Реализация цифрового двойника в среде моделирования МАРС

V.M. Dmitriev, Gembuh, , Sakhabutdinov, ,

В настоящее время активно развивается область моделирования различных процессов и явлений. Одним из перспективных направлений развития моделирования является проведение моделирования в специализированных средах моделирования, позволяющих имитировать различные процессы и явления реального мира. Моделирование поведения реальных объектов в среде моделирования позволяет пронаблюдать за их реакцией на изменяющиеся условия, а также спрогнозировать их поведение в определенном промежутке времени.

В ходе эксплуатации любого технического объекта имеет место быть деградация компонентов. Она может проявляться на примере эксплуатации литий-серных аккумуляторов [1]. В связи с этой проблемой возникает необходимость в реализации такой модели, которая позволит отслеживать состояние параметров в реальном времени и оповещать о текущем состоянии объекта. Также в перспективе такая модель должна имитировать процесс деградации компонентов с целью получить возможность принять превентивные меры до выхода объекта из работоспособного состояния.

В данной работе рассмотрена концепция цифровых двойников, а также представлена своя концепция цифрового двойника, реализованного в среде моделирования МАРС (СМ МАРС) [2]. Описана схема цифрового двойника, имитирующего работу схемы выпрямителя напряжения в условиях деградации компонентов.

Данная схема позволяет предотвратить серьезные отклонения параметров электрической схемы от допустимых значений путем раннего предупреждения об отклонении какой-либо электрической характеристики.

Концепция цифрового двойника

Цифровой двойник – это программный аналог физического устройства, моделирующий внутренние процессы, технические характеристики и поведение реального объекта в условиях воздействий помех и окружающей среды. В концепции цифрового двойника виртуальная модель не отбрасывается после создания материального объекта, а используется в связке с ним на протяжении всего его жизненного цикла: на этапе тестирования, доработки, эксплуатации и утилизации. Важно отметить, что связь между физическим и цифровым двойником продолжается и после создания физического объекта, что позволяет отслеживать характеристики и историю обслуживания каждого изделия (физического двойника), а также выявлять и сообщать об аномальном его поведении и рекомендовать/планировать техническое обслуживание. То есть цифровой двойник не ограничивается задачами разработки продукта, а решает задачи поддержания его на всех стадиях жизненного цикла. Например, когда продукт выходит на стадию эксплуатации, параметры его работы могут быть собраны с помощью датчиков и использованы для улучшения цифровой модели. Цифровой двойник на базе высокоадекватной математической модели может использоваться для диагностики проблем с реальным объектом и прогнозировать оптимальные циклы его профилактического обслуживания [3].

Многие ученые, занимавшиеся проблемами цифровых двойников, дают различные понятия термину «цифровой двойник». Впервые концепцию цифрового двойника описал М. Гриффин в 2003 г. [4].

Следует отличать цифровой двойник от таких понятий, как «цифровая модель» и «цифровая тень»:

• -    цифровая модель – описывается как цифровая версия ранее существовавшего или планируемого физического объекта, для правильного определения цифровой модели не должно быть автоматического обмена данными между физической моделью и цифровой моделью. Примерами цифровой модели могут быть планы зданий, проекты и разработки продуктов. Важной отличительной чертой является отсутствие формы автоматического обмена данными между физической системой и цифровой моделью. Это означает, что после создания цифровой модели изменения, внесенные в физический объект, никоим образом не влияют на цифровую модель [5];

• -    цифровая тень – это цифровое представление объекта, который имеет односторонний поток между физическим и цифровым объектом. Изменение состояния физического объекта приводит к изменению цифрового объекта, а не наоборот [6];

• -    цифровой двойник – если данные передаются между существующим физическим объектом и цифровым объектом и они полностью интегрированы в обоих направлениях, это представляет собой «цифровой двойник». Изменение физического объекта автоматически приводит к изменению цифрового объекта и наоборот. На рис. 1 показан цифровой двойник. Эти три определения помогают выявить распространенные заблуждения, встречающиеся в литературе. Одно из них гласит, что цифровые двойники должны быть точной трехмерной моделью физического объекта. В то же время некоторые люди считают, что цифровой двойник – это просто 3D-модель, созданная в графическом редакторе [7].

На текущий момент, цифровые двойники делятся на следующие типы:

• -    прототип – представляет собой виртуальный аналог реального объекта, который содержит все данные для производства оригинала;

• -    экземпляр – содержит данные обо всех характеристиках и эксплуатации физического объекта, включая трехмерную модель, и действует параллельно с оригиналом;

• -    агрегированный двойник – вычислительная система из цифровых двойников и реальных объектов, которыми можно управлять из единого центра и обмениваться данными [8].

Концепция цифрового двойника в среде моделирования МАРС

В качестве объекта исследования в данной работе будут рассматриваться сложные технические управляемые системы (СТУС). Целью работы является исследование структуры ЦД в про- екции метода многоуровневых компонентных цепей для сложных технических систем. В задачи проводимых исследований входит адаптация комплексной модели СТУС к особенностям структурных характеристик ЦД как для каждого из слоев многоуровневой модели, так и для ее периферии, связанной с подготовкой, обработкой и регистрацией данных.

Рассмотрим здесь методику построения ЦД для сложных технических систем на основе метода многоуровневых компонентных цепей (МКЦ). Она впервые была предложена в работе [9] и является хорошей основой для построения ЦД, но требует дальнейшего развития и детализации. Цифровой двойник формируется в виде компьютерной модели сложной технической управляемой системы, состоящей из трех взаимосвязанных уровней:

• -    объектный уровень, содержащий в себе компьютерную модель СТУС, ее вход-выходные переменные и переменные состояния участвующих в реализации алгоритма функционирования системы, с подключенными к ней моделями исполнительных и измерительных устройств;

• -    логический, который содержит имитационную модель алгоритма функционирования системы управления СТУС, а также блоки обработки данных;

• -    визуальный, на котором осуществляется визуализация данных, полученных с логического слоя, а также формирование задающих воздействий, представляющих собой команды пользовательского или интеллектуального управления.

Работа цифрового двойника, представленная в данной статье, реализована при помощи СМ МАРС. Данная среда разрабатывается на кафедре КСУП и позволяет осуществлять моделирование различных процессов, а также работу различной периферии. В качестве периферии могут выступать микроконтроллеры. На рис. 1 представлена общая структурно-функциональная схема работы цифрового двойника.

Рис. 1. Схема цифрового двойника Fig. 1. Digital twin diagram

Как видно из схемы, представленной на рис. 1, у нас имеется объект исследования, у которого можно варьировать некоторые параметры в небольшом диапазоне, имитируя процесс деградации компонентов. Данный объект посредством плат ввода-вывода подключен к микроконтроллеру. Это позволяет передавать и обрабатывать некоторый аналоговый сигнал, характеризующий значение тока и напряжения. Микроконтроллер оцифровывает аналоговый сигнал, поступающий с объекта исследования, после чего передает оцифрованный сигнал на компьютер с запущенной СМ МАРС посредством USB-UART-адаптера фирмы FTDI [10]. В СМ МАРС полученный с микроконтроллера сигнал обрабатывается и затем передается на блок виртуального осциллографа, также реализованного в СМ МАРС [11]. В то же время в данной среде собрана компьютерная модель объекта исследования, имитирующая его работу на основе математической логики. Значение сигнала, выходящего с компьютерной модели, передается на канал блока виртуального осциллографа, после чего реальный сигнал, полученный с реального объекта исследования, и сигнал, полученный с компьютерной модели, сравниваются между собой. В случае если сигнал, полученный с реального объекта, значительного отличается от идеального сигнала, полученного с компьютерной модели, выдается предупреждение о рассогласовании.

Описание реализации стенда и цифрового двойника

Для имитации работы цифрового двойника была собрана схема простейшего выпрямителя напряжения с фильтром, состоящая из трансформатора, диодного моста, фильтра из двух конденсаторов, дросселя и сопротивления нагрузки (рис. 2).

Рис. 2. Схема простейшего выпрямителя напряжения с фильтром Fig. 2. Scheme of the simplest voltage rectifier with a filter

Передача аналогового сигнала с данной схемы на компьютер осуществляется при помощи

USB-адаптера FTDI и микроконтроллера STM32.

Рис. 3. Собранный стенд для реализации цифрового двойника

Fig. 3. Assembled stand for the implementation of a digital double

В начале входное напряжение со схемы уменьшается делителем напряжения для того, чтобы подстроиться к входному напряжению согласно техническим требованиям микроконтроллера STM32 [12]. Для STM32 входное напряжение не должно превышать 3,6 В.

В тот момент, как выходное с платы напряжение понижается, оно передается на ногу микроконтроллера в виде аналогового сигнала. На микроконтроллере полученное значение оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), после чего осуществляется его передача по интерфейсу UART через USB-UART-адаптер FTDI (рис. 3) [13]. Для ускорения процесса оцифровки аналогового сигнала используется опрос АЦП через direct memory access (DMA) [14, 15]. Передача через USB-UART-адаптер происходит со скоростью 900 000 бит/с.

