В статье представлена методика разработки информационной модели, которая позволяет организовать имитационное моделирование в разработанном программном обеспечении тренажёрных комплексов. Разработанная информационная модель гусеничной машины позволяет её интегрирование в другие подобные машины.
Ключевые слова: тренажёр. математическая модель. имитационная модель. программное обеспечение тренажёра. тренажёрный комплекс, алгоритм, информационная модель.
При разработке математических моделей, описывающих функционирование элементов систем «физической модели машины», разработчики применяют несложные построения, что приводит к некачественному и неадекватному функционированию тренажерного комплекса. Так, если не учитывать детальную работу подсистем «физической модели», можно получить неполную модель имитируемого объекта, связи которого взаимосвязаны с другими подсистемами. Например, работа двигателя зависит от различных условий: температуры окружающей среды; атмосферного давления; вязкости и количества масла; системы охлаждения; топлива; работы фильтров (воздушного, масленого, топливного) и других условий. Если пренебречь каким-то условием, то получим некачественную модель.
Данная статья является актуальной, так как в ней предложена методика разработки информационной модели гусеничной машины.
Научная проблема заключается в определении главных связей между основными элементами модели гусеничной машины.
Теоретической значимостью данной статьи является методика построения информационной модели и сама информационная модель, которую можно применить к любой машине.
Практической значимостью данной статьи является применение информационной модели в разработках сложных тренажерных комплексов, удовлетворяющих заказчиков.
Информационная модель систем гусеничной машины для тренажерного комплекса
Чтобы правильно разработать имитационную модель функционирования гусеничной машины, требуется построить информационную модель. Информационная модель гусеничной машины строится на детальном анализе состава и функционирования машины. Например, рассмотрим путепрокладчик БАТ-2. При проведении детального анализа получена общая структура систем, которые представлены на рис. 1.
Рис. 1. Общая структура основных элементов БАТ-2
Взаимодействие элементов путепрокладчика представлено на рис. 2.
Рис. 2. Схема взаимодействия основных элементов путепрокладчика
Органы управления путепрокладчика воздействуют на элементы путепрокладчика с целью управления работой. Органы управления (рис. 2) воздействуют на топливную систему (педаль управления топливным насосом), систему смазки двигателя (подкачка масла в смазочную систему), систему охлаждения и подогрева (управление подогревом системы охлаждения, управление отоплением кабины), систему пуска двигателя, систему воздухоочистки (управление жалюзями и створками), трансмиссию (управление коробкой передач, управление сцеплением, управление реверсом, управление отбором мощности), ходовую часть (управление передними и задними катками — блокировка балансиров), пневмооборудование (управление запуском двигателя, управление работой омывателя окна), электрооборудование (управление запуском двигателя, управление источниками электроэнергии, управление потребителями электроэнергии, управление вспомогательной аппаратурой и приводами), систему защиты (управление ФВУ, ПО), рабочее оборудование (управление бульдозерным оборудованием, рыхлителем, краном).
Работу двигателя обеспечивают: топливная система (устанавливает обороты и мощность двигателя), система смазки (устанавливает потребный уровень и давление масла), система воздухоочистки (обеспечивает двигатель поступления воздуха в камеру сгорания), система охлаждения и подогрева (обеспечивает соответствующий температурный режим работы двигателя), система выпуска отработанных газов (обеспечивает выпуск отработанных газов из камеры сгорания двигателя).
Двигатель обеспечивает работу трансмиссии, передавая обороты коленчатого вала в трансмиссию.
Трансмиссия обеспечивает работу ходовой части, приводя ведущие колеса в движение.
Пневмооборудование воздействует на систему пуска двигателя, обеспечивая давление сжатого воздуха на пусковое устройство и на омыватель окна.
Электрооборудование (рис. 2) воздействует на работу следующих систем: на органы управления и контрольные приборы (показания приборов от датчиков, управление потребителями), систему пуска двигателя (включение стартера), на систему охлаждения и подогрева (работу подогревателя), на систему смазки (работу масленых насосов), трансмиссию (блокировку системы управления переключением передач), на двигатель (аварийная остановка двигателя), на систему защиты (гамма излучения и противопожарного оборудования), на рабочее оборудование (работу бульдозера, рыхлителя, крана).
