5.2.2. Модульний підхід для побудови об'єктів механотроники
Якщо розглядати модулі й системи механотроники як клас об'єктів, то об'єктам класу властив наявність трьох частин: - компонентна, організуюча й виробляюча.
Компонентна частина визначає состав об'єкта. Організуюча частина визначає зв'язки між компонентами в об'єкті. Виробляюча частина визначає роботу об'єкта.
Відомо, що об'єкт має деякий набір властивостей. Загалом, під властивістю розуміється особливість об'єкта, що відрізняє його від інших об'єктів. Це, наприклад, колір, маса, розміри й т.д. Властивості об'єкта розділяють на типи - основні й додаткові. Основною властивістю об'єкта є здатність виконувати функції, тоді як властивості мати певні колір, масу й розміри є що доповнюють. Оцінити якісно й кількісно роботу об'єкта по виконанню функцій дозволяють показники й характеристики.
Якщо співвіднести частини об'єкта з його властивостями й характеристиками, то організуюча частина разом з компонентною частиною забезпечують потенційну можливість виконання функцій, тобто одержання властивостей, а виробляюча частина забезпечує одержання необхідних характеристик. Звідси треба черговість формування частин у процесі проектування об'єкта: - першої формується організуюча частина, потім формується компонентна, а потім виробляюча.
У проектуванні об'єкта розкривають «Що й у якій черговості виконується» (організуюча частина), вибирають «Засобу виконання» (компонентна частина), роблять об'єднання засобів відповідно до черговості виконання, набудовують «Характер виконання» (виробляюча частина) для його приведення у відповідність із вимогами (мал. 5.19). Якщо завдання проектування об'єкта визначена, то для її рішення вона розбивається на три складові частини: 1 - організуючу, 2 - компонентну, 3 -виробляючу. Потім будується організуюча частина (1') шляхом формування структури об'єкта й готується компонентна частина (2') шляхом вибору засобів виконання дій. Далі утворять властивості об'єкта шляхом об'єднання засобів виконання дій у відповідності зі структурою (1'+2'). Після цього активізують виробляючу частину об'єкта шляхом завдання параметрів і імітують функціонування процесу одержання властивостей у ході моделювання. Результатом виконання цього кроку є одержання набору параметрів, що дозволяють одержати плановані характеристики об'єкта (3'). Об'єднанням властивостей і параметрів (1'+2'+3') - настроюванням властивостей на плановані характеристики, одержують об'єкт.
Завдання конкретних етапів проектування диктують різні форми подання об'єкта. Завдання етапу вказує сторони об'єкта, задіяні в одержанні рішення, а форма їх відображає. Наприклад, для імітації роботи об'єкта необхідно відображати принцип роботи елементів і абстрагуватися від конструктивних рішень. Навпроти, конструктивні рішення елементів повинні бути представлені на етапі визначення конструкції об'єкта й т.д. Використовувані форми подання об'єкта забезпечують наступність, що дозволяє гарантувати схоронність інформації при переходах від етапу до етапу.
Для реалізації підходу до проектування, що забезпечує формування властивостей об'єкта з окремих властивостей елементів, необхідно знати, на чому засновані і як будуються його організуюча, компонентна й виробляюча частини.
Розкриття основ і будови перших двох частин базується на можливості розпізнання: структури об'єкта; засобів формування властивостей; відносин між засобами й структурою. Розкриття змісту виробляючої частини засновано на визначенні засобів формування характеристик об'єкта. Розглянемо більш детально поняття: структура об'єкта, засобу формування властивостей, відносини між засобами й структурою, засобу формування характеристик. У системі охолодження процесора, наприклад, структура, відображає порядок і зміст дій. Це включення обертання, обертання, подача повітря, перенос тепла, теплообмін і. т.буд. Засобами формування властивостей є: електронний блок керування, електродвигун, пропелер, повітря, радіатор. Відносини між засобами й структурою відображаються, наприклад, такими аспектами: а -дотримується необхідна черговість виконання дій (запуск електродвигуна приводить до обертання пропелера, а обертання пропелера приводить до руху повітря); б - забезпечується необхідний зміст дій (запуск електродвигуна, обертання пропелера, подача повітря й т.д.). Засобами формування характеристик є, наприклад, діаметр і крок гвинтової лінії пропелера, площа поверхні радіатора й т.д.
