Размещено на http://allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО Освіти НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КИЇВСьКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 620.179.680

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІКИ СТАНІВ ГІДРАВЛІЧНОГО СЛІДКУЮЧОГО РУЛЬОВОГО ПРИВОДУ В САПР БУДІВЕЛЬНИХ МАШИН

Спеціальність 05.13.12 - Системи автоматизації проектувальних робіт

ГОРДА Дмитро Олегович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі прикладної математики Київського національного університету будівництва та архітектури Міністерства освіти науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник -доктор технічних наук, професор Цюцюра Світлана Володимирівна, Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти, науки, молоді та спорту України, професор кафедри інформаційних технологій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Яковенко Валерій Борисович, Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти, науки, молоді та спорту України, професор кафедри машин та обладнань технологічних процесів

кандидат технічних наук, доцент Барабаш Марія Сергіївна, Інститут аеропортів Національного авіаційного університету Міністерства освіти, науки, молоді та спорту України, доцент кафедри комп'ютерних технологій будівництва

Захист відбудеться «12» 05. 2011 р. о 12годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.056.01 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий «11» 04.2011 р.

Виконуючий обов'язки вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор В. О. Поколенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Розвиток будь-якої галузі науки і техніки іде шляхом від спостереження та фізичного експерименту до теоретичного дослідження та наукового обґрунтування і одним з основних методологічних підходів у цьому процесі є моделювання, яке дозволяє перейти від реальної фізичної системи до абстрактної теоретичної моделі, яка є основою для вивчення об'єкту дослідження і може бути реалізована засобами САПР.

Машинобудуванню належить провідна роль серед інших галузей економіки завдяки тому, що основні виробничі процеси виконують за допомогою машин. Технічний рівень багатьох галузей значною мірою визначає рівень розвитку машинобудування, тому сьогодні потужним засобом розвитку наукової думки є застосування методів моделювання.

Підвищення експлуатаційних і якісних показників, скорочення часу розробки та впровадження нової дорожньо-транспортної техніки підвищення її надійності й довговічності - основні завдання конструкторів. Найбільш перспективним є застосування яких є джерелом динамічних навантажень гідравлічних імпульсних систем, використання яких дозволяє досягнути в робочих органах машин найбільшої енергетичної потужності. Застосування гідроприводів у загальній структурі машин, як органів управління, висуває до них особливі вимоги до надійності та точності роботи. Особливо це стосується слідкуючих рульових гідроприводів на базі датчика неузгодженості, що встановлює відповідність сигналу, який надходить від виконавчого механізму сигналу керування та підсилювача.

Основам теорії аналізу та побудови систем управління на основі гідросистем присвячені роботи Т.М. Башти, М.С. Гаминіна, С.О. Єрмакова, Ю.І. Чупракова, В.О. Хохлова, В.І. Караєва, Дж. Блекборна та інших, де основна увага приділена технічним аспектам та добре розроблені методики розрахунку гідравлічних систем (досліджена їх робота у статичному режимі функціонування) але виходячи з сфер та умов застосування є необхідність дослідження їх роботи у динаміці.

Перспективним новим напрямком проектування систем ГСРП (гідравлічних слідкуючих рульових приводів) різного типу є розробка адаптивних методів ідентифікації станів, що тісно пов'язана з розвитком робототехніки (роботи Московського авіаційного інституту, Уфімського авіаційного технічного університету, науково-дослідного центру в м. Ковров). Для їх створення необхідно провести ретельне дослідження ГСРП та розробити множину математичних моделей, яка буде складати основу інформаційної частини. В теорії добре розроблені математичні моделі аналізу та синтезу гідросистем з врахуванням випадкових збурень (А.М. Колмогоров, Д.В. Єфімов, О.А. Красовський, та ін.), але вони не враховують такий важливий фактор, як ймовірностний характер вхідних даних, які визначають поточний стан системи.

Таким чином, актуальність даної роботи обумовлюється необхідністю дослідження динамічної поведінки ГСРП, досить складної та багато параметричної системи із застосовуванням методів математичного та імітаційного моделювання, яка дозволить дослідити поведінку системи у різних умовах при різноманітних сполученнях параметрів. На основі отриманої таким чином моделі можна побудувати автоматизовану систему проектування гідравлічних систем будівельних машин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках досліджень Київського національного університету будівництва і архітектури, а саме науково-дослідних робіт: «Створення основ теорії передчі енергії робочими рідинами в динамічних системах приводів машин», № держреєстрації - 0102U000933 та «Основи теорії підвищення надійності та довговічності приводів динамічних робочих органів будівельної техніки», № держреєстрації - 0105 U001338.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка інформаційної технології моніторингу, діагностики стану ГСРП, шляхом розробки та дослідження багатовимірних імітаційних моделей та методів оперативного інтелектуального аналізу структур максимально можливого рівня інтеграції, моделей, що забезпечує в САПР ГСРП підвищення ефективності процесу і якість синтезу управління.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено наступні задачі:

- розроблена архітектура інформаційної системи управління імітаційного і математичного моделювання гідравлічних систем будівельної машини з урахуванням перехідних процесів та використанням сучасних інформаційних технологій;

