автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и исследование метода моделирования и имитации сложных управляемых динамически реконфигурируемых систем

Дня служебного пользования Экз. N

На правах рукописи

ЗАПЕИАЛОа АНДРЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

РАЗРАБОТЕСА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИМИТАЦИИ СЛОЖНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ ДИНАМИЧЕСКИ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ

СИСТЕМ

Специальность 0S.13.01 -Управление в технических системах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на сомсхгнне ученой стелят кандидата технических наук

г.Томск 1995

Работа выполнена на кафедре Автоматики и Компьютерных Сисцед Тоиского политехнического университета

Научный руководитель • кандидат технических наук,

доцеят Цапко Геннадий Павлович.

Официальные оппоненты • доктор технических наук,

профессор,член-корреспондент. Международной Инженерной Академии Тарасеико Владимир Петрович.

кандидат технических наук, начальник лаборатории ГНПЛ "Полюс" Катков Владимир Иванович.

Ведущая организация - НПО Прикладной механики, г.Красноярск.

Защита диссертации состоится гА^-с 1995 г „

/Г часов на заседании диссертационного Совета Д.063.80.03 в Томской политехническом университете по адресу: г.Тоыск, ул. Советская, 84.

С диссертацией кожи о ознакомиться в библиотеке Тоиского политехнического университета.

Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь / / диссертационного Совета / / / кандидат технических наук, доцент __

У

_П.Л.Чудинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуиыюст*, отм. Сложные технические сисхеиы проектируются с

цанко обеспечения возможности зьтслне::ня я ?акй1!!Я сзжтых коип-лс"с:ц.!5 задач ¡1 о5сспеч«!кя бесяеребоЛмого ярогечпшш рязносбрззния тегиологачесхих. зксялуатяциоггаых и иных процессов. Миогоурогкезосп. сссжиоЗ системы позволяетсбгежшпп. г> ра.чках одного коикпезгса достаточно рзлнооСр.г'кь!« по физической природе урошда сдожяосгн хоато-не:пы в да?!^» ерсду, фу!::<[;исшгру;о:цу;о ка;с »«¡трывнсз нал оз. В пги;-боло.: от7втсга«1!?мх причеиеяи« сло;>снг.;с технические системы скетгса, как правило, с кспопьзвзанкск принципа р«яеракроз21=ия. Данный прии-ц:ш пр«|усг4$пркггет воз у ок.« осп» осуществления о:;сте-

«ы з згзаснаосгн от сз состояния. Поспг ргхснфкгурафю структуры, ь общей случае, г.стух измениться дагткнха фуасаиогшрозания сзто;кг:о.1 с>!-стыш и ушозия протесаикя ¡»{утргевегашых процессов. Крк яразгаз, качзстзешгя п количктэ«шгд оа«гха так^х кзиспеяий язяястса зесьйп ;аэрЗЕ!2!гггяг5:оЙ, а зачастую ■»: просто кегозыо'ккой без кроггкешш «о-д'лхьиого эхеяери « ента.

Под диагиичесж!! р«зсо!гф::гургфу«&ыкк снсгекагза будеи вошшгзь сстваи с перенятая структурой. Одкнмн :;з пргрстнтаяеЯ класса саож-та угфгзляеныя динамически росонфигурйрусмчх сксгса являются кос-н««:сясяе аппараты (КА). Значнтсльагя сложность и значимость задач реглаег-шх кссикческнми аппаратам», при "ысокой стоимости последних, определяю? кеоЗходпносгь всесторонней тщательной подготовки назек-"омгатсксоя управление полстад!! выполнению им» функций управления, ко!гтро;;я •* диагностики КА. Подготовка казенных кошигехсез управления полетам!!, в то« чисяе а подготовка операторов цегггрог. ул-ргллскня полетам!?, и ожег быть осуществлена с использованием еяеннз-люарозакных средств, позволявших пмптироаать функционирование реального КЛ. Потребность а оиисанных средствах диктует необходимость разработки способоп формализованного представления сложных управляемых снстса я программно-аппаратных средств, позволяющих адекватно, с попещыэ моделей, описывать дмиаинку функционирования как подсистем, так ¡1 всего КА.

является: разработка методов и средств моделирования и иысташш дйПаняхи функционирования подсистем космического аппарата, заключающаяся в исследовании способов модельного представления

динамических процессов в распределенных системах упразлеш^ и способен управления подавши этих процессов; установление заксчокгр.чоегей изменения структуры и параметров моделей ншгшрусньк подспстги космического аппарата при моделировании их функционирования в дзша-инческом режиае; исследование возможности снятия отчетов о секторе состояния ыоделируеыых подсистем космического аппарата через заданные интервалы времени, с реально» масштабе времени; создание га этой основе программно-управляемого недельного имитатора теяеыетрлчмзеой информации и тренажерного комплекса для имитации режныои функционирования подсистем космического аппарата.

Методы кссдсдостт. Поставленные с работе задачи решены с использованной методов сетевого имитационного моделирования. Проверка основных теоретических положений проводилась экспериментально с помощью как стандартных, так и специально разработанных средств.

П работе тусбопалось ¡к-глнь елгдутощж задачи:

Создать комплекс коделировання н пшгташш динамики функционирования подсистем КЛ.

Обосновать необходимость и разработать иегод моделирования н имитации сложных управшелплх динамически реконфигурнруемыхо, тп- «.

Разработать механизм динамического управления процессом выполнения модели посредством ее реконфигурации.

Разработан, механизи генерации в реальном масштабе времени мгновенных г.екторог. состояния функционирующей модели и преобразования их в псевдореальную телеыегрическую ¡¡¡¡формацию (ТМИ).

