Nếu thiết kế cơ điện tử không chỉ là việc kết hợp đơn thuần các thiết kế điện tử, phần mềm và cơ khí thì người thiết kế cơ điện tử phải có khả năng tối ưu hóa giải pháp thiết kế theo các lĩnh vực khác nhau đó. Điều này đòi hỏi sự hiểu biết cần thiết về mỗi lĩnh vực đó để có thể xác định các thành phần nào sẽ được giải quyết tốt nhất trong lĩnh vực nào trong tình trạng công nghệ hiện thời. Tiếp theo, điều này đòi hỏi khả năng mô hình hóa vấn đề đã đặt ra và các giải pháp sẵn có dùng các kỹ thuật ở các lĩnh vực độc lập hoặc ít nhất cũng cho phép dễ dàng so sánh các giải pháp và các công cụ của các lĩnh vực khác. Ví dụ, hệ kiểm tra quang học được chỉ ra trong hình 22.1 phụ thuộc vào các thành phần quang học được sắp hàng chính xác, các phần tử cơ có khả năng dịch chuyển chính xác, các bộ chuyển đổi cảm nhận và cung cấp cơ năng, các hệ điện tử điều khiển dịch chuyển và lọc các tín hiệu của các cảm biến, và phần mềm để phân tích ảnh và điều khiển dịch chuyển. Chỉ bằng cách chia thích hợp các nhiệm vụ giữa điện tử, các thành phần cơ, và phần mềm thì hệ thống mới được tối ưu hóa. Điều này đòi hỏi sự hiểu biết tất cả các yêu cầu của hệ thống và các giới hạn cũng như các khả năng của mỗi thành phần trong các lĩnh vực khác nhau. Việc mô hình hóa các yêu cầu và các hệ thống là quan trọng để xác định lời giải nào có thể được chấp nhận cũng như để chứng minh các quyết định đó sẽ được sử dụng. Trong mục này, chúng ta có thể khảo sát các dạng khác nhau của các mô hình được dùng ở các thời điểm khác nhau trong quá trình thiết kế, vai trò khác nhau của các mô hình đó và mặt mạnh và yếu của chúng trong mỗi vai trò đó và cuối cùng là sự lựa chọn cụ thể các mô hình động học cho việc phân tích tín hiệu và hệ thống.
22 Vai trị việc mơ hình hóa thiết kế điện tử Jeffrey A Jalkio University of St Thomas 22.1 22.2 22.3 Mơ hình hóa phần trình thiết kế 22-1 Mục tiêu việc mơ hình hóa 22-6 Mơ hình hố hệ thống tín hiệu 22-8 Nếu thiết kế điện tử không việc kết hợp đơn thiết kế điện tử, phần mềm khí người thiết kế điện tử phải có khả tối ưu hóa giải pháp thiết kế theo lĩnh vực khác Điều địi hỏi hiểu biết cần thiết lĩnh vực để xác định thành phần giải tốt lĩnh vực tình trạng cơng nghệ thời Tiếp theo, điều địi hỏi khả mơ hình hóa vấn đề đặt giải pháp sẵn có dùng kỹ thuật lĩnh vực độc lập cho phép dễ dàng so sánh giải pháp công cụ lĩnh vực khác Ví dụ, hệ kiểm tra quang học hình 22.1 phụ thuộc vào thành phần quang học hàng xác, phần tử có khả dịch chuyển xác, chuyển đổi cảm nhận cung cấp năng, hệ điện tử điều khiển dịch chuyển lọc tín hiệu cảm biến, phần mềm để phân tích ảnh điều khiển dịch chuyển Chỉ cách chia thích hợp nhiệm vụ điện tử, thành phần cơ, phần mềm hệ thống tối ưu hóa Điều đòi hỏi hiểu biết tất yêu cầu hệ thống giới hạn khả thành phần lĩnh vực khác Việc mơ hình hóa u cầu hệ thống quan trọng để xác định lời giải chấp nhận để chứng minh định sử dụng Trong mục này, khảo sát dạng khác mơ hình dùng thời điểm khác trình thiết kế, vai trị khác mơ hình mặt mạnh yếu chúng vai trị cuối lựa chọn cụ thể mơ hình động học cho việc phân tích tín hiệu hệ thống 22.1 Mơ hình hóa phần q trình thiết kế Các mơ hình phục vụ mục đích khác thời điểm khác trình thiết kế; để xác định cơng cụ mơ hình hóa hiệu giai đoạn khác nhau, cần phải khảo sát q trình thiết kế Nhiều mơ tả q trình thiết kế phát triển sẵn nhà nghiên cứu giới [1-3] Thơng thường mơ tả dùng để hệ thống hóa q trình để cải