Выбор структуры мехатронного устройства

При проектировании мехатронных систем возникает необходимость распределения функций между механическими и электронными средствами проектируемой системы. Поскольку поставленная задача имеет много вариантов решения, то в качестве обобщенного подхода к решению этой задачи можно предложить использование обобщенной математической модели функционального описания системы, разрабатываемой на основе модульного подхода.

Разобьем анализируемую мехатронную систему на конечное множество функциональных модулей M(m₁, m₂,…m_n). Каждый модуль m_i может быть реализован в виде механического (электромеханического, пневматического, гидравлического) устройства, в виде электронной схемы или в виде программы для ЭВМ. Припишем модулю функцию преобразования некоторого множества входных параметров X(x₁, x₂,…x_n) в множество выходных параметров Y(y₁, y₂,…y_m)

Y=F(X) или , i = 1, 2 … m.

В результате для каждого модуля будет получена система уравнений (их вид может быть любым), описывающих его функции. Взаимодействие модулей осуществляется путем передачи выходных параметров модуля на вход следующего модуля.

Помимо функции преобразования припишем каждому модулю некоторую целевую функцию j_j(a₁, a₂, …a_S), где a_i – некоторые параметры, характеризующие качество модуля (точность, быстродействие, стоимость, затраты на переналадку и др.). Целевая функция будет зависеть от реализации модуля.

Рассмотрим в качестве примера модуль манипулятора, реализующий одну степень подвижности. Такой модуль может быть представлен в виде последовательного соединения устройства управления, исполнительного механизма и контрольно-измерительного устройства обратной связи.

Для исполнительного механизма возможны два случая реализации: гибкая реализация в виде программно-управляемого механизма и жесткая реализация в виде циклового механизма. При гибкой реализации исполнительный механизм будет иметь:

– вход – функция управляющего воздействия,

– выход – функция выходного перемещения.

Функциональное описание модуля манипулятора

, где А – оператор механизма.

На входе исполнительного механизма должна формироваться функция управления , которая определяет требуемую функцию выходного перемещения . Изменяя функцию управления, можно получить любую требуемую функцию перемещения (в пределах технических характеристик механизма).

При жесткой реализации исполнительного механизма

– вход: X = 1 – пуск, X = 0 – стоп,

– выход: .

Заданная функция формируется самим исполнительным механизмом. Изменение этой функции возможно только путем перенастройки (переналадки) исполнительного механизма (в пределах, допускаемых его техническими характеристиками).

Целевая функция Q_i исполнительного механизма может учитывать: допустимость перенастройки механизма; быстродействие; точность; затраты на перенастройку; стоимость и др.

,
где a – коэффициент, учитывающий допустимость перенастройки (0 или 1), t_p – длительность переходного процесса, d – погрешность, С – стоимость, q_н – затраты на перенастройку, Т – срок службы.

Целевая функция мехатронной системы в целом

.

Изменяя распределение функций между элементами и выбор элементов, можно обеспечить максимум целевой функции, что обеспечит оптимальность мехатронной системы для решения поставленной задачи. Предлагаемый подход создает основу для формализованного проектирования мехатронной системы с последующей возможностью автоматизации процесса проектирования.