Создание информационно-измерительных систем тренажеров, динамически подобных подвижным наземным объектам

Актуальность темы

Развитие рыночных отношений предопределяет жесткую конкуренцию на рынке обычных вооружений, а, следовательно, требует постоянной модернизации материальной части эксплуатируемой техники, в связи, с чем в настоящее время остро стоит проблема подготовки и переподготовки кадров. Относительно высокая сложность и стоимость систем обычных вооружений и боеприпасов, дороговизна углеводородных источников энергии делает проблематичным обучение, основанное на применении реальной техники в полигонных условиях. Поэтому определяющим фактором технического переоснащения войск РФ необходимо признать переход на качественно новый уровень обучения личного состава с опорой на современные тренажерные комплексы. Обучение личного состава с применением тренажерной техники, обеспечивающей имитацию различных штатных и нештатных ситуаций при моделировании реальных технических средств и боевой обстановки, является общепринятой практикой для оборонно-промышленных комплексов любой из индустриально развитых стран, где разработка и производство тренажеров проходит параллельно с созданием имитируемых ими боевых систем [1, 9, 52, 99, 111, 124].

Указанные обстоятельства привели к тому, что тренажер, как устройство, представляющее физическую модель реального объекта, стал важнейшим звеном в системе подготовки операторов, от степени статического, динамического и информационного подобия которого зависит эффективность их применения как технического средства обучения.

С другой стороны, любой тренажер, как объект инженерной разработки, представляют собой достаточно сложную измерительно-информационную и управляющую систему, проблемы целенаправленного проектирования которой решены далеко не полностью. В частности не решена проблема оптимизации степени динамического подобия тренажера реальному объекту при воздействии на тренажер человека-оператора через информационно-измерительную систему и имитаторы органов управления, а также окружающей среды через микронеровности дороги. Все это объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.

Объектом исследования диссертационной работы являются измерительно-информационная система тренажера с подвижным макетом рабочего места обучаемого оператора, обеспечивающая его динамическое подобие реальному подвижному наземному объекту [1, 36, 51, 66, 88]. Методы достижения подобия, разработанные в диссертации для наземных объектов, могут быть применены для разработки тренажеров летательных аппаратов [2, 9, 28, 35, 112, 113, 116, 117, 118, 124], железнодорожного или морского транспорта [19, 100, 102, 111], других систем [32, 38, 70], что расширяет область применения исследований до класса объектов.

Предметом исследования диссертации работы являются технические характеристики тренажеров как физических моделей, обеспечивающие динамическое подобие реальным объектам при воспроизведении движения макета рабочего места с оператором.

Общие вопросы теории подобия развиты в работах П. М. Алабужева, В. Б. Геронимуса, В. А. Веникова, М. В. Кирпичева, Ю. Б. Подчуфарова, М. А. Мамонтова и др. Вопросы обеспечения подобия в тренажерных комплексах, как технических системах, исследовали А. С. Бабенко, В. А. Боднер, Р. А. Закиров, В. С. Шукшунов, и др. Из зарубежных специалистов подобные исследования проводили Д. А. Браун, И. Голдстейн, Ж. Кристенсен, Дж. О'Брайен, Г. Савледи, Д. Холдинг, Р. Эбертс и др.

Из всех существующих подходов к разработке тренажеров наиболее продуктивным представляется подход, основанный на аналитических методах математического моделирования процессов в них, что позволяет целенаправленно планировать будущие свойства разрабатываемой динамической системы. Для этого в диссертации использованы: теория подобия, теоретическая механика, теория управления, теория случайных процессов.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов обеспечения динамического подобия при проектировании измерительно-информационной и управляющей системы тренажера с подвижной платформой как физической модели реального подвижного наземного объекта (ПНО).

Задачи исследований.

1.

Введение

ограничений на состав параметров физической модели, создающих эффект динамического подобия объекта с заданной структурой.

2. Построение моделей наиболее часто применяемых датчиков сенсорной подсистемы тренажера для учета их характеристик и погрешностей при создании эффекта подобия в процессе проектирования его информационно-измерительной и управляющей систем.

