Имитация шума подвижного наземного объекта в информационно-измерительной системе тренажеров

Актуальность темы

Учебно-тренировочные средства нашли свое при-&менение во многих отраслях. Их использование обеспечивает доступность, наглядность, а также позволяет сократить время на подготовку специалистов. Современные подвижные наземные объекты (ПНО) характеризуются весьма сложной процедурой управления, и, по мнению экспертов, в будущем специалист не сможет овладевать всеми вновь создаваемыми системами без применения учебно-тренировочных средств. Кроме этого, применение тренажеров обеспечивает экономию, т.к. стоимость обучения на полигонах с применением реальных образцов техники значительно превышает стоимость обучения с применением тренажеров, а неизбежные при обучении аварии и необходимость I многократного повторения упражнений приводят к ускоренному износу техники.

Развитие рыночной экономики предопределило жесткую конкуренцию на рынке, что привело к постоянному обновлению оборудования и связанную с этим процессом проблему подготовки и переподготовки кадров. Поэтому в условиях рыночных отношений остро стоит проблема повышения уровня профессионализма при существенном сокращении времени и стоимости его подготовки. Ь.

Применение тренажеров в военном деле в целом трудно переоценить. Ведь стоимость реального обучения на полигонах и цена современных боеприпасов достигают десятков и сотен тысяч долларов за единицу. Неизбежные при обучении аварии и необходимость многократного повторения упражнений приводят к ускоренному износу техники.

Тем самым, тренажеры, как устройства, представляющие физические модели реальных объектов, приобрели важнейшее значение для качественной подготовки специалистов. Степень статического, динамического и информационного подобия тренажеров реальным объектам определяет эффективность их I применения при подготовке кадров. Любой тренажер, как объект инженерной разработки и последующего промышленного производства, представляют собой достаточно сложную измерительно-информационную и управляющую систему, проблемы целенаправленного проектирования которой решены далеко не полностью. В частности не решена проблема имитации адекватного акустического фона, имеющего место при функционировании реального подвижного объекта при воздействии на тренажер человека-оператора через информационно-измерительную систему и имитаторы органов управления. Все это объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.

Таким образом, объектом исследования диссертационной работы являются информационно-измерительные системы тренажеров, формирующие акустический фон и обеспечивающие в совокупности с управляющей системой информационное подобие моделируемым подвижным наземным объектам.

Следует отметить, что методы достижения подобия, разработанные в диссертации для ПНО, могут быть применены для разработки тренажерных систем другого назначения, например, тренажеров летательных аппаратов, железнодорожного или морского транспорта, следовательно, объект исследования может быть расширен до класса объектов.

Предметом исследования диссертационной работы являются характеристики тренажеров как физических моделей, обеспечивающие информационное подобие реальным объектам.

Общими вопросами теории подобия занимались П. М. Алабужев, В.Б. Ге-ронимус, В. А. Веников, Г. В. Веников, М. В. Кирпичев, М. А. Мамонтов, JLM. Минкевич, Б. М. Шелоховцев и др. Вопросы обеспечения подобия в тренажерных комплексах за счет измерительно-информационных систем разрабатывали А. С. Бабенко, В. А. Боднер, Р. А. Закиров, B.C. Шукшунов, и др. Психологическими аспектами подобия занимались В. Ф. Венда, B.C. Зайцев и др. Вопросами изучения шумовых характеристик ПНО занимались B. J1. Вейц, М. Д. Генкин, С. А. Воронцов, А. Е. Кочура, В. Е. Тольский 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 подобия при проектировании информационно-измерительных и управляющих систем тренажеров как физических моделей ПНО.

Задачи исследований.

1. Разработка принципов проектирования информационно-измерительных систем тренажеров, формирующих звуковое информационное подобие.

2. Разработка информационной модели ПНО, с точки зрения формирования акустического фона, и обеспечивающей, в совокупности с управляющей системой, информационное подобие моделируемым подвижным наземным объектам.

3. Формулировка требований и получение критерия для оценки степени информационного подобия реального ПНО и тренажера.

4. Выделение основных источников шума подвижного объекта.

5. Разработка методики и соответствующего математического аппарата для изучения шума ПНО.

6. Получение зависимостей, связывающих параметры функционирования элементов ПНО с создаваемым ими шумом.

7. Разработка методов реализации информационного подобия, путем формирования акустического фона функционирования ПНО, имитирующего шум реального ПНО.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Разработана информационная модель ПНО, с точки зрения формирования акустического фона.

2. Сформулированы принципы проектирования информационно-измерительных систем тренажеров, формирующих звуковое информационное подобиеполучен критерий оценки информационного подобия.

3. Выделены основные источники шума ПНО. Построены математические модели связывающие режимы и условия функционирования ПНО с шумом ПНО.

4. Предложена информационно-измерительная система для измерения виброакустических характеристик ПНОразработана методика измерения характеристик нестационарных процессов.

5. Разработана структурная схема информационно — измерительной системы обеспечения информационного акустического подобия в тренажере ПНО основой которой служит методика генерации шума подвижного объекта посредством фильтрации белого шума. Предложена схема совмещения системы.