- запропонована інтегрована інформаційна технологія комплексного проектування і розробки структур даних для дослідження задач ідентифікації і класифікації станів ГСРП;

- представлено формалізований опис основних етапів проектування і побудови імітаційної моделі ГСРП та удосконалити математичну модель визначення стану системи на основі дослідження її окремих елементів;

- розроблена модель діагностики, ідентифікації і прогнозування динаміки станів системи з урахуванням перехідних процесів;

- досліджено і розроблено план проведення імітаційних експериментів із застосуванням моделей ГСРП для задач синтезу будівельної машини;

- досліджені методи інтеграції моделей ГСРП та розроблені на її основі базові моделі, що допускає розширення;

- створені інструментальні засоби, необхідні для розробки реалізації інформаційної технології інтеграції систем проектування САПР ГСРП;

- побудована багатовимірна модель структур даних та метод їх інтеграції;

- проведено експериментальне дослідження границь ефективного застосування запропонованого методу;

- визначені і проаналізовані основні етапи проектування САПР ГСРП та їх послідовності, моделі, данні в рамках макроконвеєра;

- описаний клас моделей і розроблена структура даних САПР ГСРП.

Об'єктом дослідження є процес автоматизованого проектування, ГСРП в складі будівельних машин.

Предметом дослідження є моделі, методи та інструментальні засоби автоматизації проектувальних робіт ГСРП, інформаційні технології діагностування, оперативного та інтелектуального аналізу даних з використанням моделей, методів і засобів їх інтеграції.

Методи дослідження. В процесі досліджень використовувались методи проектування структур даних, теорія множин та графів, методи системного аналізу, методи статистичного аналізу, об'єктно-орієнтованого моделювання, математичного моделювання, структурного моделювання, імітаційного моделювання, еволюційний метод пошуку бази розширюваних систем, онтологічні методи дослідження предметної області, теорії диференціальних рівнянь.

Наукова новизна одержаних результатів. Основний науковий результат роботи полягає в побудові моделей та методів адаптивної ідентифікації станів ГСРП в перехідних процесах та дослідженні інформаційної технології інтеграції моделей станів ГСРП, побудові імітаційної моделі, як ядра що розвивається, і синтезує системи в САПР ГСРП.

Досліджені проблемно-орієнтовані моделі і методи діагностики технічного стану ГСРП на основі імітаційного моделювання в цілях побудови ГСРП.

Вперше розроблено:

- теоретико-множинну модель основних станів ГСРП з урахуванням трендів в рамках багатовимірної моделі даних;

- метод адаптивної покрокової оптимізації на основі апарату імітаційного моделювання динаміки станів ГСРП, що дає можливість підвищення ефективності використання неповних даних при визначенні поточного стану;

- базові розширювані моделі ГСРП та їх об'єктно-орієнтована інтерпретація, в рамках здійсненої класифікації задач;

- моделі, методи та інформаційна технологія інтеграції завдань на основі САПР ГСРП у вигляді гнучкої системи, що розвивається.

Удосконалено:

- математичну модель визначення стану ГСРП для оцінки технічного стану за рахунок структурної оптимізації;

- багатовимірну імітаційну модель ГСРП та методи її інтеграції з урахуванням трендів параметрів та похибок вхідних даних;

- метод агрегації, оперативного аналізу даних і оцінки достовірності, що дозволяє розповсюдження на системи, які оперують багатовимірними структурами даних.

Дістало подальшого розвитку:

- концепція інформаційної системи імітаційного моделювання і діагностики технічного стану ГСРП, що дозволило розробити інформаційну технологію для вирішення задач САПР ГСРП;

- імітаційна модель ГСРП, що дала можливість на її основі розробити інформаційну технологію інтеграції систем проектування ГСРП;

- застосування методу оцінки трендів, на основі багатовимірної моделі даних, що дає можливість визначення оптимальних характеристик синтезу ГСРП.

Достовірність результатів дослідження заснована на несуперечності висунутих положень усім відомим і достовірно вивченим закономірностям, результатами практичного впровадження розробленого методу, аналізу результатів та публікаціями у фахових виданнях.

Теоретична цінність полягає у тому, що:

- розроблені моделі і методи інтеграції систем проектування САПР ГСРП, а також інформаційна технологія інтеграції є внеском у розвиток багаторічних досліджень в цьому напрямку. Одержані наукові результати формалізують методи і засоби інтеграції САПР ГСРП будівельних машин;

- викладені у роботі моделі та методи можуть бути застосовані для вирішення типових задач, які входять до складу засобів оперативного та інтелектуального аналізу даних.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці інформаційної технології інтеграції в рамках імітаційної моделі, що використовує комплексну САПР ГСРП як інтегроване сховище даних, засобів розширення і вбудованих сервісів, які забезпечують якісно новий рівень автоматизації проектувальних робіт.

Тестова експлуатація програмних компонентів, на основі запропонованих у даній роботі моделей та методів, проводилась для синтезу динаміки у двох екстремальних станах технологічного використання ГСРП, що має конкретне прикладне значення.

Практичне використання наукових результатів дозволило:

- створювати нові інформаційні технології з діагностики технічного стану ГСРП;

- підвищити ефективність процесу проектування в рамках САПР ГСРП щодо визначення допустимих режимів функціонування;

- знизити ступінь ризику прийняття необ'єктивних рішень щодо визначення навантаження гідроприводів;

- закласти сучасні методологічні основи підвищення ефективності технічної діагностики та проектування ГСРП через узагальнення результатів і наукових положень, отриманих автором.

