Інформаційні і енергетичні потоки в мехатронній системі

Завданням мехатронной системи є перетворення інформації про мету управління, що поступає з верхнього рівня, в цілеспрямований функціональний рух системи з управлінням на основі принципу зворотного зв'язку. Блок-схема, що ілюструє хід енергетичних і інформаційних потоків в мехатронной системі, показана на Рис. 1.7.

Рис. 1.7. Інформаційні і енергетичні потоки в мехатронній системі

Характерно, що електрична енергія використовується в сучасних системах як проміжна енергетична форма. Таким чином, для фізичної реалізації мехатронной системи теоретично потрібні чотири основні функціональні блоки: послідовно сполучені інформаційно-електричний і електромеханічний, енергетичні перетворювачі в прямому ланцюзі і електроінформаційний і механикоинформационный перетворювачі в ланцюзі зворотного зв'язку.

Примітка. Якщо робота силової частини машини з енергетичної точки зору заснована на гідравлічних, пневматичних або комбінованих(наприклад, електрогідравлічних) процесах, то очевидно потрібні відповідні перетворювачі і датчики в ланцюзі зворотного зв'язку.

Проаналізуємо фізичний характер перетворень і структуру традиційної машини з комп'ютерним управлінням з цієї точки зору(Рис. 1.8). Облаштування комп'ютерного управління на підставі вхідної інформації, що поступає з верхнього рівня управління і по ланцюгах зворотного зв'язку від сенсорів, видає в часі на виконавчі приводи електричні сигнали, що управляють. У силових перетворювачах відбувається посилення по потужності цих сигналів, їх модуляція(найширше застосовуються широко-імпульсні модулятори). Потім виконавчі приводи докладають відповідні зусилля(сили і моменти) до ланок механічного пристрою, що в результаті викликає цілеспрямований рух кінцевої ланки машини - її робочого органу.

Рис. 1.8 - Блок-схема традиційної машини з комп'ютерним управлінням(И1-И7 - інтерфейсні блоки)

Для сполучення елементів в систему традиційно вводять спеціальні інтерфейсні пристрої, які на Рис. 1.8 позначені И1-И7.

Розглянемо приклади міжблокових інтерфейсів, які найчастіше зустрічаються в машинах з комп'ютерним управлінням(верстатах з ЧПУ, промислових роботах і т. п.), широко вживаних в автоматизованому машинобудуванні.

Інтерфейс И1 є комплексом мережевих аппаратнопрограммных засобів для сполучення облаштування комп'ютерного управління з комп'ютерною мережею, або це інтерфейс людина - машина, якщо мета управління мехатронной системі задається безпосередньо человекомоператором.

Сучасні людино-машинні інтерфейси виконуються у вигляді пультів і руків'я дистанційного керування(наприклад, для програмування промислових роботів методом навчання), периферійних облаштувань комп'ютерів(клавіатура, монітор, джойстик), сенсорних дисплеїв облаштувань відображення інформації в системах віртуальної реальності(рукавички, шоломи зі вбудованими окулярами та ін.).

Інтерфейс И2 зазвичай складається з цифро-аналогового перетворювача і підсилювально-перетворюючого пристрою і служить для формування електричної напруги, що управляє, для виконавчих приводів.

Інтерфейс И4 на вході облаштування комп'ютерного управління у разі застосування сенсорів з аналоговим вихідним сигналом будується на основі аналого-цифрових перетворювачів.

Інтерфейс И3 є, як правило, механічними передачами, що зв'язують виконавчі двигуни з ланками механічного пристрою. Конструктивно такі трансмісії зазвичай включають редуктори, муфти, гнучкі зв'язки, гальма і тому подібне

Інтерфейси сенсорів И5, И6 і И7 залежно від фізичного характеру вхідних змінних стану системи можна розділити на електричні і механічні. До механічних відносяться приєднувальні пристрої для датчиків зворотного зв'язку приводів(фотоімпульсних, кодових, тахогенераторів, потенціометрів, резольверов), силомоментных і тактильних датчиків, а також інших засобів очувствления і інформації про рух двигунів, ланок механічного пристрою і зовнішніх об'єктів.

