1.2. Состав і будова систем
Звернемося в Інтернет: «... особливість підходу обумовлює новим поколінням технічних засобів реалізації й відповідних принципів організації технічних систем. До відзначених засобів і принципів ставляться:
електронні сенсорні пристрої,
комп'ютерні засоби обробки інформації й керування,
стандартні й спеціалізовані пневмо-гидро-механічні приводи,
виконавчі й технологічні пристрої,
індивідуальне комп'ютерне керування модулями й агрегатами,
інформаційні технології побудови інтелектуальних механічних систем. (Москва, 1995 р.)»
Якщо звернутися до першоджерел і підручників, то з'ясується, що поштовхом до появи механотроники послужила невідповідність між возиможностями новітніх механічних виконавчих пристроїв, можливостями комп'ютерів і інформаційних технологій і проблемами, корые виникають при їхньому спільному використанні для рішення різних практичних завдань. Виходило, що сформовано актуальні завдання і є технічні можливості для їхнього рішення, але питання створення надійних і недорогих систем зводив нанівець всі плани й строки виходу на ринок з новими технічними розробками.
Перші проекти по створенню автоматичного виробництва ставляться до 1960-м років. Їхніми досягненнями стали маніпулятори й роботи, верстати-авматы, що обробляють центри, верстати зі ЧПУ й перші приклади автоматизації в сфері побуту.
Наступні кроки сформували певну ієрархію в цьому тиску, а саме виділили сенсори, датчики й сервоприводы, маніпулятори, роботи, робото-технологічні комплекси, автоматизовані лінії, гнучкі автоматизовані виробництва. Решенения загальних завдань, засновані на можливостях комп'ютерного керування й інформаційних технологій, були представлені у вигляді об'єднань рішень менших завдань. Поділ - декомпозиція більших завдань на менші часто виконувалася за принципом виділення операції і її пристроїв, що забезпечують - виконавчих, керуючих, що контролюють. Такий крок декомпозиції в десятки разів зменшував розмірність розроблювальних систем (кількість ступенів волі), оскільки елементами системи були комплекти пристроїв, сгрупированные навколо операцій. Стрімко зменшилася й кількість внутрішніх зв'язків між елементами системи, тобто її складність [16].
Наприклад, якщо між двома елементами для їхньої координації досить одного двостороннього зв'язку, а між чотирма елементами зв'язків необхідно 6, то система, що поєднує дві групи по 4 елементи, має 6+6+1=13 внутрішніх зв'язків (мал. 1.3). Але, якщо систему розглядати не по групах, а в цілому, то для 8 елементів кількість можливих зв'язків нараховує 28, тобто вдвічі більше. Помітимо, що нескладне автоматизоване виробництво нараховує біля 20-40 дій, у тому числі виробничого, транспортного, пакувальних, вхідного й вихідного контролю, додаткових і інших. Максимальна кількість зв'язків в однорідній системі або групі розраховується по формулі:
Для системи, що складається з 20 пристроїв, маємо: N20=190. Для цієї ж системи, якщо спочатку побудувати 5 маленьких систем по 4 елементи, а потім їх об'єднати, то будемо мати: N(4+4+4+4+4)=6*5+10=40. Для вдвічі більшої однорідної системи N40=780. У випадку поділу на маленькі системи по 4 елементи одержимо N(4+…+4)=6*10+45=105... А якщо зробити ще один крок, спочатку об'єднати по чотирьох елемента в 10 маленьких систем, потім об'єднати по п'яти маленьких систем у два вищі рівні, і нарешті утворити систему із двох, то одержимо: N(4+4+4+4+4)*2=40*2+l=81.
До складності системи додасться завдання кваліфікації розроблювача. Якщо кваліфікацію умовно оцінити складністю системи (кількістю внутрішніх зв'язків) і виділити «розряди» по числу зв'язків, наприклад, 1 - до 5, 2 - від 5 до 10, 3 - від 10 до 50, 4 - від 50 до 250 і 5 - від 250 до 1250, то останнє завдання може вирішувати фахівець 1-го розряду, а 4-го розряди може не вистачити.
