авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка и исследование математического, лингвистического и программного обеспечения подсистемы сапр построения математических моделей гетерогенных объектов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Майоров Николай Николаевич

Разработка и исследование математического, лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов

Специальность: 05.13.12

«Системы автоматизации проектирования»

( приборостроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2008

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения»

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Сольницев Ремир Иосифович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дмитревич Геннадий Данилович

кандидат технических наук, доцент

Панфёров Александр Иванович

Ведущая организация:

ОКБ «Электроавтоматика»

Адрес: 198095, Санкт-Петербург, ул. Маршала Говорова, д. 40.

Защита диссертации состоится « __» _____ 2008 г. в ___ на заседании диссертационного совета Д 212.227.05 в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д. 49

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан «___»__________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.05 В.И. Поляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При проектировании приборов, так же как объектов машиностроения в общем случае, последние часто обладают свойствами гетерогенности, т. е. состоят из физически разнородных компонентов. Поскольку эти компоненты входят в объект проектирования, они определяют такие его свойства как масса, объем, функциональные характеристики.

Предлагаемая подсистема САПР построения математических моделей гетерогенных объектов предназначена для обеспечения построения математических моделей объектов проектирования в аналитическом виде. Однако сложность гетерогенных объектов проектирования вызывает трудности при построении исходной математической модели, той модели, опираясь на исследование которой будут приниматься решения о свойствах объекта проектирования на всех последующих этапах. Математическая модель, построенная вручную, ограничена не только большой трудоемкостью и вероятностью многих ошибок в части адекватности объекту, но и в силу ограниченности возможностей по проведению ее верификации.

Сегодня при проектировании используется большое количество программных средств для представления геометрии объекта, создания его образца, а также программных средств позволяющих выполнять расчеты по уже известным математическим моделям. К сожалению, используемые математические модели по-прежнему создаются вручную и требуют значительного времени и труда специалистов, понимающих физические условия проектирования, которые включают не только геометрию объекта, но и учитывают влияние внешней среды и других возмущений. Чем точнее будет построена математическая модель гетерогенного объекта, тем качественнее можно выполнить последующее его проектирование. К тому же для проектирования гетерогенного объекта необходимо строить модель с учетом взаимного влияния звеньев различной физической природы друг на друга. Поэтому разработка методики и алгоритмов построения математических моделей гетерогенных объектов и соответствующей подсистемы (инструмента) САПР является весьма актуальной задачей.





Решению этой важной в автоматизации проектирования задачи и посвящена данная работа. В работе приведена методика построения математических моделей гетерогенных динамических объектов, алгоритмы построения математических моделей, в том числе сопряжения гетерогенных компонентов, решены вопросы лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов. Применение такой подсистемы рассматривается на гидромеханической системе замкнутом резервуаре с жидкостью, на электромеханических объектах, таких как гиростабилизаторы.

В работе предложено использование математических моделей в аналитическом виде на всех этапах проектирования наряду с геометрической 3D-моделью. Существующие развитые средства геометрического проектирования (Euclid, AutoCAD, Mechanical 2008, NanoCAD, MechaniCS, Plant-4D,REAL Steel и др.) направлены на решение конструкторских задач. Однако учет динамики объекта проектирования в соответствующих проектных процедурах не проводится. В то же время успешные конструкторские решения нуждаются в дополнении геометрических моделей динамическими математическими моделями. При наличии таких математических моделей в аналитическом виде появляется возможность выполнить процесс проектирования на качественно новом уровне. Поэтому важно математическую модель гетерогенного объекта в аналитическом виде «тянуть» от начала проектирования до этапа изготовления опытного образца.

В частности, резервуар с жидкостью как объект проектирования является сложной гетерогенной системой, содержащей гидромеханические звенья. Например, таким объектом является топливно-измерительная система.

При проектировании резервуаров одной из задач является измерение уровня жидкости в динамике, для чего проектировщики строят тарировочные характеристики при различных углах наклона резервуара и затем по ним производят расстановку датчиков уровня. Но тарировочная характеристика часто не позволяет обеспечивать заданную точность с учетом возмущений. Поэтому требуется построение математических моделей, позволяющих определить поведение жидкости в динамике в зависимости от внешних возмущений, оказывающих воздействие на резервуар и движение жидкости в нем и тем самым повысить точность измерения.

Цель работы. Основной целью работы является разработка и исследование математического, лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов. Для достижения поставленной цели потребовались определение требований к структуре подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов, выбор метода построения математических моделей гетерогенных объектов в аналитическом виде, разработка лингвистического и программного обеспечения построения математических моделей гетерогенных объектов, разработка принципов организации коллективного доступа к инструментальной среде создания программных приложений для дальнейшего численного моделирования по полученным математическим моделям при подстановке заданных числовых параметров объекта.

