Введение к работе
Актуальность теш. Газотурбинный двигатель - техническая об'єкт, яарактеризукшйся шюгообразиыми физико-химическими процессами, протекающими при экстремальных температурах, скоростях, напряжениях и т.д.-
Проводжає в настоящее врека исследования с математическими моделям <Ш) ЕРД, должны максимально затрагивать профессиональную сферу деятельности пользователя и не требовать от него высокой подготовки в области ЭВМ. В этой связи необходимо отметить, что внедрение в производственный и учебный процесс интеллектуальных систем моделирования ВРД (экспертных систем - ЭС) с современной организацией интерфейса позволит основное внимание пользователя сосредоточить на отработке творческих начал (работа с базой знания, экспертной системой, базой данных и т. д.). Кроке этого, к положительным моментам при работе с интеллектуальными системами относятся возможность:
решен-ія целого класса задач на одной и той кэ !
быстрой корректировки отдельных понятий и- связующи уравнений, входящих в Iflft
просмотра алгоритма решения задачи;
просмотра маршрута "рассуждений" ЭС;
сравнительного.анализа собственного решения задачи с машинными результатами и т. д.
Применение принципов концептуального программирования * к моделированию ВРД позволяет представить знания в области ЕРД в виде иерархической совокупности понятий, развивавшие технологии моделирования двигателя. В общем комплексе проблем создания систем моделирования применение методов искусственного интеллекта, базирующихся на современных технических, программных, информационных и других средствах в настоящее время является актуальной задачей.
Цель работы - разработка интеллектуальных систем иоделиро-вания ВРД на современных программно-технических комплексах, позволяющих за счет концептуальной технологии моделирования ВРД решать широкий класс задач экспресс-расчетов, моделирования'!! исследования авиационных двигателей в исследовательских, проект-
*Тыугу Э. х. Концептуальное программирование М.; Наука, 1984. - 255с.
- 4 -них, производственных и учебных организациях. В работе защиіааотся;
предложенные концепции построения систем моделирования ВРД;
принципы построения гибких математических моделей ВРД в гибридной ЗС;
предложенные 'архитектуры, алгоритмы, функционирования и программ-но реализованные системы моделирования для ЕС ЭВМ и ПЭВМ;
методы организации взаимодействия различных уровней представления информации в предложенных архитектурах систем моделирования;
результаты анализа эффективности разработанных систем;
-.результаты практической апробации работы систем,моделирования по теории ВРД. Научная новизна обусловлена разработанными.-
концепциями построения систем моделирования ВРД;
методом моделирования физических процессов ВРД;
обобщенным алгоритмом формирования концептуальной модели ГТД в интегрированной среде ЭкспертПРЕЗ;
алгоритмами- . функционирования, и программно реализованными системами моделирования ВРД для СВМ ЕС и ПЭВМ;
методикой использования систем моделирования в качестве продукта новой информационной, технологии - компьютерного задачника по теории ВРД.
Практическая значимость -и полезность работы. Подученные результаты позволили sa счет расширения номенклатуры решаемых задач, реализованных а системах моделирования, в сочетании с дружественным інтерфейсом . повысить гффектиБность . работы иняене-ров-расчетчиков в КБ дл?, проведения акспресс-расчетов, моделирования, и ксоледованкя'ЕРЛ, -"й5исеэ успекно решать учебныо задачи (исследования, ц/рсовоа ц.дцдломкоэ проектирование). ;
Разработанные системашдзлірсщашш для ЕС ЭШ радаЗ и ГОЗМ'ЕнедранЫ:!Щ'Чйтор'Ч.а.їаіа»-в .учгбіїїй процесс кафедр АД, ПГМ УШУ « шгшіїогорсіюго горцсметайлурпічзокого института.
іЬто.пнкссле^оштщУбаато^тсг» из. теоріа авиационных двига-'
телей, .шгешгиЧ5С}>ог6 гадо4іфо?йїіш*'.ьа^лзііого аогперкмента,
концептуального прогрсцалфоїашй,- йвтомапічес;«>го сіштеза -.