Практичну цінність складає:

- розробка методів та алгоритмів математичного моделювання гідравлічних систем будівельної машини з урахуванням перехідних процесів, де невід'ємною частиною методу є сукупність математичних моделей, розроблених з використанням засобів комп'ютерного моделювання. Це дало можливість не тільки швидко й ефективно провести розрахунково-проектувальні роботи з визначення основних параметрів ГСРП, але й провести ряд наукових досліджень. При цьому, необхідні дослідження велися з урахуванням нелінійності моделі ГСРП, що дозволило уникнути спотворення результатів внаслідок спрощення моделей.

- розробка методів та алгоритмів ідентифікації і прогнозування динаміки станів гідравлічних систем будівельної машини з урахуванням перехідних процесів в рамках САПР.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих спільно, складається з розробки методів, моделей визначення станів ГСРП в рамках САПР.

В роботі [1] автору належать дослідження математичної моделі гідромеханічного слідкуючого приводу, аналізуються підходи до побудови багатоваріантної моделі. В роботі [2] здобувачем проведено опис структур даних імітаційної моделі перехідних процесів гідроприводу. В роботі [3] досліджені системи інтелектуального контролю в САПР ГСРП з точки зору поняття стану ГСРП. В роботі [4] досліджено поле задач САПР системи управління гідравлічного слідкуючого рульового приводу. В роботі [5] автором описано дослідження макроконвеєру завдань САПР САУ ГСРП. В роботі [6] розглядається формування послідовностей наявних та прогнозованих станів при моделюванні в САПР ГСРП. В роботі [7] представлено результати дослідження структури програмного забезпечення макроконвеєра САПР ГСРП будівельних машин.

Апробація результатів роботи. За результатами виконаних досліджень опубліковано 11 наукових праць, що відображають основні результати роботи, з них 7 наукових статей у фахових виданнях, затверджених переліком ВАК України, 4 - тези доповідей в тому числі 3 в матеріалах міжнародної науково-технічної конференцій, зроблено доповіді на 68, 69, 70 науково-практичних конференціях КНУБА.

Результати роботи впроваджено в Науково-дослідному інституті будівельного виробництва (НДІБВ) Мінрегіонбуд України при розробці індивідуальних методів створення автоматизованих технологічних комплексів у відповідності з науково дослідною роботою № 801/99 та № 1857/98 «Розробка індивідуальних методів створення автоматизованих технологічних комплексів та їх впровадження на цукрових заводах України», на підприємствах ТОВ «Бердичівський хлібозавод» і ВАТ БіоФарм при атестації та визначенні критичних режимів роботи гідросистем. та в навчальному процесі КНУБА.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 11 наукових праць.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота відповідає вимогам ВАК України та складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, викладених на 162 сторінках друкованого тексту. Матеріали дисертації містять 9 таблиць та 51 рисунок. Список використаних літературних джерел із 155 найменувань розміщених на 10 сторінках. Робота включає 5 додатків - на 47 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі Обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету і завдання дослідження, його об'єкт та предмет, розкрито наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз об'єкту дослідження - гідравлічного слідкуючого рульового приводу (ГСРП). Розглянуто його застосування, функції та призначення у складі будівельних машин, як пристрою, що є важливою складовою в задачі моніторингу і виконанні робочих операцій з врахуванням умов застосування та режимів навантаження. Визначені його переваги та недоліки.

Проведена всебічна класифікація, де чітко визначені функції об'єкту проектування, фактори від яких залежить виконання цих функцій та, як класифікуються гідроприводи у залежності від цих факторів. Розглянуті основні конструктивні реалізації гідроприводів.

В межах композиційної класифікації виконано структурний аналіз ГСРП, а саме, виділені основні складові компоненти незалежно від конструктивної реалізації системи та їх призначення, що є основою концептуальної моделі об'єкту дослідження.

При проведенні функціонального аналізу визначений життєвий цикл системи (один такт) в межах якого проведене дослідження, визначені процеси, що протікають у системі, їх послідовність та взаємозв'язок.

Описані внутрішні та зовнішні фактори, які впливають на роботу ГСРП. Визначені основні характеристики та параметри, що описують об'єкт дослідження та визначений його тип, як динамічної системи (описується D-схемою), в межах якої визначені множини вхідних, вихідних даних, ендогенні та екзогенні змінні та параметри моделі.

На основі функціонального та структурного аналізу визначені стани системи, де кожному стану співставлена відповідна модель, а отже, визначений клас моделей, що представляє узагальнену модель, на якому задається частковий порядок відносно точності розрахунку та факторів, які враховується моделлю, причому даний клас моделей є скінченно-параметризованим.

Визначений тип моделі, яка описується динамічною неперервною D-схемою та описані множини ендогенних та екзогенних параметрів. В залежності від використання, характеру дій, способів реалізації та управління системи функціонування виконана класифікація ГСРП, як системи. Проведений аналіз напрямків та можливостей автоматизації проектування .

