5.1.4. Загальні зауваження
Моделі в мехатроніці застосовують для рішення завдань моделювання й проектування об'єктів. З їхньою допомогою заміняють окремі властивості реальних об'єктів. Це дозволяє спростити рішення й скоротити витрати, розширити коло завдань. Основні типи моделей використовуваних у мехатроніці - моделі даних і системні моделі. Перші не деталізують внутрішніх процесів в об'єкті, тоді як другі засновані на їхньому описі. Моделі мають різні форми подання: табличної, функціональну, принципових і структурної схем, передатних функцій, систем алгебро-диференціальних рівнянь, систем імітаційних рівнянь і ін. Побудова моделей виконують відповідно до алгоритму. Моделювання припускає використання комп'ютера й програмних засобів. Одержання коректних результатів моделювання вимагає перевірки роботи моделі. Готова модель має границі застосовності. Рішення завдання моделювання сполучено з необхідністю розуміння мети моделювання, процесів в об'єкті, поділу об'єкта на компоненти й взаємозв'язки, складання опису процесів, застосування методів рішення й програмних пакетів, аналізі результатів і прийнятті рішень. Вивчення цього комплексу питань, придбання навичок побудови моделей і моделювання розкриває широкі можливості в рішенні актуальних, цікавих і різноманітних завдань механотроники.
5.2. Проектування об'єктів мехатроники
5.2.1. Будова об'єкта й підходи до проектування.
Ціль, завдання й застосовувані походи для їхнього рішення. Насамперед, необхідно визначити яка ставляться мета, завдання проектування і які походи застосовують для їхнього рішення. Метою проектування модулів і систем механотроники є одержання конструкторської документації для їхнього виготовлення. Проектування таких об'єктів пов'язане з рішенням ряду завдань. Завдання виникають у ході проектування і є характерними для об'єктів механотроники. Розглянемо кілька прикладів.
Об'єкти механотроники виконують свої функції тільки в тому випадку, якщо процеси в них відбуваються по заздалегідь певному плані. Планує розроблювач, а об'єкт, якщо вірно спроектований, цей план виконує. Спробуйте, наприклад, одержати задану амплітуду й частоту коливань маятника зі збереженням зазначених параметрів у деякому тимчасовому інтервалі. Така проблема вирішена в механічних годинниках. Маятник виконаний у вигляді коліщати зі спіральною пружиною. Коліща робить зворотно-обертальні коливання з фіксованою частотою й амплітудою. Вони визначаються твердістю спіральної пружини й моментом інерції колеса маятника. Тривалість роботи маятника визначається іншою спіральною пружиною, що нагромадила енергію при заводі годин. Енергія цієї пружини витрачається на підживлення маятника, що неї розтрачує на подолання сил тертя в опорах. Робота годинного механізму виконується завдяки погодженості дій кожного елемента й процесу. Відома також конкретна функція, для виконання якої створювався цей механізм. Його функція - вести відлік і показувати час. В об'єкті можна побачити елементи, що забезпечують його роботу: маятник, заводна пружина, шестірні, стрілки. Видний і запланований результат - положення стрілок у кожний момент часу.
Чи просто спланувати роботу такого механізму? Представимо, приміром, що твердість пружини маятника обрана без її узгодження зі значенням інерційної маси. Наслідком буде зміна частоти коливань маятника й «неправильне» час. Годинники втратять свою функцію. Це вказує на важливість завдання значень параметрів для планованої роботи механізму. І, отже, однієї із завдань проектування є узгодження роботи окремих компонентів об'єкта.
Розглянемо ще один об'єкт - електронно-механічні годинники. У ньому є електронні компоненти, що сусідять із механічними деталями. Годинники працюють, функції виконується, але не все происходящее зрозуміло. Процеси в електронних компонентах сховані, але, незважаючи на це, у таких годинниках теж усе погоджено. І функції такі ж, як і в механічних годинниках. Спостереження й міркування дають можливість зробити деякі виводи. Так у двох об'єктів - механічних і електронно-механічних годин однаковые функції, те, з одного боку, використання різних засобів дозволяє одержати однакові функції, а з іншого боку, є якісь причини, що визначили вибір саме цих засобів. Чому в годинниках використані електронні компоненти? Що спонукало розроблювача до їхнього застосування?
