Математическое моделирование и проектирование систем автоматики

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Р.А. Сажин

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2010

УДК 658.512.22.011.56 С14

Рецензенты:

кандидат технических наук И.Я. Сальников (ЗАО «Энергосервис», г. Пермь);

кандидат технических наук, доцент Б.В. Васильев (Пермский государственный технический университет)

Сажин, Р.А.

С14 Математическое моделирование и проектирование систем автоматики: учеб. пособие / Р.А. Сажин. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 140 с.

ISBN 978-5-398-00523-3

Изложены основные принципы моделирования и проектирования технических объектов, в том числе систем автоматики. Приведены классификационные признаки технических объектов, стадии и этапы их проектирования. Изложены вопросы, связанные с методами и этапами этого проектирования.

Описаны основные методы моделирования, преимущественно математического, в том числе рассмотрены вопросы, связанные с принципами организации анимационного моделирования.

УДК 658.512.22.011.56

1.ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

1.1.Понятие о техническом объекте

Проектирование любых технических систем связано с по-

нятием технического объекта. Под техническим объектом понимают любой материальный объект, созданный руками человека для удовлетворения его жизненных потребностей.

Науке известно, что первым техническим объектом явилась палка, поднятая рукой первобытного человека, вероятно, для защиты от врагов. Вскоре эта палка уже использовалась им как примитивное орудие труда, которым первобытный человек мог не только успешно отбивать нападения соперников или животных, но и ковырять землю в поисках растительной пищи, сбивать плоды с деревьев, возможно, охотиться на животных или ловить рыбу. Возможности этого орудия (технического объекта) намного увеличились после того, как первобытный человек нашел способ заострить один из концов этой палки. С тех пор постоянное совершенствование технических объектов стало жизненной необходимостью не только для первобытного человека в его борьбе с дикой природой, но и для современного человеческого общества. Это совершенствование технических объектов всегда проходит через творческий процесс, являющийся основой технического прогресса, с помощью которого постоянно возрастает жизненный уровень человечества.

Таким образом, любой технический объект является продуктом только человеческой деятельности. Этот объект играет посредническую роль между человеком и окружающей его средой. Технический объект всегда усиливает возможности человека при его воздействии на природу.

Между тем технический объект испытывает на себе двойное воздействие как со стороны человека, так и со стороны

4

самой природы. Природное воздействие всегда отрицательно влияет на технический объект, подвергая его износу, разрушению или старению. Примером тому являются руины древних городов, разрушенные пирамиды египетских фараонов, засыпанные пеплом вулканов населенные пункты или потопленные стихией корабли.

В противоположность этому влияние человека на технический объект всегда положительно, так как он постоянно стремится придать этому объекту такие свойства, которые бы активно сопротивлялись разрушительному действию на него со стороны природы и в то же время наиболее полно удовлетворяли потребности в нем со стороны человека. Удачно сконструированный технический объект успешно служит человеку долгие годы. Пример тому – великолепные древние строения (по сути дела – жилища), созданные творением предшествующих поколений.

Однако внутренние качества любого технического объекта ненадолго удовлетворяют жизненные потребности человека, который в своем стремлении к совершенству предъявляет все новые и новые требования к возможностям этих объектов, в результате чегоонпостоянноих изменяет, тоестьсовершенствует.

Созданный человеком технический объект своими свойствами на некотором отрезке времени его использования удовлетворяет его потребности. Однако за этот период изменяются технические возможности человека при производстве этих объектов, увеличивается уровень знаний самого человека о техническом объекте. Это приводит к появлению новых идей для совершенствования технического объекта. Примером тому является развитие радиоэлектронной техники, которая гением А.А. Попова была создана в форме радиотелеграфа (на примитивном для нашего времени уровне), но постоянное ее совершенствование на протяжении целого века привело ее к небывалому, как нам теперь кажется, совершенству – цифровому телевизору с плоским экраном или помещенному в карман сотовому телефону.

5

С появлением нового технического объекта его старый образец «морально», но не физически устаревает только потому, что его технические свойства намного превосходят те, которые были присущи его старому образцу.

Преобразование человеком технического объекта производится в трех формах: смены, дифференциации и интеграции.

Под сменой технического объекта понимают создание его нового образца с более совершенными техническими параметрами, но успешно выполняющего функции прежнего технического объекта. Например, парусный корабль был заменен более эффективным моторным судном, а конный омнибус (автобус) – электротрамваем и т.д.

При дифференциации технический объект подразделяется на отдельные типы похожих технических объектов, отличающихся некоторым параметром, но выполняющих схожие функции. Так, автомобили делятся на легковые, грузовые и специальные, а внутри каждой из этих групп происходит еще более уточненное деление.

При интеграции технический объект объединяет в своем составе несколько разнотипных технических объектов, возможно, даже с различными техническими свойствами. Примером тому могут служить комбайны различного типа и назначения (от кухонного до угольного или сельскохозяйственного).

1.2. Свойства технического объекта

Каждый технический объект должен обладать общими свойствами, среди которых технические требования; технические параметры; варианты исполнения и элементы исполнения.

Технические требования – это совокупность функциональных свойств, которыми должен обладать технический объект на стадии его замысла. Технические требования формируются на начальном этапе становления технического объекта как совокупность некоторых его качеств, реализация которых

6

позволит преодолеть некоторые противоречия старого технического объекта.

Технические параметры – это совокупность функциональных свойств реального технического объекта после его изготовления. Технические параметры присущи уже реальному техническому объекту (изделию) после его изготовления на экспериментальном (опытном) или серийном (массовом) производстве.

