимное влияние которых локализовано внутри та-
ких деталей. Вычислительный алгоритм задействует программные функции, описанные в библиотеке СЧ, имитирующие это взаимное влияние.
-
Модифицирован алгоритм декомпозиции модели ИС на универсальные поддающиеся классификации СЧ. Декомпозицию предложено проводить в три стадии: на первой стадии — по принадлежности элементам структуры, на второй — выделять в элементах структуры аналоги типовых элементов, однородные по составу и свойствам детали, на третьей — рассматривать участие таких деталей в явлениях различной физической природы.
-
Предложена оригинальная модель течения жидких и газообразных веществ по магистралям в приближении сосредоточенных параметров в виде композиции свойств вещества, явлений гидродинамики и теплообмена. Предложенный подход обеспечивает гибкость модели: для моделирования различных типов течения или течения различных вещества необходимо лишь заменить отдельные СЧ в описании структуры модели.
Практическая значимость. Результаты диссертационного исследования, в т. ч. прототипы вычислительных программ, могут быть использованы при создании принципиально новой системы математического моделирования, использующей приближение сосредоточенных параметров. Такая система позволит разрабатывать адекватные модели СБС КА более эффективно.
Принципы и подходы, разработанные в ходе диссертационного исследования, использованы при создании моделей служебных бортовых систем для комплексных моделирующих стендов К А «Союз-МС» и «Прогресс-МС».
Методы исследования. В ходе диссертационного исследования использованы системный подход и процедура декомпозиции.
Математическое описание существенных для функционирования СБС КА физических явлений основано на уравнении Навье-Стокса, законах теплопроводности Фурье и излучения черного тела Стефана-Больцмана, уравнениях расчета электрических цепей.
При разработке расчетного комплекса программ использованы программные реализации методов численного решения нелинейных алгебраических уравнений и методов численного интегрирования.
Достоверность и обоснованность научных результатов проведенных исследований следует из фактов успешного применения предложенного в диссертационной работе подхода, что удостоверено актом внедрения, подтверждено положительным рецензированием научных работ при их опубликовании в рейтинговых журналах.
Апробация. Результаты диссертационной работы доложены на заседаниях научно-технического совета ПАО «РКК «Энергия» имени академика С. П. Королёва» (Королёв, 2015-2017); Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 2014); Научной конференции «Управление в морских и аэрокосмических системах» (СПб, 2014); Международной конференции «Решетневские чтения» (Красно-
ярск, 2014, 2015); Научной конференции «Академические Королёвские чтения» (Москва, 2015, 2016).
Публикация. Основные научные результаты диссертации отражены в 6 научных работах, в том числе в 4 статьях в научных журналах, включенных в Перечень Российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертации, и материалах двух конференций.
Личный вклад соискателя. Все исследования, результаты которых изложены в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю, заимствованный материал обозначен в работе ссылками.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 123 страницах, содержит 33 иллюстрации, 9 таблиц и 19 листингов программ. Библиография включает 66 наименований.
Краткая характеристика моделируемых систем
При решении задач управления КА используют модель БКУ, включающую в себя в том числе математические модели СБС КА. Применяемые математические модели должны отражать функционирование ИС, то есть связи между входными, выходными и внутренними параметрами. По классификации, приведенной в работе [21], такие модели называют функциональными.
Для решения поставленных задач модель должна с достаточной точностью описывать функционирование ИС, т. е. быть адекватной. Следует отметить, что понятие адекватности имеет смысл только в контексте решаемой задачи: для конкретной задачи необходимо с заданной точностью описывать физические явления, существенные именно для этой задачи, более точные и менее точные модели в общем случае не являются взаимозаменяемыми в обе стороны. Например, наиболее детальные математические модели микроуровня в задачах определения проектного облика и управления не применяют в силу отсутствия достаточного количества исходных данных для расчета.
Для решения задач управления сегодня применяют математические модели макроуровня, выполненные в приближении сосредоточенных параметров. Глубину моделирования, как правило, определяют таким образом, чтобы обеспечить имитацию всех наблюдаемых параметров. На беспилотных КА наблюдаемыми являются телеметрируемые параметры, на пилотируемых К А перечень наблюдаемых параметров дополняют параметрами, доступными экипажу.
