УДК 681.586.33:629.76
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УРОВНЕМЕРА ТОПЛИВА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ
С. В. Балакин, Д. В. Стерлигов
Обсуждены основные особенности построения имитационной модели (ИМ) уровнемера системы управления расходованием топлива (УСУРТ) для оценки погрешности измерения и состояния работоспособности. Приведен пример реализации алгоритма ИМ, включая статистическую обработку основных составляющих погрешности.
Согласно данным работы [1], уровнемер является дискретным емкостным измерителем уровня, основанным на использовании электрофизических свойств жидкости. В основу его функционирования положен новый, работающий в широком диапазоне скоростей понижения уровня, способ измерения (фазовый способ). Важным показателем его функционирования является погрешность измерения, ведущая к задержке выдачи сигнала о прохождении уровнем жидкости (топлива) очередного дискретного датчика (ДД) в баке. Это, в свою очередь, ведет к перерасходу компонентов топлива, что снижает эффективность ракеты в целом. Превышение допустимого значения погрешности измерения может привести даже к пропуску ДД, что равносильно отказу.
Факторы, влияющие на точность и, следовательно, работоспособность уровнемера, обусловлены следующими явлениями [2, 3]:
— отклонениями электрофизических характеристик жидкости и газа от номинальных значений;
— технологическими погрешностями изготовления емкостных ДД;
— приборными погрешностями при настройке и аттестации уровнемера вследствие ограниченных метрологических характеристик существующих измерительных средств;
— динамическими составляющими, зависящими от условий полета ракеты.
В предыдущих публикациях отмечалось, что при внедрении фазового способа важной задачей является математическое моделирование погрешности измерения. Для ее решения предложен вариант программного моделирующего комплекса, реализуемого на основе ПЭВМ (рис. 1).
Общая методика, алгоритмы и реализация подсистемы аналитического моделирования рассматривались ранее. Данная статья посвящена разработке методической базы для создания подсистемы имитационного моделирования УСУРТ. Ее актуальность обусловлена отсутствием сегодня достаточного количества экспериментальных данных, подтверждающих работоспособность УСУРТ в условиях реальной эксплуатации. Получение этих данных на стадии разработки трудно осуществимо
ввиду чрезвычайной сложности и дороговизны необходимых стендовых установок.
Таким образом, цель работы можно сформулировать как прогнозирование эффективности УСУРТ в условиях, приближенных к реальной эксплуатации. Имитационное моделирование с использованием современных вычислительных средств позволяет с достаточной точностью смоделировать функционирование рассматриваемой системы и получить необходимые статистические данные для обобщения. Выделяются следующие основные этапы:
• постановка специальной задачи ИМ УСУРТ и оценки результатов моделирования;
• формализация задачи;
• обоснование и выбор метода построения ИМ УСУРТ;
• разработка алгоритма ИМ УСУРТ;
• планирование эксперимента для повышения достоверности результатов ИМ;
Рис. 1. Схема функциональной структуры моделирующего комплекса УСУРТ
8
Зепвогв & Sysíems • № 5.2006
Рис. 2. Структура существующих средств имитационного моделирования
• экспериментальные исследования ИМ УСУРТ, накопление и обобщение статистики погрешностей по условиям эксплуатации;
• анализ результатов экспериментальных исследований.
По итогам аналитического моделирования [2, 3] установлены основные факторы, влияющие на точность измерения, и разработаны критерии оценки работоспособности УСУРТ. Сделаны выводы о влиянии составляющих погрешности на точность измерения. Однако названные работы имели целью отработку аналитических зависимостей на детерминированном множестве входных параметров. При этом не учитывались такие важные особенности, как стохастический характер дестабилизирующих факторов и, следовательно, самого измерительного процесса. Кроме того, к настоящему времени отсутствует информация о характере поверхности отклика модели и положении минимума погрешности, необходимая для выбора наиболее рациональных параметров. Получение этой информации возможно путем обобщения статистики показателей работоспособности УСУРТ для заданных условий эксплуатации. Это обусловливает необходимость построения обобщенной модели состояния УСУРТ с целью уточнения априорных данных о функционировании в реальных условиях при дороговизне проведения натурных экспериментов. Создаваемая методика имитационного моделирования позволяет воспроизводить состояние уровнемера во времени для всех заданных условий эксплуатации изделий ракетно-космической техники (РКТ), используя дискретно-событийный подход. Научная задача разработки данной методики сформулирована следующим образом.
1. Построить обобщенную модель УСУРТ для оценки каче-
ства проектируемой системы в условиях:
— нижних ступеней изделий РКТ;
— верхних ступеней изделий РКТ.
Условия функционирования различаются такими показателями, как скорость понижения уровня в баках; коэффициент нормальной перегрузки; параметры компонентов топлива (керосин Т-1, РГ-1, жидкий кислород (О2), жидкий водород (Н2)).
2. Исследовать влияние случайных дестабилизирующих факторов, законов их распределения и параметров на составляющие погрешности измерения УСУРТ, используя обобщенную ИМ. В частности, необходимо исследовать влияние:
— технологических отклонений при изготовлении ДД;
— отклонений динамических характеристик (скорости понижения уровня, перегрузки);
— отклонений диэлектрических свойств компонентов топлива (относительной диэлектрической проницаемости).
3. Исследовать поверхность отклика обобщенной ИМ УСУРТ для определения точки минимума погрешности измерения.
4. Обеспечить высокую степень автоматизации проведения численных экспериментов и обработки полученных результатов.
Имитационное моделирование УСУРТ является необходимым этапом при переходе от задачи анализа (аналитическое моделирование — получение математических зависимостей и критериев) к оптимизационной задаче параметрического синтеза уровнемера. Анализ современного состояния проблемы позволил получить некоторую объединенную структуру программных средств построения ИМ различных объектов (рис. 2) [4—6].
Специальные языки имитационного моделирования представлены сегодня, главным образом, такими продуктами, как GPSS, Simula, SIMSCRIPT, DYNAMO, реализующими различные подходы. Следует, однако, отметить, что применение конкретного языка моделирования влечет за собой принятие субъективной концепции авторов этого языка, что не может не сказаться на стратегии разработки, построения и совершенствования модели. Каждый из указанных языков обладает ря-
дом собственных ограничений (производительность, переносимость, доступность и т. п.), также сужающих применимость модели.
Имеющийся в настоящее время широкий круг блочно-ди-аграммных систем визуального моделирования типа Arena, GPSS World, Simulink+Matlab и т. д. предназначен, в основном, для решения таких специфических задач, как моделирование систем массового обслуживания, вычислительных сетей и промышленных объектов, что значительно усложняет модели и удорожает получение конечного решения.
Системы структурно-функционального моделирования (Bpwin, CASE-Лналитик и пр.) главным образом созданы для моделирования и оптимизации бизнес-процессов, автоматизации крупных экономико-организационных систем. Они трудно применимы при работе с такими техническими объектами, как топливные уровнемеры.
В целом, применительно к имеющейся задаче, даже наиболее мощные из коммерческих средств не лишены ряда общих недостатков:
• недостаточная гибкость при построении модели сложной технической системы;
• сложность освоения;
• высокая ресурсоемкость и недостаточная производительность;
• отсутствие переносимости (мобильности) построенных моделей;
• сложность встраивания ИМ в качестве подсистемы программного комплекса;
• высокая стоимость.
Перечисленные недостатки
делают использование специализированных программных средств нерациональным. В то же время продолжающееся развитие универсальных языков программирования высокого уровня (ЯВУ) делает их использование все более оправданным
в задачах машинного моделирования. Это отражено во многих работах, посвященных анализу эффективности моделирующих средств (см., например, работу [7]) в различных отраслях. Поэтому в настоящей задаче, исходя из требования инвариантности предлагаемой методики, применение объектно-ориентированного ЯВУ с встроенной системой графического проектирования представляется наиболее целесообразным. Это позволит снизить затраты на разработку ИМ и получить выигрыш в производительности. Наиболее распространенными на сегодняшний день являются ЯВУ MS С++ и Borland Delphi. Последний обладает преимуществом в виде расширенных возможностей визуального проектирования и не требует значительных усилий на изучение. Богатые библиотеки позволяют с минимальными затратами создавать системы любой сложности, обладающие развитым пользовательским интерфейсом.
Основными стадиями построения ИМ, согласно источнику [9], принято считать следующие:
I. Формулировка комплекса задач исследования.
II. Построение концептуальной модели объекта исследования.
III. Построение математической модели объекта исследования.
IV. Разработка программы моделирования.
V. Верификация и адаптация ИМ.
Процесс построения ИМ циклический и предусматривает возврат на предыдущие этапы по мере оценки адекватности и достоверности получаемых результатов.
Особенностью ИМ является снятие требования единственности целевого функционала и возможность присоединения к главной цели дополнительных,
которые будут учитываться при проведении экспериментов. Так, на стадии формулировки комплекса задач исследования УСУРТ главными целями были выбраны:
— точечные и интервальные оценки математического ожидания (МО) и среднеквадратичного отклонения (СКО): значений критерия среднеквадратичной погрешности измерения в каждой точке; значений критерия суммарной погрешности измерения в каждой точке; значен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.