Основные показатели качества мехатронных систем

В мехатронных системах автотранспортных средств функционирование осуществляется без непосредственного участия человека. Потому к ним предъявляется много требований, в том числе и таких, которые предъявляются к неавтоматизированным техническим изделиям. Основными из них являются:

- обеспечение желаемого процесса управления и стабилизации на всех эксплуатационных режимах;

- обеспечение высокой эксплуатационной надежности, минимальной массы и габаритов системы;

- удобство технического обслуживания;

- минимальная стоимость и т.д.

К некоторым системам может быть предъявлен ряд дополнительных специфических требований. Выполнение основных требований можно охарактеризовать количественными показателями. Следовательно, каждый из них может рассматриваться как частный показатель качестваа системы.

Как основные, так и частные показатели качества системы, которые входят в общий показатель эффективности (2.1), должны быть выбраны так, чтобы при приближении мехатронной системы к оптимальной все они повышались или снижались. В этом случае общий показатель эффективности для оптимальной системы будет иметь соответственно максимальное или минимальное значение. Например, если у оптимальной системы общий показатель эффективности должен быть минимальным, то показатели качестваа могут быть выбраны так: ошибка системы, масса, стоимость и другие частные показатели качества, значения которых снижаются при приближении системы к оптимальной. Если при этом учитывается надежность системы, то для ее оценки необходимо брать не вероятность безотказной работы, а вероятность отказов, поскольку у оптимальной системы вероятность отказов должна быть минимальной.

Рассмотрим подробнее основные частные показатели (критерии) качества систем на примере систем автоматического управления (САУ).

Качество процесса управления, y₁.Этот показатель состоит из ряда оценок, таких как ошибка в постоянном режиме, перерегулирование, время переходного процесса, независимость регулируемой величины от возмущений и т.д. Одновременное обеспечение высоких показателей качества процесса управления по всем показателям часто встречает затруднения. Например, желание обеспечить высокую точность в постоянном режиме принуждает создавать астатические системы. Однако при этом увеличивается время переходного процесса. В настоящее время, например, в теории автоматического управления, существует математический аппарат, который позволяет проводить синтез систем, исходя из условия обеспечения минимального значения некоторого обобщенного показателя качества процесса управления.

Как обобщенный абсолютный критерий оценки качества процесса управления при определении эффективности систем принимают некоторый функционал

y₁ = J(x₁, x₂,., x_n),

где - х_i -регулируемые параметры i=1,n.

Лучшей будет та система, в которой значение функционала y₁ является минимальным. В отдельных случаях функционал может вырождаться в одну величину, например во время регулирования (при отсутствии перерегулирования). Максимально допустимое значение функционала обусловливается конкретными требованиями, исходя из назначения системы.

Надежность, у₂. Любая система должна быть надежной в эксплуатации. Надежность системы может оцениваться значением интенсивности отказов за время определенный эксплуатации. Лучшей будет та система, у которой частота отказов будет наименьшей, а вероятность безотказной работы - наибольшей. Максимально допустимая частота отказов определяется исходя из конкретных условий эксплуатации данной системы.

Масса, у₃,и габариты y₄.Они являются одними из основных показателей качества системы. Как правило, во всех случаях они должны быть минимальными. Максимально допустимые масса и габариты устанавливаются исходя из конкретных условий. Особенно жесткие требования предъявляются по отношению к системам управления, которые размещаются на транспортных средствах.

Удобство технического обслуживания, у₅. Оценка этого показателя тесно связана с оценкой эксплуатационной надежности. Цель технического обслуживания - привести систему в рабочее состояние, при котором вероятность возникновения отказа сводится к минимуму. Удобство технического обслуживания может быть оценено по среднему времени, потраченному на приведение системы в рабочее состояние за определенный отрезок времени эксплуатации системы. Качество системы будут тем выше, чем меньше время, необходимое на ее техническое обслуживание.

Эргономичность системы, у₆. Системы “человек - машина” принадлежат к эргатическим системам, в которых необходимым звеном является человек - оператор или группа операторов. В эргатических системах под машиной имеется в виду любое техническое устройство, предназначенное для превращения информации, энергии или материи. Мехатронные комплексы целесообразно рассматривать как машины эргатической системы, поскольку их эксплуатация осуществляется человеком, несмотря на то, что человек не включен в их замкнутый контур. В эргатической системе должны быть обеспечены совместимость человека и машины, то есть характеристики машины должны быть согласованы с психофизиологическими характеристиками человека. В общем случае различают следующие виды совместимости:

а) информационная- согласование характеристик машины z₁ (например, скорости выдачи информации, форм представления исходной информации и т. д.) с характеристиками человека по приему, хранению, переработке и передаче информации;

б) энергетическая - согласование силовых и мощностных характеристик машины z₂ (например, усилие на рукоятках управления) с силовыми и мощностными характеристиками человека;

в) пространственно-антропометрическая- согласование пространственного расположения органов управления и рабочего места оператора z₃ с антропометрическими характеристиками человека;

г) биофизическая- согласование параметров микроклимата, который создается работой машины z₄ (например, температуры, влажности, вибрации, шума и т.д.), с физиологическими характеристиками человека;

д) технико-эстетическая - обеспечение художественно-эстетического оформления машины и рабочего места z₅ в соответствии с высоким художественным вкусом человека.