программ, разработки шдагЬв'-ц&асздЕщ пр,огра;с,!, экспертных
систем.' .- "' '- ,
Апробация' Еаботм, Основній' подэйзпия і: результаты диссертационной раЗогы докладывались а оОсуздадись;иа. ряде каучяо-тех-
-5-. . '
нических конференций и семинаров, в том числе: на Всесоюзной научной конференции "Декомпозиция и коордюгация в сложных. системах" (г. Челябинск,ЧТИ, 1986);на региональной научно-методической конференции вузов Урала и Сибири " Компьютерная технология в учебном процессе в"ысшей іисоли" (г. Челябинск,ЧПИ, 1989);на Всесоюзной научно-методической конференции " Комплексная компьютеризация учебного процесса высией ' школы'1 (г. Ленинград, ЛСИ,198Э);иа Всесоюзной научно-технической конференции " Состояние я перспективы развития электротехнологии" (г. Иваново, ЮМ, 1989); на Всесоюзной'научно-технической-конференции " Диалог человек-ЭЕЧ " (г. Свердловск, СПИ, 1989); на региональной научно-практическом семинаре " Использование вычислительной технкгаї в учебном процессе " (г. Челябинск,ЧПИ; 1989);на Всесоюзных Гага-рикских научных чтениях по космонавтике и авиации (г.Москва,АН СССР, 1991); на Всесоюзной выставке-семинаре " Новые информационные технологии в вьтазй школе" (г.Гурзуф, 1991);на международной конференции "Икформатика-91" (г.Самара. 1091); на семинаре з институи кибернетики АН Эстонии (г. Таллинн, ПК Зстошш.1992).
Публикации. Основное. содержание диссертационной работа . опубликовало в 5 статьях ив 9 тезисах Докладов.
Структура работы. 'Диссертация состоит' да'введения, четырех глав, заключения, списка літератури я пргшлзшія. Основная часть работы излокена.на 127 страницах мзЕтоппского текста, содеркэт 32 рисунка; 15 таблиц, 146 наименований использованных литературных источников.
Автор' віфакгет глубокую благодарность своему учителе, доктору технических-'наук,, профессору Ахмедзякозу. A. ft за обстоятельные консультации по вопросам теория ЕРД я поддержу а работе, а такта яедагсгическому коллективу кафэдр_ АД я ПП.Ї.
СОДЕРЖАНИЕ-РАБОТЫ
Во- введении обосновывается актуальность- тема диссерта- ции, определяется цель работы и показывается необходимость разработки интеллектуальных систем моделирования .ЕРД.-
В первой главе дается обзор работ по методам и подходам d практике построения систем моделирования-(СМ). Рассматриваются инструментальные средства для построения экспертных систем (SC), классификация знаний и спосббы их применения в ЭС. Инструменталь-
кая ЗС - это средство для создания и использования ЭС, обязательным компонентом которой является встроенный механизм логического иызода. Ключевым моментом при построении ЭС является создание базы знании (БЗ) для конкретной проблемной области (теория БРЇЇ). Сформулирован ряд задач, которые решаются в процессе общения пользователя с системами моделирования, а также указывается одно из перспективных направленій - интеллектуализация инструментальных средств. Отмечается вклад е развитие научных основ данного' направления ряда ученых: Гдускова В. Ы., Дука К. Д., Петренко А. И. , Поспелова Г. С., Поспелова Д. А.. Тыугу Э. X , а применительно к моделированию ВРД Ахмедзяиова А. Ы., Гумерова X. С.. Дружинина Л. Н., КоБнера Б. С.. Кулшюва Г. Г., 1!аслова В. Г., Тунакова А. П. и др.
Выявлены особенности интеллектуальных систем моделирования, обоснована целесообразность их применения. Проведена классификация инструмзнталышх 30. Отмечается, что проблема представления и применения знаний занимает центральное место в обвей проблеме создания ЗС. Знания ладей-экспертов, которыми они располагают и на которые опирается пользователи при решении конкретных задач, разнородны. Среда зтих знаний можно выделить следующие: концептуальные, конетруктивдие, процедурные, фактографические.
Па строгости и однозначности знания разделяются «а : поверхностные и глубинные; гвсткие и иагкие. По применяемости в конкретной системе, знания могут быть классифицированы как экспертные (более иагкие и поверхностные) и концептуальные (более жесткие п фундаментальные).
Проведенный автором анализ существующих систем моделирова
ния показал, что данные системы значительно усложнились, весьма
разнообразны по состав*-', структуре, типам решаемых ими задач, а
такие являются шогофувкциональными. Отмечается, что процесс ав
томатизации при моделировании БРД непрерывно развивается.
Как итог первой главы сформулированы задачи исследования.
1. Раэработ: ?ь СМ В?Д для СШ ЕС, имеющую развитые шзмоююсти
диалога, пополнения библиотеки-програмал базы данных, вызо'
ва справочной информации, - сбора учетной информации и позво
ляющую удовлетворить потребности шш?цероа-расчетчткой Е КБ,
а также в ЕУЗах при выполнении курссгы^ и дипломных проек
тов, 1DJPC.
Z. Разработать экспертную систему (ЗС) по теории ЕРД для IBM PC.
Для чего: "
, - 7 - ,
выполнить системний анализ предметной области с целью структуризации знаний в области ВРД;
определить классы задач, подлежащих решении с помощью ЭС;
установить уровни математических моделей об'ектоз моделирования;
описать технологии решения' задач моделирования;
выбрать инструментальную оболочку -для реализации ЭС;
реализовать средствами' оболочки подсистемы баз данных, концептуальных и экспертных знаний.
3. Внедрить разработанные системы п промышленность, а также з учебный процесс ВУЗов и на основе опытной эксплуатации сделать заключение о плодотворности предложенных концепций разработки СМ ВРД.
Вторая глава посвящена разработке СМ на ЕС ЭВМ в среде СВ!І Проведен срагчительный анализ существующих СМ для ЕС ЭВМ,, выявлены их достоинства и недостатки, сформулированы требования к разрабатываемой СМ в среде ПДО СВМ, как наиболее полно им отвечающей. Разработана архитектура СИ для ЕС оВМ, позволяющая комплексно решать поставленные перед пользователей задачи тзршэгазодиками-ческих, прочностных расчетов ВРД и его узлов, а также проводить графическое построение расчиташшх объектов. Взсг. процесс моделирования осуществляется в диалоговом релкмэ (мено-оркектиро-ванный интерфейс)» Эффективность работы с СМ достигается за счет:
достаточной точности моделей ГТД;
широкого спектра моделируемых задач;
развитых средств верификации и диагностики, позволявют выявлять всэзозмогныз ошибки на стадии задания неходкая данных и результатов расчета;
простых и удобных диалоговых средств.
Для любых схем ГТД в СН а общем случае Ш строятся с учетом балансов расхода рабочего тела в характерных течениях мощности каскадов компрессора и турбины, расположенных на одном валу. Алгоритм расчета предполагает нахождение одних величин через'Другие на базе ММ,
Связь пользователя с Ш осуществляется через монитор и оперативную базу данных. Структура СМ для СВУ/ЕС приведена на рис. 1. СМ для СВМ/ЕС является изделием информационной техколо-гии и подчиняется общим пршщипчм создания развитых информационных систем. Диалог некду пользователем и ЭВМ могсга осуществить
г~
К*
,
L. —
П
(]
pa—\4 і 1
двумя способами:
вімвченнем элементов диалога непосредственно в прикладное программы;
применением диалоговых мониторов, являщіхся чисто системны средствами, инвариантными по отношению к прикладной задаче. В разработанной СМ реализован второй подход.
СМ позволяет выполнясь следующие операции:
диалоговое общение пользователя с СМ;
обеспечение многопользовательского релкма работы;
анализ задачи, поставленной пользователем; -
загрузку программы, решающей задачу пользователя;
управление процессом решения задачі;;
- откатку, т. е. возможность з любой момент вернуться к произвольному этапу процесса моделирования;
- предоставление информационно-справочной информации .и т. д.
Третья глава посвеидка разработке интеллектуальной СИ для ПЭБ!і (IBM PC/AT и совместимых с ними). Проведен анализ ЭС, разработаны требования it ним и определен» основное понятия по тгории ЕРД для концептуальних баз знаний гибридной 30. Проведена классификация знаний и способы их применения з SC по теории ЕРД. Разработаны архитектура к алгоритм функционирования СИ на базе интегрированной среды ЭкспертПРИЗ. Б качестве С!і разработай инструмент новой информационной технологии - экспертная система по теории ЕРД. Пример- взаимодействия различных частей интеллектуальной СМ по теории ВРД приведен на рис. 2.
