Загальні уявлення про мехатронну систему

З приведеного в розділі 1.1 визначень мехатроники виділяється три

її складові частини: механічна, електронна і комп'ютерна. Суть мехатронного підходу полягає в тісному взаємозв'язку вказаних компонентів. Цей взаємозв'язок графічно зображений на Рис. 1.2.

«Родовід«мехатроники(перехід від механіки до електромеханіки і далі через електроніку і мікроелектроніку до мехатронике) добре показаний на Рис. 1.3 і Рис. 1.4.

Рис. 1.2 - Компоненти мехатронных систем

Рис. 1.3 - Розвиток міждисциплінарних наук на основі механіки і електроніки

Рис. 1.4 - Компоненти мехатроники

У приведених графічних представленнях мехатроники не відображена зовнішня оболонка, в якій функціонують мехатронные системи.

На Рис. 1.5 показані складові частини зовнішньої оболонки: «виробництво» «менеджмент» - «вимоги ринку».

Рис. 1.5 - Визначення мехатронных систем

Сформулюємо основні визначення, використовувані при описі структур і принципів побудови мехатронных систем:

Управління - функція організованих систем різної природи(біологічних, соціальних, технічних), що забезпечує збереження їх певної структури, підтримку режиму діяльності, реалізацію їх програм і цілей.

Знання - перевірений практикою результат пізнання діяльності, вірне її відображення в мисленні людини(узагальнення закономірностей, що діють в якій-небудь предметній області).

Мислення - процес відображення об'єктивної дійсності в представленнях, судженнях, поняттях.

Поняття - форма мислення, що відбиває властивості, зв'язки і стосунки предметів і явищ(логічно оформлена думка про клас предметів, що виділяються за певними ознаками).

Об'єкт управління (ОУ) - пристрій, що здійснює технологічний процес, на яке подаються спеціально організовані дії.

Облаштування управління (УУ) - пристрій, що формує дії, що управляють.

Керований об'єкт (УО) або система автоматичного управління (САУ) - сукупність ОУ з УУ(у тому випадку, коли робота ОУ і УУ не може бути представлена окремими моделями), функціонування яких описується єдиною формальною моделлю: УО представляється єдиними блоком, пов'язаним по входах і виходах із зовнішнім середовищем.

У класичній теорії автоматичного управління УО характеризується рядом властивостей: цільовим призначенням, безліччю станів, керованістю, наблюдаемостью, стійкістю і т. д. Перераховані властивості дозволяють уточнити взаємодію УО із зовнішнім середовищем(при цьому знання про характеристики зовнішнього середовища, типах взаємозв'язків і особливостей взаємодії УО із зовнішнім середовищем складають сукупність знань розробника моделі системи управління).

За характером взаємодії УО із зовнішнім світом можна виділити три класу систем:

перший клас - інформаційно ізольовані від зовнішнього світу системи(що не використовують ні інформації, ні взаємодій, окрім тих, що обурюють, з цього світу);

другий клас - інформаційно замкнуті через зовнішній світ системи, що функціонують у технічному(формальному) зовнішньому світі і переробляють інформацію, що поступає з нього;

третій клас - інформаційно пов'язані з реальним зовнішнім світом системи, що функціонують у природному зовнішньому світі і переробляють інформацію, що поступає з цього світу.

Системи першого класу - це ті, для проектування яких і створювалася теорія автоматичного управління(спочатку - теорія регулювання). Об'єктами вивчення теорії автоматичного управління стали регулятори. За допомогою систем такого типу вирішується завдання підтримки(без втручання людини-оператора) на певному рівні

чи в заданих межах необхідних значень фізичних величин, що характеризують певний режим роботи об'єкту. УО, що складається з регулятора і об'єкту регулювання, охоплених зворотним зв'язком, складають систему автоматичного регулювання(САР). Головними завданнями при побудові САР є забезпечення стійкості, необхідних показників якості перехідних процесів і необхідної помилки в режимі, що встановився.