Виконана класифікація систем процесу функціонування ГСРП в межах якої визначені основні характеристики його процесів. Якість процесу функціонування характеризується тим, наскільки він є близьким до бажаного (трендом).

Кількісно це визначається критеріями якості, які вибираються відповідно до мети задачі, яка досліджується.

Виконана постановка задачі: побудувати процедуру ідентифікації стану ГСРП за реально виміряними даними при заданих критеріях ефективності, в умовах адаптації до виконання дії по досягненню заданого кінцевого стану.

У другому розділі проведений опис та дослідження математичної моделі ГСРП в рамках поставленої задачі, що є основою імітаційної моделі системи. Зроблена формалізація математичної постановки задачі дослідження станів.

Перший підхід полягає у необхідності визначити поточний стан за умови:

,

- функція міри.

При цьому зміна кута повороту але взагалі не відома (рис. 1а)). Друга постановка задачі: визначити за умови:

,

тобто виконати швидку ідентифікацію при зміні станів ГСРП (рис. 1б)).

Проведена класифікація задач визначення станів ГСРП з точки зору їх математичної постановки (задача Коші, задача Діріхле, змішана задача) та визначено перелік математичних методів їх розв'язку.



а) б)

Рис. 1. Зміна станів за: а) апріорно відомою інформацією; б) ідентифікацією

Виконана формалізація математичної моделі, яка представлена змішаною системою диференційних та алгебраїчних рівнянь.

Проведено дослідження структури цієї моделі та розв'язку фундаментальної системи рівнянь відносно структури коефіцієнтів на базі дослідження характеристичного рівняння.

На основі фізичного змісту та фундаментальних теорем теорії диференційних рівнянь (теорема Пуанкаре та теорема Тихонова), які є математичним обґрунтуванням адекватності моделі при зміні її параметрів, визначені вироджені випадки моделі системи, які представлені у нормальній формі Коші, придатній для отримання розв'язку за допомогою чисельних методів.

Розглянуті часткові випадки моделі ГСРП, які мають важливе практичне значення. Сформульована необхідна умова існування розв'язку основної задачі ГСРП - ідентифікації стану: для випадків задачі Коші та задачі Діріхле - вихідна та кінцева точки станів системи повинні мати реалізацію хоча б однією моделлю з визначеного класу моделей.

Структурна ідентифікація зведена до вибору математичної моделі, що описує процеси функціонування об'єкту дослідження.

Припустима зміна вектору зміни станів на кожному кроці визначається за рахунок вирішення двох задач:

- прогнозування неузгодженості регулюємих змінних на поточному кроці управління;

- мінімізації прогнозу неузгодженості у загальному випадку при наявності обмежень.

Викладений підхід створення субградієнтних методів оптимізації, заснований на принципах адаптації і навчання на основі алгоритму Качмажа. Дано обґрунтування збіжності запропонованого методу, оскільки на класі моделей ГСРП.

Третій розділ присвячений аналізу вимог до моделей для процесу автоматизованого проектування гідроприводів у складі будівельної машини та представлення їх загальної структури. Викладені основні положення задачі імітаційного моделювання ГСРП. Розглянута концепція поля задач, вхідних даних і моделі системи.

При статистичному методі дослідження моделі порушення тієї або іншої закономірності, говорить про те, що модель або втрачає стійкість або перетворюється в іншу модель з іншими параметрами або іншим фазовим портретом.

Цінність такого методу полягає у виявленні прихованих закономірностей.

Визначені початкові умови. множина зв'язків між параметрами моделі, та тренди на вхідні дані і параметри для побудови функцій поводження гідроприводу в реальних умовах.

Таким чином сукупність наведених вище множин (рис. 2) складає основу моделі, яка імітує випробування гідроприводу.

Для представлення логіки моделі обрано апарат мереж Петрі.



Рис. 2. Структура даних для імітування випробування гідроприводу

Моделювання в термінах мереж Петрі здійснюється на рівні подій - базових станів моделі, і переходів (дій) між ними.

Подією в мережі Петрі ГСРП названо стан, що характеризується сталою топологією фазового портрету та описується системою диференційних рівнянь.

Зазначимо, що фазовому портрету відповідає множина значень параметрів математичної моделі ГСРП.

Визначена множина подій мережі Петрі і описана за допомогою табл. 1.

Кожний стовпчик табл. 1 відповідає одному із часткових розв'язків системи (фазовому портрету), а множина всіх розв'язків складає математичну модель ГСРП.

Номер рядка відповідного стовпчика - це індекс параметра приведеної системи диференційних рівнянь.

Таблиця 1

Стани регульованого слідкуючого гідроприводу

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
#	#	0	#	#	1	#	#	#	0	1	0	1	1	1	0	0	1	1	0	1
#	#	#	1	#	#	0	#	#	#	0	1	1	0	1	1	1	0	0	0	2 3
#	#	#	#	0	0	#	#	#	#	0	0	#	#	#	#	#	#	#	#	4
0	0	1	0	0	0	0	0	1	1	1	1	0	1	0	1	1	0	1	1	5
1	1	0	#	#	#	#	#	#	0	#	#	0	1	1	0	1	1	0	1	6
#	#	#	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	0	1	1	0	7
1	0	#	1	0	1	1	0	#	%	#	#	#	#	%	#	#	#	#	#	8

Примітки:

«0»(«1») - коефіцієнт для фазового портрету є значимим і дорівнює 0 («1»); "#» - коефіцієнт для фазового портрету є значимим і дорівнює «0» або «1»; % - коефіцієнт для фазового портрету є значимим при значенні «0» і «1» одночасно.