Научную новизну и ценность составляют следующие полученные в работе результаты:

  1. Методика построения математических моделей гетерогенных объектов в САПР.
  2. Методика взаимодействия проектировщика с подсистемой САПР построения математических моделей гетерогенных объектов.
  3. Алгоритмы, входящие в математическое обеспечение САПР, позволяющие реализовать методы построения математических моделей гетерогенных объектов.
  4. Алгоритмы взаимодействия проектировщика с подсистемой САПР.
  5. Методика преобразования математической модели гетерогенного объекта в соответствующую UML-диаграмму.
  6. Интерфейс коллективного доступа к подсистеме САПР построения математических моделей гетерогенных объектов, созданный в среде Visual Studio.
  7. В частности, в диссертации приводится применение подсистемы САПР при проектировании таких гетерогенных объектов как замкнутый резервуар с жидкостью и гиростабилизаторы.

Основные научные положения, выносимые на защиту:



- методика и алгоритмы построения математических моделей гетерогенных объектов,

- методика коллективного доступа к математическим моделям гетерогенных объектов в процессе проектирования,

  • методика построения математической модели движения жидкости для гидромеханических систем, применительно к задачам повышения точности измерения уровня жидкости,
  • специальное лингвистическое и программное обеспечение, реализующие перечисленные методы и позволяющее выполнять построение математических моделей гетерогенных объектов в аналитическом виде

Практическая ценность работы заключается в том, что применение разработанной методики, алгоритмов, лингвистического и программного обеспечения построения математических моделей гетерогенных объектов и соответствующей подсистемы САПР показало значительное сокращение времени и повышение качества проектирования в сравнении с применявшимися ранее средствами.

Реализация результатов работы.

Разработанная подсистема САПР построения математических моделей гетерогенных объектов использовалась в части построения математической модели трехосной системы гиростабилизации спутниковой антенны (СГСА), измерения жидкости в замкнутом резервуаре, что подтверждается документом о внедрении и отзывом о проделанной работе.

Подсистема САПР построения математических моделей гетерогенных объектов внедрена в учебный процесс в СПбГУАП и СПбГЭТУ «ЛЭТИ», что также подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции «Instrumentation in Ecology and Human Safety» («IEHS'07»), St.Petersburg, 2007, научные сессии аспирантов (СПбГУАП, 2006, 2007, 2008 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, включая 1 статью в журнале рекомендуемом ВАК, 2 учебно-методических пособия и 1 свидетельство регистрации разработки в отраслевом фонде алгоритмов и программ № 9441.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 70 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 139 страницах машинописного текста. Работа содержит 48 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткое содержание глав работ.

В первой главе анализируются современные САПР (Euclid, AutoCAD Mechanical 2008, NanoCAD, MechaniCS, Plant-4D,REAL Steel и др.) - это САПР, позволяющие вести только геометрическую модель в плане конструкторского проектирования. Показано, что математическая модель динамики гетерогенного объекта в аналитическом виде не используется в приведенных выше средствах. Для построения математической модели гетерогенного объекта в аналитическом виде, исследования его динамики предлагается рассматривать данный объект как сложную структуру и представлять конечным множеством звеньев (рис. 1).

 Структура гетерогенного объекта в-0

Рис. 1. Структура гетерогенного объекта в виде графа

В структуру гетерогенного объекта входят звенья различной физической природы, находящиеся во взаимодействии: электромеханическом, гидромеханическом и др.

Попытки построения математических моделей в аналитическом виде ранее осуществлялись на основе следующих систем: МАРС, Авто–Аналитик, Macsyma, Reduce-2, SCRATCHPAD, Formac и др. Однако применительно к гетерогенным объектам данные подсистемы распространения не получили, так же как и программные системы Maple, MatLab и другие, которые не содержат средств, позволяющих осуществить ввод исходных схем отдельных звеньев гетерогенных систем и получить уравнения динамики гетерогенного объекта.

Например, с помощью системы МАРС (автор E.А. Арайс) можно представить сложный гетерогенный объект в виде взаимосвязанных звеньев, но не возможно получить уравнение динамики с учетом реальных связей и возмущений. Все элементы в данной системе вводятся с известными уравнениями при идеальных условиях. Получаемые на системе МАРС модели должны достраиваться проектировщиками с учетом действия на объект реальных связей и возмущений. Аналогичные проблемы возникают и при использовании других систем.

Основные функциональные отличия разработанной диссертантом подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов от проанализированных выше подсистем:

1. Подсистема САПР позволяет строить математические модели гетерогенных динамических объектов таких как: электромеханические, гидромеханические и др. в аналитическом виде на основе обобщенного уравнения Лагранжа.

2. Подсистема построена целенаправленно по принципу организации взаимодействия «проектировщик система» (в качестве «системы» выступает разработанная подсистема САПР).

3. Подсистема позволяет организовать коллективный доступ к математическим моделям гетерогенных проектируемых объектов, предоставляя возможность отдельным проектным подразделениям и ведущим специалистам отдельно вести части математической модели и получать проектные решения с учетом уравнений динамики на каждой проектной процедуре.

