Цифровой двойник системы кондиционирования воздуха (СКВ) самолета
Продолжаем тему модельно-ориентированного проектирования. Ранее мы рассмотрели пример создания «цифрового двойника» для отдельного авиационного теплообменника. В этой статье рассматривается уже авиационная система кондиционирования воздуха и методы создания ее «цифрового двойника», в виде структурной динамической модели.
Для реального модельно-ориентированного проектирования, мы должны иметь модель объекта, на котором мы проверяем работу системы управления максимально приближенно к реальной. Основной вопрос, на который мы пытаемся ответить, каким образом обеспечить соответствие модели и реальному техническому объекту.
Далее под катом:
Рассматриваются проблемы обеспечения точности расчета и скорости вычислений при создании достоверной математической модели реальной технической системы методами структурного моделирования для цифровых двойников. Описывается опыт создания достоверной модели стенда системы кондиционирования воздуха (СКВ). Даются примеры методик достижения необходимой точности модели для разных типов агрегатов системы.
1. Постановка задачи
Система кондиционирования воздуха (СКВ) в авиации является важной системой, обеспечивающий температурный режим внутри летательного аппарата. Она содержит как набор теплообменного оборудования, так и систему управления, выполненную с использованием программируемых контроллеров, и состоящую из локальных систем управления агрегатами и общей системы управления, которая должна обеспечивать связь с общей системой управления самолетом.
Работа системы кондиционирования воздуха ЛА обеспечивается забором воздуха из окружающего пространства и его температурной подготовкой. В условиях эксплуатации системы температура воздуха может меняться от +40 °С до – 50 °С (градусов Цельсия). Для обеспечения таких диапазонов температур воздуха при испытаниях системы на земле необходимо дорогостоящее оборудование подготовки воздуха, обеспечивающее охлаждение и снижение давления воздуха для имитации высотного полета.
Создание математической модели стенда испытаний, обеспечивающей достоверный расчет процессов в системе, позволяет значительно улучшить процессы проектирования и повысить качество проектируемых систем с одновременным снижением общей стоимости проектирования испытаний и отладки на аппаратуре.
Наличие достоверной модели позволяет оптимизировать программное обеспечение в аппаратуре управления без проведения дорогостоящего испытания оборудования. А так же позволяет проводить полунатурные испытания аппаратуры управления, когда реальная система управления подключена к математической модели объекта. В качестве программного средства моделирования используется «Среда динамического моделирования технических систем SimInTech».
1.1 Общая последовательность решения задачи
Модельно ориентированное проектирование позволяет использовать модели на всем жизненном цикле проекта и изделия. Если рассмотреть общий жизненный цикл разработки систем с использованием модельно-ориентированного проектирования, то описываемая, в статье методика относятся к стадии изготовления и испытания отдельных агрегатов и создания систем. Стадии 4 – 5 на рис.1
Последовательность создания достоверной модели в SimInTech на стадии между изготовление агрегатов и комплексированием систем общем случае состоит из 3-х основных шагов:
Шаг 1. Разработать алгебро-дифференциальные системы уравнений, описывающие динамическое поведение моделируемой системы.
В среде SimInTech можно задавать уравнения в явном виде (структурные схемы SimInTech и специализированный язык программирования), а также существует большое количество готовых специализированных библиотек для создания моделей, в которых уже предварительно введены основные уравнения физических процессов. В последнем случае пользователь должен только собрать модель в графическом виде и настроить параметры модели.
Шаг 2. Выделить в полученной системе набор эмпирических коэффициентов и характеристик объекта моделирования, которые можно получить из испытаний.
На данном шаге необходимо выявить в модели те свойства, которые не могут быть рассчитаны с достаточной точностью напрямую, но могут быть получены по результатам натурного эксперимента.
Шаг 3. Провести испытания объекта и настроить модель по результатам натурных экспериментов, так чтобы она соответствовала реальности, с нужной степенью детализации. На этом этапе происходит обработка экспериментов и в модель SimInTech вводятся свойства, полученные по результатам этой обработки.
В результате выполнения 3-го шага необходимо добиться, чтобы в виртуальной модели процессы протекали так же как и в реальном объекте. Если это удается, то большую часть экспериментов можно проводить с математической моделью, используя реальный эксперимент только для подтверждения полученных результатов.
1.2 Проблемы достоверности моделей
При создании математических моделей на основе системы дифференциальных уравнений для течения теплоносителя и тепломассообмена необходимо использовать вычисления критериальных зависимостей, которые в общем случае являются зависимыми от геометрии теплообменного оборудования и не могут быть получены из справочников.
В любой реальной системе всегда существуют отклонения и неточности, связанные с допусками при изготовлении агрегата, а также погрешности изготовления, связанные со сборкой компонентов. Для создания цифрового двойника модель должна учитывать эти характеристики реального оборудования.
2. Пример практической реализации процесса
Система кондиционирования воздуха (СКВ) в самолете связана с системой автоматического поддержания давления. Давление в самолете должно быть всегда больше внешнего давления, при этом скорость изменения давления должна находится в безосных пределах. Поэтому система управления притоком и оттоком воздуха является важной для безопасности и для ее разработки на земле ставят дорогостоящие системы испытаний.
Метод структурного моделирования предусматривает разделение модели на подсистемы в соответствии с реальным аппаратным составом моделируемой системы. Система кондиционирования воздуха состоит из нескольких основных типов агрегатов, а именно:
- Теплообменные аппараты;
- Роторные машины (вентиляторы, турбо-холодильная машина);
- Арматура (заслонки, задвижки);
- Контроллеры управления.
2.1 Модель теплообменника
Подробно рассмотрена в этой статье Модельно ориентированное проектирование. Создание достоверной модели, на примере авиационного теплообменника
2.1 Роторные машины
С точки зрения уравнений динамики потока теплоносителя, роторные машины представляют собой дополнительные источники или потребители энергии для уравнения сохранения импульса и уравнений сохранения энергии в рассчитываемом объеме.
Процессы, происходящие в вентиляторах и компрессорах, представляются в виде интерполяционных характеристик объектов, что позволяет использовать методы численного решения дифференциальных алгебраических уравнений, таких же как и для остальных элементов модели. [4]
Структурная схема модели турбохолодильной машины представлена на рисунке 2
.