Математическое моделирование системы и детальное проектирование схем модулей

Математическое моделирование может проводиться на разных стадиях проектирования МС. Оно подразумевает создание систем уравнений, описывающих поведение и характеристики как основных блоков системы (общее математическое моделирование), так и элементов подсистем (детальное моделирование). Чаще всего детальное моделирование ММ производят с помощью методов и средств, описанных в теории автоматического управления систем.

На основании общей структурной схемы производят разделение электромеханической системы на звенья направленного действия. Эти звенья – электродвигатель, получающий энергию от преобразователя, регуляторы тока и скорости и цепи обратных связей с соответствующими коэффициентами передач.

После определения структурных схем отдельных звеньев, составляем структурную схему полной электромеханической системы, дающую наглядное представление об отдельных звеньях и процессах, проходящих внутри – внутренних переменных, что позволяет достичь наилучшего решения при оптимизации параметров. (Подробнее рассказано в разделе 3).

Выбор оборудования системы и описание процедуры интеграции модулей

После разработки структурных схем и математического аппарата проекта приступают к выбору оборудования на основе проведенных расчетов и требований ТЗ. Основными критериями выбора типов, проивздителей и марок оборудования являются следующие:

- соответствие характеристик расчетам.

- масса и линейные размеры;

- потребляемая мощность, тип потребляемого тока и т.д.;

- стоимость;

- надежность и качество;

- доступность приобретения и доставки и т.д.;

- возможность сопряжения без дополнительных блоков и программного обеспечения с модулями системы и т.д.

При выборе оборудования (особенно при модернизации МС) очень важно подобрать линейные размеры и выходные характеристики (скорость вращения вала, максимальная нагрузка и т.д.), соответствующие возможностям модернизируемой системы.

Для повышения надежности системы необходимо стремиться к минимизации промежуточных звеньев при интеграции системы и построению интерфейсных преобразователей.

Изготовление (реализация) МС

Изготовление (реализация) МС обычно проводятся в несколько этапов :

- изготовление макета – упрощенной модели МС для физической проверки ее основных эксплуатационных свойств;

- изготовление пилотного проекта;

- массовое производство МС.

Тестирование МС

Тестирование — это процесс исполнения программы, с целью обнаружения ошибок.

Тестирование процесс деструктивный (разрушительный), направленный на отыскание ошибок. Поэтому желательно чтобы процедуру тестирования осуществляли не заинтересованные в программе лица.

Достоверность тестирования систем определяется тем, кто будет ее тестировать и каков его образ мышления. Вопросы психологии тестирования выдвигаются на первый план. Одновременно, если мы тестируем МС, то к существующей стоимости МС нужно добавить дополнительную стоимость, связанную с затратами времени на тестирование. тестирование проводится как для аппаратной части, так и для программной части МС.

По стадиям различают следующие виды тестирования:

- отладка – проводится в процессе разработки модулей системы и ее сборки;

- итоговое тестирование работоспособности – проводится после полной сборки системы;

- тестирование предельных показателей – прогон системы с использованием экстремальных показателей окружающей среды и технологических процессов ( при повышенных/пониженных температурах, вибрациях, запыленности, в магнитных полях, в воде/тумане/дожде и т.д.);

- эксплуатационное тестирование – проводится при внедрении системы путем установки системы на место эксплуатации и прогон работы системы в течение определенного периода с использованием реальных задач и данных (изготовление изделий необходимого качества с необходимой скоростью из конкретного металла и т.д.).

Стратегически можно подойти к процедуре построения тестов по двум направлениям.

Стратегия “Черного ящика”, тестирование с управлением по данным или по входу/выходу. Такое тестирование имеет целью выяснить обстоятельства, в которых поведение МС не соответствует ее внешним спецификациям.

Стратегия “Белого ящика” позволяет исследовать внутреннюю структуру МС и направлена на исчерпывающее тестирование всех маршрутов программы МС.

Но эти стратегии не могут однозначно сказать, что МС, сданная в эксплуатацию, не имеет ошибок. Исчерпывающее тестирование в принципе не возможно по причине:

- количество тестов при сложной МС может превысить возможное время на их реализацию;

- за правильность логики отвечает человек;

- обнаружение ошибок, которые зависят от обрабатываемых данных тоже может быть неполной.

Традиционно объединяют методы “Черного” и “Белого ящика”, при этом руководствуясь рядом принципов.

1. Тест должен включать обязательно две компоненты:

- описание входных данных и объектов;

- описание точного результата.