Рассмотрим пример — систему обеспечения теплового режима (СОТР) КА, схема которой приведена на Рис. 1.3. Дальнейшее изложение настоящей главы предполагает необходимость создания моделей ИС, подобных такой СОТР.
СОТР предназначена для поддержания теплового режима приборов и жилой зоны КА. Работа системы заключается в передаче теплоты от агрегатов и приборов к холодильнику-радиатору (ХР) и излучению ее с ХР в окружающее пространство. Корпус КА, за исключением ХР, укрыт материалом, обладающим близкой к нулю теплопроводностью. Передачу теплоты между элементами СОТР осуществляет циркулирующая по магистралям рабочая жидкость (РЖ).
СОТР содержит два замкнутых гидравлических контура: контур холодильника-радиатора (КХР) и контур жилого отсека (КЖО). КХР разделен на сообщающиеся наружную (холодную) и внутреннюю (теплую) части: РЖ во внутренней части охлаждает приборы, в наружной — охлаждается при течении по змеевику холодильника-радиатора (ЗР). Жидкостный теплообменник ЖТ1 обеспечивает теплообмен между КХР и КЖО, ЖТ2 — съем тепла во время подготовки к пуску. Регулятор расхода жидкости (РРЖ) служит для удержания температуры РЖ во внутренней части КХР в заданном диапазоне путем ограничения потока холодной РЖ из наружной во внутреннюю часть КХР. Насосы HI, Н2, НЗ обеспечивают циркуляцию РЖ, теплообменники ТІ, Т2, ТЗ — съем теплоты с приборов, газо-жидкостный агрегат ГЖА — охлаждение атмосферы жилого отсека. Математическое моделирование этой СБС для информационной поддержки управления КА основано на решении уравнений, описывающих разнообразные физические явления, и подразумевает имитацию, во-первых, внутренних для ИС явлений и, во-вторых, взаимное влияние этих явлений. Существенные для рассматриваемой задачи внутренние явления представлены ниже:
течение РЖ по магистралям КХР и КЖО (описывают ур. неразрывности, Навье-Стокса, энергии среды и состояния РЖ);
теплообмен между РЖ и агрегатами СОТР (з-ны теплопроводности Фурье, сохранения энергии);
течение электрического тока (ур. Максвелла).
Их взаимное влияние проявляют в виде:
тепломассообмена (ур. переноса тепла и массы);
теплового действия электрического тока (з-н Джоуля-Ленца).
Также необходимо моделировать внешние для ИС явления:
теплообмен с атмосферой жилого отсека (ур. Навье-Стокса, неразрывности, теплообмена и состояния атмосферы);
течение РЖ, подаваемой средствами стартового комплекса, через ЖТ2 (ур. Навье-Стокса, неразрывности, состояния РЖ);
излучение тепловой энергии с поверхности ХР (з-н Стефана-Больцмана);
теплообмен между термостатируемыми приборами и агрегатами СОТР (з-ны теплопроводности Фурье, сохранения энергии).
Перечисленные выше уравнения описывают эволюцию состояния всех физически бесконечно малых объемов, образующих ИС, а сами уравнения включают в себя распределения физических величин по объему ИС и их частные производные по времени и координатам. Для рассматриваемого в диссертации класса задач решение этих уравнений микроуровня, с одной стороны, обладает избыточной точностью, с другой — не может быть обеспечено достаточным количеством исходных данных — начальных и граничных условий.
При решении рассматриваемого класса задач используют уравнения макроуровня, выраженные относительно фазовых переменных — сосредоточенных параметров: средних или интегральных по объему элементов ИС значений физических величин. Таким образом описывают весь спектр явлений, включая:
различные физические взаимодействия;
их взаимное влияние;
двусторонние связи между различными системами и подсистемами КА и внешними объектами.
Для моделирования течения электрического тока применяют известные правила расчета электрических цепей, связывающие величины потенциалов в узлах электросхемы, токов и величин электрической проводимости проводников
Для моделирования течения вязких жидкостей по магистралям СБС КА с учетом тепломассообмена используют варианты решения уравнений гидродинамики, учитывающих различные типы течения и тепловых процессов, граничные условия и свойства веществ. Пневматическую или гидравлическую схему представляют в виде графа, узлами которого являются емкости или места разветвления магистралей, а дугами — трубопроводы.
В диссертации при моделировании СОТР был использован вариант решения уравнений гидродинамики для ламинарного течения несжимаемой жидкости по трубе круглого сечения с учетом объемного расширения
Алгоритм декомпозиции модели
В методе физических аналогий используют структуризацию модели на основе декомпозиции: на первой стадии которой всю ИС разделяют на физически однородные подсистемы, а на второй стадии каждую физически однородную подсистему представляют в виде совокупности типовых элементов [21]. Как было показано в главе 1, такой алгоритм структуризации модели не подходит для СБС КА.
В ходе диссертационного исследования был модифицирован алгоритм декомпозиции для обеспечения многоуровневой мультиаспектной структуризации моделей. По сравнению с используемым в базовом методе физических аналогий, новый алгоритм имеет следующие преимущества:
модель ИС предложено разделять по иерархии на модели ее составных частей, обособленных друг от друга и логически, и физически;
декомпозицию модели по структуре предложено выполнять в несколько этапов таким образом, чтобы обеспечить наглядность взаимодействия элементов на каждом уровне иерархии;
модель каждого элемента структуры ИС учитывает явления различной физической природы.
Для осуществления декомпозиции предложено следующее абстрактное представление исследуемой системы:
1. Исследуемую систему предложено представлять в виде древовидной многоуровневой иерархической структуры "Н с количеством уровней п. Элемент иерархии высшего 0-го уровня А — это вся ИС целиком; каждый элемент J +1-входит в состав элемента J-ro уровня иерархии
2. Элементы j + 1-го уровня А +1\ В +1\ С +1 ..., входящие в состав элемента j -ro уровня B J\ непосредственно взаимодействуют только друг с другом, но не с элементами j + 1-го уровня G J+ \ Н 3+ ..., входящими в состав другого элемента j-го уровня С 3 .
Для СОТР из раздела 1.2 элементы ЗР, РРЖ, ЖТ1 непосредственно взаимодействуют только друг с другом, но не с ГЖА, ЖТ2 (см. Рис. 2.2).
3. Внутреннее устройство элементов самого нижнего п — 1-го уровня иерархии предложено описывать как совокупность ОССД и связей между ними.
4. Каждая ОССД, входящая в состав некоторого элемента иерархии, может быть классифицирована как интерфейсная т. е. обеспечивающая взаимодействие этого элемента с другими, или внутренняя — участвующая во внутренних для элемента физических процессах.
5. Взаимодействие элементов одного уровня иерархии осуществляется только через интерфейсные ОССД. Пример структуры ИС, содержащей изображение ОССД и связей между ними, приведен на Рис. 2.3.
6. ОССД участвуют в различных физических взаимодействиях.
Модель ИС предложено разделять на составные части изоморфно этой абстракции: на первой стадии — по иерархической схеме на компоненты, на второй стадии в компонентах выделять простые .модели (ПМ)—модели ОССД, а на третьей стадии ПМ разделять на фрагменты, каждый из которых моделирует явления некоторой физической природы в ОССД. Для синтеза составных частей в модель ИС используют ОС.
По аналогии с теорией графов, наличие изоморфизма ИС и ее модели означает совпадение отношений между узлами. Это касается, во-первых, отношений иерархической принадлежности, во-вторых, отношений, обозначающих взаимодействие элементов одного уровня иерархии, в-третьих, отношений, показывающих участие элемента ИС в различных физических взаимодействий (ФВ).
Ниже приведены некоторые замечания относительно этих составных частей модели.
Компонент является моделью составной части ИС — элемента иерархии Ті. Компоненты образуют иерархию, изоморфную?/, причем компонентом высшего уровня является модель всей ИС. Прототипом компонента является соответствующая составная часть ИС, моделью которой является этот компонент.
Каждый компонент моделирует явления различной физической природы, происходящие внутри его прототипа. Предложено создавать модель этих явлений путем композиции компонента из компонентов следующего уровня иерархии и ПМ, соединенных ОС.
Существуют особые типы компонентов, являющихся моделями элементов системы управления, либо моделями элементов, содержащих в себе устройства автоматического регулирования, либо осуществляющих связь с реальной аппаратурой и сторонними моделями, разработанными без использования изложенного в диссертации варианта метода моделирования. Для таких случаев предусмотрена возможность встраивать в компонент произвольный программный код. Компонент в этих случаях выступает в качестве оболочки для этого кода, передающей значения физических параметров из ПМ в пользовательский программный код и обратно.
Для реализации таких компонентов предложено инкапсулировать в них, во-первых, заданные пользователем параметры и, во-вторых, функции вида (2.1)-(2.3), связывающие параметры этого компонента и его составных частей.
Примеры таких компонентов будут приведены в главе 3. Простые модели, как и их прототипы — ОССД, — могут быть отнесены к интерфейсным, либо внутренним. Первые обеспечивают моделирование связей прототипов компонентов друг с другом, вторые — моделирование внутренних физических явлений, происходящих в прототипе компонента.
Пусть ПМ д и h содержатся в компоненте А 2\ расположенном на 2-м уровне иерархии Ц\ ПМ д является внутренней, а ПМ h — интерфейсной для компонента, как показано на Рис. 2.3.
ПМ дик опосредованно содержатся в компоненте В \ находящемся на более высоком 1-м уровне иерархии Ц, включающем в себя компонент А . Таким образом ПМ дик одновременно содержатся в компонентах причем включает в себя В \ а В включает в себя А 2\ Поскольку ПМ д является внутренней, она инкапсулирована в компоненте и не содержится в явном виде в компоненте В . ПМ h является интерфейсной, в связи с чем она в явном виде содержится в компонентах А ) и В \ в отличие от ПМ д.
Интерфейсные ПМ таким образом в явном виде содержатся одновременно в компонентах нескольких смежных уровней иерархии, обеспечивая «вертикальную» связь между этими компонентами. При помощи интерфейсных ПМ выполняют синтез компонентов низшего уровня иерархии в компонент высшего уровня иерархии.
Фрагменты являются составными частями ПМ и моделируют участие ОССД в явлениях различной физической природы. Фрагменты подробно описаны в разделе 2.2.
Объекты-связи. Для моделирования взаимодействия элементов ИС, находящихся на одном уровне иерархии, в модели предложено задавать объекты, описывающие такое «горизонтальное» взаимодействие. В соответствии с предложенным в диссертационной работе алгоритмом декомпозиции такими объектами являются специальные объекты-связи, содержащие наименования соединяемых ПМ. Один ОС всегда соединяет ровно две ПМ.
Объект-связь описывает соединение одного полюса фрагмента-проводника со фрагментом-узлом. С точки зрения графа ИС это соединение в точности определяет инцидентность дуги — фрагмента-проводника — и узла — фрагмента-узла. Совокупность всех ОС позволяет вычислить матрицу инцидентности.
Декомпозиция ИС по структуре, выделение в элементах структуры интерфейсных ОССД и соединение их при помощи ОС позволяет полностью описать топологию ИС. Учет процессов различной физической природы таким образом, как описано в разделе 2.2, обеспечивает переход к системе алгебраических уравнений и обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). Подход, предложенный в разделе 2.1, позволяет разработать программное представление уравнений, описывающих составные части ИС, и выполнить их совместное решение в рамках проводимых вычислительных экспериментов.
Моделирование двигательной установки
ДУ предназначена для сообщения космическому аппарату (КА) импульса в соответствии с программой, заложенной в систему управления (СУ). По команде от СУ топливная пара под давлением поступает в реактивные двигатели, сгорает, создает реактивную тягу в течение заданного интервала времени. Интеграл вектора тяги по времени есть сообщенный КА импульс. КА оборудован шестью двигателями малой тяги (ДМТ), обеспечивающими построение трехосной ориентации, и одним маршевым двигателем (МД) (Рис. 3.5).
Компоненты топлива под давлением поступают в ДМТ и МД из топливных баков окислителя БО и горючего БГ. Каждый топливный бак разделен на жидкостную и газовую полости эластичной мембраной. Подсистема наддува осуществляет подачу рабочего тела в газовые полости баков БО и БГ под давлением, определенным настройкой редуктора РД. Предусмотрены обратные клапаны КОо, КОг. Наддув может быть отключен управляемым клапаном ЭКН. Управляемые клапаны ЭК01, ЭК02, ЭКГ1, ЭКГ2 обеспечивают подачу топлива в МД и ДМТ. Каждый ДМТ снабжен собственной парой клапанов, по командам СУ открывающей поступление топливной пары в камеру сгорания. Для контроля функционирования ДУ в газовой магистрали установлены датчики давления ДБН, ДН, в магистрали окислителя — ДБО, ДМО, в магистрали горючего — ДБГ, ДМГ, как показано на Рис. 3.6. Сигналы датчиков поступают в СУ.