Структура об'єкта. Необхідні функції об'єкта одержують як результат його функціонування. Кожна функція є наслідком виконання циклічного процесу. Виконання декількох функцій в одному об'єкті спричиняється наявність у ньому декількох циклічних процесів. Нематеріальною основою функціонування модулів і систем механотроники є поліциклічний процес, що визначає зміст дій в об'єкті, їхню орієнтацію, і логікові взаємодії [37, 41]. Цей процес представляється у формі структури, що фіксує його організацію.
Засоби формування властивості. Як ми вже відзначали, процес функціонування несе інформацію про дії. Змістом дій є окремі перетворення, наприклад, перетворення витрати рідини в тиск, перетворення механічного руху у витрату рідини, перевірка умов, і ін. Виконання перетворень, перевірок і інших дій виробляється відповідними засобами. В основі засобів лежать принципи, що визначають способи їхнього виконання. Як принципи використовують фізичні закони. Наприклад, для виконання перетворення витрати рідини в тиск використовується принцип: - стиск рідини в обмеженому обсязі, за рахунок зміни межмолекулярного відстані. Або, наприклад, перетворення механічного руху у витрату рідини виконується на основі використання принципів про взаємодію середовищ, з урахуванням закону збереження. Для позначення засобів з відображенням обраних принципів використовують подання об'єкта у вигляді схем. Такі позначення не мають конструктивних ознак, є формальними, але задають певні функціональні параметри.
Якщо для подання структури є достатнім використання одного базового графічного позначення - позначення дії з усіма його атрибутами, то для подання різноманіття засобів виконання дій необхідний цілий набір таких позначень. Цей набір становить базові принципи розглянутої предметної області, з якого можуть формуватися властивості об'єктів [12].
У свою чергу, формальні засоби мають фактичне наповнення, що враховує конструктивне рішення. Це рішення визначає перепар, конструктивних параметрів. Набір засобів, достатній для формування властивостей пристроїв розглянутої предметної області, становимо цементний базис синтезу.
Зв'язок між структурою й засобам. Між структурою об'єкта й засобами існують відносини. Ці відносини визначає змістовний зв'язок між діями й засобами їхнього виконання. Структура об'єкта визначає «Що робиться», а засобу визначають «Чим робиться». Циклічність структури спричиняється парність представлених у ній дій. Пряма дія виконує передбачене перетворення, а зворотне -підготовляє перетворення до повторення процесу.
Виконання пари дій в об'єкті забезпечується одним засобом (мал. 5.20). Наприклад, пружина в клапані тиску виконує дві взаємно зворотних дії: перетворення деформації в силу стиску й перетворення сили стиску у вихідний стан.
Деталізація структури в ході проектування дозволяє конкретизувати вимоги до засобів виконання дій. Укрупнення структури дає можливість об'єднати окремі засоби у функціональні модулі.
Характеристики об'єкта. Засобами формування характеристик у рамках обраної структури об'єкта є параметри засобів виконання дій.
Це обумовлено існуванням зв'язків між значеннями параметрів і характеристиками об'єкта. Приміром, для перетворювача витрати рідини в тиск, виконаного у вигляді ємності, зменшення обсягу (параметр) приводить до зменшення часу досягнення кінцевого рівня тиску (характеристика) (мал.5.21.). Зв'язки проявляються за допомогою робочих процесів в об'єкті. Робочі процеси можуть бути як стаціонарними, так і перехідними. Умови проходження процесів залежать від значень параметрів.
Кількість параметрів, що впливають на процеси й відповідно на характеристики об'єкта велико. Воно залежить від кількості: засобів виконання дій; параметрів, що визначають кожний засіб; параметрів, що визначають середовище експлуатації об'єкта.
Характеристики об'єкта залежать не тільки від значень параметрів, але й від співвідношень цих значень. Велика кількість параметрів, складність і розмаїтість їхнього впливу створюють певні труднощі при формуванні характеристик. Це є однією із причин використання в ході проектування математичних моделей і моделювання.
Поняття структури об'єкта, засобів формування властивостей, відношенні між засобами й структурою, а також поняття засобів формування характеристик покладені в основу алгоритму проектування об'єкта (рис 5.22). Алгоритм циклично-модульного підходу до проектування містить конкретні етапи й приводить до побудови об'єкта із заданими властивостями (табл. 5.1).
Циклично-Модульний підхід розширює застосування модулів завдяки ряду особливостей [40].
Перша особливість складається у формуванні модулів починаючи з етапу побудови структури процесу роботи об'єкта, т.до саме на цьому етапі модулі стають помітні. Процес роботи об'єкта представляють у вигляді структури, складеної з окремих дій. Для її зображення застосовують орієнтовані графи [37]. У них у якості базових інформаційних засобів використовується графічний елемент у формі стрілки до міткою змісту. Цей елемент відображає початок дії, його довжина, завершення, спрямованість і зміст (мал. 5.23а).