Спробуємо розібратися. Уважне вивчення вмісту електронно-механічних годин дозволить зробити вивід про відсутність у них заводної пружини й, отже, необхідності її заводу. Замість пружини в годинниках застосована електрична батарейка. Її енергія використовується так само, як використовувалася енергія заводної пружини - для подолання сил тертя в опорах рухливих деталей. Але при цьому енергії батарейки вистачає для підтримки працездатності годин протягом цілого року, а не доби, як при використанні пружини. От і один з мотивів. Нова модель годин створювалася для збільшення довжини тимчасового відрізка дії годин без втручання людини. Є, напевно, і інші причини, наприклад точність роботи годин, зручність використання й т.д. Однак для нас важливо, що процес створення об'єкта має логічні основи, які визначають дії й вибір розроблювача. Відзначимо також, що вибір компонентом майбутнього об'єкта ще одне із завдань проектування.
Правильного вибору компонентів звичайно не досить для забезпечення роботи механізму. Компоненти повинні взаємодіяти між собою. Ця взаємодія задається будовою механізму, що відбивається його структурою. Визначення структури також є завданням проектування.
Інший важливий факт - є щось що дозволяє оцінити властивості об'єкта. Це характеристики. У нашім випадку це точність роботи, тривалість роботи від автономного джерела енергії, маса, габаритні розміри, захищеність від зовнішніх впливів і ін. Характеристики об'єкта є наслідком параметрів компонентів і його роботи. Одержання бажаних характеристик ще одне завдання проектування.
Рішення цього завдання сполучено із труднощами, які обумовлені «скритністю» процесів у компонентах або відсутністю інформації про вплив параметрів компонентів на характеристики. Одержання необхідних даних пов'язане із проведенням експериментальних досліджень і відповідно з витратами часу й ресурсів. Тому для зменшення цих витрат необхідну інформацію прагнуть одержувати шляхом моделювання процесів у проектованому об'єкті.
Таким чином, проектування електронно-механічних модулів і систем містить у собі рішення ряду конкретних завдань. Як вирішуються ці завдання, у якій черговості, яким образом ці завдання об'єднані в процеси проектування, визначає підхід до проектування.
Підхід забезпечує координацію дій розроблювача в ході пошуку компромісу між вимогами до об'єкта й можливостями для його створення. З одного боку, проектування об'єкта виконується в деякому інформаційному просторі, що задає функції об'єкта, вимоги до нього, умови й режими в які об'єкт буде працювати, джерела енергії й т.д. З іншої сторони об'єкт створюється на основі конкретних компонентів які мають певне призначення й особливості роботи. При цьому варто враховувати, що в модулях і системах механотроники використовуються практично всі середовища, а в кожному середовищі діють свої закони. Робота систем забезпечується за рахунок погодженої взаємодії компонентів різної фізичної природи. Наприклад, у системах керування літаком, утримуються електронні процесори, електричні й гідравлічні підсилювачі, двигуни, насоси, механічні вузли, рідина, газ і ін.. Спільна робота перерахованих компонентів дозволяє літаку робити рух по землі, зліт, політ і посадку по команді пілота.
Завдання проектувальника полягає у виборі компонентів об'єкта, створенні умов для їхньої роботи, обліку вимог до об'єкта, і такої організації їхньої роботи, що приведе до виконання об'єктом планованих функцій.
Прийнятий підхід до проектування визначає дії проектувальника. Для мінімізації тимчасових витрат на створення нових об'єктів застосовують підхід, що опирається на відому інформацію, організовану й представлену в зручному для використання виді. Цю інформацію одержують у результаті рішення так званого завдання «аналізу». Завдання створення об'єктів називають завданням «синтезу», а процес одержання рішення - проектуванням.
Відомо кілька підходів до рішення завдань аналізу й синтезу [8,28,42,43]. У них є відповіді на багато питань. Деякі з них відшукуються не формальним способом, але є в походах також устояні алгоритми й операційні компоненти. Всі підходи мають відправну й кінцеву крапки, і процедуру переходу від першої до другого. Процедура включає конкретні дії, і регламентує черговість їхнього виконання. Відправна крапка - це з'ясування мети. Необхідно зрозуміти й сформулювати, що потрібно створити. Кінцева крапка - це бажаний результат. Якщо вирішується завдання аналізу, таким результатом можуть бути, наприклад, умови прояву ефекту, ступінь впливу факторів на хід процесу й т.д. Як ми вже відзначали, завдання аналізу передує завданню синтезу, або може виконуватися в ході її рішення для одержання відсутніх відомостей. У випадку рішення завдання синтезу, результатом може виступати об'єкт або технологічний процес.
Для переходу від мети до результату необхідно виконати певну процедуру. Звичайно такі процедури представляються у формі алгоритмів. Дії, виконувані в процедурі (мал.5.15) [8] наступні:
з'ясування мети;
вибір шляху рішення;
формування ідеї;
проведення аналізу;
оптимізація;
конкретизація рішення.
У загальному випадку процес проектування охоплює ще й інші етапи, наприклад, виробництво, пуско-налагоджувальні роботи, але в даному викладі ми їх розглядати не будемо.
Розглянемо більш детально дії, виконувані на окремих етапах. З'ясування мети складається в аналізі початкових даних і формулюванні мети.
Вибір шляху рішення припускає, що досягнення мети проектування зводиться до рішення декількох конкретних завдань. Якщо, приміром, метою є поліпшення температурних умов функціонування елементів комп'ютера за рахунок теплообміну із середовищем оточення, то можливим шляхом рішення є застосування рідини для передачі теплової енергії. Іншим варіантом шляху досягнення мети є створення охолоджувача, що використовує як середовище передачі теплової енергії повітря.
Формування ідеї припускає пошук нового способу, або застосування відомого способу для рішення завдання в новій постановці. Наприклад, якщо для охолодження деталей комп'ютера пропонується застосувати рідина, то переміщення нагрітої рідини до охолоджувача й охолодженої рідини до гарячих деталей, може виконуватися за рахунок зміни її щільності через різну температуру, а також розташування поглинача енергії й нагрівача на різних висотах. Іншим варіантом для транспортування рідини може бути застосування додаткового джерела енергії й використання насоса. Після вибору шляху рішення проводиться інженерний аналіз. Він необхідний для перевірки заможності прийнятої ідеї. Інженерний аналіз включає визначення завдання, розробку плану, побудова моделі, застосування фізичних принципів, обчислення, перевірки й оцінку. Модель будують у математичному виді, або у фізичній формі. Вона дозволяє провести необхідні перевірки й оцінити реальність рішення завдання. Створення охолоджувача для комп'ютера, приміром, зажадає побудову моделі, що дозволяє визначити розміри ємності, тип рідини, висоти розташування ємності й нагрівача й т. д, Якщо результат інженерного аналізу підтвердить заможність ідеї й дозволить підтвердити її працездатність, то переходять до визначення раціональних співвідношень параметрів (оптимізації) і до конкретизації рішення. На цьому етапі вирішується, як сконструювати об'єкт.
Реальний процес проектування є ітеративним. Розроблювач може вертатися на попередній або іншої більше ранній етап. Найчастіше завдання виявляється не такий простій, як представляється на перший погляд. І в міру її розуміння доводиться уточнювати ухвалені рішення для успішного просування до мети.
Інший алгоритм переходу від мети до результату враховує економічний аспект і випробування, але не має принципових відмінностей від алгоритму розглянутого вище (мал.5.16) [43]. У ньому також формується основа об'єкта - концепція, оцінюються можливості її реалізації. У випадку позитивної оцінки виконується попереднє проектування, а потім проводиться детальне проектування. У ході проектування виробляється також визначення вартості об'єкта, що зіставляється з наявними можливостями.
Істотним фактором проектування є час, затрачуване на виконання проекту. Для його зменшення прагнуть до вдосконалюванні підходів до проектування.
Спроби підвищити ефективність проектування привели дослідників до думки про необхідність більше глибокого розуміння створюваного об'єкта й уточнення процедури проектування.
У результаті переосмислювання з'являються нові подання про модель об'єкта проектування.
Объектно-ориентированный підхід до проектування використовує модель об'єкта проектування (мал.5.17) [6]. Модель відображає фундаментальні поняття, взаимодейстующие в процесі проектування об'єкта. Це структура об'єкта - логічного й фізична, стану об'єкта - статична й динамічні, ієрархія подання - класи, об'єкти, модулі й процеси.
Процедура проектування містить наступний алгоритм (мал. 5.18) [6].
