РОЗДІЛ 5. МОДЕЛЮВАННЯ Й ПРОЕКТУВАННЯ ЕЛЕКТРОННО-МЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ
Починаючи будь-яку справу, корисно довідатися, що вже зроблено в цій області. Надійдемо також, і визначимо, на що можна обпертися в питаннях проектування. Розвитку теоретичних положень і узагальненню досвіду моделювання й проектування елементів і систем різного призначення присвячене значне число робіт. У пропонованому матеріалі не ставилася мета простежити й відзначити внесок авторів у розробку питань проектування, це завдання занадто складне й вимагає спеціальних досліджень. Ми обмежимося лише тим, що приведемо короткий перелік авторів, по роботах яких простежуються основні віхи в розвитку питань проектування.
Джон Р. Діксон - узагальнений і представлений у системному виді досвід виконання проектної роботи, викладені методологічні основи створення технічних об'єктів (1969р.) [8].
Дав У., Дейкстра 3., Хоор К. - розглянуті питання підвищення ефективності проектування програм на структурному рівні. Ефективність досягається шляхом наближення структури програми до особливостей розв'язуваних завдань, а також поділу процесу проектування на етапи по рівнях деталізації (1975) [7].
Бусленко В.Н., Бусленко Н.П. - розглянуті питання моделювання складних систем, автоматизації моделювання, підходи до побудови моделей на основі їхнього блокового подання (1977) [4,5].
Брайер М. - представлені в узагальненому виді питання теорії й методів проектування обчислювальних систем (1977) [34].
Роберт Ю. Шеннон - представлені й описані на системному рівні етапи імітаційного моделювання: від задуму до готової моделі і її жсплуатации (1978) [38].
Дитрихю Я. - на системному рівні розглянуті питання проектування й конструювання (1981) [9].
Е.А.Арайс, В.М. Дмитрієв - розглянуті методи автоматизації побудови моделей для многосвязных механічних систем (1987р.) [2].
А.И.Петренко, У.У Ладогубец, У.У Чкалов - розглянуті питання автоматизації побудови моделей і моделювання для електричних, механічних, гідравлічних і пневматичних систем на основі теорії ланцюгів (1988) [1].
Страуструп Б.- розроблена мова програмування, заснований на объектно-ориентированном поході (1991) [31].
Дин С. Кернопп, Дональд Л.Мерголис, Рональд С. Розенберг - представлена методологія побудови моделей і моделювання процесів у таємні (механічних, електричних, гідравлічних) об'єктах на іові застосування спрямованих графів (1990) [42].
Гради Буч - узагальнений і представлений досвід застосування объектно-ориентированного підходу в проектуванні програмних продуктів (1992) [6].
Atila Ertas, Jesse С. Jones, John Wiley - процес проектування представлений з обліком економічних, виробничих, а також людських факторів (1993) [43].
Кирилов В.П. - представлена методика визначення вимог до автоматизованої системи, що дозволяє звузити область пошуку структури й компонентів системи (1994) [13].
Дж. Клір - представлена ієрархічна класифікація систем і системних завдань, а також методи рішення деякого класу завдань (1990р.) [14].
В.И. Скурихин, В.Г.Ковальов і ін. - представлений системний підхід до постановки й рішення завдань дослідження складних систем на основі інформаційних технологій (1990) [10].
Льоховий В.К. - представлені питання технології моделювання й автоматизованого проектування (1988) [24].
Струтинский В.Б. - представлені питання моделювання динамічних процесів в елементах і системах гідроприводу з обліком стохастических факторів (2001) [32].
Пинчук В.В. - розглянуті питання застосування модульного підходу для проектування агрегатів гідравлічних систем (2001) [20].
Роботи названих авторів дозволять більш детально познайомитися з конкретними аспектами моделювання й проектування, і звичайно, довідатися про інших авторів, роботи яких спонукали їх до досліджень.
5.1.Моделювання об'єктів механотроники
5.1.1. Моделі: застосування, поняття й типи
Пристроям і системам механотроники характерна розмаїтість компонентного состава, складність процесів взаємодії елементів і середовищ, розмаїтість режимів використання, безліч принципів і ефектів, що лежать в основі їхньої роботи, широкий спектр конструкцій пристроїв і систем, розмаїтість виконуваних функцій. Всі ці фактори впливають на вибір методів і підходів для їхнього дослідження й створення.
Дослідження й створення об'єктів звичайно зв'язують із завданнями аналізу й синтезу. Для їхнього рішення використовують підходи моделювання й проектування. Загальним для цих підходів є застосування моделей. І якщо в першому випадку модель є основним об'єктом розгляду, то в другому одним із засобів рішення завдань певного етапу. Однак у кожному випадку досягнення цілей без використання моделей проблематично.
Модель (modulus) у перекладі з латинської мови означає міру, зразок. Модель є відтворенням предмета в зменшеному або збільшеному виді, схемою, зображенням або описом якого-небудь процесу в природі й суспільстві [3, 38]. Із цього треба, що модель це не об'єкт, а його «замінник». Якщо бути більше точними, то замінник деяких сторін (властивостей) об'єкта. Слово, написане на папері, є моделлю об'єкта. Наприклад, слово автомобіль позначає транспортний засіб на чотирьох колесах. Напевно, самою головною властивістю моделі є здатність працювати замість об'єкта, заміщати його. Слово автомобіль як модель викликає у свідомості людини образ автомобіля.
Властивість моделі працювати замість об'єкта покладена в основу застосування моделей. Воно ж використовується в моделюванні й проектуванні. Але перш ніж перейти до цих питань розглянемо моделі, застосовувані в мехатроніці.