Досліджена концептуальна модель вхідних даних, як статистичних тимчасових рядів, задача обробки яких зводиться до трьох задач: задачі ідентифікації системи; задачі діагностики ГСРП. задачі визначення адекватності моделі.

Детально розглянуті основні задачі дослідження моделі ГСРП, їх підзадачі та зв'язок між ними (рис. 3).

Визначено перехідний процес, як процес у фіксований момент часу в даному стані при даній передісторії, який починається там, де або вже не адекватно описується поведінка гідроприводу його моделлю, покладеною в основу системи моніторингу, або значення параметрів системи наближаються до критичних, при яких здійснюється перехід гідроприводу з одного стану в інший стан і система диференціальних рівнянь змінюється на іншу систему.



Рис. 3. Структура задач дослідження імітаційної моделі ГСРП

Для представлення логіки моделі обрано апарат мереж Петрі. Моделювання в термінах мереж Петрі здійснюється на рівні подій - базових станів моделі, і переходів (дій) між ними. В рамках такого підходу побудована таблиця станів ГСРП, яка представлена у вигляді матриці інцидентності, яка визначає множину можливих переходів.

В межах теорії станів досліджені основні процеси, що протікають у системі та зв'язок між ними.

Сформульовані вимоги до реалізації імітаційної моделі ГСРП та її підсистем:

- алгоритмічна надійність - методи та алгоритми, які не мають строгого обґрунтування називають евристичними. Відсутність чітко сформульованих умов їх застосування може призвести до некоректних результатів, причому в розпорядженні дослідника може не бути даних для визначення достовірності отриманих результатів. З проблемою алгоритмічної надійності тісно пов'язана проблема обумовленості математичних методів і задач;

- точність - є характеристикою якості математичної моделі, яка відображає наскільки близькі параметри об'єкту моделювання, отримані розрахунків математичних співвідношень моделі, до істинних значень відповідних параметрів;

- адекватність - визначається як здатність відображати математичної моделі задані властивості об'єкта з похибкою не вище заданої;

- універсальність - характеризується повнотою відображення в математичній моделі всієї сукупності властивостей реального об'єкта, що визначає можливість застосування цієї моделі до аналізу цілої групи об'єктів;

- ефективність - у загальному випадку ефективність моделі можна оцінити за допомогою показника ефективності, який є функцією трьох факторів

,

де - корисний ефект моделі (цінність результатів, отриманих за допомогою моделі);

- витрати ресурсів на створення моделі;

-витрати часу на проведення модельних експериментів та аналізу даних.

Визначені та описані задачі оцінки характеристик процесу функціонування гідроприводу при проведенні імітаційного моделювання:

- відбір факторів, що впливають на шукану характеристику;

- опис функціональної залежності з урахуванням діапазонів зміни факторів; визначення факторного підпростору для імітаційного моделювання;

- оцінки необхідного числа реалізацій імітаційного моделювання й плану проведення імітаційного експерименту;

- визначення початкових умов і їхнього впливу на досягнення сталого результату при моделюванні за скінченне число імітацій.

Четвертий розділ присвячений дослідженню середовища програмного забезпечення системи імітаційного моделювання гідроприводів в складі будівельних машин. Визначені вимоги та структура САПР ГСРП будівельних машин (рис. 4).

Запропонована реалізація імітаційної моделі, як макроконвеєра задач, основою якої є чотирьох поєднаних та вкладених циклів, що реалізують однойменні процеси.

Рис. 4. Основні компоненти САПР ГСРП та їх взаємозв'язок

Запропонований алгоритм реалізації імітаційної моделі ГСРП, в основі якого лежить матриця інцидентності станів і який допускає як програмну, так і аналогову реалізацію. Особливістю алгоритму є те, що його логіка керується трьома параметрами:

- заданою точністю, під якою розуміється впорядкована структура точності значень вхідних даних, параметрів, точності виконання обмежень на значення вхідних даних, параметрів, точності виконання критеріїв функціонування ГСРП та точності на значення вихідних розрахункових значень;

- заданою дискретністю модельного часу від величини якого суттєво залежать тренди моделі і довжиною часового інтервалу.

- виконанням заданих обмежень на значення вхідних даних, параметрів, критеріїв функціонування ГСРП. Цей логічний параметр відстежує досягнення або не досягнення ідентифікації стану ГСРП, вичерпання ресурсів оптимізації в рамках визначеної моделі і сформульованої на її основі задачі ідентифікації.

Побудована модель програмного забезпечення системи імітаційного моделювання гідроприводів в складі будівельних машин як контекстно-залежна граматика першого типу, де повна модель визначається наступним чином:

,

де

- - вхідні дані;

- - обмеження на вхідні дані;

- - вихідні дані;

- - обмеження на вихідні дані;

- - сукупність моделей що реалізують ІМ;

- - сукупність критеріїв ІМ.

