5.2.4. Зміст етапів проектування об'єкта.
Вибір принципу роботи об'єкта. Підставою для вибору принципу є початкові дані, представлені в структурованому виді:
умови роботи об'єкта;
функціональне призначення;
режими роботи.
Спробуємо розібратися, що ці дані позначають і як вони співвідносяться між собою. Об'єкт функціонує в деякому відомому середовищі (мал.5.27). Це середовище є середовищем експлуатації об'єкта. Вона задає умови функціонування. Умови впливають на об'єкт за допомогою фізичних факторів, які позначають параметрами й змінними. Це, наприклад, тиск, температура, положення, швидкість і ін.
Фізичні фактори, сприймані об'єктом, утворять канали обміну інформації й енергії між середовищем і об'єктом. По цих каналах від середовища до об'єкта можуть передаватися: тиск і витрата, електрична напруга й струм, температура, навантаження, переміщення, швидкість, прискорення й ін. Передача інформації й енергії відбувається в обох напрямках як від середовища до об'єкта, так і від об'єкта до середовища. Набір факторів і їхній стан становлять умови роботи. Робота об'єкта складається в одержанні інформації й енергії від середовища, її перетворенні й передачі середовищу. Інформація й енергія, передані від об'єкта до середовища, є результатом його функціонування. Одержання такого результату є реалізацією призначення об'єкта, тобто виконанням об'єктом, покладеної на нього функції. Іноді зміна умов роботи об'єкта (і/або внутрішнього стану об'єкта) змінює його функціонування при збереженні вихідного призначення. У такому випадку говорять, що об'єкт працює в іншому режимі. Той самий об'єкт може працювати в декількох режимах. Наприклад, такий об'єкт, як система повітряного охолодження процесора, може бути створений для роботи у двох режимах: 1 - прохолоджувати процесор з низькою інтенсивністю у випадку часткового завантаження процесора; 2 - прохолоджувати процесор з високою інтенсивністю, у випадку його повного завантаження.
Якщо вихідні дані: умови, режими й призначення об'єкта відомі, то середовище експлуатації об'єкта й умови завдання проектування визначені. Для відомих умов завдання невизначеним є принцип роботи, будова й состав об'єкта.
Першим кроком у проектуванні об'єкта є вибір принципу. Принцип є основою роботи об'єкта тому що створює передумови й потенційну досяжність необхідного результату.
Розглянемо приклад. У середовищі експлуатації об'єкта є джерело енергії (джерело витрати рідини). У цьому ж середовищі є тверде тіло, яких необхідно рухати із заданою швидкістю. Для виконання завдання створюється об'єкт. Який принцип необхідно використовувати для виконання функції перетворення руху рідини в рух твердого тіла?
Рішення 1. Завдання швидкості руху твердого тіла забезпечують шляхом використання як принцип такого явища, як виникнення сил грузлого тертя при взаємодії рідини й твердого тіла, або явища виникнення гідродинамічних сил, при взаємодії потоку рідини й перешкоди (мал. 5.28.а).
Рішення 2. Завдання швидкості твердому тілу забезпечують шляхом використання явища виникнення тиску при стиску рідини в обмеженому обсязі. Послідовні перетворення: - витрати рідини в тиск, тиски в силу, сили у швидкість (мал. 5.286) приведуть до бажаного результату.
Розглянемо ще один приклад. У середовищі експлуатації є джерело електрической енергії. Енергія проходить через об'єкт. Функцією об'єкта є включення або відключення потоку енергії. Як рішення може бути запропоновано, наприклад, використання явища провідності електричного струму в матеріалах. При цьому відключення потоку енергії виконують шляхом розриву електричного провідника. У випадку якщо в середовищі експлуатации об'єкта енергія перебуває в гідравлічному виді, то як принцип роботи об'єкта з тією же функцією може використовуватися явище провідності гідравлічної енергії трубопроводами й керування провідністю шляхом перекриття перетину трубопроводу. Якщо ж рідину, що поводить енергію, має спеціальні властивості, наприклад, її в'язкість змінюється під дією електричного поля, то керування подачею енергії здійснюють шляхом додатка електричного поля.
Вибір того або іншого принципу залежить від умов завдання й переваг розроблювача.
Обраний принцип повинен відповідати умовам роботи об'єкта, створювати передумови для виконання об'єктом заданих функцій у передбачених режимах роботи. Залежно від призначення й виконуваних функцій об'єкт може будуватися на використанні декількох принципів. У цьому випадку одержання окремих функцій в об'єкті координують у процесі функціонування.
Наступним етапом проектування об'єкта є побудова-структури процесу функціонування.
Побудова структури процесу функціонування об'єкта. Будова об'єкта розкриває його структура. Початковими даними для побудови структури є: опис функцій об'єкта, принцип або принципи функціонування, умови експлуатації, режими роботи. Вимогами до структури є: спрямованість процесу на одержання функції, можливість повторного одержання функції. Результатом виконання етапу є структура процесу функціонування.
Побудова структури досягається виконанням двох кроків: побудовою структур процесів одержання окремих функцій (функціональних модулів), об'єднанням структур функціональних модулів у загальну структуру процесу.
Крок 1. Побудова структур функціональних модулів. Для кожної функції об'єкта визначають перелік дій, достатній для її виконання в рамках обраного принципу, заданих режиму й умов. Мінімально такий перелік містить чотири дії. Перше з дій це основне (функціональне). Друга дія переліку - дія зворотне до основного (восстанавливающее). Треті й четверте - координуючі дії. Для координації виконання основної й зворотної дій у процесі функціонування модуля використовують дії: ініціалізація роботи модуля, ініціалізація відновлення вихідного стану. Одне з них ініціює виконання основної дії, а інше - ініціює виконання зворотної дії. При цьому ці дві дії також є дополняющими друг до друга. Одне з них є прямим, а інше - інверсним.
Розглянемо приклад. Функцією модуля є перетворення швидкості руху потоку рідини у швидкість руху твердого тіла. Для її виконання в модулі повинне виконуватися основна дія - приміщення твердого тіла в потік рідини. Зворотною дією є добування твердого тіла з потоку рідини. Координуючими взаємно зворотними діями будуть: включення модуля, відключення модуля. Таким чином, функція модуля реалізується шляхом виконання дій: включення модуля, приміщення твердого тіла в потік рідини, відключення модуля, добування твердого тіла з потоку рідини (мал. 5.29).
Структура процесу передає інформацію про те, які дії й у якій черговості виконуються в об'єкті. Для її зображення використовують графічні позначення. Дії позначають лініями зі стрілками й мітками змістів (мал. 5.30а). Всі дії процесу представляють у зазначеному виді й поєднують їх у структуру (мал. 5.306). Об'єднання виконують таким чином, щоб виконувалися умови:
одержання планованого результату;
можливість повторного одержання результату.
