СТЕНД ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КОРАБЛЯ С АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ СТРУКТУРЫ

Стенд проектирования систем управления движением корабля с автоматизированной перестройкой структуры
Предлагаемая полезная модель относится к разделу автоматизации исследований и проектирования систем управления подвижными объектами с применением компьютерного моделирования.
Известны способы построения аппаратно-программных комплексов, так называемых SCADA систем, для исследования динамики движения судна (Прохоренков A.M. и др. Разработка исследовательских комплексов судовых систем управления // Труды XXXIV Всероссийской конференции "Управление движением морскими судами и специальными аппаратами", изд. ИПУ РАН, М, 2007 г., с. 148-156). Известны также системы автоматизированного проектирования структуры систем управления техническими системами (RU 2331097 С1, 10.08.2008) «состоит в следующем: формируют на пульте управления команду на начало проектирования системы управления (СУ) и передают ее на узел формирования структуры СУ. При переходе к следующей задаче программист перестраивает структуру стенда вручную формирует новые задачи управлениями для следующей СУ, оптимизируют элементы состава и структуру стенда. Затем проектировщик СУ приступает к исследованию и проектированию СУ. При несоответствии заданию корректируют структуру СУ и повторяют процесс проектирования…».
Известен стенд автоматизации проектирования СУД судна (RU 242 32 86 С1, 10.07.2010), состоящий из двух модулей, принятый нами в качестве прототипа. Этот стенд использован при построении полезной модели.
Рассмотренные выше известные стенды проектирования СУ требуют ручной перестройки структуры стенда опытным программистом при переходе к разработке следующей системы автоматического управления движением корабля.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является автоматизация перестройки структуры стенда.
Технический результат достигается тем, что стенд проектирования систем управления движением корабля с автоматизированной перестройкой структуры, содержит первый модуль моделирования СУД, который состоит из блоков измеряемой информации, модели динамики движения судна, модели регуляторов и исполнительных средств, второй модуль специализированного программного проектирования для автоматизированной разработки СУД судна и графического построения исследуемых динамических процессов движения судна содержит блок управления и оптимизации режимов, блок представления информации и записи полученных результатов, блоки, связанные через локальную сеть, выполненные с возможностью формирования стенда специализированного программного проектирования СУД. Стенд содержит третий модуль с тремя блоками: библиотеки программно-аппаратных модулей, перестройки структуры стенда, таблицы соединений, выполненный с возможностью формирования всех соединений в виде строк таблицы соединений, каждая строка блока таблицы соединений имеет четыре столбца и обозначает одно соединение между двумя программно-аппаратными модулями с указанием номеров соединяемых программно-аппаратных модулей и имен выхода и входа программно-аппаратных модулей, причем подключаемый и отключаемый программно-аппаратные модули должны иметь одинаковое название (принадлежать к одному классу), а число имен входов и имен выходов в подключаемом и отключаемом программно-аппаратных модулях должно совпадать. Блок библиотеки программно-аппаратных модулей содержит набор различных регуляторов, динамических моделей движения судов и кораблей, блоков управления моделированием. Блок перестройки структуры стенда выполнен с возможностью формирования временной таблицы, в которую перемещаются все строки таблицы соединений, где в столбцах номера программно-аппаратного модуля источника или номера программно-аппаратного модуля получателя данных содержится номер отключаемого программно-аппаратного модуля из состава стенда. В процессе работы блока перестройки структуры стенда во всех строках временной таблицы номер отключаемого программно-аппаратного модуля заменяется на номер подключаемого программно-аппаратного модуля из состава библиотеки программно-аппаратных модулей, после чего все строки временной таблицы перемещаются в блок таблицы соединений.
Технический результат достигается благодаря дополнения стенда устройством -третьим модулем, который автоматически перестраивает структуру стенда путем замены программно-аппаратного модуля, ранее подключенного в стенде, на программно-аппаратный модуль того же класса назначения, взятый из библиотеки программно-аппаратных модулей стенда.
Рассмотрим особенности полезной модели
Стенд проектирования систем управления движением корабля с автоматизированной перестройкой структуры состоит из трех модулей:
- первый модуль моделирования СУД для разработки и исследования процессов управления движением судна, который включает блоки: измеряемой информации (см. фиг. 4), модель динамики движения судна (см. фиг. 3.), модели регуляторов и исполнительных средств (см. фиг. 6);
- второй модуль специализированного программного проектирования для автоматизированной разработки СУД судна и графического построения исследуемых динамических процессов движения судна, который содержит блок управления и оптимизации режимов, а также блок представления информации и записи полученных результатов.
Рассмотренные два модуля содержат приведенные выше блоки, связанные через локальную сеть и выполненные с возможностью формирования стенда автоматизированного выбора структуры и расчета оптимальных законов управления конкретной СУД судна.