Модель є досяжною з моделі

:,

де - правила утворення підмоделей, які утворюються за допомогою процедур над коефіцієнтами в основі яких лежать граничні представлення Пуанкаре та Тихонова.

Для розглянутої задачі n=25 - кількість параметрів повної моделі, тоді - кількість підмоделей повної моделі, булев n-арний вектор, де кількість одиниць дорівнює кількості ненульових параметрів під моделі і визначає індекс -ї моделі, причому, за означенням, кількості нульових параметрів підмоделі задає порядковий номер рівня підмоделі.

Побудована таким чином модель дозволяє вирішити задачу розбору (виводу у зворотному порядку) на базі готової формальної граматики та забезпечити на базі заданих моделей семантичну коректність та функціональну змістовність реконсиляції прикладних даних, що має важливе значення для успішного застосування сучасних технологій створення перспективних розподілених додатків, як, наприклад, систем колективної інженерії.

В плані інструментарію чисельних методів для імітаційного моделювання перехідного процесу в САПР ГСРП, що задовольняє означеним вище умовам, визначено систему MatLAB (Simulink) - програмне середовище для інженерних розрахунків, задач моделювання поведінки динамічних нелінійних систем до складу якого входить бібліотека чисельних методів, та засоби управління імітаційним експериментом розвинений інструментарій обробки даних .

ВИСНОВКИ

1. Проведено структурний та функціональний аналіз гідравлічного слідкуючого рульового приводу, як виконавчого і моніторингового елементу системи будівельних машин, якість якого визначається здатністю забезпечувати із заданою надійністю відповідність заданому стану при виконанні певних обмежень. Визначені основні структурні компоненти ГСРП, стани і переходи, які визначають процес його функціонування.

2. Задача підвищення ефективності процесу і якості проектування є актуальною, так як ГСРП є досить складними та багато параметричними системами. Побудова інтегрованих імітаційних моделей станів як основи САПР ГСРП будівельних машин є перспективним напрямком вирішення поставленої задачі. В цілях підтримки прийняття рішень синтезу, розробка адаптивної інформаційної технології моніторингу, діагностики стану ГСРП, шляхом дослідження багатовимірних імітаційних моделей максимально можливого рівня інтеграції та методів оперативного аналізу структур, даних й моделей, є основою для побудови інтегрованих моделей.

3. Для САПР ГСРП розроблена система процедур, що дозволяє конструкторові на основі обмеженої інформації вести спрямований пошук оптимальних параметрів нових технічних засобів ГСРП, як елементів підсистеми більш високого рівня ієрархії з урахуванням альтернативних моделей предметної області у вигляді багаторівневих контекстних діаграм. Виконано архітектурне проектування, як конвертація зібраних вимог у формальні структури з використанням формального синтаксису, що передбачає відкриті технології й максимально гнучкі можливості розширення й нарощування функціональності.

4. Математична модель допускає дезагрегацію на основі якої стає можливим введення поняття стану як підмоделі, що дозволило побудувати теоретико-множинну модель основних станів ГСРП з урахуванням трендів в рамках багатовимірної моделі даних. Система диференціальних рівнянь що описує поведінку ГСРП в залежності від навантаження і функцій змін параметрів може бути основою базового моделюючого алгоритму для імітаційного моделювання.

5. Побудовані базові розширювані імітаційні моделі ГСРП та їх об'єктно-орієнтована інтерпретація, в рамках здійсненої класифікації задач. Побудовані імітаційні моделі, методи та інформаційна технологія їх інтеграції на основі САПР ГСРП як ядра системи, що розвивається. Побудована множина моделей та переходів дозволяє виконувати розрахунки критичних станів та режимів функціонування.

6. Викладений підхід створення субградієнтних методів негладкої оптимізації типу «e-субградиентних множин», заснований на принципах адаптації і навчання на основі алгоритму Качмажа, визначені основні поняття та властивості, які дозволяють формалізувати завдання вибору напрямів спуску при мінімізації негладких функцій релаксаційним методом мінімізації і покладені в основу методу адаптивної покрокової оптимізації на основі апарату імітаційного моделювання динаміки станів ГСРП. Застосування методу забезпечує підвищення ефективності використання неповних даних і дозволяє визначити оптимальну траєкторію функціонування системи в реальних умовах

7. Досліджено сполучення моделі робочого навантаження й техніки імітаційного моделювання, як засобу побудови функціональної моделі з використанням техніки прототипів у сполученні з еталонами, представленими у вигляді програм. Такий підхід дозволяє:

- зберегти всі внутрішні зв'язки типу причинна-наслідок;

- багаторазово використовувати одну й ту ж динаміку навантаження в різних експериментах;

- для різних типів ГСРП застосовувати програмно робочі навантаження за рахунок засобів опису динаміки навантаження й роботи з ними;

- використовувати форми динаміки навантаження, що є системно-залежними моделями робочого навантаження і типів ГСРП;

- забезпечити гнучке встановлення відповідності між рівнями вимірювань і рівнями деталізації моделі ГСРП для задачі синтезу керування.

8. Досліджена система інформаційного забезпечення імітаційного моделювання гідроприводів у складі систем будівельних машин, показано що вона є інтегрованою, в яку входять експертні системи, системи імітаційного та ситуаційного моделювання, Така структура дозволяє розширити концепцію інформаційної системи імітаційного моделювання і діагностики технічного стану ГСРП.

