6.2.5. Причинно-наслідкова модель.

Причинно-наслідкова модель (ПСМ) є комбінованої - і графічною й аналітичної - залежно від розв'язуваного завдання можна користуватися будь-яким варіантом [21].

Особливістю моделі є те, що система споконвічно як би складається з «молекул», що мають однотипну будову. Зображення елемента системи (інформація про пристрої) дається в певному стандарті «молекули», що забезпечує наступне об'єднання пристроїв у схему й структуру.

При побудові ПСМ моделі гарантується відповідність алгоритму роботи технічному завданню. Це досягається шляхом подання структури системи як «матеріального» виду опису процесу. Адже можна описати процес на папері у вигляді блок-схеми алгоритму, а блок-схему перенести з паперу на электрорелейную схему або схему пневмоники. Така схема може бути зібрана з апаратури пневматики, електротехніки, гідравліки й при цьому вона стане технічним об'єктом. Але фактично, цей об'єкт є матеріальним варіантом алгоритму роботи системи, описаним ще в технічному завданні. Аналогічно, задавши в постановці завдання алгоритм техпроцесса й коректно виконавши перехід від ПСМ до «матеріального» виду, Ви одержите шукану будову технічного об'єкта.

Помітимо, що додаткові складності в завдання мехатроніки вносить перехід від синтезу до модернізації систем, викликаний, в основному, економічними причинами. Значна частина вартості технічних об'єктів доводиться на частку виконавчих і технологічних пристроїв. Їхній термін служби, з урахуванням відбудовного ремонту дорогого встаткування, значно перевищує термін служби й морального старіння засобів керування й контролю. Тому в об'єкті виконуються часткові й ремонтні заміни новими пристроями. У результаті, об'єкт більшу частину строку експлуатації містить пристрої й агрегати приблизно трьох поколінь і, за структурою, відрізняється від первісного варіанта. Нові пристрої, у свою чергу, пропонують додаткові функції, незатребувані в старому об'єкті, і втрачають деякі характеристики вихідних пристроїв. У таких умовах завдання структурного синтезу й модернізації систем поєднуються в одне завдання, у якій частина питань вирішується з «чистого аркуша», а частина - шляхом сполучення традицій і нових рішень. Але з позицій змісту автоматизованої технології, об'єкт залишається колишнім. Це дозволяє розглянути в ПСМ моделі всі стадії створення й реконструкції з єдиних позицій: відповідності структури об'єкта структурі технологічного процесу.

Побудова формальної моделі.

Граф ПСМ - це навантажена по дугах мережа. У порівнянні із графом операцій він відрізняється підвищеною складністю, але трохи точніше відбиває алгоритм техпроцесса: дуги - дії модулів або технологічних пристроїв, вершини - умови переходу від одних дій до інших. У такому описі алгоритм процесу збігається з будовою графа, а асинхронность механотронной системи враховується послідовним розташуванням дуг графа й можливістю сполучення декількох дій або операцій на дузі. Це, при моделюванні, приводить лише до затримки переходу від попередньої дуги до наступної, тобто асинхронної роботи пристроїв.

Якщо Ви вибрали ПСМ модель, то Вам забезпечене важкий початок роботи. Спочатку необхідно провести скрупульозний аналіз технічного завдання й опису технологічного процесу. Ви не будуєте модель системи, а виділяєте її елементи й алгоритми їхньої роботи. Адже якщо в завданні є неточності й помилки, і є можливість їх усунути на початковому етапі, те пропустивши її ми виявимося в пастці - вирішуємо завдання, що не має рішення. Така можливість - це «молекулярна» форма завдання всіх елементів і алгоритмів їхньої роботи. В основі кожного елемента лежить:

технологічна дія або функція, виконувана агрегатом, виконавчим або іншим пристроєм;

зворотні дія або функція, що переводять елемент у вихідний стан, що забезпечують можливість повторного виконання дії або функції;

засоби включення й вимикання першої й другої дії або функції;

засоби контролю за результатом виконання кожної дії або функції.