• Апробировать возможность имитации динамического управления функционированием подсистем КЛ иа пример« одной нз его подсистем путем осуществления функционально-параметрической реконфигурации но-делн данной подсистемы и кот роля генерируемой имитационной ТМИ в реальной масштабе времени.

Няу'ппя «отита работы состоит г. следующем:

1. Разработок 1'етод моделирования и имитации сложных управляемых динамически реконфигурируемых систем.

2. Разработан функционала,по-параиегрнческий способ реконфигурации »¡одели г. «лчеезво механизма упрахленил ходом модельного эксперимента.

3. Разработан способ формирования хвлшившшых по времени ипю-веш<ых весторов состояния модели и преобразования их в поток пегадоре-альнои ТМИ.

4. Предложено преобразован«« Е-сетевой модели из инструмента с 1 атлетического анализа моделируемой системы в средство модельной гот-рации процесса функционирования исследуемой системы. Данная трансформация осуществляется путем замены стохастических параметров Е-се-тевой модели на детерминированные величины.

Практическая ценность работы заключается в следующей:

- Разработан и внедрен в эксплуатацию в НПО Прикладной механики имитационный программне-аппаратный комплекс, предназначенный для генерации фрагментов телеметрических сеансов в виде тестовых последовательностей псевдореалыюй телеметрической информации.

- Разработан, и внедрен в эксплуатацию в НПО ПМ комплекс моделирования и имитации динамики функционирования подсистем КА (КМИ), позволяющий в реальном времени имитировать функционирование подсистем КА. На его базе возможно построение тренажерного комплекса подготовки операторов центров управления полетами (ЦУП).

Разработан и реализован метод моделирования и имитации сложных управляемых динамически реконфигурируен.ых систем, позволяющий моделировать и имитировать функционирование подсистем КА. Метод позволяет осуществлять динамическое управление ходом модельного эксперимента и генерировать псевдореальную ТМИ в реальном масштабе времени. Метод апробирован в серии модельных экспериментов по имитации функционирования одной из подсистем КА. Ведется подготовка к его практическому использованию в составе КМИ для работ по тематике НПО Прикладной механики.

Ретлм1р1я резужптов работь! осуществлена в разработке и создании: средств моделирования и имитации функционирования подсистем КА в реальном масштабе времени; аппаратуры преобразования модельных отчетов в телеметрическую информацию; опытных образцов тренажерного комплекса. Работа выполнялась на кафедре автоматики и компьютерных систем Томского политехнического университета в рамках х/д 8-19/84 "Разработка программно - управляемого имитатора телеметрической информации", 8-20/90 "Разработка н поставка программно-аппаратных средств приема н обработки /елеметрической информации", 8-35/91 Ра ¡работка и поставка имитлмонного программно-аппаратного комплекса", заключенных с НПО "Прикладная механика", 8-102/93 "Теоретические и экспериментальные исследования принципов синтеза и применения динамически настраиваемых сетевых и мин тонных моделей процессов функционирования структур БКУ, в интеро., К А связи народ-

нз-;:озяйсг£шаого игзпачешгя", згхггокеипыи с ЦНИИМАШ. Работа, про-зодкгся по тематике програыыы Мниксгерстза РСФС? по г.-ау-е, высшей школе 55 техикчезсоЗ воякткке ка !391-!595 гг.: "Аккграткыс я ¡:ро-грагшше средсяга приборостроения, реализующие ко:-ь:о эффзхзы в систолах изверениЯ, испытаний а кот-роли".

Акрябе^ работу. Осповйыс результаты и положен;« работы были денежны ж

О&лгсшоЗ научно - тезатаеской иокфгрснукй НТО ЕЭС кв. А.С.Пояоза "Црс5зккы ргдаогюияхн, элгэтрокнхн в езязн". г.Томсх, 192? г.

На^кю-таиячзгкоЗ кокфгреншж "Авюитзаяхя, цсхеигзжссою цстсды и управление народный хозяйство!.;." г. Тоиск, 1993 г.

Всесогэзксй нгучке-тахкичезкоё хокффешдез ИМкх?о;фо1!«хоршс хвншяассы для управления тй'шсясгическннн процессами". г. Грозный, 1991 г.

N Вс-еоокагзэа когфгренфш *Тсо?«щ и протеса кйьтааконгого м>-дашгроггиия гз саддаякя тгргйэжероз". г. Пегаа !991г.

БсгссюзкоЗ иаучно-текиическоЗ конференция "Перквгхтадо раззэтия к праксдсгош срсдстз вычаашсш»ко8 текнахп двя кокгшгросааггя а езто-матюкрозапного кссзйжоейзвя". г. Москва, 199! г.

Международной научно-технической колферекцш! "Астуалькые проблемы электродного яркбороорегг.ччя". г. НоЕоеибйрсх, ¡992 г.

Мек^дународаоЗ каулю-техняческей хоиферетоиа "Техкояогая и с.нс-теиьа сбора, обработки к пр-здетаалемш информации", г. Рязань, 1£'93 г.

ЦубиЕеуга. По тек« дассертацшнаой работы опубликовано 15 статей и гезйсои докладе?.

Структура а е&мм рвйэты. Диссертационная работа состоит ю введений, четырех разделоз, за&гсоченкя, списка литературы к 12 пршкшений. Ока сложена на ¡55 йалшполгюлого тсхсга. включает 28 ри-

сузкоз, 2 таблицы, сг-г.сох литературы ш 80 накиенозаний к дополнена прклояегкияш* ка 6"2 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ииаювка приводится обоснование актуальности темы, формулируется цда» работа, указывается' научная новизна и практическая ценность полученных результатов, олксгно основное содержанке работы.