thiện suất nhà thiết kế, để mô tả kỹ thuật đưa sản phầm với chất lượng cải thiện, giá thấp hơn, lợi ích khác Tuy nhiên mục đích khảo sát cần thiết việc mơ hình hóa q trình thiết kế, nên xét mơ hình đơn giản để dễ dàng nhận giai đoạn q trình thiết kế khơng phải mơ hình phức tạp phù hợp với mục đích khác Với mục đích này, xét q trình bốn giai đoạn bao gồm phân tích yêu cầu, tạo ý tưởng, phân tích lựa chọn, thiết kế chi tiết Trong giai đoạn đầu trình người thiết kế phải tập trung phân tích vấn đề mà chưa cần xét tới giải pháp Trong giai đoạn thứ hai, giải pháp ý tưởng tạo với hy vọng tìm thấy giải pháp chấp nhận từ ý tưởng ban đầu nhờ việc tổ hợp sửa đổi ý tưởng, cách thay đổi tham số 22-1 Metechvn.com Sổ tay Cơ điện tử thời trong giải pháp ý tưởng Trong giai đoạn thứ ba, ý tưởng đánh giá thiết kế chọn để thực Giai đoạn thứ tư gồm việc nhận dạng vấn đề thiết kế cần giải để thực ý tưởng chọn áp dụng trình thiết kế vào vấn đề nhỏ Chúng ta xem xét phạm vi hoạt động giai đoạn cách chi tiết HÌNH 22.1 Hệ thống kiểm tra quang học cho bảng mạch in (Được đăng ký Tập đoàn CyberOptics 2001) Giai đoạn Giai đoạn phân tích yêu cầu bao gồm việc trang bị đầy đủ hiểu biết vấn đề cần giải Cái khó q trình thay đổi theo phạm vi vấn đề, hiểu biết người thiết kế lĩnh vực vấn đề, thay đổi thị trường, có mặt yêu cầu ẩn ý đến giai đoạn đặt vấn đề Sự phụ thuộc vào chất vấn đề thiết kế, yêu cầu giai đoạn nhu cầu khách hàng đơn lẻ, nhu cầu chung nhóm khách hàng có tiềm xác định qua nghiên cứu thị trường, nhu cầu chung xã hội xác định điều chỉnh phủ Hầu hết vấn đề thiết kế bao gồm kết hợp vài điều yêu cầu nội nguyên tắc thiết kế, đường lối công ty Mục tiêu then chốt giai đoạn nhận đủ chi tiết để biết thiết kế giải trọn vẹn vấn đề Các mơ hình giai đoạn trước tiên phục vụ cơng cụ thể truyền thơng, vấn đề giai đoạn chứng minh truyền đạt rõ ràng tiêu chuẩn cho thành cơng thiết kế Các mơ hình ví dụ để giúp đỡ trình bao gồm kê đặc tính kỹ thuật, sơ đồ trường hợp dùng, sơ đồ chuỗi, sơ đồ tình Hiện nhiều số cơng cụ mơ hình hóa chuẩn hóa phần ngơn ngữ mơ hình hóa hợp (the Unified Modeling Language (UML)), công cụ phân tích quan trọng [4] Sơ đồ trường hợp sử dụng (use case diagram) dùng để mơ hình hóa tương tác hệ thống người sử dụng mức trừu tượng hóa cao theo mục tiêu tương tác Hình 22.2 ví dụ, sơ đồ trường hợp sử dụng dùng để thể hoạt động khác đòi hỏi máy in mạng Sơ đồ trường hợp sử dụng giúp tránh việc quan tâm mức trừ trường hợp đặc biệt bảo dưỡng Điều quan trọng phải ý sơ đồ trường hợp sử dụng không đưa thông tin chất cách giải quyết, mà chứng tỏ tồn Nó đáp ứng mơ hình mức cao thống hệ 22-2 Vai trò việc mơ hình hố thiết kế điện tử HÌNH 22.2 Sơ đồ trường hợp sử dụng máy in mạng HÌNH 22.3 Một sơ đồ chuỗi cho việc dùng máy in mạng Sơ đồ chuỗi (sequence diagram) mơ tả chi tiết trường hợp dùng riêng biệt để làm rõ tương tác phải xảy ra, đòi hỏi thời gian, tương tác hệ yếu tố môi trường Hình 22.3 sơ đồ chuỗi ví dụ cho trường hợp dùng máy in hình 22.2 HÌNH 22.4 Sơ đồ tình cho máy in mạng HÌNH 22.5 Sơ đồ lớp cho giai đoạn truyền tuyến tính Chú ý sơ đồ chuỗi thể ví dụ đặc biệt tình đặc biệt Sơ đồ chuỗi hướng luồng thông tin yêu cầu thời gian Về mặt này, sơ đồ chuỗi sơ đồ thời gian truyền thống phục vụ mục đích giống Các sơ đồ tình (context diagram) khơng thể yếu tố thời gian thể kiểu truyền thông hệ thống môi trường [5] Trong sơ đồ trường hợp sử dụng tập trung ý vào chuỗi phương án sử