Каждая из характеристик z₁ - z₅ машины определяется комплексом переменных (непрерывных или дискретных параметров). Например, информационная характеристика z₁ определяется скоростью выдачи информации: световой z₁₁, звуковой z₁₂, видом кодировки z₁₃, способом отображения исходной информации z₁₄ и т. д.:

z₁ = ₁ (z₁₁, z₁₂,…, z_1m),

где т - число параметров, которые учитываются.

Совместимость машины и человека в эргатической системе заключается в том, что параметры характеристик машины должны лежать в определенных границах

z_нki ≤z_ki z_вki,

где к- номер характеристики по виду совместимости;

i - номер параметра к-й характеристики;

z_нki, z_вki нижняя и верхняя допустимые границы изменения параметра Z_ki, которые определяются допустимыми значениями параметров соответствующих характеристик человека. Например, скорость выдачи машиной световой информации должна быть от z_н11 = 2 біт/с до z_в11 =45 біт/с, звуковой информации от z_н12=0,6 біт/с к z_в12=8 біт/с, а усилие на рукоятках управления машиной от z_н13 = 0.45 кГ до z_в13 = 30 кГ.

Для оптимальной эргатической системы параметры характеристик машины, которые учитываются при обеспечении совместимости, должны отвечать оптимальным параметрам соответствующих характеристик человека:

z_ki = z_kiопт, k= (1, 5), i = (1,m_k) (4.3)

где m_k -число параметров, которые учитываются в к-й характеристике;

z_kiопт - оптимальное значение i-го параметра к-й характеристики человека.

Оптимальные параметры человека z_kiопт определяются как среднестатистические на основании обработки результатов исследования большого числа операторов, которые работают с данным классом систем. Оптимальные значения z_kiопт разные для разных классов систем. Например, для САУ z_11опт = 5 біт/с, z_12опт = 1 біт/с, z_13опт = 5 кГ.

Эргономичная эффективность системы оценивается эргономичной функцией W, зависимой от параметров характеристик машины z_k. Эргономичность машины как степень выполнения эргономичных требований оценивается отношением

h = ,

где W_П - потенциальная эргономичная функция, которая получается при полном соответствии характеристик машины оптимальным характеристикам человека.

Эргономичная функция W является сложной и для большинства типов машин пока неизвестная. Потому на практике эргономичность машины оценивают частными характеристиками:

h_ki = _.

Распространенным частным показателем качества инженерного решения по эргономичности, который применяется для оценки эффективности системы Е, выступает среднеквадратичное отклонение фактических параметров системы или изделия от оптимальных:

y₆ = , k = (1,5),

где = .

Лучшей по эргономическому показателю качества будет та система, для которой значение y6 является минимальным.

Стоимость, у7. Она является одним из основных показателей, которые влияют на выбор варианта системы (инженерного решения) для реализации, поскольку автоматические системы и сложные технические изделия являются достаточно ценными. В стоимость системы включается не только стоимость ее элементов, но и непосредственные расходы на разработку, внедрение и эксплуатацию системы. Стоимость непосредственно учитывается при оценке экономической эффективности системы. Она занимает особенное место среди других частных показателей качества системы и по другим причинам. Значительная часть частных показателей качества y1-y6 слабо связаны между собой и при малых изменениях могут рассматриваться независимо друг от друга, однако ни один из них не может рассматриваться независимо от стоимости. Потому в тех случаях, когда нужно особенно подчеркнуть роль стоимости как частного показателя качества системы, будем помечать ее не y7, а через С.

Кроме рассмотренных частных показателей качества систем при их разработке и модернизации могут учитываться и другие показатели, характерные для данной системы и разрешимого задания. Если эти показатели поддаются измерению, то они рассматриваются как основные и входят в линейную функцию общего показателя эффективности системы Е (2.1) как линейные члены со своими весовыми коэффициентами и ограничениями. Например, при серийном производстве большое значения приобретает трудоемкость настройки блоков и каналов системы. Показатель трудоемкости налаживания оценивается временами настройки блока или всей системы после модернизации - y₈. Как ограничение может быть принятое заданное максимальное время настройки y_8max или время, которое было нужно для настройки до модернизации. Лучшей будет система, для которой y8 имеет минимальное значение.

При разработке и модернизации инженерных решений также учитывается ряд специфических частных показателей качества, которые не поддаются измерению. Например, при модернизации часто выдвигается требование взаимозаменяемости модернизируемых и немодернизируемых блоков, отказы от применения дефицитных в настоящее время комплектующих элементов и т.д. Специфические требования учитываются как показатели только с качественной стороны и выступают в виде ограничений. Если предлагаемый вариант системы не удовлетворяет одному из них, то он исключается из последующего рассмотрения.

Контрольные вопросы

1. Приведите пример показателя эффективности.

2. Дайте обоснование значениям весовых коэффициентов.

3. Приведите характеристику показателя практического оптимума системы.

4. С какой целью вводятся безразмерные формы частных показателей качества?

5. Дайте определение эффективности сложных систем.

6. Назовите типы весовых коэффициентов для частных показателей эффективности сложных систем.

7. Обоснуйте необходимость определения стоимости сложных систем и технических решений.

8. Приведите аналитические показатели эффективности.

9. Дайте определение понятия “экономическая эффективность”.

10. Назовите измеряемые технические показатели систем.

11. Приведите примеры частных показателей качества.

12. Приведите линейную форму показателя (критерия) эффективности сложной системы.

13. Приведите оценки вариантов разработки и модернизации систем по частным показателям качества.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: