Иванов В.В. (ivanovsl-tver@mail.ru) - НИИ «Центрпрограмсистем», г. Тверь, Россия, Лаленков В.А. () - НИИ «Центрпрограмсистем» (зав. отделом ), Тверь, Россия | |
Ключевые слова: гидродинамика., пневматика, имитационное моделирование, тренажеры, программирование |
|
Keywords: hydrodynamics, pneumatics, simulation, simulators, programming |
|
|
Компьютерный тренажер, представляющий собой совокупность аппаратных и программных средств, предназначен для подготовки специалистов к выполнению действий по управлению материальными объектами и системами. При разработке тренажера необходимо создать адекватную имитационную модель системы, в которой можно выделить две основные взаимосвязанные части: 1) имитация органов управления, пультов и их индикаторных процессов, с которой непосредственно взаимодействует обучаемый; 2) имитация физических процессов, протекающих в моделируемой системе при ее функционировании. Моделируемая пневмогидромеханическая система (ПГМС), схематично изображенная на рисунке, представляет собой совокупность органов управления, клапанов, датчиков, емкостей, трубопроводов и т.д. Система имеет связи с внешними источниками газа и жидкости (магистральными трубопроводами, помещениями, атмосферой, водоемом). При проведении тех или иных операций по элементам ПГМС происходит перетекание жидкости и газа, для их имитации на компьютере необходимо предварительно перейти от дифференциальных к конечно-разностным уравнениям. Физико-математическая модель работы системы описывает процессы функционирования системы во времени, перемещение жидкости и газа, изменение давления в различных режимах. Модель системы включает в себя уравнения зависимости расхода жидкости и газа от давления на концах трубопроводов, а также уравнения материального баланса. Каждая емкость k характеризуется объемом Vk, давлением pk, массой газа mвk и объемом жидкости Vжk, в ней находящейся. Для имитации упругих свойств емкости и жидкости с каждой емкостью связывается упругое тело, имеющее объем Vрk и модуль Юнга E. Величина деформации ΔVрk этого тела связана с давлением pk внутри емкости выражением Поскольку отдельные емкости соединяются трубопроводами с внешними источниками газа или жидкости, для расчета необходимо задать давление жидкости (Pж) и газа (Pг, Php, Pmp,) во внешних источниках. Емкости могут через трубопровод соединяться с помещением, такое помещение можно представить как емкость с объемом VП, давлением pП, массой газа mП и объемом жидкости VжП . Если в емкости i находится выталкиваемое тело с массой MП и сечением SП, для описания процессов в такой емкости добавляется VCi – свободный объем в емкости.
На основе анализа состояния датчиков, клапанов трубопроводной системы, разницы давления на концах трубопроводов определяется, по каким трубопроводам и в каком направлении перемещаются жидкость или газ. Выбор формул для расчета расхода жидкости и газа определяется числом Рейнольдса Re, которое находится следующим образом: Анализ моделируемой системы показал, что течению жидкости в трубопроводах соответствует турбулентный квадратичный режим с числом Re>104, течение газа происходит со скоростью, меньшей скорости звука, а коэффициент гидравлического трения λij можно считать постоянным. Массовый расход газа и его направление в трубопроводе ij определяются по формуле
Объемный расход жидкости и его направление в трубопроводе ij определяются перепадом давления на его концах по формуле Если емкости i и j не соединяются между собой, то Tвij=Tжij=0. При расчете расхода жидкости плотности r следует учитывать дополнительную разность давления Δpij, связанную с разницей уровней жидкости в емкостях Δhij, определяемую выражением Dpij=Dhijrg, где g – ускорение свободного падения. Для каждой емкости вычисляются суммарные расход жидкости и газа. Суммарный расход может быть как положительным, так и отрицательным, соответственно увеличивающим или уменьшающим массу газа или объем жидкости в емкости. Суммарный массовый расход газа QMk для емкости k: где Ki=1, если трубопровод i соединен с емкостью k, по нему происходит перетекание газа (открыт соответствующий клапан) и на его втором конце находится газ под давлением pi>pk, иначе Ki=0; Kj=1, если трубопровод j соединен с емкостью k, на его конце, соединенном с емкостью, находится газ, по нему происходит перетекание газа (открыт соответствующий клапан) и на его втором конце давление pj Суммарный объемный расход жидкости QVk для емкости k: где Ki=1, если трубопровод i соединен с емкостью k, по нему происходит перетекание жидкости (открыт соответствующий клапан) и на его втором конце находится жидкость под давлением pi>pk, иначе Ki=0; Kj=1, если трубопровод j соединен с емкостью k, на его конце, соединенном с емкостью, находится жидкость, по нему происходит перетекание жидкости (открыт соответствующий клапан) и на его втором конце давление pj < pk, иначе Kj=0. Величины Tжji и Tвij уточнялись при верификации имитационной модели. Объем жидкости и масса газа, поступившие в емкость или истекшие из нее, равны произведению соответствующих суммарных расходов на малый интервал модельного времени Δt. При этом, если истекающие объем жидкости и масса газа меньше объема жидкости и массы газа, имеющихся в емкости, или если объем жидкости превысил объем емкости, модельный интервал времени Δt уменьшается и производится перерасчет по всей модели ПГМС. Величина модельного интервала времени Δt выбирается в пределах от 0,1 мкс до 1 мкс. Масса газа в емкости k через Δt будет равна mвk=mвk+QMkΔt, объем жидкости Vжk=Vжk+QVkΔt. Если mвk¹0 и Vжk¹0, установившееся давление p¢k в емкости определяется положительным решением уравнения Если mвk=0 (в емкости только жидкость), установившееся давление определяется выражением
В модели задано, что изменение давления Dpk в емкости за модельный интервал времени Δt не должно превышать наперед заданное значение ΔP (103 Па), в случае нарушения этого условия модельный интервал времени Δt уменьшается и производится перерасчет по всей модели ПГМС. Движение тела массой MП с площадью поперечного сечения SП в цилиндрической емкости будет происходить под действием разницы давления DpП=Рж–p1. Ускорение aПi, скорость vПi и смещение ΔsПi тела вычисляются следующим образом: aПi=DpПSП/МП, vПi=vПi-1+aПiΔt, ΔsПi=vПi-1Δt+ Имитационная модель реализована в виде библиотеки на VC++ с использованием объектно-ориентированного подхода. Библиотека содержит данные о структуре моделируемой системы: описание емкостей, их соединение трубопроводами между собой, с другими источниками жидкости или газа, внешней средой. Начальные параметры моделируемой системы, давление и заполнение емкостей задаются при запуске тренажера. Интерфейс оператора, состоящий из панелей управления и контроля, задает и отображает состояние моделируемой системы. Состояние имитируемых органов управления (переключателей, манипуляторов, вентилей) преобразуется в набор входных параметров для имитационного моделирования процессов. Расчетная часть библиотеки выполнена в виде последовательно выполняемых библиотечных функций вычисления расхода, изменения массы газа и объема жидкости, установившихся давлений. Программа тренажера через равные интервалы времени ΔT=100 мс передает в библиотеку параметры Vk, Vжk, pk по каждой емкости, признаки открытия клапанов трубопроводов и наличия жидкости или газа на концах трубопроводов. По завершении расчета библиотека возвращает в программу тренажера вычисленные значения V¢жk и p¢k для каждой емкости, а также величины, описывающие движение тела массы MП. Исследование и оценка имитационной модели проводились на основе сопоставления времени выполнения различных операций в имитационной модели и в реальной системе. Имитационная модель показала свою пригодность для ее практического использования в компьютерных тренажерах. Предложенные принципы построения физико-математической модели могут использоваться для моделирования разнообразных пневмогидродинамических систем. Литература 1. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: учеб. для вузов. М.: Юрайт, 2012. 2. Павловский Ю.Н. Имитационное моделирование. М.: Издат. центр «Академия», 2008. 3. Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Емцев Б.Т. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник. М.: Энергоиздат, 1982. 4. Маршалов Е.Д., Нечаева О.А. Имитационное моделирование гидравлических систем с регулирующими органами // Вестн. ИГЭУ. Иваново. 2007. Вып. 4. References 1. Sovetov B.Ya., Yakovlev S.A., Modelirovanie sistem [System Modeling], 4th ed., revised and enlarged, Moscow, Yurayt, 2012. 2. Pavlovsky Yu.N., Imitatsionnoe modelirovanie [Simulation Modeling], Moscow, Academiya publ. center, 2008. 3. Ametistov E.V., Grigoriev V.A., Emtsev B.T., Teplo- i massoobmen. Teplotekhnicheskiy eksperiment: spravochnik [Heat- and mass exchange. Heat Engineering Experiment: guidebook], Moscow, Energoizdat, 1982. 4. Marshalov E.D., Nechaeva O.A., Vestnik IGEU [The Bulletin of IGEU], iss. 4, Ivanovo, 2007. |
http://swsys.ru/index.php?id=3600&lang=%E2%8C%A9%3Den&like=1&page=article |
|