3. Построение аналитической математической модели управления параметрами движения ПНО, его положением в пространстве в земной системе координат, включая продольное движение и маневры по углу курса.

4. Проведение анализа воздействия дороги, как возмущающего фактора, вызывающего собственные колебания кабины ПНО, как подрессоренной массы, относительно движителяполучение передаточных функций для линейных вертикальных, угловых продольных и угловых поперечных движений кабины ПНО относительно движителей, а также спектров механических колебаний кабины при движении по пересеченной местности.

5. Разработка физической и математической моделей динамической платформы тренажера для воспроизведения колебаний кабины с обучаемым оператором при имитации воздействия дороги на движители, и позволяющей решать задачу обеспечения движения подвижной платформы тренажера по вертикали, углам тангажа и крена, подобного движению реального объекта.

6. Решение задач расчета идеальных корректирующих блоков информационно-измерительной системы при отсутствии ограничений на управление для различных типов структур систем управления.

7. Решение задачи синтеза реальных корректирующих блоков с ограниченным числом нулей и полюсов аппроксимирующей передаточной функции с минимизацией критерия подобия.

8. Исследование влияние на изменение критерия динамического подобия реальных технических средств преобразования сигналов в информационно-измерительной системе.

9. Разработка методики оптимального проектирования тренажеров с целевой функцией в виде критерия подобия.

10. Апробация предложенных методов на задачах практического проектирования тренажеров ПНО.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Введено понятие пространства релевантных параметров, степень близости виртуального и реального годографов в котором определяет степень подобия реального подвижного наземного объекта и его физической модели.

2. Предложена физическая модель ПНО для воспроизведения движения кабины с оператором при имитации воздействия дорожного полотна на движители, позволяющая решать задачу перемещений макета кабины в тренажере по вертикали, углам тангажа и крена, подобных движениям кабины с оператором реального объекта.

3. Решены задачи определения параметров корректирующих блоков информационно-измерительной системы тренажера при отсутствии ограничений на релевантные переменные, что позволяет обеспечить динамическое подобие при прямом воздействии на подвижную платформу и воздействии с обратными связями, а также получены зависимости для оценки значений критериев подобия для указанных случаев.

4. Проведена оценка влияния на: критерий динамического подобия наиболее часто применяемых типов датчиков сенсорной подсистемы, а также таких компонентов информационно-измерительных систем, как аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи и управляющая ЭВМ.

5. Разработан метод поэтапного оптимального проектирования тренажеров как физических моделей, показано, что указанное проектирование должно быть иерархическим структурно-параметрическим, причем целевой функцией задачи оптимизации на каждом уровне должен служить критерий подобия, или функции приращения критерия подобия.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные в диссертации методы ориентированы на использование при проектировании измерительно-информационных и управляющих систем как вновь разрабатываемых, так и модернизируемых тренажеров с подвижными платформами, что позволяет повысить уровень их динамического подобия при воспроизведении релевантных характеристик реального объекта и сократить сроки разработки.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается результатами апробации разработанных методов при решении практических задач создания информационно-измерительных и управляющих систем ряда тренажеров подвижных наземных объектов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Понятие пространства релевантных параметров с виртуальным и реальным годографами и критерий подобия реального объекта и его физической модели, как интегральное расстояние между виртуальным и реальным годографами в указанном пространстве.

2. Физическая и математическая модели подвижной платформы тренажера для воспроизведения движения кабины с обучаемым оператором при имитации воздействия дорожного полотна на движители, позволяющая решать задачу обеспечения движения подвижной платформы тренажера по вертикали, углам тангажа и крена, подобного движению кабины с оператором реального объекта.

3. Метод и зависимости для синтеза корректирующих блоков информационно-измерительной системы при отсутствии ограничений, которые позволяют обеспечить высокий уровень подобия при имитации воздействий на подвижную платформу в системах без обратной связи и системах с обратными связями.

4. Зависимости для оценки влияния на критерий динамического подобия типовых этапов прохождения сигналов в информационно-измерительных системах: в датчиках сенсорной подсистемы, при аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразованиях, а также при цифровой обработке данных.