В пгэамй гдвга проводится зкализ состояния проблемы, форкузвфу-<.-,ся задача исследований и рассматриваются пуп; ее решения. Обссгюзм-ваегся необходим ость моделирования функдаотгрогания сложных управляемых доиашшескн ржонфкгурнруеуых систем.

В реальных сложных технических системах функционирование подерете и гааныссзязано, но вместе с тем каждая подсистема функционирует по сгони специфическим алгоритмам. Этим обуславливается потребность з аппарате моделирования, который мог бы отражать данную Есиихрон-ноегь и пар&ллелизи процессоэ и событий в систеке. Проведен сравнительный анализ ыетодоз ватеиатнчесхого «сдеямросания сложных технических систем, результаты которого показали наибольшую пркипе-мость использования дм решения лсспгзленкш задач аппарата Е-сетезо-го ивиташюнпого моделирования. В Е-сехях меггсдолсгкческа не суг.:с-стзует отличий в' описании иодеяеЯ аппаратных срадсгз, динаьшчесх:«: процессов и елгорэтыическсго программного обеспечения г5сслзду«зых систем. Все перечисленное представляется г модельном описании в зкде однотипных графов с однотипными правилами нх выполнения. Слгдоза-телыго возможно представление целых подсистем сложной системы в г-аде единой законченной и о дел н.

Вместе с теи традиционный метод 5-сетевого имитационного цодош-рсванкя не позволяет имитировать функционирование в реальноы времени слсзетыя динамически реконфигурируеных систем. Это обусловлено наличием следующих причин:

- отсутствует механизм привязки недельного -времени к реалькоыу масштабу времени;

- отсутствует механизм ввода в модель управляющих внешних воз-дейсгвий;

- отсутствует механизм управления ходом модельного эксперимента;

- отсутствует механизм получения мгновенного запора состояния модели,

Устранить псе отмеченные выше ограничения, присущие Е-сетаа, сохранив при этом их .возможности и преимущества позволяет предложенный з данной диссертационной работе метод моделирования и имитации сложных управляемых динамически реконфигурируеиых систем состоящий в следующем:

- создается Е-сетеаая модель выбранной подсистемы КА. На основе анализа статистической отчетной информации проводится оценка корректности построения модели;

- в модель подсистемы вводится избыточность, необходимая и достаточная для исчерпывающа © представления всех возможных реконфнту-рациоиных состояний системы;

- организуется механизм управления ходом модельного эксперимента посредством функционально-параметрической реконфигурации модели по внешним командам и воздействиям. При этом создается дополнительный модельный модуль управления, описывающий допустимые управляющие воздействия;

- вводится механизм привязки модельного времени к реальному масштабу времени, обеспечивающий генерацию мгновенных векторов состояния модели в ходе модельного эксперимента в реальном масштабе времени. При этом создается дополнительный модельный модуль соответствия, определяющий состав н место модельных параметров в отчетной ТМИ;

- созданная модель из средства статистической оценки трансформируется в имитационную модель, генерирующую процесс функционирования выбранной подсистемы. Трансформация производится посредством исключения мз модели стохастических параметров и введением в нее детерминированных величин.

Для реализации метода моделирования сложных управляемых динамически рсконфитурируемых систем вводится дополнение, в виде набора необходимых модулей, в структурную организацию процесса моделировании. Данная структура приведена на рис. 1. Для обеспечения возможности управления ходом моделирования необходим механизм динамического воздействия на и одеть: находящуюся в процессе выполнения. Для этого оргагдаустся непосредственно физический тракт передачи внешних воздействий, а также создается протокол обмена данными воздействиями. Модуль управления включает в себя отмеченный протокол, составленный в виде списка допустимых воздействий, и поставленный ему в соответствие список кодов, характеризующих каждое конкретное воздействие. Для модели протокол представляет основу фильтра поступающих в модель команд. Команды, оцененные как допустимые, должны быть доведены до конкретных модельных узлов, осуществляющих реконфигурацию. В общей случае задатчик внешних событий может состоять из двух независимых источников сигналов, воздействующих на модель. К первому

Рис. I Структура модельного комплекса для метода моделирования и имитации сложных управляемых динамически р ек о! I ф:; 1 уркруглых спсгеа

нсточинку отнесены внешние случайный возмущающие воздействия, моделирующие влияние на систему окружающей среды и поступление сигналов от других систем. Ко второму источнику принадлежат воздействия, носящие специализированный управляющий характер. Они призваны пар!гровать, при необходимости, влияние на модель системы возмущающих факторов. Кроме того, управляющие команды могут переводить модель системы нз одного режима функционирования в другой.

Базовая конфигурация ыоделн представляет собой избыточное модельное представление исследуемой системы. Избыточная базовая конфигурации определяется в соответствии с исходными даянышэ на моделиру-cuyio систеыу и условиями эксперимента. Модуль соответствия определяет взаимосвязь ыакду модельный!! параметрами ¡i реальными параметрами телецегрнческого отчета, фориируеыого синтезатором отчетной телеметрической информации (ТМИ).

Синтезатор отчетной ТМИ осуществляет генерацию непрерывного потока псевдореалызой телеметрической информации в реальном масштабе ispeaсия. В качестве исходных данных доя формирования ТМИ используются лектора мгновенного состояния модели. Сформированная ТМИ по каналу передачи подается обработчику.

В главе даны характеристики и раскрыта сущность способа фунхцио-напьно-паранегрической реконфигурации Е-сетевой модели к способа получения мгновенного вектора состояния иодели.