Виконання першої умови досягається дотриманням технології: виконання всього переліку необхідних дій, забезпечення необхідної черговості їхнього виконання, збереження необхідної спрямованості. Друга умова забезпечується за рахунок замикання структури процесу шляхом зв'язування кінця завершальної дії з початком починаючої дії. При зображенні структури вказуються також дії, що зв'язують об'єкт із середовищем експлуатації.
Крок 2. Об'єднання структур функціональних модулів у структуру процесу функціонування об'єкта. Якщо для об'єкта відомі структури функціональних модулів, то наступним кроком є їхнє об'єднання в загальний процес функціонування.
Структуру процесу функціонування об'єкта одержують у наступній послідовності:
визначають черговість виконання функцій;
забезпечують необхідну черговість виконання функцій шляхом введення координуючих дій з урахуванням вимоги повторного одержання результату.
Процес функціонування об'єкта з декількома властивостями може представлятися як у формі зображення структури, так і формі функціональних схем.
Функціональна схема звичайно використовується разом із циклограмою роботи об'єкта. Схема вказує функції, виконувані об'єктом у середовищі експлуатації, і черговість їхнього виконання. Зображують схему за допомогою прямокутних контурів із вказівкою функцій і спрямованих ліній зв'язку. Циклограма відписує черговість дії функцій в об'єкті. Стан і зміни стану модуля зображують ламаної основний (жирної) лінією, що розташовують у системі координат: - стан -такт, або стан - час. Тонкі лінії зі стрілками зв'язують причину (початок лінії) дії й наслідок дії (кінець стрілки) у подіях функціонування об'єкта.
При використанні структурного подання процесу, для об'єднання структур модулів використовують додаткові дії, зображувані також як і дії в структурі модуля. Ці дії забезпечують координацію виконання функцій об'єкта відповідно до вимог технічного завдання.
Як приклад розглянемо систему керування вуличним висвітленням. Структура процесу містить дві пари взаємно зворотних дій (мал. 5.31). Перша пара - це включення- відключення висвітлення, і друга - запалювання - гасіння лампи. Середовище представлене також парою дій - появою природного світла й настанням тьми. У наведеній структурі виділені наступні функціональні модулі - модуль висвітлення, модуль керування висвітленням і модуль імітації зміни дня й ночі. Система керування вуличним висвітленням представлена також у формі функціональної схеми й циклограми (мал. 5.32).
Об'єднання окремих функціональних модулів, у структурному поданні, або у вигляді функціональної схеми, показує будова об'єкта, що забезпечує можливість одержання декількох функцій у заданих умовах експлуатації й режимах. Функціональні схеми зручно використовувати, коли відомі функції об'єкта, але немає детального подання про процеси їхнього одержання. Процеси у функціональних модулях, що забезпечують одержання окремих функцій, деталізують для одержання достатньої інформації для вибору формальних засобів.
Вибір формальних засобів. Початковими даними є структура процесу функціонування об'єкта. Результатом є набір засобів виконання окремих дій.
Розгляд цього питання вимагає уточнення понять:
дія й засіб його виконання;
формальний засіб;
пряма й зворотна дія;
режим використання засобу;
бібліотека формальних засобів.
Безпосередньо вибір формальних засобів виконується у два кроки.
Крок 1 - деталізація структури до формально певного виду; Крок 2 - знаходження засобів виконання дій у бібліотеці.
Розглянемо застосовувані поняття.
Дія й засіб для його виконання. Дії властиві об'єктам і спостерігаються в процесі їхньої роботи. Прикладом дії є зміна параметрів заготівлі на обробному верстаті (мал. 5.33). Сила від зовнішнього середовища переміщає заготівлю товщиною h0 уздовж обертової фрези. Дія стосовно заготівлі робить фреза. Сама ж фреза є засобом виконання дії. Результатом виконання дії є інша товщина заготівлі h1. У механотронном об'єкті дії, аналогічні зміні параметрів заготівлі, приводять до зміни параметрів оброблюваної субстанції (мал. 5.34). У такій системі субстанція може бути представлена рідиною, твердим тілом, газом, електронами й ін.
Розглянемо, наприклад, трубопровід з рідиною, що протікає по ньому. Для зменшення витрати рідини через трубопровід використовують засіб - гідравлічний дросель/
Дросель дозволяє зменшити прохідний перетин ділянки трубопроводу. Зменшення перетину створює перешкода для плину рідини й зменшує її витрата. Якщо в процесі функціонування відбувається дія, наприклад, перетворення витрати рідини в механічний рух, то для його виконання може застосовуватися порожнина з рухливою стінкою - гідравлічний циліндр із поршнем. У цьому випадку підвід витрати рідини до порожнини циліндра приводить до росту тиску. Ріст тиску приводить до збільшення сили на поршні. Наслідком буде рух поршня. У результаті одержуємо перетворення витрати в механічний рух.
Таким чином, дія визначає «що необхідно зробити», а засіб показує «за допомогою чого дія виконується».
Формальний засіб. На цьому етапі для вибору засобів не має значення їхнє конструктивне виконання. Важливим є лише принципова можливість виконання конкретної дії. Формальне подання задає використовуваний принцип і параметри, що визначають його виконання. Приміром, дія зміни витрати рідини, що рухається по трубопроводу, виконується формальним засобом - гідравлічний дросель. Графічне зображення вказує принцип керування витратою: створення опору руху рідини. Параметром, що визначає цей засіб, є площа прохідного перетину. Цей параметр не вказує на конкретне конструктивне виконання дроселя, але його зміна дозволяє управляти витратою рідини.
Режими використання засобів. Кожний засіб, що потенційно володіє певною властивістю, проявляє його в конкретних умовах. Різні умови експлуатації одного засобу будуть ініціювати різне поводження й, відповідно, одержання різних властивостей. Ці різні поводження відповідають його режимам роботи. Керування режимом роботи забезпечують шляхом приміщення засобу у відповідні умови. Так, приміром, засіб - гідравлічний циліндр, дозволяє виконувати два різних перетворення: - перетворення витрати рідини в поступальне механічне жижение; перетворення механічного руху у витрату рідини. В умовах підведення рідини до перетворювача й відводу від нього механічного руху перетворювач буде працювати в одному режимі, а в умовах підведення механічного руху й відводу рідини перетворювач буде працювати в іншому режимі. У кожному з режимів перетворювач може виконувати як пряме, так і зворотна дія.
У процесі роботи об'єкта засоби можуть використовуватися в одному, двох і більше режимах.
Для однорежимного застосування формального засобу його узагальнене подання (мал. 5.35) включає пряме й зворотне дії. Наприклад, для перетворювача витрати рідини в механічний рух пряма дія ця зміна положення поршня, а зворотна дія - припинення зміни положення, тобто зупинка поршня (мал. 5.36).
У випадку двухрежимного використання формального засобу схема організації режимів і дій має вигляд (мал. 5.37).
Формальні засоби, що мають потенційну можливість функціонувати в декількох режимах, можуть використовуватися не у всіх режимах, а тільки в тих, які необхідні для створюваної системи.
Таким чином, у виборі формальних засобів для процесу одержання властивості керуються змістом дій і необхідним режимом роботи. Режими роботи визначають умови застосування обраних засобів.
Бібліотека формальних засобів. У мехатроніці є цілий набір формальних засобів, що дозволяє виконувати широкий спектр дій. Вони групуються по виду субстанції, на яку впливають, а також по властивостях. Одне й теж формальний засіб бібліотеки дозволяє виконувати різні перетворення залежно від заданих умов роботи.
Наведені як приклад формальні засоби використовують для перетворень або зміни стану потоку енергії й інформації, що передається за допомогою рідини, механічних тіл і потоку електронів (мал. 5.38). Наприклад, формальний засіб «опір» дозволяє змінити величину струму в електричному колі (мал. 5.38з). Формальний засіб «пружина» дозволяє перетворити деформацію в силу (мал. 5.38е).
У позначеннях формальних засобів вказуються зв'язки й зміст (мал.5.39).
Крім наведених формальних засобів, що забезпечують виконання перетворень, є стредства, що володіють структуроутворюючими властивостями. Такими властивостями володіють засоби, що забезпечують взаємодію потоків енергії (інформації), або виконуючі логічні функції (мал. 5.40). Наприклад, формальний засіб «змінний опір» забезпечує взаємодія потоку енергії в електричному колі з потоком енергії в ланцюзі механічної (мал. 5.40г).
Засоби виконання перетворень також мають властивість утворювати стійкі групи для виконання яких або функцій, подібно тому, як поєднують конструктивні елементи: - болт, шайби й гайку в засіб з'єднання деталей. Такі групи називають комплектами.
Вибір формальних засобів. Виконують у два кроки. Крок 1. Деталізація структури. Структура процесу функціонування об'єкта показує: що робить об'єкт, у якому напрямку й черговості дії виконуються.
Це забезпечує одержання необхідних функцій і можливість повторного використання об'єкта. Однак така структура ще не є формально певною. Ні гарантії, що діям структури в реальному об'єкті можуть бути поставлені у відповідність формальні засоби їхнього виконання. Для встановлення факту наявності таких засобів деталізують структуру. Ступінь деталізації визначають по розв'язній здатності елементного базису. Опис структури процесу функціонування деталізують до можливості підкріплення всіх дій засобами елементного базису. Приміром, у процесі функціонування є дія по перетворенню витрати в положення. Для безпосереднього виконання такої дії в елементному базисі немає підходящих засобів.
Деталізація процесу дозволяє розділити його на наступні дії: перетворення витрати рідини в тиск; перетворення тиску в силу; перетворення сили в положення. Для цих дій в елементному базисі є засоби їхнього виконання. Наприклад, дія перетворення витрати рідини в тиск може виконуватися роботою гідравлічної ємності (мал.5.21).
Формально певна структура дозволяє перейти до ви бору формальних засобів.
Крок 2. Знаходження засобів виконання дій у бібліотеці. Пошук засобів здійснюють по змісту дій, які виконуються в структурі процесу функціонування. При цьому враховують умови, які приводять до необхідних дій обраних засобів.
Виконання зазначених кроків дозволяє перейти до етапу формування властивостей об'єкта. Далі ми познайомимося із застосуванням обраних формальних засобів для одержання планованих властивостей об'єкта.
Формування властивостей об'єкта. Як ми вже відзначали, об'єкт має набір властивостей. Розглянемо більш детально процес формування властивостей, що відповідають технічному завданню проектованого об'єкта.
Відомо, що складне утвориться із простого, тому при формуванні набору властивостей об'єкта спочатку формують окремі властивості, а потім організують можливості їх спільного «проживання» в об'єкті - поєднують у набір.
Формування окремої властивості об'єкта. Під властивістю об'єкта мають на увазі здатність виконувати деяку функцію. У мехатроніці таку здатність розглядають із урахуванням можливості її багаторазового одержання. Під функцією об'єкта розуміють цілеспрямовані зміни змінні стани середовища експлуатації, за рахунок виконання певних перетворень. Це, наприклад, перетворення витрати рідини у швидкість руху механічного елемента (поршня), або перетворення зміни тиску рідини в положення поршня. В об'єкті, як правило, перетворення виконуються в деякій черговості. Черговість задається структурою процесу його роботи. Вимога багаторазовості виконання функції спричиняється зміст перетворень у структурі й циклічній формі її організації. Як ми вже відзначали, у структурі процесу кожне пряме перетворення повинне мати його зворотне перетворення, що врівноважує. Це дозволяє відновити здатність виконання функції в черговому циклі дії об'єкта. У природі все має свою протилежність, що врівноважує. Якщо наведені приклади перетворень трактувати як прямі, то зворотними для них будуть відповідно: перетворення швидкості руху поршня у витрату рідини, перетворення зміни положення поршня в нове значення тиску. Зміст і черговість виконання окремих перетворень, задіяних у структурі процесу, задає формована функція. Вираження «сформувати властивість об'єкта» означає одержати на принциповому рівні схему з'єднань формальних засобів, що забезпечує можливість багаторазового виконання планованої функції. Така схема звичайно зветься принципової схеми (мал.5.41).
Схема містить інформацію про використовувані формальні засоби, зв'язки між ними й середовищем експлуатації. Схема, що поєднує формальні засобів і призначена для виконання однієї функції, представляє функціональний модуль. Цей модуль і є засобом формування окремої властивості об'єкта.
Формування властивості складається в побудові принципової схеми модуля. Першим кроком є вибір формальних засобів виконання дій. Їх вибирають по змістах дій, які виконуються в структурі процесу роботи модуля. Засоби вибирають із бібліотеки формальних засобів. Другим кроком є об'єднання формальних засобів у принципову схему. Поєднують засобу на основі структури процесу функціонування модуля.
Розглянемо процедуру формування окремої властивості.
Початковими даними є: структура процесу виконання функції; набір формальних засобів виконання пара дій в об'єкті; набір засобів виконання дій середовища експлуатації; умови функціонування.
Результатом є принципова схема функціонального модуля, що показує типи використаних формальних засобів, зв'язку між ними й зв'язку із середовищем експлуатації.