Перетворення і передача сигналів про змінні стану системи, які мають електричну природу(наприклад, напруга і струми в силових перетворювачах) здійснюється електричними інтерфейсами.

До їх складу окрім підсилювально-перетворюючих плат входять також сполучні кабелі і комутаційна апаратура.

Важливо відмітити, що зв'язок усіх елементів з облаштуванням комп'ютерного управління передбачає не лише апаратне сполучення, але також і відповідне програмне забезпечення(операційну систему і драйвери) для організації обміну даними в режимі реального часу.

Принципова відмінність мехатронного і традиційного підходів до проектування і виготовлення модулів і машин з комп'ютерним управлінням полягає в концепції технічної реалізації функціональних перетворювачів. При традиційному проектуванні інтерфейси є окремими самостійними пристроями і вузлами. Звичайно це сепаратні блоки, які випускаються спеціалізованими фірмами, але частенько окремі елементи доводиться виготовляти самим користувачам, особливо при сполученні спеціалізованих і нестандартних блоків мехатронной системи.

Виробнича практика показала, що для монтажу і запуску складних комплексів(наприклад, гнучких виробничих систем) підприємства, які, як правило, не мають своїх висококваліфікованих фахівців з системної інтеграції, вимушені звертатися до інжинірингових фірм, тим самим, збільшуючи свої витрати.

Порівнюючи блок-схеми, представлені на Рис. 1.7 і 1.8, можна дійти висновку про те, що кількість перетворюючих(у тому числі інтерфейсних) блоків в традиційній структурі машини з комп'ютерним управлінням надмірно по відношенню до мінімально необхідного числа інформаційно-енергетичних функціональних перетворень. Наявність надмірних блоків призводить до зниження надійності і точності мехатронной системи, погіршенню її массогабаритных і вартісних показників.

Згодне включення «людської ланки» в контур управління робило на систему двоякий вплив. З одного боку, це давало можливість істотним чином підвищити гнучкість і універсальність: система ставала здатною до рішення широкого кола завдань в умовах неповної і невизначеної інформації з навколишнього світу.

З іншого боку, це призводило до збільшення невизначеності поведінки усієї системи в цілому із-за внесення в процес управління непередбачуваних дій оператора, що відповідають його власним цілям і завданням. Спроба усунення суб'єктивних ознак, пов'язаних з присутністю людини-оператора в контурі управління системи, привела до постановки завдання формалізації роботи цієї специфічної ланки, що вносить істотну невизначеність в роботу системи. Усі зусилля, що робилися з цією метою(використовувалися диференціальні і логічні рівняння, моделі станів, ігрові підходи і ін.), виявилися марними.

Перші обнадійливі результати з'явилися завдяки дослідженням, пов'язаним із створенням машинних програм, що імітують творчу діяльність людини. Вони розроблялися у рамках наукового напряму, що дістав надалі назву «Штучний інтелект».

Головною прикладною областю штучного інтелекту стала розробка всіляких систем(так званих інтелектуальних систем), орієнтованих на обробку і використання знань про ту проблемну область, в якій вирішувалося те або інше завдання. Надалі це дозволило остаточно сформулювати концепцію інтелектуальних систем управління, в яких при формуванні дій, що управляють, використовуються механізми обробки знань, організовані із залученням засобів сучасних інформаційних технологій.

Інтелектуальні системи останнім часом стали дуже поширеним комерційним продуктом, що знаходить широкий попит користувачів-фахівців в найрізноманітніших областях инженернотехнической і науково-технічною сфер діяльності.

Концептуальна архітектура будь-якої інтелектуальної(зокрема, експертною) системи загальновідома і містить наступні основні блоки:

– база знань з розвиненими механізмами виведення на знаннях;

– інтелектуальний вирішувач(що формулює постановку і загальний план рішення задачі);

– інтелектуальний планувальник(формулюючий конкретний план рішення задачі);

– система пояснення;

– інтерфейс з користувачем.

Інтелектуальні системи можуть істотним чином розрізнятися по архітектурі і виконуваним функціям, але в них завжди в тій чи іншій мірі є присутніми вказані блоки.