Mekhatronika_KPMO_EMO / Конспект лекций / Лекция 15

11

Лекция 15. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ И СИСТЕМ

Основой метода мехатроники является интеграция составляющих частей, которая закладывается на этапе проектирования и затем реализу­ется в технологических процессах производства и эксплуатации меха­тронных модулей и систем. На современном этапе развития мехатроники особенно актуальным является решение следующих интеграционных задач:

1. Функциональная, структурная и конструктивная интеграция элементов в мехатронных модулях.

2. Аппаратно-программная интеграция исполнительных и интеллектуальных элементов в интеллектуальных мехатронных модулях.

3. Разработка и внедрение гибридных технологий производства интегрированных модулей и машин.

4. Создание информационных сред для поддержки решений междисциплинарных мехатронных задач.

5. Построение математических и компьютерных моделей мехатронных модулей и систем, отражающих их интеграционную специфику.

6. Интеграционные подходы в организационно-экономической деятельности предприятий, выпускающих мехатронные изделия.

7. Междисциплинарная подготовка специалистов, способных к системной интеграции в области мехатроники.

В целом проектирование мехатронных систем является сложной многофакторной проблемой выбора и оптимизации принимаемых техни­ческих и технологических, организационно-экономических и информа­ционных решений.. Остановимся только на одной, но крайне важной проектной задаче - интеграции элементов в мехатронных модулях и машинах.

Узким местом мехатронных модулей и машин являются интерфейсы между составляю­щими устройствами и элементами. Понятие "интерфейс" является ключевым для проектирования мехатронных модулей и систем. В первую оче­редь отметим, что взаимодействие основных устройств в мехатронной системе (см. рис. 3.3) осуществляется не напрямую, а через некоторые соединительные блоки, обозначенные на рисунке стрелками.

С физиче­ской и технической точки зрения это могут быть совершенно различные устройства, однако они имеют одинаковое функциональное назначение. Их главная функция - это выполнение энергетического и информацион­ного обмена между сопрягаемыми структурными элементами системы.

Будем трактовать понятие "интерфейс" примени­тельно к мехатронным системам именно в таком - широком смысле. Место интерфейса в структуре мехатронной системы задается связями с входными и выходными устройствами. Технические характе­ристики интерфейса определяются способом и процедурой передачи (при необходимости - преобразования, хранения и синхронизации) воздейст­вий, сигналов и информации, а также аппаратно-программной реализаци­ей используемых каналов связи. "Проблема интерфейсов" обусловлена многогранностью структур­ного и технологического базисов мехатроники. В табл. 15.1 перечислены основные мехатронные интерфейсы, обозначенные направленными

Табл. 15.1. Основные интерфейсы мехатронной системы

Характеристики интерфейса

Устройство на входе	Устройство на выходе	Передаваемые воздействия/ сигналы/ информация
Человек-опе­ратор или ком­пьютер верх­него уровня	Устройство компью­терного управления (УКУ)	Цель движения
УКУ	Силовые электрон­ные преобразова­тели	Сигналы управления приводами
Силовые элек­тронные пре­образователи	Исполнительные двигатели	Управляющие напряже­ния
Исполнитель­ные двигатели	Механическое устройство	Движущие силы и мо­менты
Механическое устройство	Информационное устройство	Информация о состоя­нии механического уст­ройства
Исполнитель­ные двигатели	Информационное устройство	Информация о состоя­нии двигателей
Информацион­ное устройство	УКУ	Сигналы обратной связи

стрелками в обобщенной структуре мехатронных машин (см. рис. 3.3).

Как следует из приведенной таблицы, многочисленные интерфейсы в мехатронной машине связывают устройства различной физической природы (механические, электронные и информационные), что предо­пределяет их конструктивную и аппаратно-программную сложность. При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой самостоятельные устройства и узлы. Обычно это блоки, которые выпускаются специализированными фирмами, но многие интерфейсы приходится раз­рабатывать и изготовлять самим пользователям. Например, в машине с компьютер­ным управлением по трем координатам, построенной на традиционных приводах, только для связи основных устройств необходимо соединить порядка 100 сигнальных и силовых проводов. Опыт эксплуатации ком­плексных машин и систем показывает, что до 70 % проблем их функцио­нирования связаны с надежностью связей и соединений.

Суть мехатронного подхода состоит в объединении элементов в ин­тегрированные модули уже на этапах проектирования и изготовления, освобождая таким образом конечного потребителя от решения "пробле­мы интерфейсов" при эксплуатации мехатронной машины.

Достоинства: интегрированные мехатронные модули и машины отличаются по­вышенной надежностью, устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям, точностью выполнения движений, модульностью и ком­пактностью конструкции. С точки зрения потребителя - это целостные изделия, удобные при настройке и программировании движений. Интег­рированные решения, в конечном счете, экономически выгодны для по­требителя, так как машина принимается "под ключ", упрощается ее сер­вис и повышается ремонтопригодность.

