АППАРАТНО-ИМИТАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ОТЛАДКИ СУДОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОВ АРКТИЧЕСКОЙ МОРСКОЙ ТЕХНИКИ
HARDWARE-IMITATION COMPLEX OF CONTROL SYSTEMS AND ELEMENTS OF ELECTRIC POWER SYSTEMS FOR DEBUGGING SHIP CONTROL SYSTEMS FOR OBJECTS OF ARCTIC MARINE EQUIPMENT

Изобретение относится к системам отладки систем управления (СУ) судовыми едиными электроэнергетическими системами (ЕЭЭС) и предназначено для отладки систем управления судовых электроэнергетических систем (ЭЭС), систем электродвижения (СЭД) и их элементов для использования на проектируемых или строящихся объектах арктической морской техники (МТ).
Известна интеллектуальная система комплексной разработки и испытания для преобразователя высокого напряжения [Интеллектуальная система комплексной разработки и испытания для преобразователя высокого напряжения и способ создания данной системы // Патент № RU 2011148357 A, 10.06.2011 / Гочэн ЧЭНЬ, Хайшан ЛЮ, Гохуэй ЦЗЭН, Госян ЧЭНЬ, Гоин ЛЮ]. В данной системе СУ и преобразователь высокого напряжения, являющийся объектом управления, моделируются и отлаживаются на модели, созданной посредством пакета прикладных программ MATLAB/SIMULINK, установленного на персональном компьютере.
Недостатками такой системы являются ограниченный спектр решаемых задач, направленный на проектирование и отладку конкретной составляющей системы, а так же жесткая привязка к использованию зарубежного программного обеспечения.
Прототипом является наиболее близкая к изобретению по технической сущности система управления мощным высоковольтным электроприводом [А. Блинов, А. Вейнгер, В. Максимов, А. Максимов, А. Новаковский, Л. Яковлев. Система управления мощным высоковольтным электроприводом на базе процессоров ЦОС TMS320C3x // Новости микроэлектроники: URL: http://www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv/03_05/11.htm]. Система предназначена для управления объектом в части электропривода. На этапе отладки системы управления алгоритмы управления отрабатываются не на реальном объекте, а на его выверенной компьютерной модели.
Однако недостатком такого технического решения, является узкий спектр решаемых задач, т.к. система ориентирована исключительно на электропривод.
Задачей изобретения является упрощение процесса отладки систем управления ЕЭЭС, снижение времени и трудоемкости работ при проектировании судовых ЭЭС, снижение затрат.
Указанный технический результат достигается за счет аппаратно-имитационного комплекса систем управления и элементов электроэнергетических систем для отладки судовых систем управления объектов арктической морской техники, заключается в использовании моделей объекта управления при отладки алгоритмов управления судовой системы управления. Аппаратно-имитационный комплекс дополнительно снабжен модулем выполнения расчетов, моделями систем управления и элементов электроэнергетических систем, программным имитатором локальной системы управления взаимосвязанных устройств, кодогенератором, модулем контроля отлаживаемой системы, элементом управления, отлаживаемая локальной системы управления или элементом электроэнергетических систем/систем электродвижения морской техники, моделью в коде взаимосвязанной локальной системы управления, имитатором реальной взаимосвязанной локальной системы управления, имитатором сигналов взаимосвязанных объектов, коммутационным оборудованием, интерфейсным каналом опроса состояния, связями ввода-вывода.
Модуль выполнения расчетов и вычислительный блок, обеспечивающий имитацию сигналов локальной системы управления (ЛСУ) взаимосвязанных объектов. Вычислительный блок сформирован из модулей сопряжения аппаратно-имитационного комплекса с СУ ЭЭС, управления интерфейсами и преобразовательных. Модуль выполнения расчетов содержит модуль моделей объекта управления и модуль алгоритмов управления.
Отладка производится как для локальной системы управления элементом электроэнергетической системы или системы электродвижения, так и для любой совокупности таких систем управления, а также комплексной системы управления техническими средствами в целом. Отладка осуществляется таким образом, что на первом этапе алгоритмы отрабатываются на виртуальных моделях элементов электроэнергетических систем, систем электродвижения и систем управления, после чего производится их отладка в составе системы управления судна или испытательного стенда с дальнейшей корректировкой соответствующих алгоритмов по результатам их работы в составе системы управления объекта арктической морской техники.
Отладка судовых систем управления осуществляется на моделях элементов ЭЭС и СЭД. При этом на физические объекты управления в процессе отладки воздействие отсутствует, что сводит до минимума вероятность аварии по причине ошибки алгоритмов управления, т.к. управление реальными элементами судовых ЭЭС и СЭД производится СУ с отлаженным набором команд. Такой подход снижает риски выхода из строя компонентов ЭЭС и СЭД при отладке и их дорогостоящего ремонта, упрощает и ускоряет этап отладки СУ.
Аппаратный комплекс устроен таким образом, что при подключении к судовым СУ для проведения отладки алгоритмов аппаратно-имитационным комплексом производится замена физического элемента или группы элементов их моделями так, что система управления судном воспринимает модель за реальный объект. По показателям и результатам, получаемым в процессе отладки, возможно оценить адекватность и качество алгоритмов, отработать их и устранить неточности в многократном режиме. Отладка алгоритма осуществляется модулем алгоритмов управления в модуле выполнения расчетов аппаратно-имитационного комплекса. На выходе формируются отработанные и скорректированные алгоритмы, готовые к внесению и работе в составе системы управления.