Навіть двухкратное використання структурних частин об'єкта в ході двох етапів проектування дає ефект скорочення часу на його створення. Ще більший ефект досяжний у випадку застосування модульної організації структури об'єкта.
Друга особливість підходу складається в критеріях об'єднання окремих дій у модулі. При цьому об'єкт розглядається під певним кутом зору: корисні властивості об'єкта є результатом виконання робочого процесу. Ці властивості проявляються в одержанні деяких функцій.
Одним з ознак модуля є функціональність. Формування функції в об'єкті є результатом виконання дій у відповідності i зданим алгоритмом. Для відображення такого алгоритму в структурі процесу використовується ланцюжок, складена з окремих дій (мал. 5.236).
Іншою ознакою модуля є можливість його повторного використання. У структурі процесу ця ознака відображається шляхом замикання початку першої дії ланцюжка з кінцем останнього, що привносить ефект циклічності. Крім цього в замкнутий ланцюжок включають пари взаємно зворотних дій, що забезпечує можливість повторення процесу й, відповідно, можливість багаторазового одержання результату (мал.5.23в).
Таким чином, у структурі процесу роботи об'єкта формують фрагменти по двох ознаках: а) виконання деякої функції; б) замкнутості (можливості повторення). Ці фрагменти використовують як модулі.
Третя особливість підходу складається в способі об'єднання в об'єкті окремих модулів. Одержання функції досягається в ході виконання циклічного процесу, що визначає модуль. Для одержання набору функцій в об'єкті виконуються кілька процесів, відповідно визначальні інші модулі. Координація декількох процесів забезпечується процесом, що охоплює. Структура такого процесу поєднує в собі модулі й сама визначає модуль більше високого рівня (мал. 5.23г). Перший рівень відповідає появі модуля, а більше високі рівні - більшої кратності його використання. Якщо в такій структурі багаторазово використовуються однотипні модулі, то це дозволяє скоротити строки створення об'єкта.
Наступними етапами, після формування структури, є одержання принципової схеми й математичного опису процесу функціонування. По своїй природі принципова схема й математичний опис є поданнями того самого об'єкта, що відрізняються ступенем деталізації. Це означає, що вони єдині з позицій об'єкта й, отже, мають інваріантну частину, що є присутнім у цих поданнях. Таким інваріантом є структура процесу роботи об'єкта. Причому якщо структура побудована на основі модулів, те ці модулі можуть збережуться й в інших формах подань.
Четверта особливість підходу складається в способі одержання принципової схеми. Принципова схема може бути отримана зі структури процесу роботи. Для цього кожної парі дій ставляться в сответствие формальні засоби, що конкретизують принцип виконання дій. Входи й виходи цих засобів з'єднують відповідно до порядку активізації виконуваних ними дій, що визначає структура процесу. При цьому умови активізації, порядок проходження, спрямованість і змісти дій структури переходять у порядок з'єднань, орієнтацію й принцип виконання кожної дії відповідних формальних засобів схеми (мал.5.24). Об'єднання формальних засобів, що належать одному циклічному фрагменту структури, відображає відповідний модуль.
П'ята особливість підходу складається в способі одержання математичної моделі об'єкта із принципової схеми. Математичний опис одержують шляхом деталізації формальних засобів схеми математичними залежностями. Кожний формальний засіб заміняється парою залежностей, змісту яких відповідають прямій і зворотній діям. Математичні залежності задають відносини між параметрами формальних засобів і змінними, що характеризують інформацію й енергію. Орієнтують залежності в напрямку дій, а думають у порядку проходження дій у структурі процесу. Отримане таким способом математичний опис успадковує як структуру процесу роботи об'єкта, так і властивості, що привносяться принциповою схемою. Структура процесу переходить в умови активізації, порядок проходження, спрямованість і зміст узагальнених математичних залежностей опису. Принципи виконання дій переходять у конкретизацію формальних параметрів і їхніх відносин до змінних процесу функціонування математичних залежностей.
Математичний опис, сполучений з алгоритмом обчислень, являє собою модель, що має структурну адекватність стосовно процесів в об'єкті - прототипі.
Перераховані особливості модульного підходу забезпечують наступність між етапами, розширюють застосування модулів і деталізують структуру процесу роботи об'єкта при одержанні принципової схеми, математичній моделі й конструкції об'єкта (мал.5.25).