Основу систем другого класу складають автоматичні пристрої, працюючі на принципах обробки дискретної інформації і виниклі з розвитком мереж транспорту і зв'язку. Їх головна особливість пов'язана з необхідністю функціонування в дискретному часі і обробкою дискретних сигналів, що поступають на зовнішні контрольовані входи.

Обурення з технічного зовнішнього світу на УО не поступають, оскільки у технічному світі їх немає(якщо він правильно організований). Дослідження в області аналізу поведінки і синтезу відповідних моделей систем другого класу, що управляють, привели до становлення і розвитку теорії дискретних пристроїв і кінцевих автоматів, на базі якої створювалися різні системи, починаючи від простих автоматів і кінчаючи обчислювальними машинами дискретної дії(не описуваними вже в класі автоматних моделей).

У системах третього класу найважливіша роль відводиться ЕОМ, яка є універсальний перетворювач інформації, здатний обробляти і нечислову інформацію.

На Рис. 1.6 представлена узагальнена структура мехатронной системи третього класу.

Рис. 1.6 - Узагальнена структура мехатронной системи третього класу

При виконанні мехатронной системою заданого функціонального руху об'єкти робіт чинять обурюючі дії на робочий орган. Прикладами таких дій можуть служити сили різання для операцій механосборки, контактні сили і моменти сил при складанні, сила реакції струменя рідини при операції гідравлічного різання.

Зовнішні середовища укрупнено можна розділити на два основні класи: детерміновані і недетерміновані. До детермінованих відносяться середовища, для яких параметри обурюючих дій і характеристики об'єктів робіт можуть бути заздалегідь визначені з необхідною для проектування мехатронных систем мірою адекватності.

Деякі середовища є недетермінованими за своєю природою(наприклад, екстремальні середовища - підводні, підземні і т. п.). Характеристики технологічних середовищ, як правило, можуть бути визначені за допомогою аналитико-экспериментальных досліджень і методів комп'ютерного моделювання.

Наприклад, для оцінки сил різання при механообработке проводять серії експериментів на спеціальних дослідницьких установках, параметри вібраційних дій вимірюють на вібростендах з подальшим формуванням математичних і комп'ютерних моделей обурюючих дій на основі експериментальних даних.

Проте для організації і проведення подібних досліджень частенько потрібно занадто складні і дорогі апаратура і вимірювальні технології. Так, для попередньої оцінки силових дій на робочий орган при операції роботизованого видалення облоя з литих виробів необхідно вимірювати фактичні форму і розміри кожної заготівлі. У таких випадках доцільно застосовувати методи адаптивного управління, які дозволяють автоматично коригувати закон руху мехатронных систем безпосередньо в ході виконання операції(детальніше див. нижче).

До складу типової мехатронной системи входять наступні основні компоненти(Рис. 1.6):

– механічний пристрій, кінцевою ланкою якого є робочий орган;

– блок приводів, що включає силові перетворювачі і виконавчі двигуни;

– облаштування комп'ютерного управління, верхнім рівнем для якого є людина-оператор, або інша ЕОМ, що входить в комп'ютерну мережу;

– сенсори, призначені для передачі в облаштування управління інформації про фактичний стан блоків машини і рух МС.

Таким чином, наявність трьох обов'язкових частин - механічною(точніше, електромеханічною), електронною і комп'ютерною, пов'язаних енергетичними і інформаційними потоками, є первинною ознакою, що відрізняє мехатронные системи.

Електромеханічна частина включає механічні ланки і передачі, робочий орган, електродвигуни, сенсори і додаткові електротехнічні елементи(наприклад, гальма, муфти). Механічний пристрій призначений для перетворення рухів ланок в необхідний рух робочого органу. Електронна частина складається з мікроелектронних пристроїв, силових перетворювачів і електроніки вимірювальних ланцюгів.

Сенсори призначені для збору даних про фактичний стан зовнішнього середовища і об'єктів робіт, механічного пристрою і блоку приводів з подальшою первинною обробкою і передачею цієї інформації в облаштування комп'ютерного управління(УКУ). До складу УКУ мехатронной системи зазвичай входять комп'ютер верхнього рівня і контроллери управління рухом.