Широко застосовуваною й зручною моделлю подання елементів і систем механотроники є схема. Як ми вже відзначали, модель відбиває деякі властивості об'єкта. Які властивості відображає схема? У схемах використовують графічні зображення елементів об'єкта й з'єднання між ними. Графічні символи елементів передають фахівцеві інформацію про принцип їхньої роботи й основних параметрів. Схема, представлена групою зв'язаних елементів, передає інформацію про принцип роботи об'єкта. Таку модель називають принциповою схемою. Наприклад, принципова схема пневматичного перетворювача містить пропорційний регулятор 1, пневматичний підсилювач 2, накопичувач повітря 3 і пневматичний опір 4 (мал. 5.1а). Принцип роботи пропорційного регулятора 1 складається в порівнянні сил від тиску на вході р1, пружини регулятора, тиску в ємності 3, і пропущенні витрати повітря пропорційно різниці сил через дросельний отвір.
У пневматичному підсилювачі 2 вхідний тиск перетвориться в переміщення заслінки, що управляє витратами повітря через сопла. Збільшення тиску на виході забезпечується за рахунок підведення повітря від додаткового джерела. Робота накопичувача 3 складається в збільшенні обсягу повітря в резервуарі за рахунок його стиску зовнішнім тиском. Принцип роботи пневматичного опору 4 складається в створенні перешкоди руху повітря за рахунок зменшення площі перетину каналу. Робота пневматичного перетворювача в цілому складається в перетворенні вхідного тиску р1 у вихідний тиск р3. При цьому вхідний тиск р1 послідовно перетвориться в тиск, достатнє для керування заслінкою, а потім у вихідний тиск р3. Перший рівень посилення забезпечує робота пропорційного регулятора 1. Другий рівень посилення забезпечує робота пневматичного підсилювача 2. Підведення тиску р3 через опір 4 до накопичувача 3 і від накопичувача 3 до пропорційного регулятора 1 забезпечує пропорційність величини вихідного тиску р3 вхідному р1.
Для рішення широкого кола завдань, пов'язаних з роботою об'єкта, моделі повинні заміщати реальні об'єкти в аспектах, що стосуються, їхнього функціонування. Для цього застосовують моделі даних або системні моделі [36, 38].
Модель даних відображає кількісні відносини між вхідним впливом, вихідним сигналом і параметрами. При цьому принцип дії, елементний состав і внутрішня організація об'єкта не мають значення. Модель представляють у табличному або функціональному виді. У моделі табличного виду кожному значенню вхідної змінної ставиться у відповідність значення вихідної змінної. Якщо в моделі врахований вплив параметрів, то кожному значенню вхідної змінної ставляться у відповідність кілька значень вихідний змінної для кожного значення параметра. Іноді зручним є подання моделі даних у вигляді функції або функцій, які апроксимують табличні значення. Моделі даних, використовують, наприклад, для опису роботи сенсорів або елементів керування (датчиків тиску, керованих дроселів і ін.).
Системні моделі, на відміну від моделей даних, припускають облік состава, організації об'єкта й процесів, що відбуваються в ньому. Існують різні варіанти подання системних моделей. Розглянемо ті з них, які широко застосовуються для рішення завдань моделювання й проектування. Це подання моделей у вигляді структурних схем, передатних функцій, систем алгебро-диференціальних рівнянь, а також систем імітаційних рівнянь [1, 11, 25, 26, 32, 33, 35, 37].
Модель, представлена структурною схемою, відбиває структурну організацію, функції об'єкта й порядок їхнього виконання (мал. 5.16). Особливістю такої моделі є форма подання компонентів. Форма зветься передатної функції. Такі функції описують відношення змінних (вихідний до вхідного) у перетвореннях по Лапласові за певних умов. Для одержання передатної функції використовують пряме перетворення Лапласа. Воно дозволяє одержати деякі зручності в роботі з моделями. Наприклад, операції диференціювання й інтегрування, після застосування перетворення, заміняються операціями множення й розподілу. Однак після одержання результатів моделювання виникає необхідність виконання зворотного перетворення Лапласа. Для побудови моделей на основі застосування передатних функцій використовують розроблений елементний базис типових передатних функцій - динамічних ланок. Використання динамічних чвеньев дозволяє вирішувати завдання аналізу й синтезу для різноманітних об'єктів механотроники.
Крім подання моделі у формі структурної схеми, передатні функції, використовують також для подання моделі в аналітичному виді (5.1). Таке подання дозволяє вирішувати спеціальні завдання, наприклад, оцінювати точність роботи об'єкта в сталому режимі.
Моделі на основі передатні функцій застосовуються для одержання аналітичних рішень, що дозволяють досліджувати поводження об'єктів, наприклад, стійкість їхньої роботи. У теж час є й деякі незручності. Вони обумовлені втратою наочного зв'язку з параметрами об'єкта після виконання прямого перетворення Лапласа й необхідності виконання зворотного перетворення.
Системну модель об'єкта представляють також у формі опису, складеного з алгебраїчних і диференціальних рівнянь. Його достоїнством є явне відображення процесів в об'єкті, недолік - схована структура об'єкта. Зручним також є пряме представництво параметрів. Для одержання узагальнених результатів використовують математичні рівняння в безрозмірному виді.
Останнім часом популярність придбали системні імітаційні моделі. Їх представляють у формі систем рівнянь, що імітують прості дії в об'єкті. Особливістю таких моделей є копіювання процесу функціонування об'єкта [37, 38]. Це дозволяє досягти більшої відповідності роботи моделі й процесів у реальному об'єкті в порівнянні з моделями інших форм подання.
Використовувані типи й форми подання моделі визначають можливості подальшого використання. Робота моделей припускає створення зовнішніх умов, які ініціюють її запуск і сприймають результат заміщення властивостей реальних об'єктів. Процес одержання знань про об'єкт за допомогою моделі називають моделюванням.