Областью применения ЭС по теорий ВРД является проведение зкспресс-расчетов при моделировании и исследовании ВРД на производстве княэнерами.-расчетчиками КБ, а такие учебный процесс в ВУЗах при изучении и проектировании ВРД. В соответствии с предлагаемой технологией весь процесс моделирования осуществляется в ЗС визуально, начиная с выбора варианта задания (задач:?) кз пред-лоиэнного X множества и ввода исходных данных, и кончая анализом результатов расчета, ознакомлением с алгоритмом решения задачи (при необходимости).
Сформулированы основные принципы формирования математической модели ГТД в интегрированной среде ЭкспертПРЙЗ, заклвчащиеся в следующем:
объект моделирования декомпозируется на отдельные понятия;
каждое понятие определяется уравнениями, описываемыми своими
/база экспертах знамиЗГ
tfi/ Ші$* f TRA ХР
iooSdB- SSTS Lhfie*$jfsj[i8 imibtm..
. влачим ВРД
flemrm fas Ш/^^Ж"
$QHt/itx теории ВРД
ssrs Bfra//a a?
V y„ %*jf «Kompsee
. Система.
Заузи
7P2>. J>6
ТРЖ.Ш
* * 0 * '
4 С Ь
- . я « » *
Рио.2, Взаимодействие различных частей интеллектуальной Ш по теория ВРД"
компонентами (полнота описания понятия зависит от требуемой точности моделирования);'
задаются уравнения связей между компонентами понятий, описывающие схему моделирования ВРД или его узла;
на сформированной Ш можно решать целый класс задач, связанных с данным об'єктом - задач синтеза, анализа, управления, диагностики состояния, идентификации параметров модели.
Имеющиеся в интегрированной среде ЭкспертПРИЗ средства позволили занести в базу знаний понятия, имеющие следующие особенности:
атмосфера соответствует ГОСТ 4401-81, в котором в качестве основы для расчетных . соотношений принята геопотенциальная высота несколько отличающаяся от геометрической;
уточнен показатель адиабаты в горячей части двигателей;
использован способ . нечета топлива, который позеолил легко решать прямые и обратные задачи при расчетах топлива в камерах сгорания;
Использование системного понятия tab (работа с таблицами) наделило данные модели значительными возможностями, т.к. табличным способом может-бить задана атмосфера,'соответствующая либо стандарту, либо конкретной атмосфере, характеристика воздухозаборника и других узлов, которая мотет быть-либо типовой, либо конкретной (экспериментальной). Кроме этого понятие tab позволило ввести в Ш линию рабочих режимов на характеристике компрессора в относительном и приведенном виде, что, в свою очередь, позволило кроме термогазодинамических расчетов проводить расчеты высотных, скоростных, дроссельных и климатических характеристик.
Применение принципов концептуального программирования к моделям ГТД значительно повышает их "гибкость" и позволяет углублять расчеты (например, проводить расчеты статических параметров, площадей и уделышх величин в сечениях ГТД, а также треугольников скоростей и термодинамических параметров в сечениях лопаточных машин и т.д.). Кроме этого, концептуальная модель позволяет, наряду с прямыми и обратными задачами, решать комбинированные (смешанные) задачи.
ЭС по теории ВРД позволяет проводить следующее:-
термогазодинрчичеааю расчеты при большом сочетании исходных данных;
расчет зависимостей тяги, расходов топлива и воздуха, удель-
ных параметров ТРД от параметров цикла, от КГЩ узлов .и коэффициентов потерь, а такк? от ' высоты и скорости, полета с представлением их в табличном и графической виде;
выдачу в случае необходимости модели решаемой задачи;
экспертную оценку диапазона исходных данных;
сравнение последовательности решения задачи пользователем с машинным алгоритмом;
проверку правильности решения задачи;
поиск и выдачу информации из баз данных;
контроль действий пользователя при работе с системой;
репение исследовательских задач, в частности, исследование влияния одной, (нескольких) величии на другую (другие) величину;
расчет характеристик (ВСХ, дроссельных, климатических).