Структурная реконфигурация иоделирусыой систем ь: не может быть отражена структурной реконфигурацией Е-сегезой модели поскольку пос-ледгшя не в состоянии производить собственные структурные перестроения в ходе «оделыюго эксперимента. В связи с этим авторов был разработан способ фуккциокально-паранетрнческой реконфигурации подели, позволяющий решить возникшую проблему. Реализация функциональной реконфигурации предполагает введение в ыодельное описание системы необходимой избыточности. Внесенная избыточность определяет структурную гоыпонопку графа модели, ее уровень определяется множеством возможных комбинаций структурного построения исследуемой системы. Избыточность структурного построения должна полностью покрывать весь допустимый набор конфигурации системы применительно к исследуеыоыу режиму функционирования. Данная избыточная структура определена в качестве базовой. Тахии образом в E-сети, моделирующей структурную реконфигурацию системы, производится функциональная реконфигурация,

заключающаяся в изменение маршрутизации информационных потоков без изменения структуры построения сети. Параметрическая реконфигурация позволяет модифицировать функциональные зависимости, описывающие процедуры преобразования модельных параметров или величин, а также изменять временные характеристики модельных процессов.

Способ формирования мгновенного вектора состояния модели позволяет получать "на лечу" информацию, характеризующую состояние модельных параметров и процессов. Мгновенные вектора состояния представляют собой информационные кванты, в дальнейшем преобразуемые в непрерывный поток ТМИ.

Представленный в настоящей диссертационной работе метод моделирования и имитации сложных управляемых динамически рсконфигурируем ых систем позволил создать на его основе универсальный программно-аппаратный комплекс моделирования и имитации (КМИ) динамики функционирования подсистем КА. КМИ является развитием существующих программно-алпаратных средств модельных и имитационных исследований КА. Потребность в подобного рода исследованиях существовала с момента появления космической техники.

Ранее, для целей разработки и оптимизации алгоритмов программного обеспечения НОК, производились стендовые эксперименты с КА, либо применялись генераторы ТМИ. Однако, данные средства не позволяли получать исчерпывающего представления о функционировании КА. Они могли создать ограниченный набор имитируемых ситуаций. При стендовых испытаниях это объясняется большим отличием реальных условий эксплуатации от возможностей стендовых установок. Первоначальные же генераторы ТМИ использовали весьма ограниченный набор функций н режимов, поскольку создавались без применения вычислительных техники. Наиболее оптимальным в этом случае представляется развитие второго пути оптимизации алгоритмов НОК, заключающегося в развитии средств моделирования и имитаций функционирования КА.

В рамках решения данной проблемы разработан и внедрен в НПО Прикладной механики КМИ. Он позволяет модельным представлением имитировать функционирование подсистем КА практически в шобоы режиме. В составе КМИ существуют средства, позволяющие получать имитационную ТМИ, генерируемую в процессе выполнения модели. Возможно создание специализированных моделей для целей трепанирования, прн этом выбранная для тренажировання подсистема вначале моделируется Е-сетями, а затем не базе отлаженной модели строится управляемая трена-

жерпая иодеяь.. По существу, КМИ представляет собой програмшго-уп-рааляемьш модельный генератор ТМИ.

Во второй глазе предлагается для цепей моделирования упразяяеиых реконфигурируеыых систеи использовать расширение Е-сетей - управляемые СЕ-сети. Способ фукк цио паль ко- пара и eip к ческой реконфигурации достаточно хорошо реализуется на базе традиционного Е-сегевого имитационного цоделмрозания. Однако базовый набор элементарных Е-сегей не позволяет составить граф модели, наглядно отражающий узлы, осущесгз-ляющие реконфигурацию. Все действия, относящиеся к реконфигурации отражаются только в формализованном описании модели, что приводит к значительному усложнению последнего. Кроме того, анализируя граф Е-сетевоа подели невозможно определить, предусмотрена ли в модели функционально-параметрическая реконфигурация. Для устранения отмеченных недостатков, н идя наиболее оптимального построения моделей по методу кодепнрозашя н имитации сложных управляемых динамически реконфи-гурируеиых «¡стен предложено расширение традиционных Е-сетей - управляемые сети.

Управляемые СБ-сети - Control Е - Net (CEN) представляют собой дальнейшее развитие аппарата Е-сетей и характер i пуются расширсниеи состпаа базовых элементарных сетей. Они позволяют наглядно отобразить в графической представлении модели все реконфигурационные узлы. Более того, предусмотрена различная графическая интерпретация функциональной н параметрической реконфигурации. Формально управляемые СЕ-сети представляются s виде девятки:

CEN - (Р,Т, Pre, Posi,M°.C,G,(p,x)

где: Р - конечное непустое множество позиций. Понятие позиции для С Е-сетей расширено по сравнению с Е-сстями. Все множество позиций, кожег быть рздбнго на пять подмножества: Ps, Pq, Рг, Per, Рс. Подмножества гозиций Pst Pq, Рг сохраняют назначение и смысловое содержании со-отвегствугощкх подмножеств Е-сегей. Per и Рс являются управляемыми позициям». В завясикости от условия в данных позициях определяется маршрутизация фишек по СЕ-сети и изменяются функции преобразования или функция временной задержки соответствующего перехода.

Т - конечнез «епусгое множество переходов;

Рта: РхТ -> { О, Í } - функция предшествования, которая аналогична функции предшествования Е-сетей.

Port: PxT -> { 0, I } - функция следования, которая аналогична функции следования Е-сетей.

М°: Ps U Pq -> {0,1,2,...} - функция начальной маркировки сети, которая аналогична функции начальной маркировки Е-сети.

С - конечное непустое множество переменных СЕ-сега. Вое множество разбито натри подмножества: Са, Cg, Се, Подмножество Са является подмножеством атрибутов фише*. Cg • подмножество глобальных переменных СБ-сети. Сс • подмножество глобальных управляемых величин или переменных CE-cerm.

О • функции выбора, определяющие маршрутизацию фишеж в переходах, содержащих разрешающие позиции,

9 • множество функций преобразования атрибутов.

х- множество функций определения временных задержек срабатывания переходов.

Последние три компонента выражения определяют функции, относящиеся к обычным переходам и переходам, являющимся основой рехонфи-гурациоииых уяюв.

Структурные дополнения отражаются изменением базисного набора элементарных СЕ-сетей по сравнению с Е-сстямн, Поскольку СБ-сети являются расширением традиционных E-сетей, то элементы базисного набора последних включены в базисный набор СЕ-сетеЙ. Вновь разработанные компоненты набора представлены на рис. 2. В графическое представление СЕ-сетей введены новые элементы, не существовавшие в базисном наборе E-сетей. Позиции, принадлежащие подмножеству Per, изображаются квадратом, с вписанным в него треугольником. Позиции, принадлежащие подмножеству Рс, изображаются треугольником.

В наиболее общем виде можно принять, что для СБ-сети функциональная реконфигурация инициируется на управляемой переходе, а параметрическая на любом преобразующем переходе. Таким образом, СБ-сети позволяют строить более оптимальные, по сравнению с Е-сетямн, управляемые модели исследуемых систем.

В главе по результатам сравнительного анализа обосновывается выбор системы имитационного моделирования EVA в качестве базы для реализации метода моделирования и имитации сложных управляемых динамически реконфихурнруемых систем,

В главе представлена методика реализации способа генерации мгновенных веасторов состояния модели, являющегося новым способом сбора

Преобршующий простой переход

(Тип С) К О Ч-О Y

Уц>сшз>еесм9 otpcunirui (Тип R )

M

ПрепЗршуювдес объгдаигкке yi j (Тяп М)

Хп

Ov

Упрсзлгсмяа el. ¡барке

(Tim S )

CR g-

XI О-

Хя О-*

ОЧ

Пусвбриующзш С —» —Y1 peisers)iTtja. R А ( :

(Тип D )

Превбраиуюиккй » , педоед Х1 (^У

(тт т у уа(у

О -О«

ПргвБрятумсвш D

JEW СМ-Ю-

ílpteípsuy» e-jsh ЮГХ11Ш№

(Тгаа Е )

с DM

*СН .

Управляемый преобразую вин переключатель (Тип К )

-On

CR g— С

*о-4-о*»

Управляемая преобрагукхцая выборка (Тля А)

CR0-*

С

xiO

xnQ—

Or

Рис. 2. Расширенный базовый набор управляемых СЕ-сетсй

огчегной модельной информации в темпе реального времени. Для этого исходная СЕ-сетевая модель дополняется специальной, структурно обособленной модельной конструкцией или подсетью, выполняющей функции таймера. Мгновенный вектор состояния модели представляет собой массив информационных параметров. Массив заполняется теми парамеграин, Которые должны присутствовать в телеметрическом отчете. Сформированный массив может быть записан на жесткий диск или передач в виде непрерывного потока псевдореальной телеметрической информации.

Предложена методика реализации функционально-параметрического способа реконфигурации моделей, обеспечивающего доступ внешних управляющих воздействий к компонентам Е-сегевой модели. Он характеризуется следующими событиями: поступлением в сеть внешнего управляющего сигнала, идентификацией его, непосредственно исполнением управляющей директивы. При этом внешние воздействия позволяют изменять значения ключевых параметров в реконфнтурационных узлах модели. Обеспечение выполнения данных действий позволяет организовать управляемую модель подсистемы КА.

В третьей главе изложены архитектурные и методологические принципы построения ком гоптса моделирования и имитации динамики функционировать подсистем космического аппарата.

В целом КМИ можно представить в двух конфигурациях: минимальной и максимальной. Обе конфигурации реализованы аппаратно одинаково. Различия заключаются в объеме и мощности применяемого для целен модельных исследовании программного обеспечения. Б минимальной конфигурации КМИ трансформируется в имитационный программно-аппаратный комплекс (ИПАК). Программное обеспечение ИПАК позволяет имитировать элементарные фрагменты телеметрических сеансов в виде тестовых последовательностей. Исходные данные на сеанс представляются в виде таблиц, содержащих номера конкретных каналов и поставленные им в соответствие функциональные зависимости изменения содержимого параметров. ИПАК позволяет генерировать имитационный телеметрический сигнал в реальном масштабе времени. Вместе с тем он япляется имитационным комплексом без обратной связи, поэтому характер имитационной ТМИ предопределен информацией, содержащейся в исходных описаниях. На основе ИПАК проведено исследование аппаратной и информационной совместимости персональных ЭВМ и специализированной аппаратуры приема и обрабепки ТМИ. Отработаны принципы формирования и передачи телеметрических отчетов.

В максимальной конфигурации КМИ позволяет имитировать процесс функционирования моделируемой системы. Для этого в состав программного обеспечения КМИ включена система Е-сетевого имитационного моделирования м специализированные средства для генерации псевдореаль-иого поток» тедеметрнчеосой информации. При этом информационное наполнение длимой ТМИ осуществляется Е-сегевой моделью, КМИ позволяет осуществлять воздействия «а ход модельного эксперимента посредством передачи в модель, находящуюся в процессе выполнения, управляющих и возмущающих воздействий. Управляющие воздействия, подаваемые в модель, могут ноопъ характер обратной связи, в этом случае возможно использование КМИ в качестве тренажера.

