Оценить возможность использования среды Engee для полного цикла разработки систем автоматического управления газотурбинным двигателем и замещения зарубежных инструментов моделирования

Результаты

Задача

Собрана полная модель регулятора и выполнена генерация C-кода для электронного блока управления

Проведено тестирование сгенерированного кода (SIL и HIL), подтверждена корректность работы модели и кода

4. Вопрос о проекте

3. Заключение

2. Тестовые задачи, участники и результаты сравнения

1. От идеи до реализации

Если мы говорим, что само по себе двигателестроение — это наукоёмкая отрасль, и работают в ней буквально десяток компаний в мире, то разработка электронных блоков управления этими двигателями — ещё более узкая отрасль промышленности. В России этим занимаются только пара-тройка компаний и одна из них — пермская ОДК-СТАР из контура Объединённой Двигателестроительной Корпорации.

Проектирование систем управления двигателями — их непосредственная специализация, а номенклатура продукции включает системы автоматического управления не только авиационными двигателями, но также и ракетными, морскими двигателям и промышленными турбинами.

При разработке алгоритмов САУ коллеги применяют методы модельно-ориентированного проектирования, полунатурное моделирование и HIL-тестирование (тестирование готовых электронных блоков на модели двигателя, а не настоящем ГТД). До недавнего времени в компании широко применялись зарубежные программные комплексы компании Mathworks (MATLAB, Simulink, Simscape и т. д.), которые использовались на протяжении полного цикла работ. Очевидно, что задача на среднесрочную перспективу — переход на российские программные решения. Кроме того, при переходе к новому ПО требуется учитывать наличие богатой стендовой базы, построенной на аппаратных решениях National Instruments.

От идеи до реализации

Итак, как же выглядит базовый путь инженерных служб, разрабатывающих в первую очередь алгоритмы САУ? Ответ можно продемонстрировать следующей схемой:

Ключевые этапы разработки — это:

1. Разработка математической модели ГТД как объекта управления верхнего уровня — нам нужно понимать, как реагирует ГТД на подачу топлива, какая динамика у газодинамических процессов и как меняются измеряемые параметры

2. Разработка математических моделей гидромеханических агрегатов (например, дозатора топлива) — здесь, во-первых, необходимо оценить поведение агрегата в зависимости от конструктивных особенностей (площади внутренних каналов, массы золотника, жёсткости пружин и т. п.), и, во-вторых, разрабатывать алгоритмы САУ с учетом динамики такого исполнительного механизма. Исходя из задачи обычно разрабатываются математические модели агрегатов с разной степенью детализации: для первой подзадачи необходимы подробные математические модели, учитывающие внутреннюю структуру и характеристики, а для второй — достаточно математического описания динамики объекта, например, с помощью передаточных функций из теории автоматического управления.

3. Разработка регулятора САУ, как на концептуальном уровне (определение структуры, контуров, требований к качеству регулирования), так и на близком к реализации в железе уровне, где становятся важны аспекты, связанные с работой на микропроцессорах (дискретное выполнение расчёта и передача данных, обработка возможных отказов и т. д.).

4. Переход к полунатурному тестированию и отладке. Основные задачи — получить код из моделей ГТД и агрегатов для запуска на машине реального времени для имитации реальных образцов, а также получить код из модели алгоритмов для исключения ручного кодирования электронного блока управления.

Выполнение этих задач позволяет существенно сократить сроки разработки, а также минимизировать количество ошибок в готовом изделии, а значит и сократить объемы отладки во время доводочных и сертификационных испытаний. А это, в свою очередь, значит, что пресловутое импортозамещение должно как минимум не сломать выполнение приведённых выше задач, как максимум — сохранить привычные принципы работы и переиспользовать весь накопленный опыт.

Такие вводные и привели инженеров ОДК-СТАР к формированию функциональных требований для анализа российского ПО.

Тестовые задачи, участники и результаты сравнения

Очевидно, что тестовые задачи для инженерного ПО по смыслу будут очень близки к реально выполняемым работам, вот они:

1. Моделирование поведения ГТД

2. Доп. критерии — наличие конвертера моделей из Simulink для сокращения срока перехода на потенциально новое ПО, а также возможность работы с моделями с помощью скриптов — важная функциональность для автоматизации тестирования и отладки разработанных моделей.

3. Моделирование системы топливоподачи (детализированная модель дозатора топлива с учетом гидравлических, механических и электрических элементов)

4. Моделирование многоконтурной САУ авиационным двигателем

5. Доп. критерий — наличие инструментов моделирования событийной логики в виде графов перехода между состояниями — структура САУ предполагает сложные зависимости между режимами работы, которые трудно описываются традиционными условиями if-else… .

6. Генерация кода из алгоритмов САУ и математических моделей объектов управления.