Виділення кожного елемента в системі базується на змісті виконуваного їм дії. Матеріальною формою опису дії стають сигнали датчиків, сенсорів і команд, засобу настроювання параметрів дії, засобу контролю й перетворення інформації (лічильники, таймери й ін.), виконавчі пристрої. Функції всього цього комплекту формують фрагмент алгоритму - керована й контрольована дія (операцію). Йому відповідає дуга графа з індексом дії в маркуванні (мал. 6.12)

Всі інші пристрої системи розподіляться по таких же елементах у якості керуючих, контролюючих, дублюючих, виконавчих і інших засобів, що забезпечують виконання інших дій. Кожний такий елемент виконує певну дію або функцію технологічного процесу, тобто є функціональним модулем об'єкта. Крім цього, він виконує й повернення всього комплекту пристроїв у вихідний стан шляхом виконання «зворотного» дії. У результаті Ви одержите алгоритм роботи кожного елемента в системі. Алгоритм являє собою цикл із парним числом дуг - дій: кожному «основному» дії відповідає «зворотне» дію елемента. Якщо за технологічний цикл «основне» дія виконується один раз, то цикл елемента буде містити всього дві дуги, у маркуваннях яких будуть індекси «основного» і «зворотного» дій.

Операції складаються з дій шляхом їх паралельного або послідовного з'єднання. При послідовному з'єднанні фрагменти алгоритму (дії) поєднуються в ланцюжки дуг графа. При паралельному з'єднанні, набори їхніх індексів містяться в маркування дуги, що відповідає паралельному й асинхронному виконанню дій. Кожної операції відповідають елементи, взаємодія яких становить відрізок технологічного процесу, а состав - фрагмент структури технічного об'єкта. Сказане зображується відповідним розташуванням дуг графа і їхнє маркування: а) група дій, б) циклічна дія, в) порядок дій (мал. 6.13).

Графічна модель разом з розшифровкою змісту дій (мал. 6.12, 6.13) встановлюють зв'язок між елементами процесу й пристроями об'єкта. При цьому кожний пристрій ставиться до певної дії в алгоритмі функціонування системи. Стосовно «власного» дії пристрій належить до однієї із груп: інформаційного забезпечення, керування, настроювання параметрів, виконання, контролю.

ПСМ модель виділяє два рівні в структурі системи. На першому - елементному рівні, формується елементна база, що встановлює відповідність між елементами процесу - діями й елементами об'єкта - пристроями. Вся апаратура розподіляється по елементах системи (виконавчим пристроям і їхнім діям), а усередині елементів - по групах. На другому, структурному рівні, задається алгоритм усього технологічного процесу у вигляді графа спеціального виду.

Граф ПСМ включає замкнутий функціональний граф системи й циклічні подграфы окремих елементів [4, 13, 20, 21]. Функціональний граф - навантажена по дугах орієнтована замкнута мережа:

Подграфы окремих елементів задають алгоритм їхньої дії в алгоритмі роботи всієї системи, і являють собою вписані в граф багатокутники парним числом ребер (мал. 6.14). Якщо модуль за час циклу працює один раз, то його цикл буде складатися із двох співпадаючих ребер, оскільки вони з'єднують дві вершини між собою, але в протилежних напрямках.

Для нашого приклада число дуг графа буде дорівнює числу операцій, а число подграфов зв'язку дорівнює числу модулів системи, тобто п'яти (мал. 6.14). Причому, в 1-го, 2-го, 3-го й 5-го модулів цикл їхньої роботи буде складатися з однієї лінії, тому, що вони діють один раз. А цикл 4-го модулі має вигляд чотирикутника - дві основних дії й два зворотних.

На цьому формалізація вихідного завдання завершена. Але, помітимо, що крім формалізації ми в основному вужі визначилися з технічними засобами й урахували повторюваність дій, як всієї системи, так і окремих гройств.

Перевірка повноти й коректності.

Якщо Ви дійшли до другого етапу, зуміли розділити систему на модулі, процес на операції, операції на дії, і при цьому в техзадании не залишилося нічого «непотрібного», то це успіх. Ви зробили саму складну частину Завдання. Все завдання перейшло в мал. 6.14 і фрагменти схеми із составом модулів, аналогічним мал. 6.12.

Кожному такому фрагменту на графі відповідає дуга, а в системі комплект технічних засобів. Відзначимо, з деякою досадою, що завдання коректності вже Вами вирішена, як говориться «по побудові». Зробили Ви це так. Всі засоби контролю (сигнали входів), керування (сигнали виходів) і виконавчі пристрої розподілені по модулях циклічної дії. А з модулів циклічної дії можна скласти тільки таку систему, що буде або циклічної, або із замкнутим алгоритмом (гнучка). У такій системі не можуть виникнути «тупикові» стани й взаємовиключні команди.

Всі технічні засоби кожного модуля індивідуальні, і це виключає некоректне включення або вимикання апаратури. Hет необхідності перевіряти, що буде в тих станах, у яких система просто не може потрапити. І немає підстави для появи завдань, подібні наступної: «що може бути, якщо сенсори В1, В2, В6 і В12 спрацюють, а В4 A3 і А4 не спрацюють коли модуль 9 уже в роботі, а модуль 11 «засидівся» на старті».

