К вопросу составления компьютерных моделей агрегатов гидропневмосистем

К вопросу составления компьютерных моделей агрегатов гидропневмосистем

А.В. Узунов, канд. техн. наук

НТУУ»КПИ»

Введение

Агрегаты гидравлических и пневматических систем представляют собой объекты, обеспечивающие выполнение значимых для систем функций. Особенностью таких агрегатов является то, что выполнение функций достигается как результат динамического взаимодействия отдельных элементов. Она проявляется на этапе проектирования агрегата и выражается в необходимости построения компьютерных моделей. Это усложняет задачу проектирования до «научного» уровня и повышает требования к квалификации разработчиков.

В настоящее время существует большое количество инструментальных средств построения компьютерных моделей разнообразных устройств. Наиболее полно задачам построения моделей рассматриваемых агрегатов отвечает инструмент Simulink среды MatLab. Опыт применения указанного инструментального средства [1] показал, что уровень и принцип описания процессов, а также принятая в нем технология требуют относительно высокой квалификации пользователя. Кроме того, форма представления объектов не адаптирована к предметным специалистам. Как показывают исследования [2], это существенно влияет на эффективность решения практических задач.

Перевод задач построения компьютерных моделей агрегатов гидравлических и пневматических систем из разряда научных в разряд инженерных может быть осуществлен путем применения аналогии с так называемой «отверточной» технологией. Ее сущность состоит в разделении процесса построения моделей объектов на наукоемкие и простые операции и в их последующем выполнении специалистами соответствующих квалификационных уровней.

Использование такой технологии для составления моделей указанных агрегатов позволит снизить необходимый уровень квалификации разработчиков, сократить стоимость и сроки проектов. Однако переход к такой технологии должен быть подготовлен созданием стандартных сборочных единиц для моделей; средств поддержки операций сборки и сборочных «площадок». Это, в свою очередь, связано с необходимостью решения ряда проблем.

Цель и задачи исследования

Одна из проблем обусловлена сложностью и разнообразием объектов моделирования: в них сочетаются различные носители энергии (жидкостные, газовые, механические, электрические), различные типы механических движений (вращательные, поступательные), разные принципиальные и конструктивные решения.

Предложенная гипотеза подхода, состоящая в том, что модели разных агрегатов могут быть собраны из ограниченного количества стандартных сборочных единиц, позволила свести проблему к определению необходимого перечня сборочных единиц, достаточного для построения моделей реального спектра агрегатов.

Цель исследований - выработка подхода к формированию комплекта стандартных сборочных единиц моделей, достаточного для составления из них компьютерных моделей агрегатов гидропневмосистем.

Для этого необходимо решить следующие задачи: представить агрегат в форме продукта «отверточной» технологии; определить критерии декомпозиции агрегата на сборочные единицы; сформировать перечень стандартных сборочных единиц; проверить применимость сборочных единиц для построения модели агрегата.

Результаты «сборочное» представление агрегата и модели

Основным требованием к представлению модели агрегата «отверточной» технологии является возможность составления ее из отдельных частей путем их соединения. Составные части при этом, с одной стороны, должны обладать свойствами соединяемости с другими частями и стандартности для моделей рассматриваемого класса агрегатов. Кроме этого, они должны нести ясную для предметных специалистов функциональную нагрузку.

На самом общем уровне агрегат гидравлической (пневматической) системы можно рассматривать как объект, взаимодействующий с внешней средой (рис.1).

Для формирования представления агрегата рассмотрим, как агрегат воспринимается внешней средой и что он представляет собой с точки зрения внутреннего строения. Внешнее проявление агрегата состоит в выполнении известного комплекса функций по отношению к окружающей его среде. Внутреннее содержание агрегата - механизм, обеспечивающий формирование потенции выполнения заданного комплекса функций. Взаимодействие внутреннего механизма агрегата с внешней средой обеспечивается посредством «чего-то», что контактирует с внешней средой и механизмом агрегата. Это «что-то» может быть определено понятием «активное тело». Агрегат формирует требуемые свойства активного тела, а активное тело, со своей стороны, контактируя с агрегатом, воспринимает его воздействия, помнит свое состояние и выполняет запрограммированную в нем работу по отношению к внешней среде (рис.2).

Построим описательную модель функционирования абстрактного агрегата, ответив при этом на следующие вопросы. Что собой представляет активное тело и как устроен и функционирует агрегат?

Активное тело. Согласно общему представлению агрегата в нем должно присутствовать активное тело, обладающее способностью выполнять перечисленные выше функции. Что же в конкретном агрегате является активным телом? Рассмотрение агрегатов показало, что такая постановка вопроса не является корректной. Например, во фрагменте агрегата, в котором энергия жидкости передается механическому элементу - поршню, активным телом является сначала жидкость, а затем твердый элемент. Т.е. понятие «активное тело» охватывает и жидкость, и твердый элемент. В таком случае для формирования угла зрения на агрегат с целью определения в нем активного тела правомерным является вопрос: чем в агрегате представлено активное тело? При этом следует учитывать, что активному телу присуще свойство изменять свой вид (например, жидкость, твердое тело и т.д.).

Обладает ли активное тело, представляемое различными видами, способностью воспринимать воздействия агрегата, сохранять свое состояние и выполнять работу? Конечно. Это обусловлено тем, что поведение активного тела при изменении его состояния в результате воздействия агрегата, а также сохранение его состояния между воздействиями подчиняются естественным законам.

Какими параметрами характеризуется состояние активного тела, помимо вида? Количественная характеристика возможности выполнения работы определяется запасом энергии, которым обладает активное тело. А его качественные характеристики определяются соотношением кинетической и потенциальной составляющих состояния энергии. Кроме этого, переход активного тела из одного состояния в другое определяется характером изменений значений параметров во времени. Физические параметры, определяющие состояние энергии, специфичны для каждого вида активного тела.

Таким образом, функции активного тела в агрегате могут выполнять разнообразные элементы, передающие энергию. Эти элементы обладают свойствами воспринимать воздействия, изменяя свои свойства, сохранять свое состояние, а также совершать работу.

Строение и функционирование «сборочного» агрегата

Для выполнения работы над внешней средой активное тело на выходе агрегата должно обладать некоторым видом энергии, ее запасом, информацией о точке приложения воздействия, его направлении и характере изменения во временной развертке.

Если принять, что на входе в агрегат хотя бы одна из указанных характеристик активного тела отличается от требуемой на выходе агрегата, то это будет означать, что агрегат должен обеспечивать соответствующее изменение этой характеристики. Последнее возможно, если агрегат содержит в себе часть (части), обеспечивающую выполнение соответствующего действия над активным телом для его подготовки к выполнению работы над внешней средой. Назовем такие части модификаторами состояния.

Если модификаторов состояния в агрегате несколько, то их действия должны быть скоординированы в соответствии с технологическим процессом получения планируемого результата работы агрегата. Эта координация обеспечивается конфигурацией траектории движения активного тела и расположением модификаторов для изменения его состояния.

Функционирование механизма агрегата может быть представлено как процесс придания требуемого состояния активному телу, который поддерживается согласованными действиями отдельных частей агрегата - модификаторами состояний.

Критерии обнаружения сборочных единиц

Как разделить конкретный агрегат на части, соответствующие сборочным единицам? Один из подходов может строиться на обнаружении признака изменения состояния активного тела [3], состоящем в том, что если в агрегате изменилось состояние активного тела, то имело место использование некоторого модификатора состояния. Здесь возможны некоторые неоднозначности. С одной стороны, факт изменения состояния не означает, что был изменен только один параметр состояния, а с другой стороны, один и тот же модификатор при различных условиях может выполнять различные функции.

Следовательно, для отделения сборочных единиц необходимы формальные критерии по отношению к активному телу и составляющие их действия (табл. 1).

Так как содержанием работы агрегата является формирование состояния активного тела для выполнения требуемых функций, то в качестве первого критерия обнаружения сборочной единицы может выступать факт изменения состояния активного тела. Как отмечалось выше, изменение состояния активного тела в агрегате производится модификатором состояния. Что же касается возможности изменения одним модификатором нескольких параметров состояния, то эта проблема разрешается, если предположить возможность существования устойчивых групп из сборочных единиц - сборочных узлов. Тогда группа может быть разделена на более простые сборочные единицы, ответственные за одно действие - изменение одного параметра состояния, и, наоборот, сборочный узел может быть получен из сборочных единиц. Но в этом случае он будет изменять несколько параметров состояний.