Недостаток: системы с глубокой степенью интеграции элементов являются менее гибкими, т.е. имеют ограниченные возможности для модернизации и реконфигу­рации. Поэтому мехатроника предлагает конечным потребителям меха­тронные модули различного уровня интеграции, что позволяет находить разумный компромисс для конкретных задач автоматизации.

Идея интеграции широко используется в инженерной практике при проектировании устройств и систем самого различного назначения. Ха­рактерным примером реализации этой инженерной идеи в бытовой тех­нике является мобильный телефон - современное цифровое устройство, в котором объединены телефон, компьютер, аудио-плеер, радиоприемник, диктофон, магнитофон, фото и видеокамеры. Оче­видны преимущества этого комбинированного устройства - многофунк­циональность, компактность, выигрыш в цене по сравнению с покупкой всех компонент отдельно, пользователь освобожден от проблем с под­ключением кабелей и разъемов. Однако покупатель должен четко отда­вать себе отчет в том, что это система негибкая, отдельные ее компонен­ты нельзя заменить и модернизировать, все они могут эксплуатироваться и ремонтироваться только совместно.

Решение "проблемы интерфейсов" в мехатронике можно трактовать как задачу минимизации структурной сложности мехатронной системы. Структурная сложность комплексных систем в общем случае определя­ется количеством соединяемых элементов, числом и интенсивностью их взаимосвязей .

В основе рассматриваемого подхода лежат три фундаментальных направления теории системного проектирования сложных систем:

- функционально-структурный анализ и эволюционный синтез сложных технических систем;

• методология параллельного проектирования систем;

• структурный синтез и оптимизация технических систем по крите­риям сложности.

Кратко рассмотрим ключевые положения перечисленных направле­ний.

Функционально-структурный подход базируется на идее приоритета функции системы над ее структурной организацией. Задачей проекти­ровщика является определение такой структуры, которая позволит сис­теме выполнять предписанные функциональные задачи с максимальной эффективностью по выбранным критериям качества. Ме­тод эволюционного синтеза предусматривает нахождение рациональных решений путем многоэтапной процедуры оптимизации. Поиск вариантов производится из базы перспективных структурных решений, которая от­крыта для развития и имеет иерархическую структуру. Проектирование мехатронных сис­тем на основе эволюционного метода позволяет повысить качество про­екта и снизить требования к интуитивным способностям разработчика.

Методологической основой разработки мехатронных систем служат методы параллельного проектирования. При традиционном проектирова­нии управляемых машин разработка механической, электронной, инфор­мационной и компьютерной частей ведется последовательно и независи­мо друг от друга (рис. 15.1).

1	Проектирование механического устройства
2	Выбор двигателей и проектирование силовых преобразователей
3	Проектирование управляющих и информационных устройств

Рис. 15.1. Традиционный алгоритм проектирования

Задачами системной интеграции занимается разработчик системы управления. При этом его возможности крайне ограничены, так как ос­новные конструкторские решения уже приняты на предыдущих этапах. Выбранные двигатели и механические устройства образуют так называемую "неизменяемую часть", состав и характеристики которой нельзя корректировать при разработке электронной и

управляющей частей сис­темы. Методология параллельного проектирования заключается в одно­временном и взаимосвязанном синтезе всех устройств мехатронной сис­темы (рис. 15.2).

Она предусматривает четыре взаимосвязанных этапа:

Рисунок 15.2.- Алгоритм параллельного проектирования мехатронных систем

• определение функций мехатронных модулей на основе анализа исходных требований к мехатронной машине;

• функционально-структурный анализ с целью выбора структуры всех мехатронных модулей и формирование структурной модели системы;

• структурно-конструктивный анализ и конструирование модулей, формирование конструктивной модели системы;

• планирование и оптимизация функциональных движений, разработка программ движения машины и ее модулей.

Следует отметить, что все проектные этапы имеют циклический ха­рактер, что подчеркнуто наличием обратных стрелок на рис. 15.3. Напри­мер, на втором этапе прямая задача состоит в определении структуры модулей по заданной функциональной модели. Но верна и обратная за­кономерность, когда структурные модификации приводят к изменению функциональных возможностей системы.

Процедура проектирования интегрированных меха­тронных модулей и машин представлена на рис. 15.3.