2. Следует избегать тестирования МС ее автором за исключением процесса отладки.

3. Необходимо досконально изучать результаты применения каждого теста.

4. Тесты для неправильных и не предусмотренных входных данных следует разрабатывать также тщательно как для правильных и предусмотренных; необходимо проверять делает ли программа то, что она должна делать или то, что она не должна делать.

5. Вероятность наличия не обнаруженных ошибок в части МС пропорциональна количеству ошибок уже обнаруженных в этой части.

6. Данный процесс творческий в том смысле, что процесс применения методов тестирования должен быть творческим.

Традиционно при составлении крупных МС обязательно проводится процедура инспекции и сквозных проверок, в рамках которой инспекция из 4-х человек слушает доклад авторов о целях и задачах МС, логике программы и задает вопросы по заранее сформулированному перечню возможного блока ошибок (ошибки описания данных, интерфейса и т.д.) , каждому из блоков задаются вопросы. Задача инспекции состоит в том, чтобы обнаружить возможные ошибки.

При сквозном просмотре группа инспекторов выполняет роль вычислительных машин. Автор предлагает набор тестов, а инспекторы осуществляют просмотр по всему алгоритму (или программе). Тесты должны быть простые и небольшие.

Проверка за столом как правило осуществляется одним специалистом (желательно не разработчиком программы). Такой метод менее эффективен, чем два предыдущих, но используется в случае отсутствия кадров (специалистов, тестирующих МС).

Оценка посредством просмотра служит для проведения квалификационной самооценки специалистов. Это метод оценки анонимной МС в терминах ее общего качества, ремонтопригодности, простоты эксплуатации и ясности.

Проектирование тестов. Стратегии проектирования тестов заключается в том, чтобы попытаться уменьшить полноту тестирования настолько, насколько это возможно. При этом, если ввести ограничения на время, стоимость машинного времени и т.п., то ключевым вопросом тестирования становится: “Какое подмножество всех возможных тестов имеет наивысшую вероятность обнаружения большинства ошибок”.

Традиционно процедура отладки предшествует процедуре тестирования и направлена на обнаружение ошибок осуществляется в два этапа:

1. определяется природа и местонахождение подозреваемой ошибки в программе;

2. ошибка фиксируется и исправляется.

Существуют следующие методы отладки МС :

1 Методы “грубой силы”. Являются довольно неэффективными поскольку не требуют большого влияния и умственных затрат.

- метод и использование распечатки всей памяти;

- отладка в соответствии с общим предположением;

- использование автоматических средств отладки.

2 Методы индукции. Метод индукции представляет собой тщательный анализ возможно даже без выхода на машину. Процесс анализа от частного к целому. При использовании метода рассматриваются детали (симптомы ошибки, установление одним или несколькими методами и взаимосвязи между ними). Метод реализуется в два этапа:

- определения данных и процессов, имеющих отношение к ошибке, а не всех данных;

- организация данных и процессов, т.е. структурирование данных, имеющих отношение к ошибке, с целью выявления закономерности.

Процедура структурирования осуществляется по вопросам:

- Что — список общих симптомов ошибки;

- Где — место, в котором эти симптомы обнаружены;

- Когда — содержит все, что известно о времени появления ошибки;

- Какова степень — область распространения и степень вложенности ошибок.

Выдвигается гипотеза или несколько гипотез о причине ошибки с учетом закономерностей, выявленных в структуре симптомов ошибки.

Доказательство гипотезы — путем сравнения ее с первоначальными симптомами ошибки или данными. Она должна полностью объяснять существование этих симптомов.

3 Метод дедукции. Позволяет на основании некоторых общих теорий и предпосылок используя операции исключения и уточнения прийти к определенному заключению, т.е. к обнаружению места ошибки.

Последовательность действий:

-перечисление возможных причин или гипотез (причины не должны полностью объяснять ошибку);

-начинается процесс исключения причин, использование данных для исключения, поиск противоречий, в итоге отсеиваются все причины кроме одной;

-уточнение выбранной гипотезы: для этого привлекаются дополнительные данные и составляются спецификации;

-доказательство выбранной гипотезы, выявление ошибки или исключение выбранной гипотезы и начала процесса снова.