Перехід від початкових даних до схеми модуля виконують у такий спосіб. Зображують формальні засоби виконання пара дій. Вибирають режим роботи кожного формального засобу, що відповідає змісту дії. Позначають дії кожного формального засобу мітками, що відповідають міткам змісту в структурі. З'єднують формальні засоби відповідно до зв'язків між діями в структурі процесу.
Як приклад розглянемо одержання схеми функціонального модуля, що формує властивість перетворення вхідного тиску в положення поршня. Процес роботи модуля містить наступні дії:
включення прямого процесу;
включення зворотного процесу;
включення напрямку;
вимикання напрямку;
рух;
зупинка;
виконання перевірки;
припинення перевірки.
Наявність у переліку взаємно зворотних дій дозволяє згрупувати їх у пари. Для цього пряма й зворотна дія кожної пари позначаємо однаковими цифровими символами. Зворотна дія додатково позначаємо символом «?». Для нашого приклада це виглядає в такий спосіб:
1-включення прямого процесу
-включення зворотного
процесу
2-включення напрямку;
-вимикання
напрямку;
3-рух;
-зупинка;
4-виконання перевірки;
-припинення
перевірки.
Черговість виконання дій фіксуємо структурою процесу функціонування модуля (мал. 5.42).
Необхідні дії забезпечуємо роботою формальних засобів (мал. 5.43). При цьому враховуємо, що формальний засіб виконує необхідну дію при приміщенні його у відповідні умови. На основі структури процесу функціонування виконуємо об'єднання формальних засобів (мал. 5.44). Кожній парі дій ставимо у відповідність один формальний засіб (мал. 5.45).
Пари дій під номером 1, що забезпечує включення прямого й зворотного процесів, виконується віртуальним компонентом.
Пари дій під номером 2, що забезпечує включення-відключення напрямку, виконується робочою рідиною. Пари дій під номером 3 виконується перетворювачем тиску в силу й переміщення. Пари дій під номером 4 - виконується перетворювачем положення в силу.
Схему з'єднань заповнюємо формальними засобами, що відбивають принцип виконання перетворень і, потім її перетворимо в принципову схему (мал. 5.46).
У такій схемі паралельні взаємно протилежні лінії зв'язків заміняємо однією лінією без вказівки напрямку руху сигналів Отримана схема модуля дозволяємо формувати властивість перетворення тиску в положення поршня (рис 5.47).
Як інший приклад, розглянемо побудову схеми модуля для перетворення витрати рідини у швидкість руху поршня Структура процесу містить наступні взаємно зворотні перетворення (мал. 5.48):
1-1- включення напрямку (режиму);
- вимикання напрямку (режиму);
2 - розгалуження витрати;
- фіксація нового значення витрати;
3 - перетворення витрати в тиск;
- фіксація нового значення тиску;
4 - перетворення тиску в силу;
- фіксація нового значення сили;
5 - обчислення сумарної сили;
- зрівноважування сил;
6 - перетворення сили у швидкість;
- фіксація нового значення
швидкості;
7 - перетворення швидкості в силу тертя;
- фіксація нового значення
сили тертя.
Для виконання перетворень у бібліотеці вибираємо необхідні формальні засоби й поєднуємо їх у відповідності зі структурою процесу одержання функції (мал. 5.49а). Отримана принципова схема представляє функціональний модуль для перетворення витрати рідини у швидкість руху поршня (мал. 5.49 б). Для зручності подання схем модулів, що містять кілька взаємодіючих формальних засобів, використовують укрупнені позначення. Приміром, зазначений модуль (мал. 5.49 б) представляють позначенням, що поєднують ув'язнені в ньому формальні засоби (мал. 5.50).
Відзначимо також, що цей модуль виконує свою функцію в умовах подачі на його вхід витрати рідини й фіксації стосовно системи відліку. Зазначені умови задають режим використання модуля. Представимо тепер, що отриманий модуль поміщений в інші умови - середовище експлуатації впливає на поршень із деякою швидкістю, і модуль фіксується в цьому середовищі.
У цьому випадку модуль повинен виконувати іншу функцію -перетворювати швидкість руху поршня у витрату рідини. Інші умови можуть привести до іншого поводження модуля.
Це означає, що модуль повинен працювати в іншому режимі. Але чи буде? Для формальних засобів усередині модуля інший режим задає іншу програму роботи - виконання інших перетворень і в іншій черговості. Отже, цьому режиму відповідає й інша структура процесу, і інша функція. Ми зштовхнулися з тим, що в одному об'єкті, у цьому випадку - модулі, повинні «уживаться» два процеси, що відповідають двом функціям. Тому розглянемо питання, яким образом в одному об'єкті організують виконання декількох функцій.
Формування набору властивостей об'єкта. Як реалізувати кілька різних процесів в одному об'єкті? Треба навчити об'єкт розрізняти умови, у яких він перебуває. Знання умов дозволить об'єкту ініціювати роботу потрібного процесу, і, відповідно, проявляти необхідну властивість. Для ухвалення рішення й виконання дій об'єкту потрібні додаткові засоби координації, наприклад (мал. 5.51). Однак іноді, модуль може обходитися й без таких додаткових засобів.
Для розглянутого модуля, поміщеного в нові умови й виконуючу нову функцію формальні засоби повинні виконувати перетворення відповідно до нової структури процесу (мал. 5.52).
При цьому організація формальних засобів у модулі залишається незмінної й відповідає організації в розглянутому раніше випадку, а результат перетворень змінюється. Режим застосування модуля задають умови роботи, які ініціюють відповідний процес функціонування. У випадку застосування одного модуля для виконання двох різних функцій необхідно забезпечити різні умови. Це завдання вирішується середовищем експлуатації модуля. Середовище повинна створювати необхідні умови функціонування того самого модуля в різних режимах і виконувати координацію умов роботи модуля, забезпечуючи можливість виконання двох функцій (мал. 5.53).
До об'єкта часто пред'являються вимоги виконання функцій у двох напрямках. Наприклад, переміщення маси в позитивному й негативному напрямку щодо деякої крапки відліку. Про об'єкт, що працює таким чином, говорять, що він володіє двох спрямованістю дії або є двотактним. Роботу об'єктів залежно від напрямку дії характеризують у такий спосіб:
• об'єкт однобічної дії дозволяє перетворити один напрямок керуючого впливу в результат одного напрямку (знака), при цьому керуючий вплив протилежного напрямку, напрямок дії об'єкта не змінює;
• об'єкт двосторонньої дії дозволяє перетворити керуючий вплив у результат позитивного або негативного напрямків (знака) залежно від напрямку (знака) керуючого впливу.
Функціональні модулі можуть входити до складу більших модулів, також багаторазово використовуватися в одному або в групах об'єктів.
Прикладами таких модулів є модуль перетворення переміщення у швидкість, модуль перетворення переміщення в переміщення й ін. Такі модулі, при необхідності одержання властивості двухтактности, поєднуються в пари.