В СМ МАРС реализована схема, осуществляющая расчет коэффициента пульсации [16]. Расчет коэффициента пульсации напряжения проводится по формуле k =

U -U ■ max min

Umax + Umin где Umax – максимальное значение амплитуда пульсации, Umin – минимальное значение амплитуды пульсации.

Данный коэффициент будет использоваться для количественного сравнения амплитуды пульсаций, полученных с реальной и виртуальной схем.

Для получения коэффициента пульсации с модели выпрямителя в СМ МАРС была построена виртуальная схема, имитирующая работу реальной схемы, собранной ранее (рис. 4).

Рис. 4. Схема выпрямителя с фильтром в СМ МАРС

Fig. 4. Rectifier circuit with filter in CM MARS

Электрические параметры данной схемы выставлены в соответствие с реальной схемой. Выходное напряжение данной схемы подается на блок виртуального осциллографа.

Расчет коэффициента пульсации с модели и сравнение его с коэффициентом, полученным с реальной схемы, осуществляется при помощи компонентной цепи, собранной на логическом уровне СМ МАРС (рис. 5, 6).

На рис. 6 компонент DIF2 производит расчет разницы коэффициентов пульсаций (ошибки) реального объекта и виртуальной модели. Компонент Ab1 производит сравнение полученной ошибки с заранее заданным значением допустимой ошибки, задаваемой в компоненте Err.

Рис. 5. Схема, реализующая расчет коэффициентов пульсаций Fig. 5. The diagram implementing the calculation of ripple coefficients

Рис. 6. Схема, реализующая расчет отклонения коэффициента реальной схемы от коэффициента виртуальной модели

Fig. 6. The diagram implementing the calculation of the deviation of the coefficient of the real scheme from the coefficient of the virtual model

Графический интерфейс для пользователя, реализованный на визуальном уровне СМ МАРС, представлен на рис. 7.

Коэффициент пульсации напряжения виртуальной схемы | 0.000

Коэффициент пульсации напряжения с реальной схемы

I 0.000

Ошибка

| 0.000

Авария

Рис. 7. Графический интерфейс

Fig. 7. Graphical interface

Графический интерфейс отображает значения коэффициентов пульсаций реальной и виртуальной схем, а также значение отклонения реальных пульсаций от идеальных. Если значение отклонения будет выше заданной ошибки, равной 0,1, то индикатор «Норма» загорится красным цветом. Также графический интерфейс в реальном времени визуализирует напряжения реальной и виртуальной схем при помощи компонента виртуального осциллографа.

Запустим симуляцию цифрового двойника, учитывая, что цифровые параметры виртуальной схемы совпадают с параметрами реальной схемы (рис. 8).

Рис. 8. Сравнение коэффициентов при одинаковых параметрах схем Fig. 8. Comparison of coefficients with the same circuit parameters

Из рис. 8 видно, что при одинаковых параметрах реальной и виртуальной схем расхождение коэффициентов пульсации минимальное.

Далее для того чтобы удостовериться в работоспособности цифрового двойника, понизим емкость конденсатора в схеме фильтра на 100 мкФ и запустим симуляцию цифрового двойника (рис. 9).

Рис. 9. Сравнение коэффициентов при уменьшении емкости в ходе старения Fig. 9. Comparison of coefficients with decreasing capacity during aging

Из рис. 9 видно, что при разных параметрах реальной и виртуальной схем преобладает значительное расхождение коэффициентов пульсации.

Проведенный эксперимент позволяет говорить о том, что предложенная концепция цифрового двойника работоспособна и может быть применена в системах, где возможна деградация её параметров.

Выводы

В данной работе рассмотрена общая концепция цифрового двойника, а также концепция цифрового двойника в СМ МАРС. Для реализации цифрового двойника по предложенной концепции был разработан стенд, состоящий из схемы простейшего выпрямителя с фильтром, микроконтроллера STM32, USB-UART-адаптера FTDI и компьютера с интегрированной СМ МАРС.

Проведенный эксперимент показал, что коэффициент пульсации напряжения компьютерной модели простейшего выпрямителя с фильтром и коэффициент пульсации напряжения реального объекта отличаются незначительно.

Заключение

Разработанный стенд выпрямителя с фильтром и компьютерная модель в СМ МАРС позволит имитировать процесс старения компонентов электрической схемы, а также позволит своевременно предотвращать выход электрической схемы из строя.