I имитации связи с системой имитации шумовой картины функционирования.

ПНО.

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, что позволяет повысить уровень их информационного подобия при сокращении сроков разработки.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается I результатами апробаций методологии при решении практических задач разработки информационно-измерительных систем ряда тренажеров подвижных наземных объектов.

Положения, выносимые на защиту.

Информационная модель ПНО, с точки зрения формирования акустического фона.

2. Принципы проектирования информационно-измерительных систем тренажеров, формирующих звуковое информационное подобиеполучение критерия оценки информационного подобия.

3. Основные источники шума ПНО. Математические модели связывающие режимы и условия функционирования ПНО с шумом ПНО.

4. Информационно-измерительная система для измерения виброакустиче-* ских характеристик ПНОметодика измерения характеристик нестационарных процессов.

5. Структурная схема информационно — измерительной системы обеспечения информационного акустического подобия в тренажере ПНО. Схема совмещения системы имитации связи с системой имитации шумовой картины функционирования ПНО.

Реализация и внедрение результатов.

Предложенная в диссертации «Методика генерации акустического шума подвижного объекта» внедрена в производство ОАО «Центральное конструк-| торское бюро аппаратостроения», г. Тула.

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

1. 5-я Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы специального машиностроения», Тула, Тульский государственный университет, 2002 г.

2. XXI Научная сессия, посвященная Дню радио. — Тула, Тульский государственный университет, 2003.

3. 6-я Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы специального машиностроения». — Тула, Тульский государственный университет, 2003.

5. 4 Научно-техническая конференция «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» — Тула, Тульский государственный университет, 2004.

6. Научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ 2003 — 2005 гг.

По теме диссертации опубликовано 13 работ, включенных в список лите-^ ратуры, в том числе: 1 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях, 12 статей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе-fe> ния, четырех разделов изложенных на 170 страницах машинописного текста, заключения, списка использованной литературы из 97 наименований и приложений на 2-х листах. Основной текст включает 49 рисунков и 3 таблицы.

Во введении дана постановка задачи создания измерительно-информационных и управляющих систем тренажеров, обеспечивающих достижение требуемой степени информационного подобия.

В первом разделе сформулирован подход к проектированию тренажера как физической модели объекта, воспроизводящей его свойства, релевантные с точки зрения использования объекта для решения целевых задач. Разработан у принцип проектирования информационно-измерительных систем тренажеров, формирующих звуковое информационное подобие и получен критерий оценки информационного подобия.

Во второй главе содержит математические модели, связывающие режимы и условия функционирования ПНО с его шумом.

В третьей главе рассмотрены общие вопросы исследования шума ПНО, предложена модель стенда для исследования виброакустических характеристик ПНО и математическое обеспечение для его функционирования. * Четвертая глава содержит изложение способа формирования акустической картины ПНО на основе фильтрации белого шума для имитации ее в тренажере.

В заключении содержатся выводы по работе.

Приложение содержит акты внедрения положений диссертации в производство и в учебный процесс. И.

4.5. Выводы.

1. Построены модели следующих воздействий на органы управления: манипуляции педалью сцепленияперемещение педали газа (акселерометра) — переключение скоростей (выбор передачи).

2. Разработана методика генерации шума ПНО на основе фильтрации белого шума.

3. Предложена структурная схема информационно-измерительной системы моделирования шума ПНО. Рассмотрено включение цифровой ЭВМ в контур управления информационно-измерительной системы тренажера.

4. 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.

5. Приведена структурная схема подсистема имитации связи. Предложена схема совмещения системы имитации связи с системой генерации шумовой картины ПНО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В целом по работе можно сделать следующие выводы.

1. Разработана информационная модель ПНО, с точки зрения формирования акустического фона.

2. Получены критерии для оценки информационного подобия реального ПНО и тренажерной системы.

3. Разработана структурная схема стенда для изучения шумовых характеристик сложных конструкций, какими является ПНО. Для воспроизведения на стенде вибрации с заданными статистическими характеристиками разработана методика создания широкополосной вибрации.

4. Разработан метод измерения характеристик нестационарных процессов. Нестационарный процесс описывается моделью, представляющей сложный процесс сформированным из простых процессов, таких как стационарный гаус-совский шум и детерминированные функции с постоянными или случайными параметрами. Анализ характеристик процесса проводился в смежных полосах частот с целью выявления и отображения изменения статистических свойств с частотой.

5. Классифицированы каналы передачи шума и основные источники внутреннего шума ПНО. Разработаны комплекс математических моделей, связывающих динамические нагрузки, вибрации и шум ПНО. Произведен частотный анализ колебаний ПНО, возмущаемых профилем дороги.

6. Разработана методика генерации шума подвижного объекта на основе фильтрации белого шума. Разработана структурная схема информационно — измерительной системы обеспечения информационного акустического подобия в тренажере ПНО. Предложена схема совмещения системы имитации связи с системой имитации шумовой картины функционирования ПНО.

7. Разработанные в диссертации методы апробированы путем использования при проектировании реальных тренажерных систем, на предприятии ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения» .