Розглянемо приклад формування набору властивостей у модулі перетворення переміщення у швидкість, що задовольняє вимогам багаторазовості й двухтактности дії.
Формування властивості №1. Перетворення переміщення у швидкість позитивного напрямку. Процес формування властивості перетворювати переміщення у швидкість (без обліку двухтактности) містить наступні дії й процеси:
1 - включення напрямку;
- фіксація напрямку;
2 - перетворення h-h->q;
- фіксація нового значення q=qi;
3 - перетворення q ->V;
- фіксація нового значення V=Vi.
Ці дії й процеси, об'єднані в структуру (мал. 5.54). Перший процес відповідає перетворенню q-q->V (цей процес відповідає вже розглянутому перетворенню q-q->V, і, тому, ми будемо використовувати його в спрощене подання). Другий - фіксації нового значення V. Третій процес, також представлений у спрощеному виді, забезпечує виконання перетворення h-q і координує виконання перших двох процесів. Засоби, що забезпечують виконання зазначених перетворень і процесів, поєднують у принципову схему модуля (мал. 5.55).
Модуль призначений для багаторазового виконання перетворення h-h- V. Це перетворення може виконуватися тільки в одному напрямку й, отже, модуль є однотактным. Відновлення стану після використання модуля відповідає придбанню нової швидкості руху поршня. Модуль має обмежений по довжині робітник шлях. Після використання всього доступної ділянки руху, модуль вичерпає можливість виконувати свою функцію. Т.е. модуль здатний працювати багаторазово, але з обмеженням по шляху. Для значного числа механотронных систем таке шляхове обмеження прийнятно.
Вимога 1. Забезпечення багаторазовості роботи. Для відновлення функції модуля його необхідно перевести у вихідний стан - установити поршень у лівої стінки циліндра. У розглянутому модулі немає засобів, які здатні це зробити. Отже, ці засоби потрібно шукати поза модулем. Для відновлення вихідного стану модуль необхідно помістити в інші умови. Перша умова - прикласти до поршня швидкість протилежного напрямку (знака) - V. Друга умова -з'єднати вхід дроселя з баком, для зливу витісняється жидкости, що. Виявившись у нових умовах, модуль буде виконувати іншу функцію - перетворювати швидкість у витрату негативного напрямку (V - q). Для забезпечення виконання цієї вимоги модуль повинен мати властивість перетворювати швидкість у витрату негативного напрямку. Це означає, що для модуля додатково необхідно сформувати властивість №2. Це у свою чергу вимагає внести доповнення в його структуру й схему.
Формування властивості №2. Перетворення швидкості у витрату негативного напрямку. Функція перетворення швидкості у витрату вже розглянутий, тому процес її одержання будемо представляти в спрощеному виді. Структура процесу роботи модуля містить наступні перетворення (мал. 5.56):
1 - включення напрямку;
-фіксація напрямку;
2 - перетворення V -> р I;
- фіксація нового значення р= р I;
3 - перетворення р-р-> q;
- фіксація нового значення q=qi.
Засоби, що виконують ці перетворення ті ж, що й у структурі процесу h-h->V, така й принципова схема (мал. 5.57). Розходження складається в умовах і результаті роботи модуля. У першому випадку це впливу h і Рп, а результат - V, а в другому випадку -впливу h і Рсл, а результат - q. Застосування умов, що відповідають другому випадку приведе до відновлення вихідного стану модуля. Якщо зазначені умови помістити усередину модуля, то для перекладу його у вихідний стан буде потрібно тільки перемикання модуля на необхідні умови. Але для цього дія перемикання повинне виконуватися на структурному рівні. Структура такого модуля містить три процеси: перший процес - формування функції h-h->V, другий процес формування функції V >q, і третій процес - процес взаємодії двох перших процесів (мал. 5.58).
Для схемного рішення у відповідність із наведеною структурою процесу бракує тільки засобу керування (рис 5.59). Як такий засіб підійде перемикач, що містить необхідне число комутуючих каналів (мал. 5.60а) Крім комутуючих дій, перемикач маємо здатність зберігати свій стан. Останній стан зберігається до моменту чергового воздейстия. Об'єднання схем обраних модулів і засобів керування структурою приведе до одержання схеми функціонального модуля із двома властивостями: -перетворювати h в V і перетворювати - V в q (мал. 5.60г). При цьому друге перетворення є восстанавливающим для першого. Такий модуль у мехатроніці зветься привод однобічної дії.
Отриманий однотактный модуль дозволяє багаторазово виконувати свою функцію.
Вимога 2. Забезпечення двухтактности дії. Як же одержати модуль двотактної дії? Це роблять аналогічно тому як був отриманий однотактный модуль. Формують структури й принципові схеми для двох додаткових властивостей.
• Властивість №3. Перетворення переміщення у швидкість негативного напрямку.
• Властивість №4. Перетворення швидкості у витрату позитивного напрямку. Структури й принципові схеми модулів поєднують із урахуванням координуючих дій і засобів їх ныполнения.
Приведемо отримані результати. Структура процесу модуля двотактної дії містить структури двох модулів однотактного дії й структуру керування ними (мал. 5.61).
Принципова схема інтегрального модуля містить дві схеми модулів однократної дії, об'єднані засобами керування (рис 5.62). Як засоби керування застосовані формальні засоби із властивостями пам'яті й комутації. Принципова схема відображаємо функціональний модуль, що відповідає вимогам двухтактности й багаторазовості дії (мал. 5.63). У мехатроніці такий модуль називають приводом двосторонньої дії.
Крім розглянутих властивостей в об'єкті можуть формуватися й інші властивості, які приведуть до більше складних відносин між окремими засобами. Приміром, для одержання модуля із властивістю перетворювати вхідний вплив у вигляді переміщення в результат у формі переміщення вхідної ланки, необхідно використовувати так звані зворотні зв'язки. Але це предмет подальшого розгляду.
Таким чином, для формування властивостей об'єкта необхідно:
для кожного перетворення в структурі процесу одержання кожної функції вибрати формальні засоби;
вибрати режим використання формального засобу;
виконати об'єднання формальних засобів у принципову схему модуля;
об'єднати схеми функціональних модулів у принципову схему об'єкта.
Представлений матеріал дозволяє відповісти на питання:
як формують властивості об'єкта?
яким образом кілька властивостей поєднують в одному об'єкті?
Далі нам має бути розібратися, як для об'єктів із заданими властивостями формують плановані характеристики.
Формування характеристик. Отримані на попередньому етапі функціональні модулі, представлені у формі принципових схем, мають потенціал виконувати функції із планованими характеристиками. Для одержання необхідних характеристик управляють значеннями параметрів формальних засобів. Задаючи значення параметрів і їхнього співвідношення, формують хід процесів в окремих засобах і характер взаємодії між ними. При цьому плановані характеристики є еталоном, до якого приводять характеристики модуля.