Але всі сказані слова не додадуть Вам упевненості при рішенні практичних завдань і, після складання системи, Ви будете пильно шукати свідомість у діях окремих пристроїв. За доказами правоти й упевненістю радимо звернутися до фізичного експерименту на спеціальних стендах або комп'ютерній моделі системи, наприклад, у середовищі FluidSim або MAC.

На відміну від коректності, повнота побудованої Вами моделі, або її інформаційна достатність, або логічна визначеність має потребу в перевірці. Докладний опис методик такої перевірки Ви знайдете в [4, 27]. Їхня особливість складається в єдиних правилах застосування, як для найпростіших циклових систем, так і для систем з мультипроцессным і гнучким алгоритмом роботи.

Введенням «Молекули системи» як будівельного матеріалу при її розробці, ми позбулися від помилок неправильного складання схеми їхніх стандартних рішень. Але ряд помилок, невизначеностей або неточностей приходить у систему з технічного завдання. Готова технічна система, як правило, виконує наперед задану функцію, наприклад, виробництво виробів. При цьому як технологія виробництва, так і сировинне забезпечення однозначно визначені. Але в технічному завданні багато фактів можуть утримуватися в неявному виді, і тоді немає достатнього інформаційного забезпечення для однозначності в діях технічних пристроїв. Наприклад, на конвеєрі в позиції заповнення перебуває ємність. Вона може бути: а) порожній, поданої під заповнення; або б) тільки що заповненої. Подальший шлях ємності залежить від варіанта, але укладачеві технічного завдання «ясно», що якщо ємність заповнили, то заповнювати її повторно немає необхідності. І нам це теж зрозуміло, залишилося це ж пояснити маніпулятору й клапану дозатора, які визначають подальшу долю ємності. Ваше завдання, у словах «після того» побачити сенсор, що контролює заповнення ємності. Подібна розшифровка повинна тривати доти, поки інформаційне забезпечення не стане достатнім.

Подграф невизначеності ПСМ моделі є критерієм інформаційної достатності. Якщо для системи не можна побудувати подграф невизначеності, то всі дії в процесі роботи системи однозначно визначені один одним. Для простих систем подграф невизначеності будується зовсім просто: якщо на функціональному графі можна геометрично відокремити частина подграфа зв'язку не перетинаючи ні однієї лінії зв'язку, то лінія роздягнула і є дугою подграфа невизначеності. Чим більше таких дуг, тим менш повно описана система. Для тестового приклада можна відокремити чотири рази по одній лінії зв'язку: лінія 4 -> 4 на третьому й п'ятому переходах, лінія 4 -> 4 на четвертому переході й лінія 1 -> 1 на першому переході (мал. 6.15).

Причин появи ліній невизначеності може бути безліч, але основними є наступні:

відсутність явної вказівки на засоби контролю за виконуваними діями в техзадании;

фізична неможливість контролю результату дії;

асинхронность дій пристроїв системи.

Поява ліній невизначеності не тільки розкриває факт інформаційної недостатності, але й указує на її причини, включаючи асинхронность або так звані «критичні змагання». Кожна лінія невизначеності розділяє функціонального графа на дві частини, у кожній з яких виявляється частина дуг - послідовність операцій технологічного процесу. Лінія невизначеності «говорить» про те, що результати виконання однієї частини процесу не використовуються (в інформаційному змісті) іншою частиною процесу, і навпаки - результати другої частини технологічного циклу не є необхідними для повторного початку першої частини технологічного циклу. Для Вас, як фахівця з технології, ясно, що в першій частині процесу виріб формується до заданого рівня, а в другій частині завершується його формування. Але стан пристроїв і значення сигналів контролю не дозволяють відрізнити початок роботи від початку другої фази роботи. Саме це й показує лінія невизначеності. Підказка розроблювачеві системи -необхідно ввести засоби контролю, які дозволять відрізнити «напівготове» і «не почате» виробу. По цьому сигналі після першого відрізка техпроцесса почнеться виконання другої частини, а не повторне виконання початку роботи.

Забезпечення повноти системи зведеться до пошуку сигналів або введенню формальних відмінностей (елементів пам'яті), які не дозволять провести ні однієї лінії невизначеності. Точніше, не дозволять провести не самі сигнали, а лінії зв'язку, що зв'язують появу цього сигналу і його зникнення в графі системи. Якщо фізично такий критерій важко встановити або економічно недоцільно контролювати відповідний параметр, то можуть бути уведені елементи пам'яті. Включення елемента - «виконується перша фаза», вимикання елемента - «виконується друга фаза». Тепер, опитуючи елемент пам'яті, система визначить: елемент включений - виконана перша фаза, елемент виключений - завершена друга фаза процесу.