4 Прослеживание логики в обратном порядке. Метод эффективен для локализации ошибки в небольших программах. Отладка программы начинается в точке, где была обнаружена ошибка. Мысленно программа выполняется в обратном порядке. Рассуждаем, если в этой точке значение переменных было таким, то в следующей точке их значения будут следующими и вычислить их. Таким образом можно будет обнаружить место в программе, где состояние ее соответствовало ожидаемому и соответственно отличалось от ожидаемого.

5 Метод сознательных ошибок. Специалист сознательно делает сбои в МС и ошибки в программе и тем самым могут обнаружится многие другие ошибки МС.

Оценка качества МС

КачествоМС— это набор критериев, которым должно отвечать МС. Набор критериев качества зависит от категории критичности МС:

- требует особо высокое качество МС по причине того, что от работы МС зависит жизнь людей (космические программы, управление работой атомных станций и т.д.);

- важные программы, для которых появление ошибки приводит к большим материальным потерям;

- наиболее массовые и широко распространенные программы качество и область применения которых измеряется в широких пределах.

Каждый критерий, определяющий категорию критичности МС, может использоваться, если определена его метрика (название, указан способ измерения, значения с которыми следует сопоставлять и как сопоставлять. Следствие несоответствия МС тому или иному критерию является его сбой. Следовательно, основным методом измерения качества программы на любых этапах ее разработки является тестирование.

В случае, если программа проходит государственную регистрацию, то она подвергается аттестации и сертификации.

Аттестация представляет собой специальный организационный процесс испытаний программ с применением упорядоченной, стандартизированной совокупности тестов охватывающие все необходимые функции и режимы применения МС и его компонентов. Специальный коллектив гарантирует полное выполнение предписанных функций и режима применения МС и его компонентов. Результатом аттестации является присвоение категории качества с документальным оформлением.

Сертификация является также испытанием программ, но по более жестокой схеме тестирования. При успешной сертификации оформляется сертификат соответствия, позволяющий юридически эксплуатировать МС по прямому назначению. К сертификату прикладывается паспорт МС с комплектом документации и проверочными тестами. В случае обнаружения ошибок при сопровождении сертифицированной программы после ее исправления требуется повторная сертификация.

Рисунок 2.10 – Показатели качества МС

Качество любого изделия представляется набором показателей отражающих его свойства и определяющих возможность и эффективность его применения по прямому назначению.

Для получения МС с определенным набором показателей качества мы должны рассмотреть оптимизационную задачу взаимосвязи исходного набора показателей качество МС соответствующего класса, возможных материальных и временных затрат и вариантов набора показателей качества на выходе. Рассматривается классификацию показателей уровня критичности можно выделить две группы критериев:

1. функциональные критерии, которые отражают специфику областей применения и степень соответствия программ их основному целевому назначению;

2. конструктивные критерии более независимые от целевого применения программы, отражают эффективности использования программных ресурсов, вычислительных средств, а также надежность функционирования МС.

Документация к МС

Перед проектированием заключается договор на разработку (между разработчиком и заказчиком).

Далее разрабатывается документ «Техническое задание», в котором указываются цели и требования к системе (требования к составу изделия, к условиям эксплуатации, к маркированию , к стоимости, к порядку испытаний(.

В соответствии с ГОСТ 19102-77 существуют документы (пояснительные записки) промышленной разработки МС:

1. техническое задание (цели, задачи);

2. эскизный проект (общая методология);

3. технический проект (чертежи, записка на изделие);

4. рабочий проект (детальные чертежи, записка);

Для сопровождения МС необходимо составить руководство по эксплуатации, технический паспорт.

После проектирования при внедрении подписывается акт выполненных работ. По необходимости подписывается договор на сопровождение.

Внедрение МС

Условия внедрения описываются еще в начальной стадии проекирования.

1. На первом этапе заключается договор с заказчиком, в котором указывается цель и состав МС, сроки изготовления и условия. Создается техническое задание, в котором указаны требования к составу, условиям эксплуатации, цене и т.д. будущей системы.

2. После разработки системы создается либо опытный образец, либо сама мехатронная система. Она устанавливается на место эксплуатации (например, в цех). Проводится эксплуатационное тестирование (в течении опред. времени система работает, проверяется, есть ли сбои и ошибки работы).

3. Если сбои и отклонения от технического задания есть, то система дорабатывается, затем вновь тестируется на месте.

4. Если сбоев нет, то подписывается акт о внедрении (или акт выполненных работ).

5. После внедрения может быть заключен договор на сопровождение (ремонт, модернизация, обучение сотрудников и т.д.)

6. При передаче МС заказчику с системе прикладывается руководство пользователя и технический паспорт.