Для моделирования ДУ были использованы классы фрагментов и связей между фрагментами, описанные в разделе 3.1. Особенности математической модели физических явлений приведены ниже:
Процесс течения газа по магистралям подсистемы наддува — изотермический. Элементы трубопровода обладают гидродинамическим сопротивлением.
Процессы тепломассообмена и теплового расширения компонентов топлива в данной модели были приняты несущественными.
Рассмотрено охлаждение ДМТ вследствие излучения и нагрев при работе и за счет теплового действия электрического тока.
Учтено течение электрического тока в цепи обогрева ДМТ.
Рассмотрена передача команд от СУ к ДУ и сигналов с датчиков в обратном направлении.
В модели рассмотрены связи ДУ с СУ и системой электроснабжения (СЭС). Смежные с ДУ бортовые системы — СУ и СЭС — не являлись предметом исследования, для них были разработаны упрощенные модели, в которых учтены только интерфейсы для связи с ДУ и алгоритмы управления ДУ.
Декомпозиция модели была проведена по алгоритму, предложенному в разделе 2.3. На первом этапе произведена двухуровневая структурная декомпозиция модели согласно схеме, изображенной на Рис. 3.7. Модель ДУ разделена на модели подсистем, а модель каждой подсистемы — на модели элементов.
На втором этапе декомпозиции в модели каждой составной части были выделены интерфейсные ПМ, а устройство моделей нижнего (второго) уровня иерархии представлено в виде совокупности ПМ и ОС.
Структура модели, содержащая компоненты различных уровней иерархии, интерфейсные ПМ и соединяющие их ОС, изображена на Рис. 3.8.
Модель ДУ разделена на составные части — модели подсистемы наддува, базового блока, подсистемы ДМТ. Модели составных частей ИС в разделе 2.3 были названы компонентами. Каждый компонент, моделирующий определенную подсистему, был разработан отдельно как совокупность ПМ, ОС и компонентов низшего уровня — моделей элементов структурной схемы (см. Рис. 3.7). Перечень классов компонентов второго уровня иерархии приведен в Таблице 3.5.
Перечисленные классы компонентов были разработаны в виде совокупности ПМ и ОС. Для моделей клапанов РД, КОо, КОг, ЭК01-2, ЭКГ1-2, ЭКН были дополнительно разработаны программные функции, вычисляющие величину гидродинамического сопротивления (см. ниже). Для моделей датчиков давления ДН, ДБН, ДБО, ДБГ, ДМО, ДМГ — программные функции, вычисляющие величину выходного сигнала. Для моделей двигателей МД, ДМТ1-6 — программные функции, учитывающие характеристики двигателя, вычисляющие гидродинамическое сопротивление для каждого из компонентов топлива и величину тяги, создаваемую двигателем.
Структура разработанных компонентов показана на Рис. 3.9-3.11.
ПМ, изображенные на Рис. 3.9-3.11, разделены на несколько типов по функциональной принадлежности. Каждый тип ПМ представлен комбинацией фрагментов определенных классов. Состав ПМ каждого типа приведен в Таблице 3.6.
Более подробно некоторые классы компонентов описаны в Таблице 3.7. Для каждого класса компонентов низшего уровня было разработано программное представление, включающее, во-первых, описание внутренней структуры— перечня ПМ и ОС, — во-вторых, дополнительные параметры, и, в-третьих, программные функции, обеспечивающие связь параметров составных частей компонента. Эти классы компонентов, как и классы фрагментов, были реализованы на языке Python 3 в виде структур данных «словарь». Пример описания класса компонентов приведен в приложении П. 1.3.
Моделирование нештатных ситуаций. В диссертации было проведено моделирование в том числе нештатных режимов функционирования ДУ, требующих корректировки модели. Перечень рассмотренных нештатных режимов приведен ниже:
а) непрохождение сигнала на включение ДМТ1;
б) неоткрытие или незакрытие клапана ЭК01;
в) нерасчетная величина тяги ДМТ1;
г) нерасчетный коэффициент проводимости клапана ЭК01;
д) нерасчетная характеристика датчика ДБГ;
е) утечки из пневмо- и гидромагистралей;
ж) негерметичность редуктора наддува РД;
з) нештатная характеристика обратного клапана КОо;
и) учет зависимости удельного импульса и тяги ДМТ от температуры.