В качестве аппаратной базы для построения КМИ и ИПАК выбрана стандартная персональная ЭВМ класса IBM PC/AT. Данная ПЭВМ является базовым вычислительным модулем, она производит непосредственно моделирование подсистем КА или тестовых сеансов, формирует информационные отчеты и осуществляет диалог пользователя с моделью. Для обеспечения сопряжения ПЭВМ и аппарюуры приема ТМИ по логике формирования информации и электрическим параметрам телеметрического сигнала, а также для повышения быстродействия моделирующего комплекса, автором разработан и внедрен в НПО Прикладной механики специализированный микропроцессорный телеметрический адаптер (ТМА), структурная схема которого приведена на рис. 3. На основании сравнительного анализа микропроцессорных комплектов, с точки зрения возможности реализация аппаратной части адаптера, выбран микропроцессорный комплект KI8I0. На структурной схеме представлены две сопряженные ЭВМ, одна из них - ПЭВМ типа IBM PC/AT, другая • телеметрический адаптер. ТМА имеет свою системную магистраль, состоящую из шины адреса, шины данных и шины управления. В его состав входят:

• ЦП - центральный процессор KI8I0BM88;

- ПЗУ - постоянное запоминающее устройство для хранения управляющей программы;

- ОЗУО - оперативное запоминающее устройство для хранения векторов прерываний и системной информации;

- ОЗУI - двухпортовое ОЗУ, доступное ПЭВМ и Т МА;

- АШ - арбитр шины, регулирующий доступ к ОЗУ1 от ПЭВМ и ТМА;

- РВУ - регистр внешнего устройства, служащий для обмена управляющей информацией;

ПЕРСОНАЛЬНАЯ ЭВМ ТИПА IBM PC/AT

Рис. 3. Структуруная схема телеметрического адаптера

СР - сдвиговый регистр, для преобразования информации в последовательный код;

- ФС - формирователь сигнала, для формирования из последовательного кода бидвончного телеметрического сигнала;

- Т - таймер, для подсчета количества сдвигов информации;

- БП - блок прерываний;

- ДС - дешифратор сшкропосылки;

- СМП, схема маскирования прерываний;

- БДК, блок декодирования входного кода;

- МА -магистраль адреса;

• МД - магистраль данных;

- МУ - магистраль управления.

Со стороны ПЭВМ доступны ОЗУ1 и РВУ. Телеметрическая информация вырабатывается в бндвоичноы потенциальном коде.

В главе рассматривается интегрированная программная оболочка для КМИ, ориентированная на специфическую проблемную область. Акцентирование внимания пользователей на конкретной предметной направленности позволяет оптимизировать процесс создания и эксплуатации моделей, стоить количество ошибочных действий оператора, улучшить структуру пользовательского шгтерфеСса. Кроме того, появляется смысловая структурированность программ и донных, 1по облегчает поиск нужного компонента и упрощает процедуру работы с ыаппгтными носителями информации. .. ■ '

В четвертой главе изложены принципы организации тренажерного комплекса на КМИ. Структурная его организация приведена на рисунке 4. В его состав включается разработанная и отлаженная управляемая СБ-сетевая модель выбранной подсистемы КА. Организуется тракт ввода внешних воздействий инструктора, задаваемых с пульта, представленного клавиатурой ПЭВМ,

Отчетная модельная информация, получаемая из мгновенных векторов состояния модели и преобразованная в псевдореальную телеметрическую информацию, должна быть доведена до средств обработки ТМИ. Для этих целей организован канал сопряжения КМИ с аппаратурой приема телеметрической информации. Основу данного сопряжения составляет телеметрический адаптер, преобразующий имитационную телеметрическую информацию в электрический сигнал по параметрам полностью соответствующий штатному.

Рнс. 4. Структура организации тренажерного комплекса.

Сформ!фоза»нпя псепдореальная информация ядэедается комплексу обработки ТМИ на базе универсальной раднотелеметрической станции УРТС-2М. Обучаемый оператор производят определенные действия по управлению моделируемой подсистемой КА, результат которых контролируется инструктором через средства згауагапацин комплекса обработан ТМИ. В зависимости от характера произведенных оператором действий инструктор вносит определенные коррективы в ход процесса моделирования и имитации функционирования подсистемы КА.

В главе аргументируется выбор системы энергопитания (СЭП) в качестве объекта исследования на КМИ. Проведен анализ выбранной подсистемы и выявлены особенности ее модельного представления. Разработаны СБ-сетевые иоделн компонентов подсистемы, компонуемые в управляемую СЕ-сетевую модель СЭП К А с полной ц^лотракмой его работы на орбите. СЕ-сетезая модель СЭП КА приведена на рис.5. Наиболее целесообразно • рассматривать орбитальную, циклограмму км; самостоятельную модель, однако необходимо читывать, что она тесно коррелирована с моделью СЭП. В качестве примера для моделирования СЭП принят КА, находящийся на геостационарной орбите. Данная орбита характеризуется тем, что КА совершает один орбитальный оборот за 24 часа, находясь при этом над конкретной точкой на поверхности Земли. СЕ-сегевая модель орбитальной циклограммы представлена на рис. б:

Приведены принципы формирования псевдорсальной , телеметрической информации из мгновенных векторов состояния модели. Показан механизм адаптируем ости модели к условиям эксперимента,