Вопрос о сборочных узлах имеет существенное значение при использовании «отверточной» технологии. Чем больше в модели агрегата используется сборочных узлов и чем большую функциональную нагрузку они несут, тем меньше сборочных операций необходимо производить при сборке модели. Но, с другой стороны, чем более функционально нагружены сборочные узлы, тем меньшее разнообразие моделей агрегатов они допускают.

Таблица 1 - Перечень действий по отношению к активному телу

На данном этапе развития подхода главным представляется определение набора сборочных единиц, которые в процессе развития подхода можно будет объединять в наиболее потребляемые сборочные узлы. Такая последовательность является обоснованной даже с учетом некоторого усложнения представления моделей агрегатов в сравнении с принципиальными схемами.

Учитывая сказанное, вторым критерием обнаружения сборочных единиц является содержание действия по отношению к активному телу.

Для возможности идентификации содержания действия необходимо иметь перечень действий по отношению к активному телу.

Разделим действия над активным телом на функциональные группы и подгруппы. При этом могут быть выделены следующие группы действий. Перечисленные критерии дают возможность обнаружить в агрегате сборочные единицы. Однако при этом необходимо также учитывать свойство самой сборочной единицы- соединимости, т.е. иметь связи для соединения с другими единицами.

Таким образом, принципиально есть вся необходимая информация для поиска сборочных единиц в схемах агрегатов.

В соответствии со сказанным была проделана некоторая работа, позволившая получить перечень сборочных единиц. Перечень был получен в результате проведения декомпозиции схемы конкретного агрегата. В качестве агрегата был выбран регулятор расхода жидкости. Сборочные единицы в определенной степени соответствуют перечню действий по отношению к активному телу. Для первичной проверки применимости полученного перечня попробуем ответить на вопрос: можно ли из сборочных единиц модели регулятора расхода составить модель другого агрегата, например клапана давления? Для ответа на вопрос рассмотрим процедуру составления модели клапана давления.

Процесс построения модели состоит из трех этапов. На первом определяются сборочные единицы, входящие в состав клапана давления. Эта операция проводится путем обнаружения в схеме клапана давления элементов, соответствующих полученному ранее перечню стандартных сборочных единиц и узлов.

На втором этапе определяется схема соединений сборочных единиц модели. Составление этой схемы выполняется в ходе анализа траектории движения активного тела в агрегате. При этом выполняется маркировка мест установки, типов и ориентации задействованных сборочных единиц.

На третьем этапе сборочные единицы собирают в модель. Для этого копируется нужное число типов сборочных единиц, проводится их размещение на сборочной «площадке» и соединение в соответствии с маркировкой мест расположения и ориентацией на схеме соединений.

В ходе составления модели, уже на первом этапе, проделанная работа (рис.3) показала, что сборочных единиц регулятора расхода оказалось достаточно для составления модели клапана. Это позволяет говорить о первичном подтверждении высказанной гипотезы. Остановимся более подробно на технической стороне получения перечня сборочных единиц. Учитывая сложность и разнообразие агрегатов, а также желание прийти к цели с наименьшими затратами ресурсов, была сужена область поиска.

Это было сделано путем представления взаимодействия активных тел в агрегатах предметной области в виде однотипных фрагментов. Для этого в качестве системообразующего фактора использован вид активного тела. Применяемые виды активных тел и взаимодействия между ними, характерные для агрегатов гидравлических (пневматических) систем, представлены следующей схемой (рис.4а). Однотипные фрагменты в этом представлении могут быть отделены в виде групп сборочных единиц для двух видов активных тел и группы единиц, обеспечивающих их взаимодействие.

Рисунок 4 - Схема взаимодействия между активными телами в различных агрегатах гидропневмосистем (а) и пример однотипного фрагмента (б)

Учет факта, что вид активного тела не изменяет сущности действий над ним, позволяет рассмотреть один фрагмент и распространить полученный результат на другие фрагменты. Формирование перечня моделей типовых сборочных единиц проведено для агрегатов, которые перекрываются фрагментом, составленным из механических тел поступательного действия, гидравлических тел и группы, отражающей их взаимодействие (рис.4б).

Здесь уместно сделать замечание. Оно касается вопроса выполнения различных функций одним модификатором состояния. Так как один и тот же модификатор может выполнять различные функции при различных условиях, то имеет смысл ввести понятие «комплект». Комплект может быть определен как конкретный модификатор, находящийся в известных условиях. Такой комплект однозначно выполняет конкретную функцию. Используя введенное понятие, каждому действию можно однозначно поставить в соответствие некоторый комплект. Переход от комплекта к модификатору состояния может быть выполнен путем исключения из комплекта условий.

Формирование перечня сборочных единиц модели

В результате рассмотрения этого вопроса должен был быть получен перечень конкретных сборочных единиц, поэтому рассматривался конкретный агрегат в контексте сформированного представления описания сборочного агрегата. В качестве примера, как отмечалось выше, был взят агрегат гидравлической системы, предназначенный для автоматического поддержания заданного расхода жидкости (рис.5а) [4]. Агрегат содержит связанный с поршнем 1 дроссель 2 с переменным проходным сечением и дроссель 3 с постоянным сечением, которое может быть настроено на требуемый расход. С одной стороны на поршень 1 действует сила от пружины 4, а с другой стороны - давление жидкости перед дросселем 2. При изменении (например, уменьшении) расхода на входе в агрегат количество жидкости, проходящее через дроссель 2, уменьшается, это приводит к снижению давления, действующего на нижнюю часть поршня, и дополнительному открытию дросселя 2 до восстановления давления у нижней части поршня. Последнее обеспечивает поддержание заданного расхода жидкости через агрегат.

Для получения перечня моделей сборочных единиц была проведена декомпозиция схемы агрегата. Из агрегата извлечена траектория движения активного тела, а затем, в ходе движения по ней, фиксировались факты изменения состояния активного тела и идентифицировались изменения в соответствии с перечнем действий (табл.1). Положительный результат идентификации позволил определить сборочную единицу. Для каждой сборочной единицы вводилось графическое обозначение.

Так, например, двигаясь от входа в агрегат по траектории движения активного тела (рис.5б), был отмечен факт изменения состояния активного тела. Он соответствует подводу активного тела в виде жидкости. На траектории это изменение отмечено черной точкой (сборочная единица относится к внешней среде) и обозначено графическим символом, который указан выносной линией. Этот символ обозначает сборочную единицу - подвод активного тела в виде жидкости. Далее, двигаясь по траектории, был отмечен факт изменения состояния, соответствующий подгруппе формирования траектории, а именно - соединению (разветвлению) траектории движения активного тела. Место изменения отмечено серой точкой (сборочная единица относится к агрегату), и введено обозначение и т.д.

Примечательным в схеме агрегата является факт изменения нескольких параметров состояния активного тела одним модификатором (рис.5с). Это сборочный узел. Он включает в себя несколько сборочных единиц, каждая из которых обеспечивает изменение одного параметра состояния активного тела (изменение состояния энергии, изменение вида активного тела, соединение траектории).

Исключение одинаковых сборочных единиц позволило получить перечень их типов для агрегата автоматического поддержания расхода жидкости. Эти сборочные единицы сгруппированы по виду активного тела. Результат (рис.6) иллюстрирует полученный перечень сборочных единиц и содержательный состав фрагмента (рис.5б).

Выводы

Выработан подход и критерии для формирования перечня сборочных единиц для составления компьютерных моделей ряда агрегатов гидравлических (пневматических) систем. Составлен перечень сборочных единиц для моделей агрегатов, функционирующих на основе взаимодействия жидкости и твердых тел. На качественном уровне подтверждена возможность составления моделей агрегатов из сборочных единиц перечня. Показана «отверточная» технология составления модели гидравлического агрегата из базового комплекта моделей сборочных единиц.

Summary

The questions of composition computer models for the hydraulic and pneumatic units for its designing are considered. The aims are the approach forming and getting the assembling elements for composition the models for different units with “screwdriver” engineering. The results are the following: the division criterions for the units to getting the assembling elements; the list of the assembling elements; the positive result of assembling testing the unit model. In next investigations can be got the recommendations for computer tool designing.

Список литературы

1. Лазарев Ю.Ф. MatLAB 5.x. -К.: Издательская группа BHV, 2000.- 384 с.

2. Паронджанов В.Д. Как улучшить работу ума: алгоритмы без программистов - это очень просто! - М.:Дело, 2001.-300 с.

3. Узунов А.В. Особенности построения компьютерных моделей агрегатов гидравлических и пневматических систем // Вестник НТУУ «КПИ», Машиностроение.- 2002.- Т.2. - №42. - С.88-91.

4. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1967. - 495 с.