Виды моделей

Цели моделирования

Познание. В процессе построения модели познается, как устроен исходный объект. В этом случае модель отражает представление исследователя о существенных факторах, закономерностях и причинно-следственных связях в изучаемом объекте. Правильность представлений проверяется с помощью натурных экспериментов: результаты моделирования сопоставляются с реальными экспериментальными данными.

Предсказание. Модель позволяет предсказать поведение интересующего нас объекта в заданных условиях. Исследуя модели, можно узнать заранее, какими будут реакции объекта на управляющие воздействия. Модель может предсказывать существование у исследуемого объекта оптимальных режимов работы. Можно найти значения параметров, при которых они реализуются. С помощью модели можно исследовать особые режимы работы, которые трудно или опасно изучать на реальном объекте.

Обучение. Модель может имитировать реальный объект, т.е. сохранять дополнительно многие его внешние черты. Модели объектов могут изучаться вместо реальных в учебных лабораториях.

Проектирование. Модель может создаваться как прототип нового устройства. Модели-прототипы используются на ранних этапах создания новых технических систем.

Необходимость замещения или моделирования может быть также обусловлена тем, что реальный эксперимент нецелесообразен (пример – ракета), опасен или вообще неосуществим (глобальное повышение температуры на планете). Благодаря моделированию, ученые заранее предсказали страшную разрушительную силу атомной бомбы, в 80-е годы удалось заранее рассчитать последствия, к которым может привести массовое применение атомного оружия, если начнется противостояние между Россией и СССР. Без моделирования это было бы невозможно. Следовательно, без моделирования проектирование невозможно.

Модели можно разделить на две группы: физические и математические. Первая группа – это предметное моделирование, вторая – абстрактное.

Физическим принято называть моделирование (макетирование), при котором реальный объект заменяется его увеличенной или уменьшенной копией, сохраняющей геометрические пропорции и физические принципы действия. При физическом моделировании используется теория подобия, которая позволяет установить количественные отношения между свойствами модели и реального объекта, границы в которых они сохраняются и, используя эти соотношения, по зависимостям, обнаруженным в модели, строить зависимости, справедливые для реального объекта. При этом может использоваться не одна, а несколько моделей (пример – самолет: кабина пилота и макет для аэродинамической трубы). Физические модели – материальные устройства, которые можно измерить, потрогать и т.д. Применяются, например, для оценки аэродинамических характеристик самолетов и ракет в аэродинамических трубах. Моделирование рек, плотин, ГЭС и т.д.

Аналоговое моделирование основано на замене исходного объекта объектом другой физической природы, поведение которого определяется аналогичными физическими законами. (колебания и резонанс струны и электрического тока).

Математические модели – это абстрактные образы замещаемых объектов. Различают два типа идеального моделирования: интуитивное и знаковое. Интуитивное моделирование используется человеком для предсказания поведения окружающего мира и на компьютере не реализуемо на совр. этапе развития техники. Знаковое моделирование предполагает использование в качестве моделей знаков и символов: схемы, графики, чертежи, тексты, формулы и т.д. Математические модели – виртуальные модели, которые мы не можем потрогать руками. Математические модели описывают входы-выходные зависимости. Задается в виде уравнений статики или динамики. При разработке мат. моделей необходимо исходить из принципа множественности математических моделей (объект рассматривается с различных точек зрения):

- Геометрические модели – описывают форму создаваемого устройства. Можно реализовать анимацию движений устройства. Геометрическое моделирование: можно программно (RobSim, AutoCAD), можно вручную чертить чертежи.

- Модели прочности (сопромат, в данном курсе не рассматривается) – это все то, что позволяет характеризовать объект с точки зрения разрушаемости или неразрушаемости, упругие или пластические деформации.

- Кинематические модели (проволочные стержни, не имеющие веса и объема) – уравнения, описывающие перемещения без силового взаимодействия. На основе кинематических моделей можно создать алгоритмы управления (ПЗК, ОЗК) – эти модели изучаются в курсе компьютерного управления роботов.

- Динамические модели (силовое взаимодействие) – уравнения, описывающие движения робота с учетом его массо-габаритных характеристик и силового взаимодействия. Изучается в курсе моделирования.

- Модели динамики исполнительных подсистем (привод – двигатель, редуктор, электроника) – рассматривается в курсе ТАУ и электроприводов.

- Композиция - при композиции этих моделей получаем единые уравнения управления – уравнения управляемого движения.

Создание этих моделей возможно в САПР или вручную. Расчет этих моделей в современном проектировании должно производиться в САПР. В противном случае это должен делать сам проектировщик, что очень долго, сложно и требует больших знаний в различных областях. В САПР должно быть 6 подсистем, решающих свой класс подзадач.