Основы мехатроники (стр. 2 из 6)

В общем случае в этом этапе различают два самостоятельных этапа – разработку технического проекта по эскизному проекту и разработку рабочего проекта по техническому проекту. В последний и входит вся перечисленная выше рабочая документация.

Не останавливаясь на этапах производства и эксплуатации, рассмотрим особенно важную для разработчика проблему испытаний.

Различают следующие виды испытаний:

- Лабораторные испытания. Они проводятся на всех этапах проектирования причем в более жестких условиях и в большем диапазоне изменений внешних воздействий, чем те, что указаны в техническом задании.

- Совместные испытания. Они проводятся, как следует из их названия, разработчиком и заказчиком совместно обычно в объеме лабораторных испытаний с тем, чтобы определить запасы по сравнению с требованиями, указанными в этих документах. (Перед этим разработчик проводит свои лабораторные испытания в более широких пределах изменения варьируемых параметров, чтобы получить уверенность в положительных результатах предстоящих совместных испытаний.)

- Приемно-сдаточные испытания. Проводятся при производстве на соответствие ТУ.

- Натурные испытания. Эти испытания проводятся как до сдачи мехатронной системы в производство и в эксплуатацию, и максимально приближены к реальным условиям работы при комплексном воздействии большинства реальных возмущений.

- Выборочные (типовые) испытания. Эти испытания проводятся для уточнения результатов предыдущих испытаний опытных образцов и для оценки их надежности.

В ходе производства и эксплуатации мехатронной системы накапливаются статистические данные, на основании анализа которых осуществляется корректировка технической документации. Этот процесс идет все время пока мехатронная система производится и позволяет окончательно «довести», а затем постоянно улучшать её технический уровень, в том числе с учетом возможных изменений требований потребителей. Таким образом процесс создания мехатронной системы продолжается в течение всего времени её производства. На рисунке 1 приведена типовая структура всего процесса проектирования.

Рисунок 1 - Структура процесса проектирования.

Наряду с рассмотренными выше последовательными этапами этот процесс «запараллеливается» путем декомпозиции общей задачи на частные задачи, которые можно решить параллельно. При этом структура решения каждой такой частной задачи в свою очередь содержит все перечисленные выше типовые этапы проектирования. Эти частные задачи решаются по частным техническим заданиям отдельными коллективами специалистов (группы, лаборатории, отделы, специализированные организации) под общим руководством руководителя всего проекта (главный или генеральный конструктор, технический руководитель).

Процесс проектирования наряду с последовательно-параллельной структурой имеет обратные связи, являясь итеративными, т.е. с неоднократным уточненным повторением уже пройденных этапов. К таким обратным связям относятся, в частности, и упомянутые выше корректировки технической документации по результатам испытаний и эксплуатации.

Проектирование новой мехатронной системы – это всегда противоречивая задача для разработчика: с одной стороны, существует естественное стремление использовать все последние достижения науки и техники в данной области, а с другой этому препятствуют многочисленные ограничения по срокам, стоимости, материальным ресурсам и др., оговоренные в техническом задании и еще реально существующие вне их. Выход здесь один – это компромисс в виде оптимальной преемственности с ранее созданными подобными системами и их компонентами. Основным средством для этого является, как известно, унификация. Иногда в техническом прямо оговаривается степень (процент) унификации.

Что касается творческой части проекта, то она заключается в изобретательстве, т.е. в предложении и использовании новых технических идей – способов и устройств для более эффективного решения стоящих инженерных задач.

Хотя изобретательство как всякий творческий процесс не поддается формализации, однако общий порядок и отдельные этапы этого процесса могут быть формализованы, что существенно повышает его эффективность.

Общий порядок изобретательства можно представить так:

- определение к какому роду мехатронная система относится подлежащее созданию новая система (индукция) и построение обобщенной модели систем этого рода;

- выделение из этого рода прототипов того же или близкого назначения и анализ их достоинств и недостатков;

- собственно изобретение – поиск новых вариантов искомого (дедукция);

- сравнительный анализ этих вариантов и прототипов и формулировка новизны окончательного решения рассматриваемой технической проблемы.