Помітимо, що система потрібна не сама по собі, а як засіб автоматизації технологічного процесу, а процес має строгий порядок-дій і операцій. Тоді зв'язку між діями й операціями перенесуться на зв'язку між виконавчими пристроями й сформують свою структуру (мал. 1.3. в).
На цьому прикладі можна проілюструвати дві групи особливостей, які впливають на будову систем механотроники.
Перша група
• По-перше - складність завдання істотно залежить (в 10 і навіть в 100 разів) від варіанта розподілу системи на складові, у тому числі й ієрархічного (більша система складається з менших систем і так далі аж до окремих елементів).
По-друге - їсти можливість вибрати такий розподіл і ієрархію системи, при яких її складність стане мінімальної.
По-третє - розподіл системи може бути таким, котре дозволяє ефективно використовувати попередні результати (наприклад, систему з 4-х елементів ми вже розрахували, використовували це в системі з 20 елементів і скористалися першим і другим при розгляді системи з 40 елементів).
Друга група особливостей походить від механічних і технологічних аспектів.
По-перше, вони виключають більшість внутрішніх зв'язків, які можна одержати по інформаційній моделі. Наприклад, неможливо виконувати рух пристрою одночасно в протилежних напрямках, - у послідовному ланцюжку кожна ланка має зв'язок тільки по суміжними ланками, - неможливо змінити значення змінної від 0 до 100 минаючи значення 30, 40 і 50, якщо це координата крапки, що рухається, і багато чого іншого.
По-друге, всі дії й рухи пристроїв є асинхронними й не можуть бути синхронізовані навіть примусово.
• По-третє, технологічний або експлуатаційний процес передбачає деяку траєкторію зміни станів системи, за межами якої система не має змісту, а іноді й не може існувати. Тобто, якщо говорити про модель, то довільна зміна стану системи буде виходити за граничні умови моделі, а для мического об'єкта є руйнуючим.
Перша група особливостей указує на структуру, як на фактор, здатний істотно спростити або ускладнити систему, а значить і завдання її работки або перевірки [5,8]. Обидві групи разом визначають деякі завдання структурного синтезу: мінімізація кількості внутрішніх зв'язків; застосування ієрархічної архітектури; використання попередніх работок; підпорядкування структури об'єкта до траєкторії процесу функціонування.
У сучасних об'єктах механотроники ці особливості займають ті позиції, але майже в кожному завданні - вони перебувають на початку списку [4]. Якщо траєкторія процесу експлуатації не складна, і система не більша, то її можна будувати в однорідному варіанті, опираючись на досвід аналогічних розробок. Якщо траєкторія не складна, але громіздка, то її нескладно розділити на фрагменти, які схожі на попереднє завдання. Коли траєкторія й складна й більша, то на перший план виходять завдання мінімізації й побудови оптимальної ієрархічної структури. Коли траєкторія складна, але компактна, то завдання підпорядкування структури об'єкта до траєкторії процесу й мінімізації складуть першу пару.
Відзначені приклади можуть бути підкріплені практичними системами: пральної машини, лінії розфасовки й упакування цукерок, лінії селективного складання розподільних клапанів, робота-манипуляторм призначеного для автономної роботи в умовах підвищеної небезпеки
Домінуючий вплив на будову системи роблять виконавчі пристрої й способи їхнього застосування. Цей фактор для розроблювача лежить на поверхні й використовується при розподілі великої системи на складові. Він же надає фізичне й енергетичне обґрунтування при проектуванні виконавчих пристроїв і доповненні їх до функціональних модулів - минисистем.
Наприклад, якщо як виконавчий пристрій застосований потужний гідропривід, що виконує лінійне переміщення з постійною швидкістю в обох напрямках і з максимальною швидкістю в одному напрямку, то по цих умовах розроблювач відразу побачить состав системи:
гідроциліндр двосторонньої дії,
розподільний 4/3 клапан для керування напрямком руху,
розподільний 2/2 клапан для підключення регулятора швидкості,
дросель із регулятором для завдання швидкості,
датчики для контролю положень початку руху, завершенні руху, перемикання швидкості,
можливе підключення акумулятора (з урахуванням співвідношення максимальної й середньої швидкості).