Для обеспечения автоматизированного перехода к исследованию и разработке следующей СУД предложенная полезная модель дополнена третьим модулем - устройством содержащим блоки:
- блок таблицы соединений;
- блок библиотеки программно-аппаратных модулей;
- блок перестройки структуры стенда (путем замены программно-аппаратных модулей одного класса).
Полезную модель можно реализовать как с применением элементов аналоговой вычислительной техники, так и цифровой - несколько компьютеров, связанных локальной сетью.
Полезная модель снижает время цикла разработки СУД и повышает качество выполняемого проектирования:
- введение третьего модуля в полезную модель позволило создать стенд процесса проектирования (исследования) СУД, в котором перестройка структуры стенда при переходе к следующему циклу разработки СУД также автоматизирована;
- исключает ручную перестройку структуры стенда при переходе к следующему циклу проектирования новой СУД;
- снижает погрешности разработки от «человеческого фактора» при автоматизированной перестройке структуры стенда;
- устройство автоматизированной перестройки структуры стенда для перехода к исследованию и разработке новой СУД, позволяет исключить высококвалифицированного программиста при автоматизированной перестройке структуры стенда.
Стенд проектирования систем управления движением корабля с автоматизированной перестройкой структуры
В предложенной полезной модели, используют два модуля стенда по патенту RU. 2423286:
- первый модуль - моделирования СУД для разработки и исследования динамических процессов движения корабля, который включает блоки: измеряемой информации (см. фиг. 4), модели динамики движения судна (см. фиг. 3), модели регуляторов и исполнительных средств (см. фиг. 6), в первом модуле осуществляется моделирование исследуемого процесса движения судна;
- второй модуль специализированного программного проектирования для автоматизированной разработки СУД корабля (близкой к оптимальной в соответствии с выбранным критерием) и графического построения исследуемых динамических процессов движения судна, модуль содержит блок управления и оптимизации режимов (фиг. 5), уточнения параметров математической модели движения судна, а также блок представления информации и записи полученных результатов.
На фиг. 1 приведена блок-схема всего стенда, разработанного в соответствии с патентом RU 242 32 86. Стенд включает блоки: измеряемой информации-1, таблицу соединений-2 локальные сети-3, регуляторы-4., исполнительные средства-5, динамическую модель движения корабля-6, блок представления информации и записи результатов-7 и блок управления и оптимизации режимов-8. (конкретные блок-схемы блоков приведены на фиг. №№2, 3, 4, 5, 6, 7, 8).
Рассмотренные блоки, связанные через локальные сети, формируют стенд по патенту RU 242 32 86.
На фиг. 2 приведена блок-схема предлагаемой полезной модели, которая для автоматизации перестройки структуры стенда дополнена третьим модулем - устройством содержащим блоки:
- блок таблицы соединений-2;
- блок библиотеки программно-аппаратных модулей-10;
- блок перестройки структуры стенда-9.
Перестройка программно-аппаратных модулей с заменой их из библиотеки программно-аппаратных модулей (реализованных на нескольких компьютерах, связанных локальными сетями) производится автоматически при переходе к исследованию следующей задачи, которая запланирована для решения на стенде.
а) Блок таблицы соединений-2.
В блоке-2 все соединения программно-аппаратных модулей полезной модели описываются в виде таблицы соединений. Каждый программно-аппаратный модуль стенда имеет собственный уникальный номер, по которому его можно найти в блоке-2. Все соединения между программно-аппаратными модулями стенда организованы в виде таблицы соединений, состоящей из строк, каждая из которых имеет четыре столбца и обозначает одно соединение между двумя программно-аппаратными модулями с указанием номеров соединяемых программно-аппаратных модулей и имен выхода и входа этих модулей. Изменение номера программно-аппаратного модуля в строке таблицы соединений ведет к переключению соединения на другой блок. Чтобы процедура автоматического переключения программно-аппаратных модулей достоверно работала, накладываются дополнительные условия:
- подключаемый и отключаемый программно-аппаратный модули должны принадлежать к одному классу (например, если выбран класс регуляторов курса судна, оба программно аппаратных модуля должны относиться к регуляторам курса);
- число имен входов и имен выходов в подключаемом и отключаемом программно-аппаратных модулях должно быть одинаковым (например, оба регулятора курса должны иметь входы текущего курса, заданного курса, угловой скорости и ускорения, линейной скорости, при этом если одному из регуляторов не требуется значение ускорения для работы, он все равно должен содержать вход с названием "ускорение", хотя и не используемый в самом регуляторе).
Стенд устроен так, что изменение номера в этой таблице автоматически ведет к фактическому пересоединению модулей в нем.
б) Блок библиотеки программно-аппаратных модулей-10.
Блок-10 содержит набор различных регуляторов, динамических моделей судов и кораблей, блоков управления моделированием. Программно-аппаратные модули из этой библиотеки предназначены для замены в стенде уже установленных программно-аппаратных модулей этого же класса (назначения).
в) Блок перестройки структуры стенда-9.
