11056

Основы проектирования интегрированных мехатронных модулей и систем

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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 мехат...

Русский

2013-04-03

734 KB

52 чел.

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 εвх, выходной – механическое поступательное движение, выражаемое функцией μвых, таким образом, привод подачи преобразует электрическую энергию в тяговое усилие очистного комбайна с регулированием по управляющему сигналу Uзад.

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 Uзад, который описывается следующей системой уравнений:

 

(15.1)

Здесь: k0 – сигнал заданного оператором значения скорости подачи; I1, I2 – сигналы нагрузки двигателей подачи; Iр1, I – 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 εн, имеет  значения напряжения Uс и частоты fс  сети и преобразуется ПЭЭ в электрический сигнал ε1 с переменными значениями U и f, которые формируются при сравнении синусоидального сигнала переменной частоты Uзад с пилообразным сигналом постоянной (несущей) частотой Uнес. Выходные сигналы преобразователя U и f связанны с сигналами на его входе следующими зависимостями:

 

(15.2)

Электротехническая компонента представлена модулями ПЭВi. Электрическая энергия ε1 со значениями  U и f, преобразуется в механическое вращательное движение – интерфейс ωi1, характеризующийся моментом Мдi и угловой частотой  nдi. Зависимость выходных параметров модулей ПЭВi от  входных описывается системой уравнений:

  i=1,2

(15.3)

Механическая компонента представлена модулями ПВВi и ПВПi. Модули ПВВi преобразуют интерфейс ωi1, в интерфейс ωi2 – вращательное движение во вращательное движение с другими параметрами.  Механическое вращательное движение преобразуется модулями ПВПi в механическое поступательное – функция μi. 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; rci,  rki - приведенные силовой и кинематический радиусы движителей;  Ni – 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 Iр1, N. Привод подачи  имеет фиксированные ограничения -  Uс, Uнес, fс, t0, u. Эти величины являются исходными данными для решения системы уравнений, в результате чего определяются основные параметры Мдi, nдi, Ni, ni, U,  Uзад,  f,  v,  а также связанные с ними сигналы обратной связи ki, Ii, ti.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

118. Визначення найменування і тактової частоти процесора 632 KB
  Дана лабораторна робота написана на мові Delphi 7 на тему Визначення найменування і тактової частоти процесора. Зміст роботи: Постановка задачі. Теоретичні відомості. Опис алгоритму. Керівництво програмісту. Керівництво користувачеві. Приклад роботи програми. Програмний код програми. Висновок про виконану роботу. Використана література, або інші джерела.
119. Теорія інформації 184.5 KB
  Мета процесу кодування інформації: за одиницю часу передати більше інформації. Конвенціональність кодування (одну й ту ж інформацію можна кодувати різними способами).
120. Системний аналіз - Календарне планування. Розрахунок мережевої моделі 56.5 KB
  Розрахунок мережевої моделі дозволяє визначити критичні та некритичні операції. Операція критична, якщо затримка початку її виконання або збільшення тривалості приводить до збільшення тривалості програми в цілому. В противному випадку – некритична операція, характеризується тим, що різниця в часі між пізнім закінченням і раннім початком більша ніж тривалість операції. Виникає резерв часу, який може бути використаний з точки зору оптимізації ресурсів.
121. Системний аналіз - Матричні ігри 94.5 KB
  Системний аналіз - матричні ігри. Точка мінімаксу визначаєтьсяі як найнижча точка огинаючої зверху.
122. Завдання для контрольної роботи по курсу Основи системного аналізу об’єктів та процесів комп’ютеризації 235.5 KB
  Контрольна робота складається з двох частин: теоретичної та практичної. I. В теоретичній частині потрібно дати розгорнуту відповідь на одне з наступних питань відповідно варіанту. II. В практичній частині необхідно розв’язати наступні задачі.
123. ПРИЙНЯТТЯ РІШЕНЬ В УМОВАХ НЕВИЗНАЧЕНОСТІ 195.5 KB
  Якщо існування функцій розподілу ймовірностей, які характеризують степінь неповноти або неточності інформації про вихідні дані задачі прийняття рішень не гарантується, то таку ситуацію класифікують як прийняття рішень в умовах невизначеності.
124. АНАЛІЗ КОНФЛІКТНИХ СИТУАЦІЙ. ЕЛЕМЕНТИ ТЕОРІЇ ІГОР 295.5 KB
  В теорії ігор супротивники – гравці. Кожен з гравців має деяку множину (скінченну або нескінченну) можливих дій (стратегій). Результати в грі задаються функціями, що залежать від стратегій кожного з гравців. Гра з двома гравцями, у якій виграш одного з гравців дорівнює програшу другого, називається грою з нульовою сумою. У такій грі достатньо задати результати у вигляді платежів одного з гравців.
125. Основы гражданской обороны. Структура и место в обществе 186 KB
  Концепция современной войны значительно уменьшает вероятность ковровых бомбежек с массовым поражением населения и огромными разрушениями жилого фонда, что требовало эвакуации граждан в пригородную зону.
126. Основные понятия системного анализа и его критерии 540.5 KB
  Системный анализ - наука, занимающаяся проблемой принятия решения в условиях анализа большого количества информации различной природы. Из определения следует, что целью применения системного анализа к конкретной проблеме является повышение степени обоснованности принимаемого решения, расширение множества вариантов, среди которых производится выбор, с одновременным указанием способов отбрасывания заведомо уступающим другим.