Особенности разработки программного комплекса моделирования движения аэробаллистических объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ АЭРОБАЛЛИСТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Д.С. Чулюк

К аэробаллистическим объектам относятся объекты, траектория которых формируется на начальном этапе полёта по законам баллистики, а на конечном - путём маневрирования за счёт подъёмной силы корпуса. Эти объекты достаточно сложны как технически, так и с точки зрения управления их движением, поэтому разработка алгоритмов управления для них тесно связана с проведением математического моделирования. Математическое моделирование, как правило, осуществляется в рамках программного комплекса (ПК), который решает следующие задачи: формирование траектории полёта на основании исходных данных на объект и отладка алгоритмов управления с целью экономии временных и денежных затрат на натурные испытания. Кроме того ПК должен учитывать новые требования, возникающие в процессе эксплуатации системы, частью которой является объект.

В предлагаемом докладе рассматриваются особенности реализации ПК, который осуществляет математическое моделирование движения аэробаллистического объекта, решает перечисленные выше задачи и удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям.

Особенности разработки ПК

Требования, предъявляемые к ПК. Суть математического моделирования любого объекта заключается в интегрировании системы дифференциальных уравнений, описывающих изменение его параметров во времени. В случае аэробаллистического объекта необходимо решить систему дифференциальных уравнений его движения в пространстве, в которую входят: уравнения кинематики и динамики поступательного движения центра масс, уравнения кинематики и динамики вращательного движения относительно центра масс, уравнение изменения массы объекта и уравнения связи [1]. Также для обеспечения процесса моделирования необходимо иметь информацию о том, как изменяются в течение полёта параметры атмосферы, гравитационного поля Земли, возмущающие и управляющие силы и моменты, действующие на объект [2]. Интеграция всех перечисленных расчётов в едином блоке кода приведёт к низкому уровню читабельности и модифицируемости ПК. Отсюда следует, что первым требованием, которое необходимо предъявить к подобному ПК, является модульность построения, позволяющая достаточно быстро осваивать и адаптировать ПК под изменяющиеся параметры и состав аэробаллистического объекта.

Источником управляющих сил и моментов, действующих на объект, является система исполнительных элементов, перемещение которых контролируется бортовой системой управления (БСУ). При математическом моделировании движения аэробаллистического объекта возможны два варианта реализации БСУ: использование базовых алгоритмов управления и использование полных программных кодов. Базовые алгоритмы представляют собой набор формализованных правил, лежащих в основе работы БСУ, по которым формируется управляющее воздействие на исполнительные элементы в зависимости от условий полёта. Второй вариант моделирования БСУ связан с использованием программных кодов, которые используются в бортовом вычислителе объекта во время натурных испытаний. Недостатком этого варианта является избыточность кода и сложность подключения к ПК моделирования, связанные с тем, что работа БСУ подчинена жёсткой циклограмме и сопровождается постоянным информационным обменом с различными узлами объекта. Однако данный вариант обладает существенным преимуществом, которое заключается в значительном повышении эффективности отладки алгоритмов управления, благодаря минимальной разнице между «модельной» и «натурной» версиями. Поэтому вторым требованием является использование при математическом моделировании алгоритмов системы управления в максимально полном виде.

При разработке алгоритмов системы управления аэробаллистическим объектом важно при моделировании иметь возможность оценки как суммарных динамических и инструментальных погрешностей БСУ, так и их составляющих, которые возникают на отдельных этапах полёта. Данное требование также следует предъявить к ПК.

Структура разработанного ПК. В соответствии с заданными требованиями был разработан ПК моделирования движения аэробаллистического объекта, который обладает структурой, изображенной на рис. 1. В соответствии со структурой ПК можно разделить на две группы модулей: основные и дополнительные. Группа основных модулей состоит из связующего модуля, модуля формирования и выполнения «очереди» функций и модуля решения системы уравнений движения объекта. Эта группа образует «скелет» ПК, обеспечивающий согласование работы модулей между собой и выполнение функций ПК. К группе основных модулей подключаются дополнительные модули, в которых осуществляется расчёт параметров среды, окружающей объект (модель Земли и атмосферы), и моделирование работы различных элементов системы управления объектом (модель системы исполнительных элементов, модель двигательной установки (ДУ) и пр.) [3]. Подключение алгоритмов функционирования БСУ происходит в связующем модуле, в функции которого входит: согласование информационного обмена между основными и дополнительными модулями, замена связей «натурных» алгоритмов системы управления с некоторыми узлами объекта их программными эквивалентами («заглушками»).

Рис. 1. Модульная схема построения ПК

Главной функцией «скелета» ПК является формирование на каждом шаге работы программы перечня исполняемых на данном шаге модулей и интегрирование системы дифференциальных уравнений движения объекта. Этот перечень реализован в ПК в виде «очереди», которая представляет собой последовательность вызова подключаемых модулей во время моделирования (рис. 2).

Рис. 2. Состав «очереди» для одного такта работы ПК

Если траекторию полёта объекта разбить на отдельные этапы, такой способ организации выполнения модулей позволяет на каждом этапе оценивать динамические и инструментальные погрешности системы управления, а также настраивать состав, последовательность и частоты вызова модулей «очереди». Пример возможной настройки состава и частоты выполнения «очереди» приведён на рис. 3. Алгоритм, в соответствии с которым производятся эти настройки, закладывается в диспетчер «очереди». Далее рассчитываются параметры среды и силы, действующие на объект со стороны атмосферы, ДУ и исполнительных элементов системы управления. После получения всех необходимых данных производится интегрирование системы дифференциальных уравнений движения объекта. Затем необходимая информация о движении объекта передаётся на блок моделирования показаний датчиков первичной информации. В этом блоке имитируется работа измерителей параметров движения объекта, таких как: инерциальные датчики (гироскопы и акселерометры) и неинерциальные (например, приёмник спутниковой навигационной информации). Замыкает «очередь» блок реализации алгоритмов системы управления, куда поступает информация от измерителей и где вырабатываются управляющие сигналы, используемые для расчётов на следующем шаге.

Рис. 3. Пример изменения состава и частоты выполнения «очереди»

Заключение

Благодаря выбранной модульной структуре и разбиению траектории полёта объекта на отдельные этапы, ПК удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям: модульности построения, полноты используемых алгоритмов управления и возможности оценки погрешностей системы управления объектом на каждом из этапов моделирования. Также ПК позволяет сэкономить время моделирования путём оптимальной настройки перечня исполняемых модулей и частоты их вызова на каждом этапе моделирования.

В дальнейшем данный ПК планируется модифицировать и использовать для построения стенда полунатурного моделирования работы БСУ с использованием специальной вычислительной аппаратуры объекта.

математический программный аэробаллистический полет

Литература

1. Дмитриевский А.А. Внешняя баллистика // А.А. Дмитриевский, Л.Н. Лысенко, С.С. Богодистов. - М.: Машиностроение, 1991. - C. 82 - 112.

2. Лебедев А.А. Динамика полёта беспилотных летательных аппаратов // А.А. Лебедев, Л.С. Чернобровкин. - М.: Машиностроение, 1973. - С. 19 - 71.

3. Diston D.J. Computational Modelling and Simulation of Aircraft and the Environment: Platform Kinematics and Synthetic Environment Volume 1. John Wiley & Sons, Ltd, 2009. - P. 1 - 23.

Размещено на Allbest.ru