R> 1 1 '2

P>—hl——In —

1 is ie

M-о*

■о» 21

р>—>]—KD—*

3 18 18

о-

19 19

25 29

»39 33

40

41

H-Qr и 42

42

S-0-*

43

О

42 44

45

-О-

45

О

47

43

Рис. 5. СЕ-сгтевая модель CKCTCiîb! энергопитания коснического аппарата

и ; 16

ОН

и 13 15 15

Рис. 6. СБ-сетевая модель орбитальной циклограммы КА

Проведены исследования процесса функционирования системы энергопитания космического аппарата в ряде режимов. Моделирование работы в штатном режиме и режиме дополнительных сеансов связи по результатам экспертных оценок позволило адекватно отразить процесс функционирования СЭП в данных режимах. Проведены модельные эксперименты, позволяющие сымитировать ряд нештатных ситуаций в функционировании подсистемы и КА. Для этого выбраны режимы: потери ориентации космического аппарата, "закрутка", запрет заряда аккумуляторной батареи, "спонтанное" повышение потребляемой нафузкой мощности н др. По результатам модельных экспериментов проводится исследование различных вариантов процесса функционирования системы. Все модельные эксперименты проведены в реальном масштабе времени с использованием штатной аппаратуры приема и обработки ТМИ, представленной универсальной ралиоте-леметрической станцией УРТС-2М. На основе экспертных оценок показано адекватное отображение ее поведения посредством генер|фуемой имитационной псевдореалыюй телеметрической информации и доказана корректность предложенного метода моделирования л имитации сложных управляемых динамически реконфигурируемых систем.

В мключеюш .приведены выводы по диссертации, сформулированы полученные научные и практические результаты, возможные направления дальнейших исследований.

ШШШШ!£Ж1 к дассертация приведены результаты модельных иосш дохами Е-сетсгой иодели СЭП, подггерждазощие корректность предяс гхешюго метода, моделирования и имитации сложных управляемых дин: мнческк ргконфигурнруеыых систем н доказывающие возможность прием пазил КМИ в качестве тренажерного комплекса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведённых в работе исследований получены следуя щио основные научные н практические результаты:

1. Предложен новый иетод моделирования и имитации сложных yi равляеыых динамически р ехонф шуриру cu ых сисгеи, заключающийся:

- в создании E-сетевой модели исследуемой систем ы с введением кеа избыточности, достаточной для имитации всевозможных, необходимь изменений структуры систекы, обеспечиваемых с помощью предложишь автороы способов функциональной и параметрической реконфигурации;

- в организации предложенного автором para и и функционировав модели, при котором путем замены стохастических кодельных параметр« на детерьшлнровалные величины обеспечивается генерирование иодсль потока псевдореальпой телеметрической информации в виде вреыеннь срезов состояний модели. "

2. Обоснована целесообразность использования предложенного нет да иоделнрогшшя а »инталии сложных управляемых дннаннчески poco фигурнрусмых систем для построения тренажерных коыплегссов, ког; выбранная ют тренгж£!ровання подсистема вначале моделируется Е-сет мп, а затеи на базе отлаженной модели строится нрограммно-управляеш недельный имитатор, формирующий поток псевдореальпой тех метрической информации, отражающей во времени функционнрован данной подсистемы.

3. Показано, что E-сетевую модельную интерпретацию изменен структуры сложной системы целесообразно выражать с помощью функи опальной л параметрической реконфигурации, причем функционалы! реконфигурация позволяет отразить в модельном представлении изменен структуры исследуемой системы, а параметрическая реконфигурация nj родит к изменению формальных выражений расчета требуемых парам, рог модели.

4. Разработан новый способ формирования и сбора модельн mчетной информации, позволяющий через заданные интервалы времен) теши реального времени формировать мпювепные вектора состоянии i

:! и преобразовывать в пепрсрызтлй поток дсгкздсреялъпоц тетг-рй'гесгсоЗ гшфоркзцигг, отражающей процесс фукхцкогадеоздо» сксте-

5. Предложен а ¡особ оргггизгкг;:: прессгса нв»*ящ>:>££я?ж, Ыко-ьзагздщй вазмохсиость зоздехстася оператора пз хер, исдалького гко-

ноерэдетзоа взиелекг.'; зяечгявЙ кижелыг. г ре-

гфкгурацгшгаглк у<тх ^одея?.

6. Ргзрсботепа ггехсфвтурярузисг; З-окжгк иод«'» ся-

>отм ка <>р5:пл, ;:сз.*.оклжтг»я п кпчгзг^г гсягсг« дяд

лрос:;:;;: тре^алсунсго 7:ош'::схсй яли^;; коси1:ч',«'<о^о

тг.рг;',-:!;?. база ХМ И.

7. 1 КМ!-' з ггачеегзо тр^-ж;«^!^ кетшдсссй, г£1з'«;о[цего шегзггпаафезгпку» кодак» зьгбрглпгс* рум •¿ркгагктегаа-я подсистемы хеигнчесхого аппарата. текст "ода кхжеЗсггяй сгрукгора з и одаль, клиол сопряжения К МИ с зкггрггурей пр:-:«:?, г> йстркчсской пр:-: тто:з г-да-датс-л гсгоро« с КМК, 2 ревския обугагного ог:ет?тоэз пгдгз:-:«в зиуэдегла :<о:ггрсл:-1рустся о покощш ерздегв г8зу&янзяцзп гпззркгуры •кска такяияр*1«1гсксй кмфорняцив.