Хотя творческий процесс идет подсознательно, можно назвать следующие три типа интуитивного мышления, часто отмечаемые крупными проектантами-практиками:

1. Формирование мехатронных систем с требуемыми новыми свойствами на основе комбинаций известных решений.

2. Поиск нужных идей на основе ассоциаций в окружающем мире, включая живой, т.е. использование решений, существующих в других известных сферах.

3. Создание на основе воображения и фантазии идеализированных образцов желаемых систем и нахождение путей их реализации.

Изобретения могут иметь различную степень новизны, различный уровень от усовершенствования известного прототипа до новой идеи и открытия. Последнее уже выходит за рамки инженерного творчества и относится к творчеству научному. Между научным и инженерным творчеством, как уже упоминалось, имеется принципиальное различие. В науке – это открытия новых фактов и закономерностей, а в инженерно-технической области – это создание на основе этих закономерностей новых образцов техники. Правда, нередко при этом получаются и новые научные данные вплоть до открытий. Наиболее часто это происходит при создании принципиально новых видов техники, что сами по себе должно рассматриваться как научная деятельность, поскольку такие разработки не могут полностью базироваться на научно обоснованных методах расчетов, конструирования и т.д.

1.2 Теоретические основы проектирования мехатронных систем

С позиций кибернетики и прежде всего теории управления проектирование можно рассматривать как процесс управления и соответствующую ему систему управления. Такой системный подход к проектированию технических систем предложено было даже назвать «инженерной кибернетикой». Для теоретического осмысления процесса проектирования и разработки на этой основе инженерных методов проектирования технических систем могут быть применены математический аппарат и методология этих наук: математическое моделирование, методы оптимизации решений, методы управления и исследования больших систем. Действительно, как можно видеть из рисунке 1, система проектирования может рассматриваться как система управления с общей и местными обратными связями, параллельными прямыми каналами и несколькими иерархическими уровнями. Модель такой системы может быть в простейшем случае детерминированной и даже одноконтурной и стационарной, а может быть сетевой, вероятностной, теоретико-игровой, информационной, эвристической.

Сетевые модели, в частности, широко используется для планирования процесса проектирования во времени. Основа сетевых моделей (сетевых графиков) – теория графов. Сетевые модели удобны для оптимизации процесса проектирования (путем сокращения критического, т.е. наиболее длинного пути и выравнивания длин всех параллельных путей). Основные принципы такой оптимизации: распараллеливание работ, распределение ресурсов между ними в пользу критических путей, организационные и технологические изменения работ с целью сокращения их длительности. В информационных моделях процесс проектирования трактуется как процесс переработки информации. В основе эвристических моделей лежат неформализуемые эвристические методы и приемы.

Наиболее важная задача при разработке модели системы проектирования – разбиение ее на части, образующие структурную схему системы проектирования. Здесь необходим системный подход к создаваемой мехатронной системе. Прежде всего анализируются все внешние связи и формализуются в виде входных и выходных воздействий, как положено в теории автоматического управления. Затем выделяются функциональные части с учетом их взаимодействия. В результате составляется структурная схема системы проектирования, включающая все её части и все перечисленные выше этапы процесса проектирования.

Следующая задача – разработка алгоритма процесса проектирования, соответствующего структуре схеме проектирования. Как говорилось выше, этот алгоритм будет обязательно интерактивным. На каждом шаге итерации разработчик ищет возможно наиболее совершенное решение, постепенно уточняя и усложняя задачу. В начале он работает в рамках содержания технической задачи, а заканчивает наиболее полным представлением о модели создаваемой системы в виде рабочего проекта.

Следующая задача процесса проектирования – разработка укрупненного плана решения задачи в виде последовательности действий (этапов) от технической задачи до готового проекта, то есть разработка стратегии проектирования. Для каждого такого действия должна быть выбрана методика. В результате стратегия проектирования представляется в виде совокупности последовательно применяемых методик.

Существует пять основных типов стратегий: линейная, циклическая, разветвленная, адаптивная и случайная. Линейная стратегия состоит из цепочки последовательных действий (этапов), каждое из которых зависит только от результата предыдущего действия и не зависит от последующих. Это наиболее простая стратегия, соответствующая одноконтурной структуре системы проектирования без обратных связей.