5. Метод поэтапного оптимального проектирования тренажеров как физических моделей с использованием в качестве целевой функцией критерия подобия, или функции приращения критерия подобия.

Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения нижеследующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «ЦКБА», ОАО «Муромское СКБ», ОАО «Муроммашзавод» :

Разработка динамического тренажера экипажа танка Т-72Б";

Разработка динамических тренажеров экипажей танков Т-80Б, Т-80У";

Разработка динамического тренажера экипажа танка Т-90″;

Разработка динамического тренажера экипажа БМП-2″.

Результаты, внедрены в ОАО «ЦКБА», ОАО «Муромское СКБ», ОАО «Муроммашзавод» в следующих технических системах: ДТЭ-188, ДТЭ-219К, ДТЭ-219Б, ДТЭ-172, ДТЭ-675.

Ряд теоретический положений внедрен в учебный процесс Тульского государственного университета на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» в лекционных курсах по дисциплинам: «Теория автоматического управления», «Основы информационных устройств роботов», «Математические основы теории систем».

Апробация работы. Основные ' положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.

1. 8-я научно-техническая конференция «Проблемы специального машиностроения». — Тула, Тульский государственный университет, 2005.

2. Межрегиональная научно-техническая конференция «Интеллектуальные и информационные системы». -Тула, Тульский государсгвенньш университет, 2005.

3. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2004, 2005, 2006 гг.

По теме диссертации опубликовано 15 работ, включенных в список литературы, в том числе: 2 статьи, представляющие собой материалы межрегиональных научно-технических конференций [52, 54], 7 статей в межвузовских сборниках [36, 53, 55, 88, 95, 96, 97], 6 патентов на полезную модель [76, 77, 78, 79, 80, 81].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, изложенных на 158 страницах машинописного текста и включающих 61 рисунок и 2 таблицы, заключения, приложения на трех страницах и списка использованной литературы из 125 наименований.

4.5. Выводы.

1. Разработана структурная схема цифрового управления реальной подвижной платформой тренажера, на которой выделены компоненты, оказывающие влияние на критерий информационного подобия: счетно-решающий прибор (ЭВМ), источники сигнала (датчики сенсорной подсистемы), потребители информации (приводы подвижной платформы), средства преобразования сигнала (аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователь), интерфейс.

2. Построена модель преобразования сигнала, в информационно-измерительной системе: дискретизации и квантования по уровню.

3. Определены условия безошибочной дискретизации сигнала, а также зависимость, описывающая приращение коэффициента подобия для случаев: реального сигнала (с бесконечной шириной спектра), идеального мультипликативного дискретизатора и идеального восстанавливающего фильтрареального сигнала, идеального мультипликативного дискретизатора и реального восстанавливающего фильтра (например, передаточной функции подвижной платформы) — реального сигнала, реального мультипликативного дискретизатора и реального восстанавливающего фильтра.

4. Получена зависимость для приращения коэффициента подобия в результате квантования сигнала по уровню, а также общая зависимость для приращения коэффициента подобия при оцифровке сигнала.

5. Приведена циклограмма обработки данных от датчика сенсорной подсистемы до исполнительного привода подвижной платформы, показано что наличие канала цифровой обработки данных приводит к появлению в систем звена с чистым запаздыванием, которое зависит от времени обмена данными на интерфейсе, времени прямого и обратного преобразования из аналоговой в цифровую форму и времени собственно цифровой обработки данных.

6. Определена зависимость для приращения коэффициента подобия, вызываемого наличием в системе звена с чистым запаздыванием и известной передаточной функцией.

7. Сформулирована задача проектирования тренажера как физической модели реального объекта-оригинала, определены общие этапы проектирования и содержание каждого из них, показано, что на каждом этапе возможно принятие оптимального решения, причем критерием оптимизации должен являться суммарный критерий подобия, в который входят релевантные переменные.

8. Предложена методика проектирования тренажеров, включающая точное решение задачи обеспечения динамического подобия физической модели объекту-оригиналу и последующую минимизацию приращения критерия подобия на уровне принятия решения по отдельным узлам и блокам тренажера.

