Этапы проектирования мехатронной системы с МПК

Процесс проектирования мехатронной системы с микропроцессорным контроллером

В общем случае процесс проектирования мехатронной системы с МПК с точки зрения создания ее программного и алгоритмического обеспечения можно изобразить в виде схемы на рис.1, содержащей семь основных этапов. Рассмотрим их, отметив в скобках их возможное соответствие реальным этапам разработки изделия.

Этап 1. Анализ технического задания (аван-проект).

Содержанием этапа является:

- определение структурного построения мехатронной системы;

- определение функционального построения мехатронной системы;

- выбор элементной базы системы, в том числе выбор МПК;

- определение перечня корректирующих устройств и законов управления, которые предполагается реализовать в МПК.

Этап 2. Синтез мехатронной системы (эскизный, технический проекты).

Этап синтеза (в широком смысле) можно представить в виде пяти шагов:

- энергетический расчет силовой части мехатронной системы;

- разработка математической модели неизменяемой части мехатронной системы;

- «ручной» синтез (синтез в узком смысле) мехатронной системы;

- моделирование мехатронной системы;

- разработка блок-схемы алгоритмического обеспечения мехатронной системы.

Содержанием первого шага является окончательный выбор исполнительного устройства, рассмотренного на этапе анализа технического задания.

Второй шаг состоит в разработке простейшей математической модели для проведения «ручного» синтеза без учета всех особенностей, вносимых МПК. Естественным представляется вариант создания модели в виде структуры с фазовыми координатами.

Третий шаг представляет собой синтез линейной системы традиционными «ручными» методами, например, частотными, желательно с применением программного обеспечения для автоматизации расчетов и построения «точных» частотных характеристик (например, с помощью программы «Matcad»). Из всех особенностей, вносимых МПК в динамику системы, здесь целесообразно учитывать только квантование по времени. Шаг заканчивается определением передаточных функций корректирующих устройств и законов управления исполнительным устройством, которые являются исходной точкой для последующего моделирования.

Четвертый шаг состоит в моделировании мехатронной системы с МПК с помощью программной модели, реализованной на персональном компьютере. Обязательным условием адекватности модели реальной системе является отражение особенностей, вносимых МПК:

- квантования по времени;

- квантования по уровню;

- ограничения разрядной сетки в МПК и в периферийных устройствах, например в АЦП и ЦАП.

В силу этого процессы, происходящие в МПК, необходимо моделировать в виде кодов с целочисленными значениями. Кроме этого в случае использования маломощного МПК может возникнуть необходимость моделирования времени выполнения управляющей программы МПК.

По существу программная модель представляет собой средство разработки мехатронной системы с МПК, без которого не возможно спроектировать полноценное программное обеспечение для нее.

Возможно два варианта создания программной модели. Первый состоит в использовании универсальных прикладных пакетов моделирования систем автоматического управления, например, Matlab фирмы MathWorks. К сожалению, в большинстве случаев прикладные пакеты не позволяют в полной мере смоделировать все особенности «сложных» мехатронных систем. Однако последние версии Matlab (6.5 и 7) уже в значительной мере удовлетворяют потребностям высокоточных систем. Тем не менее, недостатком такого подхода является, как правило, отсутствие информации о допущениях, принятых в модели, и о пределах ее реальных возможностей, что может приводить к искаженным результатам. Второй вариант состоит в создании собственной программы моделирования («под себя») для конкретной мехатронной системы. Этот вариант в принципе позволяет исследовать все тонкости мехатронной системы, но и более трудоемок, чем первый вариант.

Пятый шаг состоит в разработке блок-схемы алгоритмического обеспечения мехатронной системы. Блок-схема представляет собой графическое отображение программно-аппаратной реализации структурного построения мехатронной системы в виде взаимодействия источников прерываний и программ обработки этих прерываний. Блок-схема служат исходным материалом для разработки управляющей программы МПК.

Этап 3. Разработка программы настройки и контроля мехатронной системы (технический, рабочий проекты).

Целью разработки программы настройки и контроля мехатронной системы является создание средства, позволяющего автономно (вне изделия) через персональный компьютер отлаживать и контролировать работу мехатронной системы с МПК, причем без «перепрошивки» ПЗУ в случае изменения параметров корректирующих устройств, и по командам, имитирующим работу изделия.

Этап 4. Разработка управляющей программы МПК (рабочий проект).

Целью разработки управляющей программы МПК является программная реализация корректирующих устройств и законов управления МПК. Очевидно, что между управляющей программой МПК и программой настройки и контроля должно существовать однозначное соответствие.

Эта п 5. Отладка мехатронной системы с МПК с помощью контрольно-проверочной аппаратуры (автономные испытания).

Целью этапа является предварительная отладка программно-аппаратного обеспечения мехатронной системы. По результатам этого этапа возможна доработка программного обеспечения мехатронной системы.

Этап 6. Отладка мехатронной системы с МПК в составе изделия (испытания в составе изделия).

Целью этапа является окончательная отладка программно-аппаратного обеспечения мехатронной системы.

Этап 7. Сдача заказчику (натурные испытания).

Целью этапа является сдача мехатронной системы заказчику.

Среди вышеперечисленных этапов наибольший интерес для проектирования алгоритмического и программного обеспечения мехатронной системы представляют этапы 3 - 5, которые в основном далее и рассматриваются.

Дата добавления: 2014-12-16