Початковими даними є: принципова схема функціонального модуля, режими роботи модуля, форма планованої характеристики.
Завданням етапу є формування переліку й значень параметрів перетворювачів модуля, що забезпечують одержання планованих характеристик.
Перш ніж розглядати питання формування характеристик, розглянемо застосовувані поняття. Що таке характеристика? Елемент, модуль або система проявляють певне поводження в конкретних умовах. Оцінити поводження дозволяють характеристики. Звичайно для об'єктів механотроники розглядають два типи характеристик - динамічні й статичні. Під динамічними характеристиками розуміють характер зміни в часі т або інший змінної, котра відбиває процеси в елементі, модулі або системі безпосередньо після зміни стану середовища експлуатації. Після завершення динамічних процесів наступає стаціонарний стан. У цьому стані змінні, що характеризують процес, із часом практично не змінюються і їх можна вважати постійними (статичними). Якщо послідовно задати кілька різних значень якого-небудь параметра середовища експлуатації, наприклад, амплітуди сигналу керування, те, вимірявши значення вихідний змінної в стаціонарному стані системи, що відповідають кожному заданому значенню амплітуди, одержимо статичну характеристику.
Яким образом забезпечити плановані характеристики, маючи принципову схему? Принципова схема пояснює принцип дії об'єкта, але не подає інформацію про характеристики. Характеристики проявляються в ході роботи об'єкта. Тому для формування характеристик необхідно управляти цією роботою. Але об'єкт ще не існує! Вихід із цієї дивної ситуації складається в застосуванні моделювання. Для цього схему об'єкта, або його частин, представляють у новій формі - у вигляді математичного опису. Математичними формулами описують процеси, що відбуваються в ході роботи об'єкта. Ця форма подання відбиває зв'язку між параметрами й змінними на рівні фізичних процесів. Складання такого опису й моделювання завдання не прості, але розв'язувані. Розглянемо більш докладно питання побудови математичного опису, моделювання й застосування спеціальних інструментальних засобів.
Побудова математичних описів. Для побудови математичних описів використовують різні підходи. Це, наприклад, традиційним підхід, коли для опису процесів використовуються алгебраїчні й диференціальні рівняння, і ці рівняння складаються на основі відомих законів і прийнятих розрахункових схем об'єктів [11, 25, 26, 32, 33, 35]. Іншим підходом є складання описів на основі узагальнених рівнянь для трьох типів процесів - нагромадження, споживання й підведення енергії. Ці процеси використовуються для опису компонентів різному фізичної природи, які можуть входити до складу об'єктів. Цей підхід є більше формализуемым у порівнянні із традиційним. Застосування типових процесів для опису різноманітних компонентів і різних схем у сполученні з досягненнями теорії ланцюгів дозволило формалізувати процес об'єднання окремих описів в опис об'єкта [1, 2, 42]. Такому підхід знайшов своє застосування в програмному інструментальному засобі "Allted". Ще один підхід до складання математичних описів імітаційний, побудований на інтерпретації окремих дій і очередностм їхнього виконання в процесі функціонування об'єкта. Особливістю цього підходу є самодостатність опису для відтворення моделируемых в об'єкті процесів.
При складанні опису, не залежно від обраного підходу, керуються наступної. В основі роботи кожного засобу, модуля. об'єкта лежать фізичні процеси. Кожний процес відбувається відповідно до фундаментальних фізичних законів. Фізичні закони описуються математичними залежностями. У математичні залежності входять параметри - деякі величини, що не змінюють свої значення під час плину процесу, і змінні - величини, значення яких змінюються в ході процесу. Тому що процес розглядається в часі, те ці змінні звичайно позначають як функції часу. Наприклад - p(t), V(t) і ін. Залежності, записані відповідно до черговості проходження дій у процесі роботи одного засобу, є його математичним описом. Пакет із залежностей, що описують кілька засобів, що входять у функціональний модуль, є математичним описом модуля. Наприклад, узагальнені залежності (мал. 5.64в), описують процеси в перетворювачі витрати рідини в рух поршня.
Конкретні залежності відповідають відомим законам, вираженим у диференціальному виді. Наприклад, тиск рідини в порожнині змінного обсягу визначається відповідно до закону збереження енергії:
де Їжак - адіабатичний модуль пружності рідини; h0 - початкове положення поршня; h - поточне положення поршня; fп - площа поршня; q(t) - витрата рідини, що надходить у порожнину змінного обсягу від зовнішнього джерела; V(t) - швидкість руху поршня.
У свою чергу, швидкість руху поршня визначається у відповідності із Другим законом Ньютона:
де Fн - сила від зовнішнього навантаження; Fтр - сила тертя поршня об стінки порожнини; m - маса поршня.
Переміщення поршня визначається по швидкості його руху:
Якщо математичний опис перетворювача, модуля, або об'єкта отримано, то для їхньої роботи необхідно створити умови. Для створення умов використовують засоби моделювання.
Засоби моделювання процесів. У працюючому математичному описі параметри залишаються незмінними, а змінні міняються так, як це відбувається в реальному об'єкті. В об'єкта є пам'ять, є стану, які послідовно поміняють один одного. Зміна станів об'єкта відбиває процеси в ньому. Кожний стан характеризується набором значень змінні стани. Кожний наступний стан є наслідком попередні. Створивши умови, у яких математичний опис дозволить переходити від вихідного стану до наступним, ми зможемо моделювати роботу об'єкта. Це робиться шляхом програмування процесу активізації математичного опису в необхідному тимчасовому інтервалі. Слово програмування означає написання програми спеціальною мовою, що зрозумілий операційній системі комп'ютера. Це може бути алгоритмічна мова «БЕЙСИК», «ПАСКАЛЬ», «СИ» або ін. Розглянемо, наприклад, що випливає фрагмент програми мовою СИ, що дозволяє моделювати поводження функції y(t), що залежить від змінної t. Текст після символів «//» є коментарями й комп'ютером як команди не сприймається.
У наведеному фрагменті програми цикл по змінної t є середовищем експлуатації об'єкта (умовами роботи), а об'єкт представлений його математичним описом y=t**2.
Запуск і виконання програми в операційному середовищі комп'ютера приведе до зміни значень змінної в. Якщо припустити, що змінна t позначає час і розглядати значення змінної в у конкретні моменти часу, то ми зможемо спостерігати процес, подібний до процесів в об'єкті. Графік, побудований за значеннями змінної стану в деякому тимчасовому інтервалі, характеризує процес роботи «об'єкта» (мал. 5.65).