На першому етапі визначаються функції проектованого об'єкта. Наприклад, для системи охолодження комп'ютера функцією є одержання необхідної температури. На другому етапі визначаються основні абстракції - класи. Класи - це деякі групи об'єктів, що мають загальні базові ознаки. Об'єкт при цьому виступає як конкретним представник свого класу. Як приклад класу можна привести поняття автомобільний транспортний засіб Воно охоплює велику кількість різноманітних транспортних засобів, що мають характерні загальні риси: можливість автономно пересуватися по поверхні, можливість завдання напрямку руху, можливість переміщення пасажирів і вантажів, і ін Представником цього класу буде конкретний об'єкт - тип автомобіля наприклад «Славута». Аналогічно для системи охолодження комп'ютера також можуть бути знайдені класи - охолоджувач, комп'ютер, середовище оточення. Ні третьому етапі визначається основний зміст кожного класу. Тут повинне бути визначене те, що забезпечить класу можливість реалізації у формі об'єкта. Визначаються елементи класу й механізми їхньої взаємодії. Для класу «охолоджувач» системи охолодження комп'ютера елементом є теплообмінник, а механізмами взаємодії є процес теплообміну й процес руху рідини й т.д. На четвертому етапі визначаються механізми взаємодії усередині системи - відносини між класами. На п'ятому етапі конструюють прототипи.
Розглянутий процес має твердий каркас, але при цьому не досить конкретизовані виконувані дії. І це природно, - конкретність з'являється при проектуванні конкретного об'єкта.
Объектно-ориентированный підхід добре себе зарекомендував при створенні комп'ютерних програм. Комп'ютерні програми можуть виступати самостійними об'єктами, або бути частиною систем, наприклад механотронных. У другому випадку вони забезпечують реалізацію частини функцій об'єкта на віртуальному рівні. Застосування объектно-ориентированного підходу для створення модулів і систем механотроники має гарні перспективи, але не поширено через відсутність процедур переходу від необхідних функцій до концептуальної основи об'єкта, його структурі й конкретним засобам їхнього виконання.
Одним з показників ефективності при виборі підходу проектування є час, необхідне на створення об'єкта. Загальний час, затрачуваний на виконання проекту, складываевся з тимчасових витрат на кожному етапі. Скорочення строків виконання етапів досягається різними шляхами, серед них - багаторазове застосування однотипних фрагментів - модулів [27, 28]. Такий підхід одержав назву модульного підходу. Однак не для всіх етапів проектування в мехатроніці застосування модулів одержало належний розвиток. Більшою мірою це стосується найменш формализуемых етапів - побудови принципових схем і математичних моделей. У теж час у проектуванні комп'ютерних програм, проблеми застосування модулів значною мірою вирішені. Модулі широко використовуються в структурному програмуванні, объектно-ориентированном підході, а також програмних інструментальних засобах [6,7].
Використовувати відомі підходи, застосовувані при створенні програм, для проектування об'єктів механотроники важко через розходження між алгоритмами й агрегатами. Однак ідеї, закладені в підходах, можуть бути з успіхом застосовані для підвищення ефективності проектування розглянутих об'єктів.
Особливостями циклично-модульного підходу до проектування є використання основних ідей объектно-ориентированного підходу, а також облік логіки формування властивостей електронно-механічних модулів і анотронных систем з окремих властивостей елементів [18, 40, 44].
Зупинимося більш детально на цьому підході, а також оцінимо ефективність його застосування. Як об'єкти проектування будемо заглядати модулі й системи механотроники. Складність завдання створення таких об'єктів обумовлена багатогранністю аспектів, що зачіпаються в ході процесу проектування. Це принципи й робочі процеси в об'єкті, що відрізняються розмаїтістю й складністю; технічні засоби, також різноманітні по своїй природі й можливому виконанні; способи об'єднання засобів - схеми з'єднань, що мають різні варіанти реалізації; конкретизація параметрів, що вимагає побудови моделі й моделювання для їхнього тонкого настроювання, і ін.
Для таких об'єктів типово наступне: властивості є результатом виконання функцій; виконання функцій - результат погодженої роботи елементів об'єкта й фізичних процесів; можливість виконання й характеристики функцій залежать від значень конструктивних параметрів, перехідних і стаціонарних процесів в елементах.