Рисунок 15.3 Процедура проектирования интегрированных мехатронных модулей и машин

Пример: Функциональная модель (F-модель) очистного комбайна, обеспечивающего отбойку и погрузку горной массы, формулируется как:

1) перемещение всего комбайна вдоль очистного забоя по координате Х (параметры - скорость перемещения, мощность привода перемещения);

2) авторегулирование скорости перемещения (обратная связь – нагрузка привода резания)

3) вращение исполнительных органов (параметры – частота вращения, параметр мощность привода резания);

4) перемещение исполнительных органов по координате Y, т.е. регулирование по границам «уголь-кровля» и «уголь-почва» (параметры – скорость перемещения, расход и давление в гидросистеме, мощность привода гидросистемы);

5) авторегулирование положения исполнительных органов по координате Y (обратная связи – крепость разрушаемой горной массы для работы без присечек, и положение крепи по координате Y для обеспечения геометрической проходимости комбайна);

6) диагностика собственного состояния (параметр – время обнаружения отказа);

7) информационное взаимодействие с крепью.

Структурная модель (S-модель) механизма перемещения с некоторыми упрощениями приведена на рисунке 15.4.

Привод подачи включает в себя:

- два идентичных мехатронных узла МУПП₁ и МУПП₂, состоящих из электромеханического преобразователя ПЭВ (асинхронный электродвигатель), механического преобразователя ПВВ (редуктор), механического преобразователя ПВП (кинематическая передача цевочная звезда - цевочная рейка);

- преобразователь электрический ПЭЭ (преобразователь частоты по схеме с автономным инвертором);

- управляющий модуль УМ;

- коммуникационные модули КМ₁ и КМ₂.

Рисунок 15.4 – S-модель мехатронного узла привода подачи

Входной функцией для привода подачи является электрический сигнал, выражаемый функцией ε_вх, выходной – механическое поступательное движение, выражаемое функцией μ_вых, таким образом, привод подачи преобразует электрическую энергию в тяговое усилие очистного комбайна с регулированием по управляющему сигналу U_зад.

Информационная компонента в данной S-модели представлена модулями УМ, КМ₁ и КМ₂. Модуль КМ₂ преобразует сигналы о состоянии приводов в последовательный код i₁ (шина данных), данный код транслируется модулю КМ₁, преобразующему код i₁ в служебный код i₂ модуля УМ.

Модуль УМ преобразует код i₂ в синусоидальный сигнал задания выходного напряжения U_зад, который описывается следующей системой уравнений:

(15.1)

Здесь: k₀ – сигнал заданного оператором значения скорости подачи; I₁, I₂ – сигналы нагрузки двигателей подачи; I_р1, I_2р – сигналы нагрузки двигателей резания; k₁ и k₂ – сигналы частоты вращения цевочной звезды; t₁ и t₂ - сигналы нагрева обмоток статора двигателей подачи; t₀ – предельный нагрев.

Таким образом, УМ в данном случае выполняет функции авторегулятором скорости подачи по двум контурам – нагрузке двигателей подачи и двигателей резания, с ограничениями по предельному нагреву статора двигателей подачи и рассогласованию угловых скоростей цевочных звезд.

Электронная компонента представлена модулем ПЭЭ. Входная функция ε_н, имеет значения напряжения U_с и частоты f_с сети и преобразуется ПЭЭ в электрический сигнал ε₁ с переменными значениями U и f, которые формируются при сравнении синусоидального сигнала переменной частоты U_зад с пилообразным сигналом постоянной (несущей) частотой U_нес. Выходные сигналы преобразователя U и f связанны с сигналами на его входе следующими зависимостями:

(15.2)

Электротехническая компонента представлена модулями ПЭВ_i. Электрическая энергия ε₁ со значениями U и f, преобразуется в механическое вращательное движение – интерфейс ω_i1, характеризующийся моментом М_дi и угловой частотой n_дi. Зависимость выходных параметров модулей ПЭВ_i от входных описывается системой уравнений:

i=1,2

(15.3)

Механическая компонента представлена модулями ПВВ_i и ПВП_i. Модули ПВВ_i преобразуют интерфейс ω_i1, в интерфейс ω_i2 – вращательное движение во вращательное движение с другими параметрами. Механическое вращательное движение преобразуется модулями ПВП_i в механическое поступательное – функция μ_i. Тяговое усилие реализуется при сложении сил, создаваемых МУПП. Математическое описание механической компоненты может быть представлено следующими уравнениями:

i=1,2

(15.4)

Здесь: u – передаточное число редуктора; v – скорость подачи; r_ci, r_ki - приведенные силовой и кинематический радиусы движителей; N_i – тяговое усилие каждого из МУПП; N – общее тяговое усилие.

Управляющий сигнал для привода подачи, задаваемый либо человеком-оператором при автономной работе ОК, либо управляющим модулем ОК при работе комбайна в системе - сигнал заданной скорости k₀. Влияние внешней среды учитывается параметрами I_р1, N. Привод подачи имеет фиксированные ограничения - U_с, U_нес, f_с, t₀, u. Эти величины являются исходными данными для решения системы уравнений, в результате чего определяются основные параметры М_дi, n_дi, N_i, n_i, U, U_зад, f, v, а также связанные с ними сигналы обратной связи k_i, I_i, t_i.