Блок-9 выполнен с возможностью формирования временной таблицы из блока таблицы соединений-2, в которую перемещаются все строки таблицы соединений, где в столбцах номера программно-аппаратного модуля источника или номера программно-аппаратного модуля получателя данных содержится номер отключаемого программно-аппаратного модуля. В процессе работы блока-9 во всех строках временной таблицы номер отключаемого программно-аппаратного модуля заменяется на номер подключаемого программно-аппаратного модуля, после чего все строки временной таблицы вводятся в блок таблицы соединений-2.
(Ниже приводится конкретный пример перестройки структуры стенда при замене модуля регулятора).
Функционирование стенда проектирования систем управления движением корабля с автоматизированной перестройкой структуры (фиг. 2).
Предложенный стенд проектирования систем управления движением корабля с автоматизированной перестройкой структуры состоит из 3-х модулей, включающих блоки: измеряемой информации-1, таблицу соединений-2 локальные сети-3, регуляторы-4, исполнительные средства-5, динамическую модель движения корабля-6, блок представления информации и записи результатов-7, блок управления и оптимизации режимов-8, блок перестройки структуры стенда-9 и блок библиотеки программно-аппаратных модулей-10 (структуры отдельных блоков приведены на фиг. №№2, 3,4, 5, 6, блоки через локальные сети формируют структуру стенда). В первом модуле осуществляется моделирование процесса движения суда в разнообразных условиях плавания, во втором разработчик СУД устанавливает различные оптимизационные задачи проектирования СУД, третий модуль разработчик СУД использует для автоматизированной перестройки структуры стенда (для последующего исследования другой задачи, например, с другой математической моделью движения судна). Особенности функционирования первых двух модулей описаны выше (т.к. они функционируют полностью однозначно, как прототип - патент RU 2423286, кроме того их функционирование легко уяснить из фиг. 1, 2, 3, 4, 5).
Для автоматизированной перестройки структуры стенда, при решении новой (не установленной на стенде в данный момент) задачи исследований используется третий модуль, включающий три блока: 2, 9 и 10.
а) Разработчик СУД формирует в блоке перестройки структуры стенда-9 из блока таблицы соединений-2 временную таблицу, перемещая в нее все строки таблицы соединений, где в столбцах номера программно-аппаратного модуля источника или номера программно-аппаратного модуля получателя данных содержится номер отключаемого программно-аппаратного модуля.
б) В блоке перестройки структуры стенда-9 во всех строках временной таблицы номер отключаемого программно-аппаратного модуля заменяется на номер подключаемого программно-аппаратного модуля.
в) Все строки временной таблицы блоке перестройки структуры стенда-9 вводятся в блок таблицы соединений-2.
Отключенный программно-аппаратный модуль, который был до этого включен в стенде, вводится в память блока библиотеки программно-аппаратных модулей-10.
(В приложении приводится конкретный пример перестройки структуры стенда при замене программно-аппаратного модуля регулятора).
Пример замены структуры регулятора в стенде проектирования систем управления движением корабля с автоматизированной перестройкой структуры
Допустим, в нашем стенде есть регулятор курса, который мы хотим заменить на другой, находящийся в блоке библиотеки программно-аппаратных модулей (фрагмент схем стенда приведен на фиг. 7). Здесь старый регулятор в стенде соединен с другими блоками, новый регулятор в библиотеке соединений не имеет. Каждый блок имеет уникальный номер, по которому его можно найти в стенде и библиотеке. Все входы и выходы всех блоков имеют имена, уникальные в данном программно-аппаратном модуле (в разных модулях могут быть входы и выходы с одинаковыми именами - например, выходы регулятора и задатчика курса оба называются "у"). Программно-аппаратный модуль нового регулятора в библиотеке имеет те же самые входы и выходы, что и старый регулятор в стенде, и вообще все регуляторы курса, которые в этом стенде могут использоваться. Если новый регулятор не использует линейную скорость судна, у его модуля все равно должен присутствовать вход Vx, данные с которого просто не используются внутри регулятора. Для начала операции замены мы вводим номер старого регулятора (13), номер нового регулятора (15). Номер старого регулятора считывает из стенда те строки общей таблицы соединений, в которой фигурирует модуль 13, и записывает получившуюся меньшую таблицу (так называемую выборку) в блок перестройки структуры стенда-9.
После того, как выборка из таблицы считана, запускается замена. В этой таблице блок-9 заменяет везде номер старого регулятора (13) на номер нового регулятора (15). После окончания замены, таблица в блоке-9 примет следующий вид (подчеркнуты измененные числа):
Затем в блок таблицы соединений переписываются строчки выборки на те же самые места блока таблицы соединений стенда, откуда они были ранее считаны. Поскольку стенд устроен так, что все соединения модулей в нем описываются именно общей таблицей соединений, это приведет к тому, что соединение программно-аппаратных модулей изменится согласно новой таблице соединений, и все, что раньше было подключено к программно-аппаратному модулю 13, теперь будет подключено к программно-аппаратному модулю 15. Фрагмент схемы стенда после замены приведен на фиг. 8.