Условия эксплуатации (рисунок 2) воздействуют на органы управления и контрольные приборы (включение фар, особенности управления от рельефа, грунта, атмосферных явлений), на систему воздухоочистки (работа воздухоочистки в зависимости от грунта), на систему пуска двигателя (выбор режима пуска двигателя от условия: зима, лето, температура воздуха), на систему охлаждения и подогрева (работа определяется следующими условиями: зима, лето, температура воздуха), на трансмиссию (условия рельефа, грунта, атмосферных явлений), на ходовую часть (условия рельефа, грунта, атмосферных явлений), на электрооборудование (атмосферные явления, зима, лето, температура воздуха, день, ночь), на рабочее оборудование (все перечисленные условия).
Исходя из проведённого анализа и построенной структуры основных элементов путепрокладчика, общая структура имитационной модели путепрокладчика будет иметь следующий вид (рисунок 3).
Рис. 3. Имитационная модель путепрокладчика
Модель органов управления и контрольных приборов предназначена для формирования сигналов управления путепрокладчиком от органов управления, а также отображения на контрольных приборах состояния его элементов оборудования.
Модель силовой установки предназначена для моделирования работы силовой установки и обеспечения работы трансмиссии, ходовой части и рабочего оборудования.
Модель двигателя предназначена для моделирования функционирования двигателя, устанавливающего соответствующие обороты коленчатого вала в зависимости от результатов моделирования других подсистем: модели топливной системы, модели систем воздухоочистки, модели пуска двигателя, модели системы смазки, модели системы охлаждения и подогрева.
Модель топливной системы предназначена для моделирования работы топливной системы и включает: моделирование расхода топлива из выбранных баков; моделирование работы топливных насосов; моделирование работы двигателя (обороты двигателя).
Модель системы воздухоочистки предназначена для моделирования влияния воздуха на обороты двигателя при поступлении его в камеру сгорания.
Модель системы пуска двигателя предназначена для моделирования начала работы двигателя, где производится разгон коленчатого вала стартером и перехода его работы от форсунок с топливным насосом.
Модель системы смазки предназначена для моделирования работы системы смазки двигателя: давления, температуры и уровня масла в двигателе.
Модель системы выпуска отработанных газов предназначена для моделирования объёма выпуска газов от различных режимов работы двигателя.
Модель системы охлаждения предназначена для моделирования процессов охлаждения двигателя и подготовки двигателя к работе (подогрев системы охлаждения), что влияет на обороты коленчатого вала.
Модель трансмиссии предназначена для моделирования процессов движения путепрокладчиком в зависимости от работы двигателя и органов управления.
Модель ходовой части предназначена для моделирования работы ходовых элементов путепрокладчика: ведущих колёс, опорных катков, поддерживающих катков, гусениц, балансиров. Данная модель формирует в зависимости от условий движения потребную мощность для двигателя.
Модель электрооборудования предназначена для моделирования функционирования электропотребителей, источников электроэнергии.
Модель системы защиты предназначена для моделирования систем: гамма-защиты, фильтрации воздуха, управления ФВУ и пожарного оборудования.
Модель рабочего оборудования предназначена для моделирования рабочего оборудования путепрокладчика: работы отвала, рыхлителя, крана.
Модель условий эксплуатации предназначена для изменения параметров моделирования путепрокладчика в зависимости от внешних условий, влияющих на его работу.
Модель запрещённых режимов и отказов предназначена для выявления запрещённых режимов и формирования по ним отказов.
Взаимодействие элементов информационной модели путепрокладчика представлено на рисунке 4.