3. Разрабспзш " знгярены в НПО Пртсягдеой исхаиюсп ¡¡«».тгикоа-гй профацнкс-гипаратный кочпяжс и коиплскс зеделпровшшя и кмк-цкк функккояярезаык псдатстея коеь.*кчсс?сош яшряз, решавозав»

аппаратно одинаково, 1тр:-:чеа ;:ро1рз.ккнс; обссп-гчслиэ 1ШАК ко-оляет иаитнрочзп. только элекеггтаркьг.-; теяучярйчеехзх

■ансоз з виде тестовых последовательностей аекдорегшнгё то»* етрнческой информации, а КМП, за счет шатаяизкрозкотого про->ам много обеспечения, включающего и себя средеетя Е-смчжэго нодотз->заиия и генерации пегздореальиого потока ТМК, «озвотег «¡иктяг.о-ттъ процесс функционирования самой системы.

9. Проведенные недельше исследования процесса функцио;п!рогаакя «стемы энергопитания космического аппарата л штагком рсапче я ре-;иае донолннгельных сеансов сапгзя, а также ряде нештатных режимов, отсре ориентации космического аппарата, "«крутка", запрет заряда лх-учуляторной батареи, "спонтанное" повышение потребляемой нагрузкой ющностн илр.. позволили создан, ряд тестовых телеметрически* сеансов, оторые подтпердили правильность прдагожешгых принципов построения ренажеров на базе КМИ, л также использовать данные тесты при разра-

ботке программного обеспечения комплексов обработки телеметрической информации в НПО Прикладной механики.

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Запевалов A.B., Константинов А.Н. Средства графической визуализации динамических процессов обработки телеметрической информации. IiТезисы докладов областной научно - технической конференции НТО РЭС им. A.C.Попова "Проблемы радиотехники, электроники и связи". /Томск, 1989. с 4!.

2. Вьюгов А.Г., Запевалов A.B., Константинов А.Н. Способ и технические средства имитации телеметрического канала объекта контроля. //Тезисы докладов областной научно - технической конференции НТО РЭС им. А.С.Попова "Проблемы радиотехники, электроники и связи". /Томск, 1989. с 51.

3. Запевалов A.B., Ложкин C.B., Константинов А.Н. Проверка комплекса телеметрического контроля с помощью программно-управляемого имитатора. /Яезисы докладов областной научно - технической конференции НТО РЭС им. А-С.Попова "Проблемы радиотехники, электроники и связи". /Томск, 1989. с 52.

4. Борисенко М.И.. Ложкин C.B., Ложкина H.A., Запевалов A.B. Программное обеспечение специализированного микропроцессорного устройства согласования. //Труды научно-технической конференции "Автоматизация, математические методы и управление народным хозяйством." /Издательство Томского университета. /Томск, ¡990. с 231-235.

5. Ложкин C.B., Запевало» A.B., Цапко Г.П. Проблемно ориентированный пакет прикладных программ дня средств имитации телеметрической информации. //Тезисы докладов всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные комплексы доя управления технологическими процессами". /Грозный, 1991. с84.

6. "Запевалов A.B., Константинов А.Н., Цапко Г.П. Программно-аппаратный комплекс обработки телеметрической информации. /Яезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами"./Грозный, 1991. с 95,96.

7. Запевалов A.B., Цапко Г.П. Тренажерный комплекс профессиональной подготовки операторов ДУПа. /"Гезисы докладов IV Всесоюзной конференции "Теория и практика имиглционного моделирования и создания тренажеров". /Пенза, 1991. с 11,12.

8. Цапко Г.П., Запезалоэ A.B., Константинов А.Н. Программно-управляемый ксигагекс (шитадия телеметрической кнфорагцяи. //Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции 'Теория и практика ишгтациошюго моделирования и создання тренажеров". /Пегпа, 1991. с 59,60.

9. Ззпезалоз A.B.. Консгангшюз А.Н., Ложкин C.B. Принципы построения и реализации программно-аппаратного комплекса имитации телеметрической информации. //Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования". /Москва, 1991, с 146,147.

10. Запевалой A.B. Многопроцессорная система свода и обработки телеметрической информации с космических спутников. //Труды Международной научно-зехничсской конференции "Актуальные проблемы злект-роипого приборостроения". /Новосибирск, 1992, то" б, с 22-2 }.

11. Запсзалов A.B. Многопроцессорная система приема н предвари-

с

тельной обработки телеметрической информации с космических спутников связи. //Те.шсы докладов Международном научно-технической конференции "Технологии и системы сбора, обработки и представления нифорна-цнн". /Рязань, 1993, с 24,25. -

!2. Цапко Г.П., Запсвалов A.B. Программно-аппаратный тренажерный комплекс !tнитацяи поведения космического аппарата. ЛТезнсы докладоз Международной научко-тсхннческсй конференции "Технологии и системы сбора, обработки и представления [»(формации". /Рязань, ¡993, с 78,79.

13. Цапко Г.П., Запевало» A.B. Моделирование динамической структурной рекочф 'гурации сложных систем упраяляеныии СБ-ссгяхн/ Той. политехи, ун-т. - Томск, 1995г.- Не.: ил. - Бкблиогр.: 8 назв. - Рус. - Дел п ВИНИТИ 25.07.95, N 2272-В95.

14. Запевалой 'A.B. Комплекс моделирования н импгавии динамики функционирования подсистем космических йппчратог/Го'д. полит«:!;. ун-т. - Точа;, 1995г.- 7с.; п:т. Бвблиогр.: 3 »aas. - Рус, ■ Дел г> ВИНИТИ 25.07.93, N 2273-В95.

15. Ззгожотоя A.B., Цапко Г.П. Повышенно описательной мощности Н-с«гс:1 пгя ««дегифовянии управляемых дигаияческн рскопфпгурнруе-!1ы:с снсгса/ Том. политехи, ун-т. - Томск. 1995г.- !0с.: пл. - Бнбяногр.: 3 ц.ш. - Рус. - Деп в ВИНИТИ 25.07.95. N 2274-В95,