9. Здійснено опис програмного забезпечення підсистеми дослідження імітаційної моделі гідроприводу САПР ГСРП, як макроконвеєру задач. Одним із ключових аспектів програмної інтеграції є розробка загального інформаційного середовища проекту, де кожний етап і його підзадачі розширюють інформаційну структуру ГСРП. Параметрична підхід дозволяє створювати узагальнені параметричні проекти імітаційної моделі об'єкту дослідження, яка складає основу інформаційної технології інтеграції систем проектування ГСРП.

10. Досліджена задача семантично коректної і функціональної реконсиляції прикладних програм у межах САПР ГСРП на основі формальних граматик першого типу, яка має ключове значення для успішного застосування сучасних технологій при створенні перспективних та індустріально важливих додатків, як, наприклад, систем колективної інженерії. В сукупності з застосуванням методу оцінки трендів, на основі багатовимірної моделі даних такий підхід дає можливість створення гнучкої системи вирішення складних проектних задач ГСРП.

рульовий гідропривід будівельний

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у фахових виданнях, які входять до переліку, затвердженому ВАК України:

1. Пелевін Л. Є. Дослідження математичної моделі гідромеханічного слідкуючого приводу / Пелевін Л. Є., Горда О. В., Горда Д. О. // Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини. - К. : КНУБА. 2004. - Вип. 63. - С. 38-45.

2. Цюцюра С. В. Структури даних імітаційної моделі перехідних процесів гідроприводу / Цюцюра С. В., Горда Д. О. // Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини. - 2007. - Вип. 69. - С. 75-82.

3. Горда Д. О. Системи інтелектуального контролю в САПР ГСРП / Горда Д. О. // Техніка будівництва. - 2007. - № 20. - С. 129-131.

4. Горда Д. О. Поле задач САПР системи управління гідравлічного слідкуючого рульового приводу / Горда Д. О. // Техніка будівництва. - 2009. - № 23. - С. 109-113.

5. Цюцюра С. В. Структура макроконвеєру задач системи автоматизованого управління ГСРП / Цюцюра С. В., Горда Д. О. // Управління розвитком складних систем : зб. наук. праць. - К. : КНУБА, 2010. - Вип.1. - С. 53-56.

6. Горда Д. О. Формирование последовательностей текущих и будущих событий при моделировании в САПР ГСРП / Горда Д. О. //Управління розвитком складних систем : зб. наук. праць. - К. : КНУБА, 2010. - Вип. 4. - С. 76-80.

7. Горда Д. О. Дослідження структури програмного забезпечення макроконвеєра САПР ГСРП будівельних машин / Горда Д. О. // Техніка будівництва. - 2010. - № 25. - С. 88-91.

У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: [1] - дослідження математичної моделі динаміки станів ГСРП; [2] - розробка структури даних перехідних процесів; [5] - структура макроконвеєру задач у реалізації САПР ГСРП.

Друковані праці наукових конференцій

1. Горда Д. О. Технологія створення інформаційної підтримки ухвалення рішення в задачах планування. вибору і технічного обслуговування устаткування / Горда Д. О. // Матеріали ХІІІ Міжнар. наук.-практ. конф. «Інформаційні технології в економіці, менеджменті і бізнесі. Проблеми науки, практики і освіти» : тези доп. / Європейський університет. - К., 2007. - С. 86-88.

2. Горда Д. О. Особливості проектування РБД САПР ГСРП / Горда Д. О. // Інформаційні технології в економіці, менеджменті і бізнесі. Проблеми науки, практики і освіти : зб. наук. праць. - К., 2009. - Спец. вип. за матеріалами ХІV Міжнар. наук.-практ. конф / Європейський університет. - Т. 1. - С. 93-96.

3. Горда Д. О. Синтез управления в САПР САУ ГСРП / Горда Д. О. // Матеріали ХV Міжнар. наук.-практ. конф. «Інформаційні технології в економіці, менеджменті і бізнесі. Проблеми науки, практики і освіти» : тези доп. / Європейський університет. - К., 2010. - С. 247-249

4. Горда Д. О. Планування імітаційного експерименту ГСРП при застосуванні систем інтелектуального контролю / Горда Д. О. //Тези наук. конф. молодих вчених, аспірантів і студ. КНУБА. - К. : КНУБА, 2008. - С. 121-122.

АНОТАЦІЯ

Горда Д. О. Моделювання динаміки станів гідравлічного слідкуючого рульового приводу в САПР будівельних машин . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 - Системи автоматизації та проектувальних робіт. - Київський національний університет будівництва і архітектури. - Київ, 2011.

Дисертація присвячена вирішенню задачі моделювання динаміки станів гідравлічного слідкуючого рульового приводу при імітаційному моделюванні в САПР будівельних машин.

Проведено аналіз проблемно-орієнтованих моделей і методів діагностики технічного стану ГСРП на основі імітаційного моделювання в цілях побудови системи.

Автором досліджені моделі та методи адаптивної ідентифікації станів ГСРП в перехідних процесах, інформаційні технології інтеграції моделей станів, побудова імітаційної моделі, як ядра що розвивається, і синтезує підсистеми в САПР ГСРП.

