1. Изложите сущность мехатронного подхода при проектировании МС. Ма Ми

Мехатронный подход нацеливает разработчика на интеграцию элементов привода в единые блоки, минимизацию промежуточных преобразований и устранения интерфейсов как сепаратных блоков.

2. Приведите примеры использования систем управления с обратной связью в мехатронных объектах. Поясните понятие ошибки управления и понятие системы управления реального времени.

3. Поясните назначение математических моделей в системах управления.

Математи́ческая моде́ль — это математическое представление реальности^[1]. Является частным случаем понятия модели, как системы, исследование которой позволяет получать информацию о некоторой другой системе.

Процесс построения и изучения математических моделей называется математическим моделированием.

Математические модели САУ. Уравнение объекта.

u(t) y(t)

u(t)=(u₁(t)...u_k(t))^T ; входная величина, управление.

y(t)=(y₁(t)...y_p(t))^T ; выходная величина (выход), состояние.

Может показаться, что моделью такого объекта может быть сложная нелинейная функция (не оператор):

F(y,u)=0 (*)

На самом деле, такая функция часто не может описать объект, точнее, его динамику. В соответствии с теоремой Юнга о неявно заданной функции, можно выразить:

y_i = (y₁, ... кроме y_i, y_p, u)

Нетрудно видеть, что ступенчатое изменение входного сигнала u приводит к ступенчатому же изменению выходного сигнала, т.е. отсутствуют переходные процессы. Поэтому для рассмотрения объектов имеющих переходные процессы необходимо использовать более сложные модели.

F(y', y'', ... y⁽ⁿ⁾, u', u'', ... u^(m))=0 (**)

- это наиболее общий вид нелинейного дифференциального уравнения (д.у.), связывающего входной и выходной сигнал. Так как y и u, в свою очередь, являются векторами, то на самом деле (**) есть система нелинейных дифференциальных уравнений.

4. Приведите математические выражения для представления нечеткого множества.

5. Для модуля вращательного движения МС с параметрами: статический момент нагружения Мс=2500 Н·м, момент инерции нагрузки 2000 кГ·м2, требуемая скорость и ускорение нагрузки 0,16 с-1 и 0,34 рад/с2 соответственно, выберите исполнительный электродвигатель, рассчитайте оптимальное передаточное число редуктора, проверьте выбранный двигатель на соответствие требованиям по скорости и моменту.

6. Что такое интеллектуальные сенсоры и виртуальные датчики мехатронных модулей? Поясните принцип их работы и приведите конкретные примеры их использования.

7. Какие Вы знаете поколения МС? Какие классификационные признаки определяют поколения МС? Че Ми

8. Поясните методы и алгоритмы обучения нейросетей.

Как правило, алгоритм обучения – это набор формул, который позволяет вычислить требуемые поправки для весов сети. Для полной тренировки требуется хотя бы несколько примеров.

Используемые алгоритмы:

- локальной оптимизации с вычислением частных производных первого порядка;

- локальной оптимизации с вычислением частных производных первого и второго порядков;

-стохастические алгоритмы оптимизации;

-алгоритмы глобальной оптимизации и другие.

Существуют три парадигмы обучения: «с учителем», «без учителя» (самообучение) и смешанная. В первом случае нейронная сеть располагает правильными ответами (выходами сети) на каждый входной пример. Веса настраиваются так, чтобы сеть производила ответы как можно более близкие к известным правильным ответам. Усиленный вариант обучения с учителем предполагает, что известна только критическая оценка правильности выхода нейронной сети, но не сами правильные значения выхода. Обучение без учителя не требует знания правильных ответов на каждый пример обучающей выборки. В этом случае раскрывается внутренняя структура данных или корреляции между образцами в системе данных, что позволяет распределить образцы по категориям. При смешанном обучении часть весов определяется посредством обучения с учителем, в то время как остальная получается с помощью самообучения.

Рис. 39. Алгоритм обучения ИНС.

Нейронные сети хороши для задач распознавания образов, но неудобны для выяснения вопроса, как они такое распознавание осуществляют. При этом знания эксперта для ускорения процесса ее обучения в нейронную сеть ввести невозможно.

Системы с нечеткой логикой, напротив, хороши для объяснения получаемых с их помощью выводов, но они не могут автоматически приобретать знания для их использования в механизмах вывода.

В гибридных сетях выводы делаются на основе аппарата нечеткой логики, но соответствующие функции принадлежности подстраиваются с использованием алгоритмов обучения нейронных сетей.

9. Перечислите основные контролируемые параметры мс и наиболее часто используемые виды датчиков. С помощью каких датчиков можно получать информацию о скорости движения электромобиля?.

Наиболее часто подлежат измерению усилие, момент на валу, линейная и угловая скорости (скорость вращения вала, количество оборотов в минуту), линейное и угловое перемещения, расстояние, линейное и угловое ускорения, давление, температура.