Сопряжение комплекса с отлаживаемой системой осуществляется посредством интерфейсов, обеспечивающих цифровой и аналоговый ввод/вывод.
Аппаратно-имитационный комплекс позволяет осуществлять отладку алгоритмов в рамках как локальной СУ, так и комплексно на уровне комплексной СУ техническими средствами (КСУ ТС), что обуславливает возможность отработки алгоритмов для любой конфигурации ЕЭЭС и универсальность подхода.
За счет обеспечения расчета во времени, максимально приближенному к реальному, сокращается время и трудозатраты, расходуемые на отладку алгоритмов управления ЭЭС, СЭД и их элементов при проектировании.
Модуль выполнения расчетов, включающий в себя устройства ввода/вывода, организует взаимодействие оператора с аппаратно-имитационным комплексом.
Изобретение поясняется схемой, где на фиг. 1 изображена структурная схема аппаратно-имитационного комплекса:
1 - модуль выполнения расчетов
2 - модели СУ и элементов ЭЭС
3 - программный имитатор ЛСУ взаимосвязанных устройств
4 - кодогенератор
5 - модуль контроля отлаживаемой системы
6 - элемент управления
7 - отлаживаемая ЛСУ или элемент ЭЭС/СЭД МТ
8 - модель в коде взаимосвязанной ЛСУ
9 - имитатор реальной взаимосвязанной ЛСУ
10 - имитатора сигналов взаимосвязанных объектов
11 - коммутационное оборудование
12 - существующая имитационная система
13 - интерфейсный канал опроса состояния
14 - связи ввода-вывода.
На фиг. 2 изображена структурная схема аппаратно-имитационного комплекса с указанием всех модулей.
Основой системы является модуль выполнения расчетов 1, осуществляющий расчет процессов работы СУ с помощью разработанных при помощи специального программного обеспечения подробных математических моделей элементов судовой системы и систем управления.
На базе моделей СУ и элементов ЭЭС 2 производится сборка схемотехнической модели отлаживаемой части ЭЭС и взаимосвязанных элементов. Взаимосвязанные элементы - это напрямую не входящие в отлаживаемую часть элементы, но взаимодействующие с нею, влияние которых учитывается в процессе отладки системы управления.
На первом этапе отладки алгоритмы управления отлаживаются на компьютерных моделях.
Второй этап подразумевает проверку отлаженных алгоритмов в составе элементов управления реальных устройств судна или испытательного стенда, а также дальнейшую корректировку соответствующих алгоритмов по результатам их работы в составе реальной системы.
Программная имитация ЛСУ взаимосвязанных устройств 3 производится через базу данных, содержащую карту сигналов и взаимодействий.
Данная карта формируется с учетом перечня сигналов соответствующих устройств.
Далее происходит отладка работоспособности алгоритмов в виртуальном виде. После того, как модели алгоритмов отлажены, через кодогенератор 4 производится запись в исполняемый код и в соответствующий элемент управления 6 отлаживаемой ЛСУ или элемент ЭЭС/СЭД морской техники (МТ) 7.
Для качественной проверки и полноценного тестирования работоспособности отлаживаемых алгоритмов изобретение реализует возможность имитации сопряженных систем через имитатор реальной взаимосвязанной ЛСУ 9.
Данная имитация осуществляется как через схемотехническую сборку модели отлаживаемой системы, так и через кодогенерацию, создавая модель в коде взаимосвязанной локальной системы управления 8, входящей в состав имитатора сигналов взаимосвязанных объектов 10. Имитация взаимодействия происходит через связи ввода-вывода 14, где генерируются необходимый перечень сигналов и алгоритмы взаимодействия с отлаживаемой системой.
Во время проверки алгоритмов на реальной системе обеспечен контроль правильности сгенерированных алгоритмов модулем контроля отлаживаемой системы 5 через интерфейсный канал опроса состояния 13 состояния, что позволяет вносить необходимые изменения в процессе самой отладки и проверять их корректность.
Аппаратно-имитационный комплекс через коммутационное оборудование 11 может обеспечить подключение и работу в составе уже существующей имитационной системы 12 отлаживаемой ЛСУ МТ с учетом имеющихся связей ввода-вывода.
На сегодняшний день отладка подобных систем производится с использованием крайне упрощенных моделей, что не позволяет с необходимой достоверностью выделять алгоритмические ошибки, особенно в системах с большим количеством взаимодействий.
Взаимосвязанной ЛСУ может также являться часть отлаживаемой системы, подлежащая имитационному моделированию.
Таким образом, при использовании аппаратно-имитационного комплекса систем управления и элементов ЭЭС и СЭД для отладки судовых систем управления, за счет использования при отладке алгоритмов судовой системы управления как моделей самой отлаживаемой СУ, так и моделей физических элементов СЭД и ЭЭС, управляемых ею, достигается положительный эффект, заключающийся в том, что снижаются стоимость и сроки отладки СУ, повышается производительность труда при проектировании СЭД и ЭЭС, снижается число субъективных ошибок, увеличивается качество алгоритмов, снижается риск возникновения ошибки по причине некорректного управления, а соответственно и снижается риск вывода из строя компонентов СЭД, ЭЭС и их дорогостоящего ремонта.