Відповідно до обраної апаратури з'являться засоби контролю сенсори, датчики, реле. Кожний сигнал контролю або керування має певні параметри, вид, тип енергоносія. Для подальшого використання цих сигналів, незалежно від всієї іншої системи, їх необхідно погодити із входами й виходами контролера (перетворювачі, підсилювачі, фільтри, компаратори) [10, 36, 37].
У розглянутому варіанті, виконавчий пристрій (привод), виділяє сегмент системи, що проходить через сигнали датчиків стану до контролера й алгоритму керування, а через пристрої узгодження виходів контролера із сигналами керуючих пристроїв (клапанів) вертається до виконавчого пристрою (мал. 1.4).
Зміст структурного синтезу систем механотроники може бути розділене на три питання:
аналіз завдання великої розмірності й подання її у вигляді структури, що складає з менших завдань;
побудова минисистем, які вирішують менші завдання;
побудова інформаційної, а потім і фізичної системи, що поєднує дії минисистем так, що б вони вирішували основне завдання.
На перший погляд, наведені питання є типовими при розробці будь-якої великої системи, чому є безліч практичних підтверджень [5,8]. Але є особливості, на перший погляд незначні, які можуть привести до істотних проблем. Відповідь на перше питання (аналіз) повинен ураховувати не тільки факт появи минисистем, але й можливість їхньої спільної роботи. Тестування й упевненість у здійснюваних і контрольованих діях минисистем (друге питання) є обов'язковим, інакше після їхнього об'єднання в систему прийде досліджувати «чорний ящик» - систему з невідомими властивостями. Не уступає по южности й побудова інформаційної системи (третє питання), що повинна погодити дії потужних, асинхронних і не зовсім керованих виконавчих пристроїв, які будуть діяти в загальному просторі, маючи у своєму розпорядженні тільки логікові.
Рішення цих питань методом «проб і помилок» є дорогим, таїть у собі небезпека руйнування системи, а іноді - просто нереально. Приміром, завдання створення інформаційної ситуації в моделі й повторення її на реальному встаткуванні авіалайнера неможливо навіть зрівняти по складності й вартості. Проектувальник заздалегідь не впевнений, як саме будуть діяти виконавчі пристрої в новій ситуації. процеси, Що Відбуваються в них, направляються законами механіки, гідравліки, термодинаміки й інших законів і фізичних явищ, які не залежать від запропонованої інформаційної моделі.
Структурний синтез, на наш погляд, це процес логічної роботи проектувальника, що користується декількома зворотними зв'язками, об'єднаними підзаголовком "з урахуванням майбутніх завдань 1, 2, ...". Пропонована їм структура повинна передбачати завдання, що виникають у проектувальника, конструктора, виготовлювача, наладчика, користувача, що обслуговує персоналу в ряді питань такого роду:
доступності засобів для технічної реалізації,
досвіду й наявності інструментів проектування минисистем,
конструювання, виготовлення й складання,
налагодження й тестування,
побудови інформаційної моделі роботи системи,
пошуку прорахунків і модернізації,
супроводу й експлуатації системи,
інші.
На закінчення помітимо, що проектувальник з достатнім досвідом роботи, що приступає до чергового проекту, на структурний синтез і вищесказане навіть не зверне уваги. І для цього є вагомі аргументи, оскільки він використовує багаторазово перевірені модульні або блокові рішення (минисистемы), які він уже не раз успішно поєднував і системи. У кожному наступному проекті він додає одне або два нових пристрої, сенсора, режиму роботи й тому не бачить змісту переробляти всю систему. Тільки тоді, коли кількість фізично доданих, але не врахованих зв'язків між пристроями системи досягне критичного рівня, непогодженість будови й состава системи зупинить її роботу. Структурний синтез попереджає такий сценарій і наближає процес створення системи до складального виробництва, починаючи oт технічного завдання, і закінчуючи питаннями модернізації або реінжинірингу.