Як ми вже знаємо, математичні описи об'єкта механотроники або його частин мають більше складний вид. Тому й створення умов для роботи таких описів більше складне. Якщо, до того ж, опису містять диференціальні рівняння, то для моделювання процесів необхідно їх вирішувати. Диференціальні рівняння, що описують процеси в об'єктах механотроники, часто не мають аналітичного рішення. Одержують такі рішення, використовуючи спеціальні математичні прийоми - чисельні методи рішення.
Необхідності застосування чисельних методів рішення можна уникнути, якщо застосувати імітаційний підхід до побудови математичного опису. Наприклад, розглянуте вище математичний опис перетворювача витрати рідини в рух поршня відповідно до імітаційного підходу, має вигляд (5.12) [37].
Цей опис містить тільки алгебраїчні рівняння. В описі прийняті наступні позначення: q - витрата рідини на вході в перетворювач, μ- коефіцієнт витрати; f - площа перетину вхідного отвору, рп - тиск на вході, p 1-1- тиск у лівої стінки порожнини наповнення, dw - збільшення обсягу рідини; t - час процесу, wrs -накопичене збільшення обсягу рідини, dp - збільшення тиску рідини, Е - модуль пружності рідини, wg - обсяг наповнюваної порожнини, р2 - тиск на поршень, dpi - інерційна складова втрат тиску за рахунок маси рідини в порожнини, fs - сила, що діє на поршень, s - площа поршня, а - прискорення поршня, m - наведена маса поршня, dv - збільшення швидкості поршня, v -швидкість руху поршня, dhs - переміщення поршня, обумовлене стаціонарної складової швидкості, dhd - переміщення поршня, обумовлене динамічної складової швидкості, h -повне переміщення поршня, wrd - збільшення обсягу порожнини, dpr -зміна тиску за рахунок збільшення обсягу порожнини, с -швидкість поширення хвилі пружної деформації в рідині, ti - час поширення хвилі тиску від лівої стінки циліндра до поршня. Такий математичний опис дозволяє виконувати моделювання роботи перетворювача без застосування чисельних методів.
Для моделювання процесів в об'єктах механотроники створюють програми або використовують уже готові - комп'ютерні інструментальні засоби. У цей час існує багато різноманітних інструментальних засобів моделювання. Це, наприклад, «Математика», «Maple» «MatCAD», «MatLab» і ін. Ці засоби застосовуються для рішення широкого кола різноманітних завдань моделювання. Відомі також інструментальні засоби для рішення спеціальних завдань моделювання. Це такі як «FluidSim», « PA-7», «Hyvos», «Vtx» і ін.
Розглянемо деякі з наведених засобів, що є носіями певних підходів до моделювання об'єктів:
програма «Simulink» пакета «MatLab», застосовується для рішення широкого кола завдань моделювання в різних предметних областях [15, 29];
програма «Hyvos» - для моделювання модулів і систем механотроники, структура яких може бути обрана з бібліотеки [45];
програма «Vtx» - для моделювання модулів і систем механотроники, структура яких може бути сформована [44].
Розглянемо більш детально кожний з наведених інструментів, попередньо охарактеризувавши їхні загальні сторони.
У кожному з інструментальних засобів є: середовище підготовки моделі - складальна площадка; заготівля об'єкта або набір елементів для побудови об'єктів і середовища експлуатації; засобу контролю й візуалізації; засобу завдання значень параметрів елементів і процесу моделювання. Інструментальні засоби підтримують побудова моделі, завдання щраметров об'єкта, середовища експлуатації, процесу моделювання, а також організують виконання обчислювального процесу.
Особливості побудови моделей у пакеті Simulink. У пакеті є бібліотека елементів - заготівель.
З їхньою допомогою задаються константи, математичні формули, джерела сигналів і засобу контролю. Вони застосовуються для опису об'єкта й середовища експлуатації. Є елементи виконання обчислювальних, логічних і інших операцій. Є також убудовані програми, що реалізують чисельні методи виконання операцій диференціювання й інтегрування.
Для побудови моделі об'єкта й середовища експлуатації виконують наступні дії:
вибирають елементи завдання параметрів і елементи завдання математичних залежностей між параметрами й змінними стану;
обрані елементи поміщають у поле складальної площадки;
для елементів, що визначають параметри, задають їхнього значення;
для елементів, що дозволяють описати зв'язку між параметрами й змінними станів, задають необхідні математичні залежності;
елементи поєднують у модель;
обрані елементи контролю підключають до крапок, що відповідають поточним значенням змінні стани, що цікавить. Після побудови моделі й завдання часу процесу моделювання модель об'єкта й середовище експлуатації готові до роботи (мал.5.66).
Вибір елементів роблять у бібліотеці, структурованої по функціональній ознаці.
Після приміщення елементів у поле складальної площадки їх поєднують за допомогою ліній зв'язку. Вхід у діалогове вікно елемента дозволяє виконати настроювання параметрів (мал. 5.67). Після запуску процесу моделювання спостерігають процеси в об'єкті (мал. 5.68).
Особливості побудови моделей в Hyvos, На відміну від Simulink пакет Hyvos є спеціалізованим засобом для моделювання процесів у механотронных системах. Спеціалізація виражена в наявності в пакеті набору готових математичних описів для рішення певного кола завдань механотроники. У пакеті передбачена можливість моделювання наступних функціональних модулів і систем: гідравлічний привід двосторонньої дії з механічним керуванням; гідравлічний привід двосторонньої дії з керуванням від пропорційного електромагніта; гідравлічний привід двосторонньої дії з керуванням від пропорційного електромагніта із пропорційним регулятором і ін.
Для побудови моделі об'єкта й середовища експлуатації виконують наступні дії:
вибирають структуру об'єкта моделювання;
задають значення параметрів компонентів модулів і середовища експлуатації.
Вибір структури моделі виконують шляхом включення або відключення базових компонентів системи (мал. 5.69, 5.70).
Числові значення параметрів задають за допомогою використання діалогових вікон (мал. 5.71). Після завдання контрольованих змінних і параметрів моделювання спостерігають процеси в об'єкті (мал. 5.72).
Особливості побудови моделей у пакеті Vtx. В основі пакета лежить підхід, аналогічний підходу, прийнятому в пакеті Simulink, але при цьому пакет орієнтований на рішення завдань механотроники. У ньому є бібліотека готових до використання моделей формальних засобів, опису яких побудовані відповідно до імітаційного методу. Ці моделі відображаються графічними елементами. Із засобів бібліотечного набору збирають модулі й системи з довільно заданою структурою. Поміщені в поле складальної площадки елементи поєднують у модель шляхом організації з'єднань. Моделі, представлені в бібліотеці, дозволяють імітувати роботу окремих перетворювачів, модулів, систем, середовища експлуатації, засобів контролю, а також управляти процесом моделювання (мал. 5.73).