4. Подсистема может интегрироваться с другими подсистемами САПР.

  1. Подсистема содержит модули для выполнения дальнейшего численного анализа. Достижение поставленной цели осуществляется переходом от математической модели в подсистеме САПР к UML-диаграмме и последующему дополнению к написанию отдельной программы в среде программирования Visual Studio.
  2. В соответствии с пунктом 5 подсистема САПР построения математических моделей гетерогенных объектов интегрируется с другими программными системами (к примеру, c Maple) для выполнения моделирования при заданных числовых значениях.
  3. Для применения предлагаемой подсистемы САПР проектировщику не требуется тратить время на изучение сложного внутреннего языка транслятора, как в системе Авто-Аналитика, что позволяет строить математические модели без обращения к каким-либо дополнительным модулям и средствам.

Во второй главе приведена методика построения математических моделей звеньев гетерогенных объектов (механических, электрических, гидравлических, пневматических и др.)

Построение уравнений динамики звеньев гетерогенного объекта выполняется на основе уравнения Лагранжа второго рода, который требует знания полных кинетической и потенциальной энергий, функций диссипации, возмущающих воздействий. Функция Лагранжа имеет вид

L = T - П, (1)

где П потенциальная энергия -го звена объекта;

T кинетическая энергия -го звена; номер звена.

Рассмотрим уравнение Лагранжа для электромеханических объектов. В качестве обобщенных координат примем угловые и линейные перемещения механических звеньев и количества электричества протекающего через сечения проводников электрических звеньев.

Тогда уравнение Лагранжа будет

(2)

где , (3)

, (4)

, (5)

(6)

где mil, dij – механические массы (моменты инерции), статические коэффициенты упругих сил; Rs – обобщенные силы демпфирования; Lkj, Ckj – электромагнитные и электростатические коэффициенты индукции; hsi, rsj - механические и электрические сопротивления; Qм,Qe – механические внешние моменты и электрические напряжения от внешних источников; qi,qj, - обобщенные координаты и скорости;(t) обобщенные силы внешних воздействий; где ml= ml(t, qi, ).

Для построения математической модели гидромеханических систем предлагается так же использовать уравнение Лагранжа второго рода, причем для описания поведения жидкости предлагается модель, приведенная в четвертой главе.

Предлагается использовать подход, при котором построение математической модели гетерогенного объекта базируется на описании кинематической, электрической, гидравлической схем, в которой указаны обозначения для величин взаимного относительного расположения элементов, масс, коэффициентов жесткости (упругости), демпфирования (трения), индуктивности, емкости и сопротивления, внешних возмущений и сил. Для механического звена каждому звену гетерогенного объекта проектирования ставится в соответствие декартова система координат с началом координат в центре масс узла, и осями, совмещенными с главными осями инерции. Кроме систем координат (СК), жестко связанных с каждым из элементов, вводится исходная СК система, по отношению к которой оцениваются все остальные СК элементов. Используя принцип механики, переход из одной СК к другой может быть произведен с помощью двух базовых преобразований:

поворота СК на некоторый угол вокруг одной из осей;

переноса начала координат на некоторый вектор.

Схема СК, дополненная промежуточными СК с указанием всех необходимых преобразований, обобщенных координат и сил, действующих по осям, является основой для формального, алгоритмизируемого построения математических моделей.

Для построения математической модели электрического звена объекта проектирования электрическую часть при таком подходе требуется раздробить на контуры электрической схемы, каждый из которых имеет свои параметры и обобщенные координаты. Таким образом, параметрами контура является совокупность параметров входящих в него элементов. Такими параметрами являются заряд, сила тока, напряжение, индуктивность, емкость, сопротивление и ЭДС.

На основе разработанной методики предлагаются алгоритмы построения математических моделей гетерогенных объектов. (рис. 2)

Рис. 2. Алгоритмы построения моделей гетерогенных объектов (электромеханические, гидромеханические)

Рис. 2. (окончание)

В третьей главе приводятся лингвистические и программные компоненты подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов.

Для построения математических моделей гетерогенных объектов САПР особенно важно предъявить требования максимального приближения формы записи вычислений, полученных средствами подсистемы САПР, к естественному языку математики. В подсистеме реализован метод трансляции выражения с помощью обратной польской записи.

Кроме этого в разработанной подсистеме САПР разработана инструментальная система создания программных приложений, позволяющая выполнить:

создание структуры программного приложения по полученной математической модели гетерогенного объекта, используя UML-диаграмму;

выполнение импорта созданной модели в аналитическом виде в программный продукт Maple с целью выполнения моделирования при заданных техническим заданием (ТЗ) численных значений и параметров проектируемого объекта.

На рис 3. показана последовательность перехода в инструментальной среде.

Рис. 3. Последовательность переходов в инструментальной среде



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.