Для тестового приклада, у якому 4 лінії невизначеності, досить увести два елементи пам'яті, що б перекреслити всі лінії невизначеності (мал. 6.15). Кожний новий елемент одержує свій номер і описується в такій же формі «молекули», як і будь-який інший виконавчий пристрій зі своєю інфраструктурою. Правила доповнення системи елементами пам'яті наведене в [4]. Після того, як на графі ПСМ не залишилося ні однієї лінії невизначеності, система стала информационно повної, гарантованої від змін техпроцесса на випадок асинхронної дії всіх пристроїв.

Логічний синтез.

До початку цього етапу Ви вже перетнули екватор завдання й починається поступовий «спуск» до схем і засобів реалізації. Звичайно, чим складніше алгоритм роботи системи, тим більше сил піде на складання логіки взаємодії «молекул». Але є й корисна новина, логічні вираження, складені по графі, виходять у мінімальній формі. Якщо порівнювати з табличним методом, то виграш по складності виражень складе десятки й сотні разів, а в порівнянні із циклограмами не менш 2...5 разів, і це при гарантії коректної роботи для будь-який асинхронности всіх пристроїв.

Складання виражень команд виконується шляхом геометричних побудов на функціональному графі. Для систем, більше складних чим циклові (мультипроцессных і гнучких), правила побудов небагато доповнюються [4, 13]. Розглянемо тестовий приклад, а в ньому два модулі - 1-й і 4-й. Інші вираження складаються аналогічно.

Для команди включення 1-го модуля знаходимо дугу графа, «на якій» виконується ця дія перша дуга технологічного процесу.

Тепер, становимо ламану з відрізків ліній зв'язку, по якій можна перейти з початкової вершини в кінцеву вершину дуги дії 1 (мал. 6.16). Саме складне в правилі те, що йти з однієї вершини в іншу можна тільки по напрямку ліній зв'язку, але, крім останнього відрізка, яким обов'язково є зв'язок становиться команды, що. Для 1-го модуля перехід здійснюється по двох лініях, що починається з 7 і 1. Тепер потрібно відкинути останній відрізок і можна записати вираження команди в₁ <= х₇.

Дія 4-го модулі, відповідно до техпроцессом, виконується за цикл два рази, тому необхідно побудувати дві ламані з відрізків ліній зв'язку, а отримані вираження об'єднати логічним додаванням. Для першої дії 4-го модулі ламана складається із трьох відрізків, а логічне вираження, спочатку, із двох співмножників в₄ <= х₃*х₆. Але друга операція повинна починатися тільки після завершення 1-ой у повному обсязі, а це значить завершення дій і 3-го, і 1-го й 2-го модулів. У такому випадку Ви заміняєте перший співмножник на добуток всіх сигналів, що контролюють завершення операції: в₄ <= х₁ * х₂ * х₃ * х₆. Тепер переходимо до другої дії четвертого модуля й розглядаємо його ламану лінію. Вона теж складається із трьох відрізків - виходить, буде добуток двох сигналів. Оскільки попередня операція містить усього одна дія - включення елемента пам'яті, те перший співмножник заміняти не прийде: в₄ <= х₁ * х₂ * х₃ * х₆+х₇ * х₆.

Аналогічно становимо логічні вираження команд для всіх модулів - і приводів, і виконавчих пристроїв, і технологічних агрегатів, і елементів пам'яті. Для кожного модуля одержимо по двох вираження, перше - включення основної дії, друге - включення зворотної дії. Якщо Вас цікавить моностабильное керування, то правила складання команд наведені в [4]. На цьому логічний синтез завершений.

Моделювання, відповідність структури моделі й структури системи.

Перш, ніж відповідати на це питання, визначитеся із завданнями моделювання. Що Ви хочете в результаті моделювання одержати або побачити? Завдання перевірки логіки дій системи (аналогічна «прогону» виражень СДНФ) уже вирішені «молекулярним» будовою системи. Інформаційна повнота (співпадаючі стани, критичні змагання) забезпечена відсутністю подграфа невизначеності. Відповідність технологічному процесу (дерево досяжності, циклограма роботи) забезпечено послідовним розташуванням дуг функціонального графа і їхнім маркуванням.

