Описание модели

Общая структура модели

Общая структурная схема модели в среде SimInTech представлена на рисунке (Рис. 1).


Рис. 1. Общая структура модели движения АПА в вертикальной плоскости.
Модель состоит из 5 областей:
  1. Блок "Параметры моделирования"
  2. Блок "Возмущения"
  3. "Исполнительные органы"
  4. "Объект управления (АПА)"
  5. Блок "Визуализация"

Каждая область представляется блоком или набором блоков из библиотеки "Динамика МПО" с установленными свойствами для каждого моделируемого режима движения. Значения свойств блоков, задаваемые через поле "Формула" в разделе "Свойства блока", соответствуют названиям параметров в БД.

Скрипт проекта содержит:
  • связь задаваемых параметров в модели с параметрами, записываемыми в БД
  • выбор необходимых свойств АПА из БД по установленным в модели параметрам

Связи между блоками и субмоделями в примере осуществляются через БД и через скрипт главного окна модели.

Области модели

Модель содержит следующие области:

1. Область модели "Блок "Параметры моделирования"

Область включает в себя один блок "Параметры моделирования" из вкладки "Динамика МПО".

В блоке "Параметры моделирования" задаются начальные условия для моделирования движения АПА.

В рабочей области субмодели блока "Параметры моделирования" в области "Начальное состояние объекта" (Рис. 2) задаются начальные значения переменных состояния АПА моделируемого режима в соответствии с таблицей (Таблица 7 в разделе "Исходные параметры и моделируемые режимы движения АПА").


Рис. 2. Окно блока "Параметры моделирования" с заданными значениями.
Прим.:
Скорость хода задается в узлах, глубина погружения со знаком "+". Перевод значений в правую систему координат и единицы измерения СИ осуществляется автоматически (реализовано в скрипте главного окна модели).

В субмодели блока в области "Выбор плоскости движения объекта" осуществляется выбор переменных состояния для движения АПА в соответствии с таблицей (Таблица 7 в разделе "Исходные параметры и моделируемые режимы движения АПА").

Прим.:
Для "Режима 2а" и "Режима 2б" при ручном выборе переменных состояния необходимо активировать пункты "pVx", "pVy", "pWz", "pKsi", "pEta", "pPsi".

В области "Параметры рулевых устройств" задаются значения, характеризующие перекладку рулей, в соответствии с таблицей (Таблица 7 в разделе "Исходные параметры и моделируемые режимы движения АПА").

Прим.:
Угол перекладки задается в градусах, при этом положительным считается перекладка руля (КГР и НГР) на всплытие. Скорость перекладки руля всегда задается абсолютным значением. Перевод значений углов перекладки в правую систему координат осуществляется автоматически (в скрипте главного окна проекта). Перевод в радианы реализован в блоке "Руль".

В остальных областях блока в соответствии с таблицей (Таблица 7 в разделе "Исходные параметры и моделируемые режимы движения АПА") для моделируемого режима выбирается АПА, его модель, положение НГР, работа ПУ, учет течения, задаются нормирующий коэффициент и плотность забортной воды, параметры ГВ и ПУ.

2. Область "Блок "Возмущение"

Область включает в себя один блок "Возмущения" из вкладки "Динамика МПО". Блок реализует задание параметров возмущающих воздействий, влияющих на движение АПА.

Параметры для данного примера в блоке задаются только для "Режима 3" (Рис. 3). Для остальных моделируемых режимов все параметры задаются нулевыми.


Рис. 3. Окно блока "Возмущения" с заданными значениями.

3. Область "Исполнительные органы"

Область включает в себя четыре блока "Руль", блок "Гребной винт" и четыре блока "Подруливающее устройство" из вкладки "Динамика МПО". Каждый блок соответствует перу горизонтальных рулей – "ЛП КГР", "ПП КГР", "ЛП НГР", "ПП НГР"; гребному винту – "ГВ"; подруливающим устройствам побортно – "ВВПУ ЛБ", "ВВПУ ПрБ", "ВЗПУ ЛБ", "ВЗПУ ПрБ".

Значения свойств данных блоков заполняются автоматически при инициализации моделирования из блока "Параметры моделирования" с помощью скрипта главного окна проекта.

Прим.:
В свойствах блока "Руль" значения углов перекладки КГР формируются (задаются) со знаками правой системы координат:
  • "+" – на погружение (перекладка руля против часовой стрелки)
  • "-" – на всплытие (перекладка руля по часовой стрелке)

4. Область "Объект управления (АПА)"

Область включает в себя следующие блоки из вкладки "Динамика МПО":
  • 1 блок "Инерция (список)": блок реализует расчет суммарной матрицы инерции АПА и присоединенных масс
  • 1 блок "Инерционные силы и моменты (список)": блок реализует расчет вектора проекций инерционных силы и момента АПА
  • 3 блока "ГД силы и моменты ВП (список)" в составе субмодели "Гидродинамические силы и моменты": блок реализует расчет выбранной проекции на оси связанной системы координат гидродинамических силы или момента при движении объекта в вертикальной плоскости
  • 1 блок "Моменты остойчивости": блок реализует расчет вектора проекций момента остойчивости на оси связанной системы координат
  • 2 блока "Силы и моменты от руля (список)" в составе субмодели "Силы и модели от исполнительных органов": блок реализует расчет проекций силы и момента от перекладки руля морского подвижного объекта
  • 1 блок "Силы и моменты от гребного винта (список)" в составе субмодели "Силы и модели от исполнительных органов": блок реализует расчет проекций силы и момента от работы ГВ морского подвижного объекта
  • 4 блока "Силы и моменты от подруливающего устройства (список)" в составе субмоделей "Силы и модели от исполнительных органов" и "Силы и моменты от ВПУ": блок реализует расчет проекций силы и момента от работы ПУ морского подвижного объекта
  • 1 блок "Возмущающие силы и моменты": блок реализует расчет проекций силы и момента на оси связанной системе координат от действия заданного возмущения
  • 1 блок "Производные координат": блок реализует расчет производных линейных и угловых координат объекта
  • 1 блок "Выбор плоскости движения": блок реализует выбор переменных состояния для заданного вида движения
  • 1 блок "Углы атаки и дрейфа": блок реализует расчет производных линейных и угловых координат объекта

5. Область "Блок "Визуализация"

Область включает в себя один блок "Визуализация" из вкладки "Динамика МПО".

В блоке реализован графический вывод параметров движения модели МПО. Дополнительно реализована запись параметров в файл с помощью блока "В файл" из вкладки "Вывод данных".

Для данного примера выводятся параметры на графике "Движение объекта в вертикальной плоскости". Настройка выводимого графика производится с помощью графического примитива "График".

Свойства блоков области "Объект управления (АПА)"

Значения свойств блока "Инерция (список)" заполняются автоматически значениями из категории БД "Параметры заказа" групп "Param" и "norm" после инициализации модели, с помощью задания имени сигналов в разделе "Формула". На выходе блока формируется суммарная матрица инерции АПА, которая записывается в БД в категорию "Суммарная матрица инерции".

Значения свойств блока "Инерционные силы и моменты (список)" заполняются автоматически значениями из категории БД "Суммарная матрица инерции" группы "Dla" после инициализации модели, с помощью задания имени сигналов в разделе "Формула". Значение свойства "koeff_GDX" устанавливается вручную: для данного примера установлено значение "Учтены" (инерционные составляющие учитываются в составе ГДХ).

Внимание: после инициализации модели необходимо проверить корректность значений свойств блока и значений, заданных в БД.

На вход блока "Инерционные силы и моменты (список)" подаются полные вектор переменных состояния "Х" и вектор производных переменных состояния "рХ" через обратную связь с выхода объекта управления (АПА). На выходе блока формируется вектор инерционных сил и моментов с обратным знаком, который поступает на сумматор для формирования общего вектора производных переменных состояния рХ.

Субмодель "Гидродинамические силы и моменты" состоит из трех блоков "ГД силы и моменты ВП (список)" с подписями (Рис. 4):
  • "Проекция гидродинамической силы Fx_GD"
  • "Проекция гидродинамической силы Fy_GD"
  • "Проекция гидродинамического момента Mz_GD"


Рис. 4. Окно области "Гидродинамические силы и моменты"
Значения свойств блоков "ГД силы и моменты ВП (список)" заполняются автоматически значениями из категории БД "Параметры заказа" группы "Param" и категории "ГДХ АПА" групп "Сх", "Су" и "mz" (для проекций Fx_GD, Fy_GD, mz_GD соответственно) после инициализации модели, с помощью задания имени сигналов в разделе "Формула". Значение свойства "Расчет ГДХ" устанавливается вручную. Для данного примера заданы следующие значения:
  • в блоке с подписью "проекция гидродинамической силы Fx_GD" – "Для сил"
  • в блоке с подписью "проекция гидродинамической силы Fy_GD" – "Для сил"
  • в блоке с подписью "проекция гидродинамического момента Mz_GD" – "Для моментов"
На вход субмодели с названием "Гидродинамические силы и моменты" подаются:
  • значение плотности забортной воды из БД из категории "Расчет" группы "Vibor"
  • полные вектор переменных состояния Х и вектор производных переменных состояния рХ через обратную связь с выхода объекта управления (АПА)

На выходе каждого из блоков внутри субмодели "Гидродинамические силы и моменты" формируется скалярное значение проекции силы или момента, которые объединяются в вектор гидродинамических сил и моментов, дополняемый нулевыми элементами (проекциями гидродинамической силы и момента в горизонтальной и поперечной плоскостях). Сформированный полный вектор гидродинамических сил и моментов на выходе субмодели поступает на сумматор для формирования общего вектора производных переменных состояния рХ.

Свойства блока "Моменты остойчивости" заполняются автоматически значениями из категории БД "Параметры заказа" групп "Param" и "norm" после инициализации модели, с помощью задания имени сигналов в разделе "Формула".

Внимание: после инициализации модели необходимо проверить корректность значений свойств блока и значений, заданных в БД.

Из рассчитанных значений моментов остойчивости в блоке формируется выходной вектор, который дополняется первыми тремя нулевыми элементами. Сформированный на выходе блока полный вектор моментов остойчивости поступает на сумматор для формирования общего вектора производных переменных состояния рХ.

Субмодель "Силы и моменты от исполнительных органов" (Рис. 5) состоит из одного блока "Силы и моменты от гребного винта (список)", пользовательского блока "Силы и моменты от ВПУ" и двух блоков "Силы и моменты от руля (список)" с названиями:
  • "Силы и моменты от КГР"
  • "Силы и моменты от НГР"


Рис. 5. Окно области "Силы и моменты от исполнительных органов".

Значения свойств блоков "Силы и моменты от руля (список)" с подписями "Силы и моменты от КГР" и "Силы и моменты от НГР" заполняются автоматически значениями из категории БД "Параметры заказа" группы "Param" (свойство "Водоизмещение МПО, м3"), категории "ГДХ рулей" групп "kgr" и "ngr" (для КГР и НГР соответственно) категории "Расчет" группы "razm" (свойство "Размерность вектора управления") после инициализации модели, с помощью задания имени сигналов в разделе "Формула". Значения свойств "Номер руля (номера рулей) в векторе управления", "Вид конструкции руля", "Вид парной конструкции руля" устанавливается вручную.

Для данного примера заданы следующие значения свойств:
  1. для КГР (для всех режимов):
    • "Номер руля (номера рулей) в векторе управления" ("R_numb") – "[3, 4]"
    • "Вид конструкции руля" ("R_para") – "Парная"
    • "Вид парной конструкции руля" ("R_razrez") – "Разрезная"
  2. для НГР (для всех режимов):
    • "Номер руля (номера рулей) в векторе управления" ("R_numb") – "[5, 6]"
    • "Вид конструкции руля" ("R_para") – "Парная"
    • вектор управления U
На вход блока подаются:
  • значение плотности забортной воды из БД из категории "Расчет" группы "Vibor"
  • полный вектор переменных состояния Х через обратную связь с выхода объекта управления (АПА)
  • "Вид парной конструкции руля" ("R_razrez") – "Разрезная"

На выходе каждого блока "Силы и моменты от руля(список)" с подписями "Силы и моменты от КГР" и "Силы и моменты от НГР" формируется вектор проекций силы и момента на руле, которые потом суммируются вместе с вектором проекций сил и моментов от гребного винта, образуя полный вектор сил и моментов от исполнительных органов АПА.

На вход блока "Силы и моменты от гребного винта (список)" поступает полный вектор переменных состояния Х через обратную связь с выхода объекта управления (АПА). На выходе блока формируется вектор проекций сил и моментов от гребного винта.

На вход субмодели "Силы и моменты от ВПУ", состоящей из четырех блоков "Силы и моменты от подруливающего устройства (список)" (Рис. 6), поступает полный вектор переменных состояния Х через обратную связь с выхода объекта управления (АПА). На выходе блока формируется вектор проекций сил и моментов от подруливающих устройств.


Рис. 6. Область субмодели "Силы и моменты от ВПУ".

Сформированный полный вектор сил и моментов от исполнительных органов на выходе субмодели поступает на сумматор для формирования общего вектора производных переменных состояния рХ.

Значения свойств блока "Возмущающие силы и моменты" заполняются автоматически значениями из категории БД "Параметры заказа" групп "Param" (свойства "Ускорение свободного падения") и из блока "Возмущения" с помощью скрипта главного окна модели.

На вход блока "Возмущающие силы и моменты" подаются:
  • полный вектор переменных состояния Х через обратную связь с выхода объекта управления (АПА)
  • текущее значение возмущающего воздействия из БД

На выходе блока формируется вектор проекций возмущающих силы и момента. Полученный вектор поступает на сумматор для формирования общего вектора производных переменных состояния рХ.

На вход блока "Производные координат" подается полный вектор переменных состояния Х через обратную связь с выхода объекта управления (АПА). На выходе блока формируется шесть значений производных угловых и линейных координат АПА. Сформированные значения производных объединяются с общим вектором сил и моментов АПА и образуют вектор производных переменных состояния рХ.

Значения свойств блока "Выбор плоскости движения" заполняются автоматически значениями из блока "Параметры моделирования" с помощью скрипта главного окна модели при инициализации модели.

На вход блока "Выбор плоскости движения" подается полный вектор переменных состояния Х (сформированный из полного вектора сил и моментов, действующих на АПА, и полного вектора производных координат АПА). На выходе блока формируется вектор с размерностью равной входному вектору и с переменными состояния, характерными для заданного вида движения МПО и остальными нулевыми элементами.

На вход блока "Углы атаки и дрейфа" подается полный вектор переменных состояния Х через обратную связь с выхода объекта управления (АПА). Формируемый на выходе угол атаки АПА записывается в БД в категорию "Расчет".

Результаты моделирования режимов

Графики моделируемых режимов представлены на рисунках (Рисунки Рис. 7, Рис. 8, Рис. 9, Рис. 10, Рис. 11, Рис. 12, Рис. 13).


Рис. 7. График режима 1а.


Рис. 8. График режима 1б.


Рис. 9. График режима 2а.


Рис. 10. График режима 2б.


Рис. 11. График режима 3.


Рис. 12. График режима 4.


Рис. 13. График режима 5.

Представленные графики соответствуют реальным параметрам движения АПА, что подтверждает правильную работу модели.