Структура основных составляющих программного обеспечения ЭС создавалась на основе анализа процесса моделирования, в котором были выделены следующие этапы:
определение варианта выполняемого задания,
ввод пользователем инвариантной части исходных данных;
ввод дополнительных данных моделируемого об'єкта в зависимости от решаемой задач»:;
выполнение расчетов;
обработка результатов расчета.
Типовой сеанс работы пользователя с SC приведен на рис. 3.
Семь групп функциональных процедур, доступ к которым осущест
вляется через многооконный интерфейс, реализуют возмомые маршру-.
ты моделирования: '' с
"Теркэгазодинаггичэскиэ расчеты*'-.
"Исследование влияния параметров ТРД";
"Экспертная проверка данных";
"йроверг.а задач";
"Справочная информация";
"Ресеике задач (ТРД и узлы ТРД)";
"Кссдедозашэ зависимостей и характеристики".
В соответствий с шши ЭС ке только автоматизирует трудоемкие расчеты, но и позволяет проверить правильность задания исходных данных в той числе и из. базы данных, просмотреть алгоритм решек і ізадачи, анализировать результаты решения, сравнивая их с данными 13 других источников (эксперименты, "ручные" рясчеты, расчеты по другим математическим моделям).
- ІЗ -
ПсЗголтоНха- ucxsJh&ix данных
І Задача
L HL
QMJ.
\" ЦмІариантная тс/пь \ исходньїх данных.
"Г
Задау а
Допвлнигя.
'исходные данные
исходные
ЗСШХЫ&
Лрсберко. исходных Задних
. Рхиехие
Ргшляель) заЗауи
Длгсригі
решении
JaJav
Наполнение раечвлюі
Ус.юёные обозначения
-*. ЛерсЗа
=2> Цгрг$п va Зашых
__ -, Воздействия поАьзоьа&елп
Л - польз оіаліель
5Д - $Ш данных
0JM'x jita/fuA ЦЭЗ-Заза ^хепертни.
f з -талооая запаха
/73- г?0Сґпахоха .Задача.
ТТеїЬльуати решении
Н\ 8\СуЭ
г.
м
Ща і не мас 1 \Lpi/miwu'\
\рйСЧЯСи>іи'
Ахамі2> pS; рейсе ни я
ovsn
ІЛ:с.З. їлпоеєЗ сеанс узіботи пользователя а ?С
Таким образом, в разработанной технологии моделирования предусмотрено многократное прохождение' пользователем цикла эвристического и автоматического поиска решения, что позволяет успешно использовать ЭС не только в промышленности, ко и в учебном процессе.
В четвертой главе' приводятся результаты исследования и отработка отдельных вопросов, определяющих эффективность и работоспособность интеллектуальных СМ ВРД.
. Эффективность оценивалась по затратам времени пользователя на подготовку задачи"и получение ее решения но сравнению с некоторыми СМ ВРД.. Оказалось, что быстродействие автоматически сгенерированных алгоритмов решения задач решателем 30 не хуже вручную разработанных алгоритмов с учетом специфики задачи, например, в системе ПАРАД.
Работоспособность ЭС установлена решением с ее помощью мно-мзетва задач термогазодинамическях расчетов двигателей разных схем (ТРД. ТВаД, ПВРД), лопаточных маши, а такие газовой динамики.
При этой ставились задачи прямые, обратные к смешанные:
по заданным входным параметрам узлов, определить выходные параметры, характеризующие двигатель вцэлом (прямая постановка задачи)! ' .
определить'некоторые входные параметры при известных значениях выходных пзркетров (обратная задача);
по некоторым параметрам на входе- и одному параметру на выхода определить вэдостаэдде параметры на входе и все параметры на выходе (комбинированная задача);'
получить зависимость входных параметров по одному или нескольким выходным и т. Е.
Необходимо отметить, что-при'.различных постановках задач,
используется одна и.та ко Ій$ об'єкта и-, несмотря иа это, алгорит
мы оказались сходящимися и эффективными. Ш об' екта при концепту
альной технологии программировании лєгісо шдифицируется, в том
числе и ва счет повышения глубины описания процессов уточнением
отдельных ПОНЯТИЙ. ,
