Волны развития моделирования в разработке мехатронных систем

В последние десятилетия моделирование превратилось из технологии, в значительной степени доступной только компьютерным экспертам и математикам, в стандартный инструмент, ежедневно используемый инженерами для поиска ответов на многочисленные вопросы, возникающие в процессе проектирования и разработки, как это показано на рисунке ниже.

В 1960–1970-х годах численные алгоритмы, обычно применяемые в Фортране, использовались для расчета конкретных физических явлений для решения задач проектирования. Однако ввиду недостатка экспертов по моделированию, такая работа производилась в очень редких случаях. С ростом числа рабочих станций и персональных компьютеров число пользователей быстро росло, и средства моделирования стали распространяться для более потокового выполнения таких задач, как проектирование станций управления.

С ростом числа пользователей моделирования, стало возможным экономическое процветание тех поставщиков, которые предоставляют средства для моделирования, а также стали возможны такие технические усовершенствования, как увеличение вычислительной мощности по всем задействованным дисциплинам и разной степени детализации моделей. Сегодня моделирование является основой для выработки проектных решений, валидации и тестирования не только для компонентов, но и для комплексных систем практически во всех областях применения. Этот тренд стабильно развивается и в ближайшие годы будет только расти.

Цифровой двойник – следующая волна развития технологий моделирования
Цифровой двойник – следующая волна развития технологий моделирования

Имитационные модели могут и будут применяться параллельно с реальными компонентами, продуктами и системами, и, конечно же, их применение не заканчивается с вводом в эксплуатацию. К примеру, они будут использоваться во время эксплуатации для оптимизации, а также во время обслуживания для расчета срока службы и улучшения эффективности обслуживания.

Другие показатели также говорят о том, что золотое время для моделирования только началось. Это становится ясно, если взглянуть на эволюцию мехатронных систем. В предварительной заметке VDI[i], выпущенной в 2004 году, можно найти такое описание мехатроники:

Инновационные продукты требуют междисциплинарного подхода – сочетания машиностроения, электротехники и информационных технологий. Термин «мехатроника» является выражением такого междисциплинарного подхода.

За последние 15 лет характер компонентов, продуктов и систем изменился. В частности, их функционал значительно расширился. Такое функциональное расширение реализуется за счет большего числа деталей и особенно за счет комбинированного использования различных дисциплин. Помимо механики (или, в более общем смысле, физики) и электричества, также растет актуальность применения программного обеспечения и связи, например, внутренних сетей и интернета. Это приводит к усложнению процессов и, следовательно, к более строгому использованию конкретных дисциплин по сравнению с методами широкого охвата. Моделирование является мощным инструментом, и в будущем эта тенденция сохранится.

Многие продукты, которые еще несколько лет назад назывались «электромеханическими», превратились в мехатронные. Очень ярким примером является кофемашина, которая из простого устройства для нагрева воды превратилась в полностью автоматическое устройство с программами для получения кофе разного вкуса и усовершенствованными процессами очистки. В подобных примерах мы можем проследить три характерных явления:

  • Мехатронные продукты предлагают новые функции, все в большей степени обеспечиваемые за счет ПО.
  • В компонентах, продуктах и системах увеличилось количество таких деталей, как приводы и датчики.
  • Интенсивное использование комбинации различных дисциплин. С помощью исполнительных механизмов и датчиков программное обеспечение контролирует аппаратную секцию. Во многих случаях программное обеспечение устанавливается на микроконтроллерах, которые расположены рядом, а не на отдельных компьютерных блоках.

При этом нет никаких признаков, указывающих на возможное изменение этих тенденций, поэтому мы можем ожидать, что они сохранятся и в будущем. Даже наоборот, есть еще две тенденции, которые в скором времени будут только усиливать текущее развитие:

  • От компонентов к системам – мехатронные устройства приобретут иерархическую структуру или будут включены в более крупные системы.
  • Усиление связанности – веб-технологии, интернет-протоколы и увеличение вычислительной мощности в продукте или целой системе.

 

[i] VDI-Richtlinie 2206 (2004) Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme.