Автореферат (Математическое моделирование служебных бортовых систем космических аппаратов в задачах управления полётом)

Общая характеристика работыДиссертация посвящена разработке методологических и алгоритмическихоснов системы математического моделирования, предназначенной для создания моделей служебных бортовых систем космических аппаратов, включаяимитацию существенных для их функционирования физических явлений.Актуальность исследования.

Задачи управления полетом космических аппаратов (КА) — разработка системы управления и программы полета, подготовка персонала управления, анализ нештатных ситуаций (НШС) ит. д. — решают с использованием модели объекта управления. В составе такой модели присутствуют, как правило, математические модели служебныхбортовых систем (СБС) КА, обеспечивающие расчет физических явлений:контактного и радиационного теплообмена, движения заряженных частиц вэлектрических цепях, течения жидкостей и газов по магистралям, а так жеих взаимного влияния.Модели СБС КА выполняют в приближении сосредоточенных параметров, т. е.

пренебрегают пространственной протяженностью элементов исследуемой системы (ИС). Состояние ИС представляют конечным набором фазовых переменных — физических параметров, а физические законы — системойалгебраических и дифференциальных уравнений.Наиболее сложным этапом моделирования считают создание концептуальной модели — формального представления о протекающих в ИС процессах. Построение концептуальной модели — это искусство, опирающееся на интуицию, эрудицию и изобретательность специалиста.Для постановки задачи моделирования — перехода от концептуальноймодели к математической — применяют различные методы математическогомоделирования, обеспечивающие представление ИС в виде стандартизованных составных частей (СЧ) и связей между ними.В настоящее время наиболее распространенным для моделирования технических объектов является метод физических аналогий, в англоязычной литературе известный как методология Bond Graph. Этот метод обеспечиваетпредставление различных физических явлений в виде совокупности типовыхэлементов, обладающих линейными диссипативными, индуктивными или емкостными свойствами.

Для моделирования простого взаимного влияния явлений различной физической природы предусмотрены специальные типовыеэлементы, описывающие линейные связи между фазовыми переменными.Одной из отличительных черт СБС КА является их высокая сложность:∙ зачастую нелинейность является неотъемлемым свойством существенных физических явлений, а линеаризация приводит к неадекватности модели;∙ взаимное влияние явлений различной физической природы имеет сложный характер;∙ СБС КА состоят из большого количества элементов и имеют разветвленную структуру связей.1Применение базового метода физических аналогий для моделированияИС, обладающих перечисленными свойствами, имеет ряд ограничений.Для создания моделей СБС КА, используемых при решении задач управления полетом, необходимо разработать новый вариант метода математического моделирования, обеспечивающий имитацию нелинейных явлений, ихсложного взаимного влияния и допускающий структуризацию моделей.Цель работы — разработка методологических и алгоритмических основсистемы математического моделирования СБС КА.Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:1.

Разработка нового варианта метода физических аналогий, обеспечивающего создание адекватных моделей СБС КА, а именно: описание нелинейных физических явлений, имитацию взаимного влияния явлений различнойфизической природы и многоуровневую структуризацию модели.2. Разработка математического описания существенных для функционирования СБС КА физических явлений и связей между ними в рамках рассматриваемой предметной области. Должны быть созданы модели типовыхэлементов рассматриваемых СБС КА.На основе предложенного варианта метода моделирования:3. Разработка комплекса программ для проведения расчетов. Этот комплекс программ в качестве входных данных должен получать формальноеописание структуры модели и моделей типовых элементов, формировать исходные данные для расчета, вычислять невязки между значениями параметров и, используя программные реализации соответствующих вычислительных методов, проводить расчет состояния ИС и его эволюции.4.

Разработка моделей отдельных служебных бортовых систем КА: двигательной установки и системы обеспечения теплового режима, проведениерасчетов штатных и нештатных режимов работы этих ИС.5. Разработка проекта системы математического моделирования, основанной на новом варианте метода моделирования, обеспечивающей созданиемоделей сложных систем, таких как СБС КА.Научная новизна.1.

Предложен вариант алгоритмического представления уравнений, описывающих связи между параметрами модели: каждое уравнение должнобыть представлено в виде программной функции, вычисляющей невязкумежду значениями фазовых переменных и их производных. Такой подходпозволяет автоматически выполнять синтез всех СЧ в математическую модель ИС и применять известные численные методы для выполнения вычислений. В системах математического моделирования, использующих приближение сосредоточенных параметров, предложенный подход применен впервые.2. Разработан оригинальный механизм автоматического описания взаимного влияния явлений различной физической природы.

Модель ИС разделена на однородные по составу и свойствам детали, участвующие в различныхфизических явлениях, взаимное влияние которых локализовано внутри та2ких деталей. Вычислительный алгоритм задействует программные функции,описанные в библиотеке СЧ, имитирующие это взаимное влияние.3. Модифицирован алгоритм декомпозиции модели ИС на универсальныеподдающиеся классификации СЧ. Декомпозицию предложено проводить втри стадии: на первой стадии — по принадлежности элементам структуры,на второй — выделять в элементах структуры аналоги типовых элементов,однородные по составу и свойствам детали, на третьей — рассматривать участие таких деталей в явлениях различной физической природы.4. Предложена оригинальная модель течения жидких и газообразных веществ по магистралям в приближении сосредоточенных параметров в видекомпозиции свойств вещества, явлений гидродинамики и теплообмена.

Предложенный подход обеспечивает гибкость модели: для моделирования различных типов течения или течения различных вещества необходимо лишь заменить отдельные СЧ в описании структуры модели.Практическая значимость. Результаты диссертационного исследования, в т. ч. прототипы вычислительных программ, могут быть использованыпри создании принципиально новой системы математического моделирования, использующей приближение сосредоточенных параметров.

Такая система позволит разрабатывать адекватные модели СБС КА более эффективно.Принципы и подходы, разработанные в ходе диссертационного исследования, использованы при создании моделей служебных бортовых систем длякомплексных моделирующих стендов КА «Союз-МС» и «Прогресс-МС».Методы исследования. В ходе диссертационного исследования использованы системный подход и процедура декомпозиции.Математическое описание существенных для функционирования СБС КАфизических явлений основано на уравнении Навье-Стокса, законах теплопроводности Фурье и излучения черного тела Стефана-Больцмана, уравненияхрасчета электрических цепей.При разработке расчетного комплекса программ использованы программные реализации методов численного решения нелинейных алгебраическихуравнений и методов численного интегрирования.Достоверность и обоснованность научных результатов проведенных исследований следует из фактов успешного применения предложенногов диссертационной работе подхода, что удостоверено актом внедрения, подтверждено положительным рецензированием научных работ при их опубликовании в рейтинговых журналах.Апробация.

Результаты диссертационной работы доложены на заседаниях научно-технического совета ПАО «РКК «Энергия» имени академикаС. П. Королёва» (Королёв, 2015-2017); Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 2014);Научной конференции «Управление в морских и аэрокосмических системах»(СПб, 2014); Международной конференции «Решетневские чтения» (Красно3ярск, 2014, 2015); Научной конференции «Академические Королёвские чтения» (Москва, 2015, 2016).Публикация.

Основные научные результаты диссертации отражены в 6научных работах, в том числе в 4 статьях в научных журналах, включенныхв Перечень Российских рецензируемых научных журналов и изданий дляопубликования основных научных результатов диссертации, и материалахдвух конференций.Личный вклад соискателя. Все исследования, результаты которых изложены в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессенаучной деятельности. Из совместных публикаций в диссертацию включенлишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю, заимствованный материал обозначен в работе ссылками.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения,четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 123 страницах, содержит 33 иллюстрации, 9 таблици 19 листингов программ. Библиография включает 66 наименований.Содержание диссертацииВо введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сформули-рованы цель и задачи исследования, определены научная новизна и теоретическая и практическая значимость полученных результатов, их достоверность, основные положения, выносимые на защиту, а также приведены данные о структуре и объеме диссертационной работы.В первой главе представлен краткий обзор некоторых подходов к математическому моделированию технических систем: метод конечных элементов, метод физических аналогий, метод функциональных преобразователейи узкоспециализированные языки релейной логики.