Элементы исполнения – это совокупность многообразия материального воплощения технических требований к техническому объекту в его технические параметры. Например, запись и воспроизведение музыкальных произведений могут быть осуществлены различными способами: механическим, электромагнитным и электронным, для чего требуется соответствующая материальная база, т.е. соответствующие элементы.

Варианты исполнения – это совокупность многообразия структурного сочетания элементов в техническом объекте в процессе его функционирования. Например, такой технический объект, как шариковая ручка, имеет различный вид у разных производителей этого изделия.

1.3. Принципы конструирования технических объектов

При создании любых технических объектов должны соблюдаться следующие принципы их конструирования:

1)целесообразная преемственность отдельных свойств;

2)учет достижений современной науки и техники;

3)принцип адиативности (возможности изготовления);

4)совместимость свойств старого технического объекта с новыми его свойствами;

5)принцип взаимозаменяемости.

Целесообразная преемственность свойств технического объекта предполагает сохранение некоторых качеств предшествующего технического объекта в его новом варианте. На-

7

пример, в большинстве новых автомобилей часто сохраняются некоторые элементы их предшествующих вариантов, и только через несколько поколений эти элементы полностью исчезают. Так, долгое время в конструкции автомобилей сохранялись металлические бамперы, которые со временем были заменены монолитными элементами конструкции кузова.

Учет достижений современной науки и техники предпо-

лагает создание новых образцов технических объектов на основе результатов научных исследований, которые помогают ликвидировать недостатки в их предшествующих образцах. Например, результаты исследований ученых-химиков в области органических химических соединений позволили создать синтетические моторные масла, применение которых способствовало резкому увеличению ресурса и экономичности автомобильных двигателей.

Принцип адиативности заключается в том, что предполагаемое техническое решение в новом техническом объекте должно иметь все предпосылки для его реализации. В истории имелось немало примеров, когда замечательные технические идеи не были в свое время реализованы только потому, что для их изготовления не было необходимых технических средств. Например: не было достаточно прочных и легких материалов для изготовления дирижаблей, вертолетов и подводных аппаратов, предложенных еще Леонардо де Винчи. Подобной оказалась ситуация с космическими кораблями Циолковского.

Принцип совместимости свойств старого и нового технического объекта заключается в том, что сохраненные качества старого технического объекта не должны вступать в противоречие с новыми свойствами в новом техническом объекте. Иными словами, этот принцип предполагает совместимость измененных и повторенных компонентов технического объекта. Например, новая система зажигания автомобиля должна успешно работать при старом аккумуляторе и генераторе тока и должна быть рассчитана на параметры этих сохраненных элементов.

8

Принцип взаимозаменяемости указывает на то, что новое техническое решение, использующее новые компоненты, должно предусматривать их бесконфликтную замену в случае выхода из строя. Например, в случае износа покрышек автомобильных колес всегда предусматривается их замена аналогичными покрышками или похожими по посадочным параметрам. Другой пример показывает возможность замены привода токарного станка на более мощный (но с теми же посадочными параметрами) в случае изготовления деталей из более твердых материалов.

1.4.Стадии воплощения замысла конструктора

вконкретные технические объекты

Смомента формирования замысла конструктора о конкретном техническом объекте до его воплощения в реальное изделие проходит несколько стадий и этапов. Процесс создания реального изделия включает в себя следующие стадии: проектирование, производство, потребление и утилизацию.

Стадия проектирования включает в себя четыре этапа: 1. Поисковые научные исследования.

2. Опытно-конструкторские работы.

3. Производство опытного образца изделия.

4. Испытания опытного образца изделия.

Поисковые научные исследования выполняются с целью получения исходных параметров для формулирования технического задания на проектирование предполагаемого изделия. На этом этапе происходит научное обоснование технических требований к будущему техническому объекту (изделию). Для выполнения этого этапа привлекаются высококвалифицированные научные кадры, способные сформулировать задание на предстоящие исследования, выбрать методику для их проведения и непосредственно их выполнить. Результатом выполнения этого этапа является формулирование технического задания на проектирование нового технического объекта (изделия), в ко-

9

тором должны быть четко определены технические требования к будущему изделию.

Опытно-конструкторские работы представляют собой процесс конструирования изделия, к выполнению которого привлекаются опытные инженерно-конструкторские кадры, способные выполнить проект изделия исходя из полученного на предыдущем этапе технического задания.

Проект состоит из графической части и пояснительной записки. Графическая часть проекта содержит общий вид изделия с дальнейшей детализацией всех узлов. К проекту приложены чертежи всех деталей, входящих в его состав. В пояснительной записке приведены все необходимые сведения о проекте вплоть до расчетов параметров всех его элементов.

После завершения проектных работ и изготовления необходимого числа копий проекта начинается следующий этап – производство опытного образца изделия.

Производство опытного образца изделия выполняется с целью изготовления его реального опытного образца или опытной партии этого изделия. К выполнению этого этапа привлекаются опытные рабочие кадры, способные не только на универсальном оборудовании без специальных технологий изготовить все детали опытного изделия, но и затем успешно собрать его из этих деталей. Изготовление опытного образца производится на опытно-производственной базе проектного предприятия. После успешной сборки опытного образца или всей опытной партии изделия подвергаются всесторонним испытаниям силами персонала испытателей проектного предприятия.

Испытания опытного образца изделия производятся предприятием-проектировщиком с целью определения соответствия технических требований к изделию и его фактических параметров, полученных в результате опытных испытаний. К выполнению этого этапа привлекаются опытные инженерные кадры испытателей, способные обеспечить изделию в процессе его испытания необходимый диапазон реальных нагру-

10