Для корректировок модели, перечисленных в п.п. а) и б), по аналогии с языками описания релейно-контактных схем были предусмотрены «блокировки», позволяющие зафиксировать и запретить изменение во времени состояния заданного параметра или группы параметров. Реализованы следующие блокировки:
1. Блокировка параметра.
Была предусмотрена возможность блокировки выбранных параметров фрагментов, ПМ или компонентов. В каждый объект была добавлена структура данных типа «список» (list), содержащая имена заблокированных параметров. Пример структуры данных, описывающей блокировку параметров фрагмента класса «Пб» (см. [50]), показан в приложении П.1.4.
2. Блокировка выбранной составной части модели целиком.
В некоторых случаях оказывается полезной возможность блокировки всех параметров и всех программных функций составной части модели одновременно. Для этого в каждом объекте был предусмотрен специальный признак блокировки. Пример описания объекта «БН» с таким признаком приведен в приложении П. 1.5.
Блокировка составной части «БН» обозначает также рекурсивную блокировку всех агрегированных составных частей, здесь — всех фрагментов, входящих в ПМ «БН.А» и всех связей между этими фрагментами.
3. Частичная блокировка ОС.
Была предусмотрена возможность заблокировать выбранные соотношения инцидентности, описываемые объектом-связью. Пример описания приведен в приложении П. 1.6.
Интерфейс пользователя
Визуализация схемы модели. В разрабатываемой САПР предусмотрен графический интерфейс пользователя, в основе которого лежат визуализация схемы модели ПС и возможность ее интерактивного редактирования.
Визуализация подразумевает отображение составных частей модели и отношений между ними с помощью графических объектов. Пользователь САПР работает с одним из слоев отображения модели ИС: структурной схемой, полной принципиальной схемой или схемой модели явлений выбранной физической природы. Структурная схема содержит схематичное изображение компонентов, интерфейсных простых моделей (ПМ) и соединяющих их ОС. Полная принципиальная схема дополнена изображением полюсов и детализацией ОС по явлениям различной физической природы. Схему модели явлений выбранной физической природы САПР формирует путем синтеза изображений элементов, принятых в конкретной предметной области. В любом из слоев предусмотрена возможность построения схемы как отдельного компонента, так и всей ИС.
Редактирование модели заключается в добавлении новых компонентов в модель, удалении или изменении свойств существующих компонентов, создании, правке и удалении ОС. Размещение компонента при его создании указывает пользователь САПР. Для изменения свойств предусмотрены соответствующие элементы интерфейса. ОС на структурной и полной принципиальной схемах изображаются в виде линий.
Эскиз варианта общего вида интерфейса САПР приведен на Рис. 4.1.
В проектируемой САПР предусмотрена возможность редактирования элементов только одного уровня иерархии, инкапсулированных непосредственно в редактируемый компонент. Компоненты, соединенные с редактируемым при помощи ОС, а так же компоненты следующих уровней иерархии, для удобства приведены на схеме, но недоступны для редактирования (подробнее см. ниже).
Структурная схема модели ПС представляет в графическом виде структуру одного компонента, включая 1) его интерфейсные ПМ, 2) инкапсулированные компоненты низшего уровня иерархии и 3) соединяющие их ОС.
В качестве примера на Рис. 4.2 приведена структурная схема модели подсистемы ДМТ — составной части модели ДУ, рассмотренной в разделе 3.2.
На Рис. 4.2 представлены компоненты «СУ», «СЭС» и «базовый блок», являющиеся, соответственно, моделями системы управления, системы электроснабжения (СЭС) КА и базового блока ДУ (см раздел 3.2). Перечисленные модели приведены на схеме, поскольку имеют непосредственные связи с моделируемым компонентом «подсистема ДМТ».
Схемы явлений различной физической природы в проектируемой САПР предложено выполнять в соответствии с принятыми в конкретной предметной области обозначениями. Такие схемы может разрабатывать специалист предметной области, обладающий минимальными знаниями об используемом варианте метода моделирования. Для создания таких схем составным частям модели ставят в соответствие принятые графические обозначения.