Настроювання моделей виконують шляхом їхнього конфігурування й завдання значень параметрів за допомогою діалогових вікон (мал. 5.74). Завдання крапок контролю виконують шляхом установки в контакти елементів імітаторів датчиків. Спостереження за процесами здійснюють по графіках зміни контрольованих змінні стани в заданих крапках об'єкта (мал. 5.75).
Основною відмінністю розглянутого пакета від пакета Simulink є відсутність необхідності побудови математичних описів для об'єкта й середовища експлуатації, тому що ці описи уже закладені у формальні засоби.
Розглянуті інструменти дозволяють будувати моделі й моделювати процеси в об'єктах механотроники. Перевага у виборі дається тому інструментальному засобу, що дозволяє вирішити конкретне завдання і є найбільш зручним для її рішення.
Повернемося до питання формування характеристик. Для цього в нас є всі підстави: - ми знаємо, що такий математичний опис, модель, моделювання і які застосовують інструментальні засоби.
Застосуємо наші знання для рішення завдання формування характеристик. Як приклад розглянемо модуль перетворення витрати рідини у швидкість руху механічного елемента (поршня), а для побудови моделі й моделювання скористаємося пакетом Vtx.
Побудова моделі. Для моделі модуля вибираємо два елементи «регульований дросель» і «гідромеханічний перетворювач». Елементи поміщаємо в робоче вікно, що імітує складальну площадку. Потім елементи з'єднуємо між собою за допомогою лінії зв'язку. Середовище экплуатации моделі будуємо з елементів «джерело гідравлічної енергії», «робоча рідина» і «генератор механічного сигналу». Джерело гідравлічної енергії зв'язуємо із входом дроселя, а генератор сигналів знизуємо з керуючим входом дроселя. Елемент «робоча рідина» з'єднань не вимагає. Для контролю робочих процесів вибираємо елемент «сенсори» і також поміщаємо його в робоче вікно.
Задаємо параметри модуля й параметри середовища експлуатації. На вхід модуля подаємо витрату рідини, величина якого, наприклад, змінюється в часі за лінійним законом до заданого моменту часу, а потім постійна. Задаємо параметри робочої рідини й вибираємо контрольовані параметри: - вхідна витрата, швидкість руху поршня, тиск на вході в модуль. Зовнішнє навантаження на виході модуля приймаємо нульовий.
Моделювання. Після запуску процесу модуль починає працювати. При цьому зміни в часі контрольованих величин - характеристики відбивають поводження модуля (мал. 5.76).
Таким чином, на основі використання математичної форми подання й інструментальних засобів моделювання, встановлюємо зв'язок між параметрами формального засобу і його характеристик.
Плановані характеристики одержуємо шляхом приведення їм у відповідність значень параметрів. Для розглянутого перетворювача плановане значення стаціонарної швидкості руху одержуємо вибором значення площі поршня з умови:
де Qвx - задане значення вхідної витрати рідини, Vзад - плановане значення стаціонарної швидкості.
Для формування ділянки характеристики, що відповідає перехідним процесам, задаємо значення параметрів, які визначають ці процеси. Т.к. у нашім прикладі значення вхідної витрати, температура й параметри робочої рідини є фіксованими, то для формування перехідної частини характеристики використовуємо величину маси поршня. Варіювання величиною маси дозволяє сформувати необхідну тривалість перехідного процесу швидкості руху поршня.
Таким чином, нами розглянуті два питання - одержання математичного опису й моделювання процесів в окремих формальних засобах. Наступне питання, що вимагає відповіді - перехід від математичних описів окремих засобів до математичної форми подання функціонального модуля. Частково відповідь на це питання дає досвід застосування інструментальних засобів. У них ми просто з'єднуємо між собою взаємодіючі засоби. Що ж відбувається за кадром? Об'єднання математичних описів окремих засобів виконується введенням математичних виражень, що зрівнюють значення однойменних змінних між контактами зв'язаних засобів (мал. 5.77). У кінцевому виді математичною формою подання функціональних модулів є математичні залежності, що описують процеси в окремих перетворювачах і залежності зв'язки, що задають, між перетворювачами.
Формування характеристик модулів виконується аналогічно формуванню характеристик окремих перетворювачів, але при цьому враховується, що навантаження на кожному попередньому перетворювачі відповідає реакції на наступному перетворювачі. Цей факт є важливим, тому що з однієї строны впливає на властивості й характеристики модуля в цілому, а іншої сторони забезпечує додаткову можливість формувати плановані властивості й характеристики.
Наприклад, представлені схеми функціональних модулів (мал. 5.78, 5.79) дозволяють одержати різні властивості й різні характеристики. Схема (мал.5.78) забезпечує можливість перетворення витрати рідини у швидкість руху поршня, у той час як схема (мал. 5.79) дозволяй перетворити тиск у відповідне йому положення. При цьому різним є й час, необхідний для завершення процесу.
Таким чином, у результаті керування процесами в конкретних модулях за рахунок завдання значень параметрів, одержують плановані характеристики.
Якщо об'єкт складається з декількох модулів, то їх поєднують у схему об'єкта й проводять уточнення значень параметрів. Значення параметрів задаються на основі результатів моделювання спільної роботи модулів у складі об'єкта.
Вибір фактичних засобів. Отримані значення параметрів формальних засобів є функціональними. Вони не задають конструкцію засобу, а тільки її принцип. Конструкція визначається формою, повним переліком значень конструктивних параметрів, властивостями обраних матеріалів. Форма дозволяє забезпечити необхідну функціональність і визначає перелік параметрів. Значення конструктивних параметрів залежать від значень функціональних параметрів. Приміром, для формального засобу перетворення витрати рідини в рух поршня одним з варіантів конструкції є циліндрична склянка з поршнем і отвором для підведення рідини (мал. 5.806).
Конструктивними параметрами, які визначать таку форму, є діаметри циліндра й поршня, довжина ходу поршня, товщина поршня, товщина стінки циліндра й діаметр вхідного отвору. Діаметри циліндра й поршня визначаються виходячи зі значення функціонального параметра - площі поршня. Хід поршня визначається на основі функціонального параметра - робочого шляху. Товщина стінки циліндра визначається внутрішнім тиском, і міцністю матеріалу й т.д. Іншим варіантом форми є, наприклад, конструкція у вигляді склянки з поршнем з перетинами прямокутної форми. У цьому випадку конструктивними параметрами будуть висота й ширина перетину циліндра й поршня. Їхні значення також вибираються виходячи зі значення функціонального параметра - площа перетину.
Після вибору конструктивних рішень і завдання конструктивних параметрів переходять до компонування об'єкта.