7. Доп. критерий — возможность работы с имеющейся инфраструктурой стендовой базы и наличие совместимых российский аппаратных комплексов реального времени.

Для тестирования работы в описанном пространстве задач помимо Engee были выбраны ещё две наиболее известные среды математического и имитационного моделирования, присутствующие на российском рынке и включенные в реестр российского ПО. Первая из них присутствует на рынке давно, вторая — молодая, но быстрорастущая среда.

Далее по тексту статьи могло бы быть подробное описание принципов работы в Engee, скриншоты моделей и слова о том, что инженерам всё понравилось. Мы не хотим повторяться, если интересно — можно снова перечитать нашу статью о применении Engee в двигателестроении, посмотреть на наш опыт в моделировании других авиационных систем, или подискутировать о принципиальной необходимости математического моделирования при проектировании сложных систем.

Здесь же мы хотим привести лишь итоговую таблицу, в которой инженеры, изучавшие российские решения и работавшие хоть над тестовыми, но все же важными задачами, отметили итоговые результаты по каждому из ПО.

Моделирование ГТД;Результаты моделирования в Engee полностью совпадают с результатами в Simulink;ГТД может быть смоделирован;Отсутствие полного набора необходимых блоков, невозможность построения сложной многоуровневой модели Перенос модели ГТД конвертером моделей из Simulink;Конвертер моделей работает, необходима настройка моделей, необходим ручной перенос отдельных фрагментов кода (при наличии);Ограниченное количество блоков, доступных для конвертирования. Фактически неработоспособное решение;Есть конвертер моделей из Simulink для старых релизов. Фактически неработоспособное решение Программное управление для работы с моделями;Имеется полноценная среда скриптовых расчётов с возможностью взаимодействия с моделями; Отсутствует; Отсутствует Моделирование системы топливоподачи;Модель дозатора собрана и работоспособна, потребовалась тонкая настройка локального решателя;Система топливоподачи принципиально может быть смоделирована, затруднения с пользовательским интерфейсом и отладкой;Отсутствуют необходимые блоки для моделирования. Нет решателей для жестких систем дифференциальных уравнений Моделирование регулятора с событийной логикой;Функционал библиотеки “Конечные автоматы” позволяет разрабатывать сложную логику переключения режимов управления;Есть имитация конечных автоматов с минимальным функционалом. Регулятор не удалось построить из-за недостатка функциональности, непонятного интерфейса и отсутствия возможностей отладки;Функциональность представлена в количестве, недостаточном для полноценной работы Запуск модели объекта на аппаратных платформах;Генерация платформонезависимого С-кода. Запуск на стендах NI;Инструменты кодогенерации позволяют получить C-код из моделей, состоящих исключительно из базовых блоков;Инструменты кодогенерации поддерживают не более 20% необходимых для моделирования блоков Наличие совместимых аппаратных комплексов;Запуск моделей на совместимом комплексе полунатурного моделирования РИТМ осуществляется “по кнопке” из Engee;Отсутствуют бесшовно интегрируемые программно-аппаратные комплексы;Отсутствуют бесшовно интегрируемые программно-аппаратные комплексы Генерация C-кода из полной модели регулятора;Код сгенерирован из полной модели. Человекочитаемый и трассируемый к модели код;Возможно для моделей, состоящих исключительно из базовых блоков. Получаемый код не человекочитаемый и не трассируемый к модели; Невозможна Проверка сгенерированного кода Software-in-the-Loop тестирование;SIL-тестирование подтверждает эквивалентность сгенерированного в Engee кода исходной модели регулятора в Simulink;Возможна, требуются дополнительные действия по переносу кода;Невозможна

Заключение

Проведенное инженерами ОДК-СТАР тестирование подтвердило, что Engee является на сегодняшний день наиболее проработанным и функционально полным российским решением для задач проектирования систем автоматического управления (САУ). Ключевое преимущество — покрытие полного цикла работ — от создания сложных моделей объекта управления до генерации кода для «железа». Успешный проект на тестовых задачах создает основу для поэтапного внедрения Engee в реальные проекты промышленности. Это не просто «вынужденное замещение», а переход на работоспособную отечественную платформу, которая позволяет сохранить и транслировать накопленные методики и опыт.

Материал подготовлен в соавторстве с Марией Евгеньевной Санниковой, инженером-конструктором 3 категории конструкторского отдела разработки программного и математического обеспечения систем автоматического управления (КО-4)

У меня есть вопрос о проекте

Другие проекты

Смотреть все

ЦНИИ «Судового машиностроения» оценил потенциал Engee для импортонезависимого моделирования

Применение Engee для определения уровня топлива: точность, надежность и перспективы

Engee для моделирования складской техники: опыт ПАО «МЗИК»

ГосНИИАС применил ПО Engee в разработке критически важной логики бортовых индикаторов

Все актуальные проекты мы публикуем на Хабре и в Telegram-канале