Для САПР ГСРП розроблена ефективна система процедур, що дозволяє конструкторові на основі обмеженої інформації вести спрямований пошук оптимальних параметрів нових технічних засобів ГСРП, як елементів підсистеми більш високого рівня ієрархії.

При цьому враховуються альтернативні моделі предметної області у вигляді багаторівневих контекстних діаграм.

Для виконання такої процедури визначена операція архітектурного проектування, як конвертація зібраних вимог у формальні структури з використанням формального синтаксису, що передбачає відкриті технології й максимально гнучкі можливості розширення й нарощування функціональності.

Представлені в роботі моделі, методи, та технологія імітаційного моделювання ГСРП впроваджені в Науково-дослідному інституті будівельного виробництва (НДІБВ) Мінрегіонбуду України та в навчальному процесі КНУБА.

Ключові слова: САПР, проектування, гідропривід, слідкуючий рульовий привод, модель, моделювання, динаміка, процес, стан, макроконвеєр граматика.

АННОТАЦИЯ

Горда Д. О. Моделирование динамики состояний гидравлического следящего рулевого привода в САПР строительных машин . - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 - Системы автоматизации и проектных решений. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры. - Киев, 2011.

Диссертационная работа посвящена решению задачи моделирования динамики состояний гидравлического следящего рулевого привода (ГСРП) при имитационном моделировании в САПР строительных машин.

На основе проведенного структурного и функционального анализа проведена классификация задач идентификации состояний ГСРП в процессе его функционирования.

Проведено исследование базовой модели, описывающей динамику состояний относительно входных данных и параметров, на основе которого построена имитационная модель, как совокупность динамических моделей на различных временных интервалах по экспериментальным данным. В постановке задачи учитывается четыре новых пункта:

- Задача ставится на определение структуры модели, причем к задачам идентификации относятся следующие: выделение объекта из среды; ранжирование входов и выходов объекта по степени их влияния на выполнение целей управления в объекте; определение рационального числа входов и выходов объекта, учитываемых в модели; определение характера связи между входом и выходом модели объекта.

- Задача ставится не на определение параметров модели, а на их уточнение, т. е. априорно известны начальные приближения параметров и их погрешности.

- Для того, чтобы учесть возможную погрешность начального приближения (условия задачи Коши и Дирихле) задаются погрешности начального приближения и краевых условий.

- Параметризация моделей включает задание трендов основных параметров моделей.

Проведен анализ проблемно-ориентированных моделей и методов диагностики технического состояния ГСРП на основе имитационного моделирования в целях построения системы. Автором исследованы системы и методы адаптивной идентификации состояний ГСРП в переходных процессах, информационные технологии интеграции моделей состояний, построение имитационной модели, как развивающегося ядра, которое синтезирует подсистемы в САПР ГСРП.

Для САПР ГСРП разработана эффективная система процедур, которая позволяет конструктору на основе ограниченной информации проводить целенаправленный поиск оптимальных параметров новых технических средств ГСРП, как элементов подсистемы более высокого уровня иерархии.

При этом учитываются альтернативные модели предметной области в виде многоуровневых контекстных диаграмм. Для выполнения такой процедуры определена операция архитектурного проектирования как конвертация собранных требований в формальные структуры с использованием формального синтаксиса, что предполагает открытые технологии и максимально гибкие возможности расширения и наращивания функциональности. Представленные в работе модели, методы и технологии имитационного моделирования ГСРП получили внедрение в научно-исследовательском институте строительного производства (НИИСП) Минрегионстроя Украины и в учебном процессе КНУСА.

Ключевые слова: САПР, проектирование, гидропривод, следящий рулевой привод, модель, моделирование, динамика, процесс, состояние, макроконвейер, грамматика.

SUMMARY

Gorda D. O. State dynamics simulation of hydraulic servo steering gear (HSSG) in CAD (computer-aided design) of building machines. - Manuscript.

The thesis for a Candidate's degree in engineering science in speciality 05.13.12 - Automation and project design systems. - Kyiv National University of Construction and Architecture. - Kyiv, 2011. Thesis is devoted to the problem solution of simulation of state dynamics of hydraulic servo steering gear in simulation of building machines CAD. Analysis of problem-oriented models and simulation-based methods of technical state diagnostics of hydraulic servo steering gear has been carried out with the aim of system design integration. The author has investigated the systems and methods of adaptive identification of HSSG states in transient phenomena, information technologies of state model integration, simulation model design as developing core synthesizing sub-systems in CAD HSSG. Effective system of procedures has been developed for CAD HSSG, which enables designer to carry out target search for optimal parameters of new tools for HSSG as higher-level elements of CAD with limited information. The possibility of supplement with alternative models of subject area in the form of multilevel context diagrams is taken into account. To perform this procedure the operation of architectural design as conversion of collected demands into formal structures with the use of formal syntax is defined, which implies open technologies and maximum flexibility in enhancement and functionality growth.Presented in the work models, methods and HSSG simulating technologies have been implemented in scientific research institute of construction operations (NIISP Minregionstroy) of ministry of regional construction of Ukraine and in education process in KNUCA.

Key words: CAD, design engineering, hydraulic power drive, servo steering gear, model, simulation, dynamics, process, state, macro pipeline, grammar.

Размещено на Allbest.ru

...