В генераторных (активных) датчиках преобразование измеряемой величины осуществляется непосредственно в электрический сигнал (т.е. такие датчики генерируют электрическую энергию). К ним, например, относятся:

пьезоэлектрические, использующие пьезоэлектрический эффект, заключающийся в появлении электрических зарядов в некоторых материалах при механических упругих деформациях в них;

индукционные, использующие явление электромагнитной индукции – наведение ЭДС в электрическом контуре при изменении магнитного потока;

фотоэлектрические, использующие появление ЭДС в полупроводниковом pn-переходе при его освещении;

В параметрических (пассивных) датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи – сопротивление, индуктивность, емкость и т.п., причем для питания датчика необходим источник электрической энергии. К таким датчикам, например, относятся:

емкостные, использующие зависимость емкости конденсатора от изменения его параметров под действием измеряемой величины;

индуктивные, в которых индуктивность электрической цепи изменяется под действием измеряемой величины;

электроконтактные, коммутирующие электрические цепи под воздействием измеряемой величины;

потенциометрические (реостатные) датчики, использующие зависимость сопротивления реостата от положения его движка, который может перемещаться под воздействием измеряемой величины;

тензорезисторные, использующие свойство тензопреобразователя изменять свое омическое сопротивление при упругих деформациях.

10. Определите параметры и передаточную функцию исполнительного двигателя постоянного тока МИ-42 для случая, когда выходной величиной является угол поворота вала двигателя, мощность которого 3,2 кВт. Параметрами нагрузки пренебречь.

11. Что представляют собой мехатронные модули движения «мотор-редуктор»? Перечислите их достоинства, недостатки, основные параметры, области применения? Ма Ми

Рисунок 2 – Общая схема эволюции ММД

Общая схема, поясняющая эволюцию развития мехатронных модулей движения от моторов-редукторов до перспективных интеллектуальных модулей, приведена на рис.2

Мехатронные модули первого уровня представляют собой объединение только двух исходных элементов. Типичным примером модуля первого поколения может служить «мотор-редуктор». Мехатронные системы на основе этих модулей нашли широкое применение при создании различных средств комплексной автоматизации производства (конвейеров, транспортеров, поворотных столов, вспомогательных манипуляторов).

Моторы-редукторы являются первыми по принципу своего построения мехатронными модулями, которые стали серийно выпускаться. Мотор-редуктор представляет собой компактный конструктивный модуль, объединяющий электродвигатель и редуктор. По сравнению с традиционным соединением двигателя и редуктора через муфту моторы-редукторы обладают целым рядом существенных преимуществ:

-сокращение габаритных размеров,

-снижение стоимости за счет сокращения количества присоединительных деталей, уменьшения затрат на установку, наладку и запуск изделия,

-улучшенные эксплуатационные свойства (пыле- и влагозащищённость, минимальный уровень вибраций, безопасность и надежность работы в неблагоприятных производственных условиях).

Конструктивное исполнение модуля определяется типами используемых редуктора и электродвигателя. В зависимости от технических требований задачи применяются цилиндрические, насадные, конические, червячные и другие виды редукторов. В качестве электродвигателей наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и регулируемыми преобразователями частоты вращения, однофазные двигатели и двигатели постоянного тока.

Общий вид одноступенчатого червячного мотора-редуктора (изготовитель АО “Завод Редуктор”, С-Петербург) показан на рис 3,а. Редуктор выпускается для общемашиностроительного применения. Особенность конструкции состоит в том, что в ступице червячного колеса встроена    предохранительная    муфта,    позволяющая ограничивать развиваемый крутящий момент.

Основные технические характеристики данного мотора-редуктора (типоразмер МРЧс-82):

• мощность электродвигателя – 0,27 кВт,

• номинальная скорость вращения выходного вала – 0,28 с-1,

• максимальный момент на выходном валу – 50 Нм,

• передаточное число редуктора – 86,

• габаритные размеры модуля – 500 х 255 х 245 мм,

• масса модуля – 35 кг.

На рис 3,б показан насадной мотор-редуктор фирмы “Бауэр”, который насаживается непосредственно на вал ведомого механического устройства и полому является быстросъемным модулем. Блочно-модульный принцип конструирования позволяет комбинировать в модуле двигатели и редукторы различных типов и мощностей, обеспечивая таким образом широкий спектр механических характеристик модуля по частоте вращения от 0.2 до 160 об/мин, по мощности от 0.015 до 75 кВт.

Рисунок 3,а,б – Примеры моторов-редукторов

Стоимостной анализ, проведенный фирмой “Бауэр”, показал, что применение моторов-редукторов рентабельно в машинах с низкой скоростью перемещения рабочею органа (особенно при частотах вращения ниже 500 1/мин).