9. Показано, что задача оптимального проектирования тренажера является структурно-параметрической, предложен метод поэтапного ее решения, когда объект разделяется на иерархические уровни, и в рамках определенной иерархической структуры ищется параметрически оптимальный вариант на всех уровнях иерархии.

10. Приводится результат промышленного проектирования тренажера танка Т-90 с динамической платформой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена научно-техническая задача, имеющая важное народно-хозяйственное значение, и заключающаяся в разработке методов проектирования информационно-измерительной и управляющей систем тренажеров с подвижной платформой.

В целом по работе можно сделать следующие выводы.

1. На основании введенных понятий обобщенных реальных, обобщенных виртуальных и релевантных переменных, а также пространства релевантных параметров формализовано понятие подобия и сформулирован критерий динамического подобия реального ПНО и тренажера.

2. Проведен анализ методов проектирования тренажеров различных поколений и сделан вывод о том, что проектирование тренажеров четвертого поколения сводится к разработке программного обеспечения, удовлетворяющего требованиям по точности и быстродействию.

3. На основании анализа сил, воздействующих на ПНО как на механическую систему, построена аналитическая математическая модели управления параметрами движения ПНО, его положением в пространстве в земной системе координат, включая продольное движение и маневры по углу курса.

4. Проведен анализ дороги как возмущающего фактора, вызывающего собственные движения кабины ПНО относительно движителя, получены передаточные функции для линейных вертикальных, угловых продольных и угловых поперечных колебаний в сигнальной и спектральной областях при движении ПНО по пересеченной местности.

5. Предложена модель подвижной платформы тренажера для воспроизведения движения кабины с обучаемым оператором при имитации воздействия дорожного полотна на движители, позволяющая решать задачу обеспечения движения подвижной платформы тренажера по вертикали, углам тангажа и крена, подобного движению кабины с оператором реального объекта.

6. Решены задачи расчета корректирующих звеньев информационно-измерительной системы при отсутствии ограничений, которые позволяют обеспечить высокий уровень подобия в следующих случаях: при прямом воздействии на подвижную платформу, когда объект и тренажер описаны системами дифференциальных уравненийпри прямом воздействии на подвижную платформу, когда объект и тренажер описаны передаточными функциямипри воздействии на подвижную платформу с обратными связями, когда объект и тренажер описаны передаточными функциями.

7. Решена задача синтеза реальных корректирующих блоков с применением понятия асимптотических логарифмических амплитудно-частотных характеристик для систем без обратной связи и систем с обратными связями, а также оценено значение критерия подобия в этих случаях.

8. Разработана система управления тренажера с использованием регулятора с переменной структурой, показана ограниченность применения подобного рода регуляторов в практических конструкциях.

9. Разработана структурная схема цифрового управления реальной подвижной платформой тренажера, на которой выделены компоненты, оказывающие влияние на критерий информационного подобия: счетно-решающий прибор (ЭВМ), источники сигнала (датчики сенсорной подсистемы), потребители информации (приводы подвижной платформы), средства преобразования сигнала (аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователь), интерфейс.

10. Построены модели наиболее часто применяемых датчиков сенсорной подсистемы для учета их характеристик и погрешностей при создании эффекта подобия в процессе проектирования его информационно-измерительной и управляющей систем.

11. Построена модель преобразования сигнала, в информационно-измерительной системе: дискретизации и квантования по уровню и определены приращения критерия подобия при проведении указанных операций, а также общая зависимость для приращения коэффициента подобия при оцифровке сигнала.

12. На основании исследования циклограммы обработки данных в информационно-измерительных системах с ЭВМ получена зависимость для определения приращения коэффициента подобия.

13. Решена задача поэтапного оптимального проектирования тренажеров как физических моделей, показано, что указанное проектирование должно быть иерархическим структурно-параметрическим, причем целевой функцией задачи оптимизации на каждом уровне должен служить критерий подобия, или функции приращения критерия подобия.

14. Результаты апробированы на проектировании тренажерных комплексов ДТЭ-188, ДТЭ-219К, ДТЭ-219Б, ДТЭ-172, ДТЭ-675.