В качестве примера на Рис. 4.3 приведены пневмогидравлическая, электрическая и тепловая схемы исследуемой системы — подсистемы ДМТ ДУ (детальное описание модели ДУ приведено в разделе 3.2).
Для снижения трудоемкости отладки в проектируемой САПР предусмотрена анимация схем моделей физических явлений путем 1) отображения числовых значений параметров и 2) замены изображений составных частей модели при заданных условиях. Данные элементы анимации должны быть предусмотрены на этапе разработки библиотек стандартных компонентов.
Кроме отображения параметров модели на схеме модели физических явлений, должна быть реализована возможность отслеживать значения указанных пользователем переменных в специально предусмотренном отладочном окне, а так же визуализация эволюции параметров на графиках зависимости параметров от времени и фазовых плоскостях. Такие возможности актуальны, например, при оценке адекватности разработанной модели ИС.
Полная принципиальная схема модели является расширением ее структурной схемы: на полной принципиальной схеме должно быть изображено разделение ПМ на фрагменты, уточнено, какие физические явления моделируют и к каким полюсам подключены ОС. Такая схема позволяет судить о детальном функционировании модели ИС. Полная принципиальная схема по своему содержимому эквивалентна сочетанию схем моделей всех существенных физических явлений, но выполнена в обозначениях, характерных для нового варианта метода моделирования, а не для предметной области.
Примеры полных принципиальных схем приведены в разделе 3.2. Ниже на Рис. 4.4 изображен эскиз полной принципиальной схемы модели подсистемы ДМТ. Обозначения типов ПМ приведено в Таблице 3.6.
Расширение набора стандартных элементов. В проектируемой САПР предусмотрен интерфейс пользователя для создания новых классов компонентов. Класс компонентов обобщает компоненты, обладающие общей структурой и различными значениями варьируемых параметров. Значения таких варьируемых параметров определяет разработчик модели при создания экземпляра класса.
Интерфейс разработки классов компонентов аналогичен интерфейсу разработки компонентов (см. выше). Кроме описания структуры, каждый класс компонентов должен содержать набор свойств — параметров, определяемых при создании экземпляров класса. Для определения свойств класса должны быть предусмотрены специальные окна ввода наименований свойств класса и связи этих свойств с параметрами элементов структуры экземпляров класса.
Для класса компонентов может быть определен набор методов, определяющих зависимости между параметрами компонента. Каждый метод должен вычислять значение параметра компонента, невязку между параметрами компонента и его составных частей, или величину производной параметра по времени (см. раздел 2.3). Для задания такого рода зависимостей предусмотрено:
указание текстового представления формулы метода для расчета при помощи предусмотренного в составе расчетного ПО интерпретатора;
вызов программной функции из подключаемой библиотеки.
Для класса компонентов может быть определен набор изображений, используемых при построении схем моделей физических явлений, и условия выбора изображений. Для каждого класса компонентов должны быть определены точки, изображающие полюса фрагментов, относящихся к явлениям моделируемой физической природы, принадлежащих интерфейсным ПМ экземпляра класса.
Моделирование явлений выбранной физической природы в соответствии с новым вариантом метода моделирования предложено выполнять путем синтеза составных частей — ПМ, состоящих из фрагментов, и ОС. При моделировании физических явлений разрабатывают классы фрагментов, обобщающие однотипные фрагменты, обладающие различными значениями варьируемых параметров. Для каждого класса фрагментов определяют члены —свойства и методы. Каждое свойство описывает некий физический параметр, присущий выбранным физическим явлениям и роли фрагмента, каждый метод определяет связь между параметрами фрагмента (см раздел 2.2).
В составе проектируемой САПР предусмотрен интерфейс пользователя, обеспечивающий создание новых классов фрагментов: ввод наименования класса, символьного идентификатора моделируемых физических явлений, свойств и методов. Методы новых классов фрагментов предложено определять аналогично методам классов фрагментов.
Программное представление ОС, служащих для определения топологии модели, предложено выполнять в специально предусмотренном интерфейсе пользователя. Для каждого класса ОС этот интерфейс должен обеспечивать ввод:
наименований соединяемых классов фрагментов и полюсов;
наименования параметров соединенных фрагментов, связанных соотношениями инцидентности (см. раздел 2.2);
значение элементов матрицы инцидентности.