Якщо мова йде про пошук формальних помилок, допущених при побудові функціональних модулів, або при логічному синтезі, то для систем з 30...50 модулів «ручний режим» можливий, але не ефективний. Прикладна програма MAS-1.0 дозволяє зробити таку перевірку за 2...3 години й відразу провести корекцію й знову перевірити результат, але одержати його, уже через кілька хвилин.

В «ручному режимі» така перевірка займе кілька днів і вимагає високої кваліфікації розроблювача. Придивитеся уважно, і Ви побачите у функціональному графі весь технологічний процес роботи системи. Тут найдеться місце й циклограмі, і конституентам «0» або «1», і секвенції графа операцій.

Кожна дуга - це одне або кілька паралельних і асинхронних дій, імена яких зазначені в маркуванні. На циклограмі дузі відповідає такт, а в маркуванні позначені ті пристрої, яким відповідають похилі лінії. Причому, якщо лінія йде нагору, те ім'я в маркуванні без інверсії, а якщо долілиць - те зі знаком інверсії. Всі інші пристрої в цьому такті (на дузі графа) зберігають попередній стан. Яке саме - ми побачимо, якщо повернемося по графі назад, до першої появи ім'я, що цікавить нас. Наприклад, у якому положенні модуль 5 під час першої дії модуля 4? Знаходимо першу по графі дугу з ім'ям 4. Починаючи із цієї дуги, вертаємося по графі назад (на 3 дуги), і знаходимо ім'я 5 зі знаком інверсії. Виходить, до моменту першої дії модуля 4 модуль 5 був виключений і перебуває у вихідному або виключеному стані.

Аналогічно, для кожної дуги графа може бути отримана вся інформація про виконувані дії й про стан всіх пристроїв системи. У такий спосіб ми промоделюємо виконання технологічного процесу подачею команд по логічних вираженнях (на початку кожної дуги), дії виконавчих пристроїв (зазначені в маркуванні дуги), спрацьовування датчиків або сенсорів за результатами виконуваних дій (наприкінці дуги), і перехід до наступної операції або до такту (наступній дузі).

Говорячи про відповідність структури моделі структурі системи, якщо розглядати функціональну подібність, то воно виражається в наступному:

состав системи з модулів;

состав кожного модуля;

логічні зв'язки між діями модулів.

Состав системи з модулів формувався при аналізі опису техпроцесса, потім доповнювався при забезпеченні коректності й інформаційної повноти.

Технічний состав кожного модуля підбирався для реалізації певної операції, функції або дії. На такі фрагменти був розділений весь технологічний процес. При цьому визначався виконавчий пристрій - здатне виконати необхідну функцію. До нього підбиралися керуючі пристрої - по типі енергії й потужності, по швидкодії. Для контролю за виконанням дій вибиралися датчики, сенсори або інші засоби контролю. Состав деяких модулів уточнювався, у випадку наявності ліній невизначеності.

Логічні зв'язки між діями модулів отримані в результаті логічного синтезу, методики якого складені так, що некоректне або неповне вираження не може бути отримано - по геометричній побудові. Технічна реалізація логічних зв'язків при цьому підході не обмовляється. Це можуть бути й электрорелейные схеми, і пневмоника, і схеми розподільних клапанів, і контролери, і комбінації всіх перерахованих варіантів. З огляду на мінімальність логічних виражень всі варіанти доступні, і завдання розроблювача запропонувати раціональну комбінацію перерахованих технічних засобів.

Якщо говорити про метафізичну подібність - на рівні агрегатів і з'єднуючих їхніх ліній, або просторовій подібності - подсказывающем компонування встаткування, то воно не більше, ніж при використанні інших підходів структурного синтезу.

Перехід до технічних засобів реалізації.

При такому підході функціональне структурування виконується з першого кроку, а доступні виконавчі пристрої як би самі задають розподіл системи на модулі. Інші технічні засоби закріплюються за окремими модулями, які беруть на себе роль структурних елементів. Застосування такого підходу супроводжується рядом особливостей:

підвищеною складністю формалізації (постановка завдання в «молекулярному» виді),

простота об'єднання сотень асинхронних пристроїв у систему,

мінімальною формою логічної частини системи,

простотою модернізації або доповнення системи.

Коротке резюме: функціональні графи досить ефективні для опису систем, мають відпрацьовані методики для дослідження повноти, коректності, виконання логічного синтезу, моделювання роботи системи. Їхнє застосування для структурного синтезу має ряд особливостей:

явне завдання послідовності операцій техпроцесса;

облік технічних засобів реалізації на всіх етапах;

«молекулярне» будова системи;

однотипний опис циклових, асинхронних і гнучких систем.