Рис. 4. - Схема взаимодействия основных элементов информационной модели путепрокладчика
Параметры взаимосвязи между системами информационной модели:
Крл — положение левого рычага поворота;
Крп — положение правого рычага поворота;
Ккпп — положение рычага переключения передач;
Крев — положение рычага реверса;
Ком — положение рычага отбора мощности;
Кгт — положение рычага горного тормоза;
Кг — положение рычага гидропривода;
Ксц — положение педали сцепления;
Кмзнт — положение включателя маслозакачивающего насоса трансмиссии;
Кт — положение педали управления топливным насосом;
Ктрк — положение рычага управления топливораспределительным краном;
Кж — положение рычага управления жалюзи и заслонками;
Кмзн — положение включателя маслозакачивающего насоса двигателя;
Кпд — положение кнопки пуска двигателя;
Крпд — положение переключателя способа пуска двигателя;
Клеб — положение включателя лебёдки;
Кб1, Кб2, Кб3 — положение кранов открытия баллонов с жатым воздухом;
Ксвеча — положение включателя свеча;
Ккотел — включатель в положении котёл;
Кдв — положение включателя пуска двигателя калорифера;
Кпускк — положение включателя пуска котла;
Кпрод — положение включателя продувка котла;
nд — обороты двигателя;
Rв — коэффициент влияния на двигатель воздухом;
Fj — параметр характеризующий работу двигателя;
Tr — параметр характеризующий исправность трансмиссии;
Eдв — параметр характеризующий исправность двигателя;
nстарт — обороты стартера при разгоне коленчатого вала двигателя;
Uсеть — бортовое напряжение;
tвозд — температура воздуха;
nв — обороты коленчатого вала двигателя;
Рпс — потребная мощность;
Rсм — коэффициент влияние системы смазки на работу двигателя;
Rохл — коэффициент влияния системы охлаждения и подогрева на работу на двигатель;
Vr — объём выпуска отработанных газов;
Рд — мощность двигателя %
Vв — объём воздуха поступающего в двигатель;
tохл — температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя;
nом — частота вращения вала от редуктора отбора мощности;
Кп1.. Kпn — положение включателей электропотребителей;
Рвозд — давление сжатого воздуха в пневмосистеме;
Uген — напряжение от генератора;
Vл — скорость вращения левого ведущего колеса;
Vп — скорость вращения правого ведущего колеса.
Таким образом, представленная информационная модель гусеничной машины для тренажерного комплекса, показывает сложность построения основных элементов, а также взаимосвязи между нами. Дальнейшее раскрытие каждого элемента, позволит получить необходимые входные данные для имитационного моделирования и определения выходных данных для детальной организации взаимосвязей между подсистемами.
Заключение
Представленная методика разработки информационной модели и сама модель были реализованы в опытно-конструкторских разработках различных гусеничных машин. Адекватность работы имитационной модели «физической машины», были опробованы на государственных испытаниях и даны положительные оценки экспертов. Данные исследования помогут разработчикам специального программного обеспечения тренажёрных средств в разработке современных тренажёрных комплексов.
Литература:
- Путепрокладчик БАТ-2 техническое описание и инструкция по эксплуатации //Министерство обороны-1987.
- Курс вождения инженерных машин (КВИМ-2011) // Министерство обороны — 2011.
- Разработка программно-аппаратного комплекса тренажёра бульдозера на артиллерийском тягаче «ПАК ДТ-БАТ» // «ЗАО Институт телекоммуникации» — 2017.
- Разработка программно-аппаратного комплекса тренажёра плавающего транспортёра «ПАК-ПТС» // «ЗАО Институт телекоммуникации» — 2017.
- Разработка программно-аппаратного комплекса тренажёра плавающего транспортёра «ПАК-ИМР» // «ЗАО Институт телекоммуникации» — 2017.
- Фоменков, С. А. Математическое моделирование системных объектов: учебное пособие / Фоменков С. А., Камаев В. А., Орлова Ю. А.; ВолгГТУ, Волгоград, 2014.- 340 с.
- Шукшунов В. Е. Проектирование тренажерно-моделирующих комплексов нового поколения /Шукшунов В. Е., Янюшкин В. В. //Международный научно-практический журнал «Программные продукты и системы» — № 4–2012.- С.192–200.