dụng hệ thống sơ đồ tình tập trung ý vào luồng thơng tin phải tồn để tạo phương án Hình 22.4 sơ đồ tình cho hệ kiểm tra giống ví dụ dẫn Nhận thấy sơ đồ tình tóm tắt luồng thơng tin sơ đồ tương tác cho tất trường hợp sử dụng Các yêu cầu điều chỉnh an toàn thường dạng giới hạn tương tác hệ có với khía cạnh mơi trường Các địi hỏi phải giữ để dùng giai đoạn thiết kế sau phải truyền thông ngược tới điểm xuất phát yêu cầu để xác minh độ xác Sơ đồ tình dùng mơ hình mức cao sơ đồ luồng liệu cho hệ thống phân tích cấu trúc dùng [6] Trong sơ đồ tình liên quan chặt chẽ với kỹ thuật phân tích cấu trúc, sơ đồ quan hệ lớp cung cấp kỹ thuật phân tích hướng đối tượng cơng cụ thể mối quan hệ hệ với mơi trường thành phần hệ.7 Các sơ đồ quan hệ lớp hệ bao gồm hệ nào, thành phần giống khác với thành phần khác Ví dụ, Hình 22-3 Sổ tay Cơ điện tử 22.5 sơ đồ quan hệ lớp cho hệ truyền hai trục bao gồm hai hệ đơn trục Sơ đồ chứng minh tồn 13 thành phần sai số phải giai đoạn phân tích yêu cầu Điều thực cách thành phần trục X Y lớp ví dụ giai đoạn truyền trục đơn, mà giai đoạn có sáu thành phần sai số, chúng thành phần hệ thống nên phải cộng thêm sai số đơn Bằng việc chứng tỏ quan hệ tổng hợp kế thừa, yêu cầu phụ thuộc qua lại yêu cầu trình bày theo cách ngắn gọn dễ hiểu Một khía cạnh giai đoạn xác định yêu cầu tầm quan trọng việc xác định yêu cầu mà không cần giải pháp thích hợp Vì phương pháp mơ hình hố cần phải chọn để thể yêu cầu quan hệ chất chúng mà không cần dẫn giải pháp cụ thể Giai đoạn Trong giai đoạn tạo ý tưởng, mục đích tạo nhiều ý tưởng thiết kế để thỏa mãn yêu cầu giai đoạn Ở cần phương pháp mơ hình hóa cho phép mơ tả giải pháp với mức độ chi tiết khác phụ thuộc vào độ chi tiết cần thiết để thể yếu tố then chốt ý tưởng Vì ý tưởng riêng biệt tạo giai đoạn thỏa mãn phần yêu cầu thiết kế, nên điều quan trọng việc mơ hình hóa thời điểm phải cho phép mô tả phần biểu cho phép kết hợp dễ dàng ý tưởng thiết kế Với lý này, mơ hình phải thể cách rõ ràng phần yêu cầu thỏa mãn tham số chưa yêu cầu bổ sung giới thiệu ý tưởng Với vài vấn đề, sơ đồ khối mối liên kết bên thành phần vấn đề công cụ mơ hình hóa hữu ích giai đoạn Hình 22.6 hai sơ đồ khối mô tả ý tưởng thiết kế đưa Sơ đồ đầu thuật toán điều khiển cụ thể, cảm biến cấu chấp hành, sơ đồ thứ hai chi tiết khơng mơ tả đơn giản điều khiển vịng kín Những mơ tả thích hợp phụ thuộc vào trạng thái hai sơ đồ Sơ đồ đầu đưa chi tiết gần với thiết kế đầy đủ, sơ đồ thứ hai tổng quát hơn, dễ để tổ hợp với ý tưởng khác để tạo giải pháp lai ghép Các sơ đồ khối khơng cơng cụ mơ hình hóa thích hợp giai đoạn Với vấn đề khác, giản đồ cách xếp thành phần phương trình chương trình thuật tốn đề xuất sử dụng Tiếp theo, ý tưởng thiết kế thường phối hợp để tạo thành giải pháp có khả tiến tới vấn đề thiết kế tổng thể Vì vậy, hữu ích mơ hình ý tưởng bao gồm mơ tả điều kiện tiên cho việc sử dụng chúng, kết quả, tham số khác để giúp nhóm thiết kế xác định cách phối hợp ý tưởng Tương tự, giải pháp khả thi tạo thành việc liên kết ý tưởng với nhau, cần phải làm gọn ý tưởng cuối cách kết hợp đặc tính từ ý tưởng thành phần khác loại bỏ đặc tính trùng lặp khơng cần [8] Q trình thực dễ dàng phương pháp mơ hình hóa cho phép mơ hình hóa đồng thời phần khí, nhiệt, điện phần mềm ý tưởng Các phương pháp bao gồm mơ hình đồ thị đường thơng thường đồ thị quan hệ [9,10] HÌNH 22.6 Các sơ đồ khối hai mức độ chi tiết khác 22-4 Vai trò việc mơ hình hố thiết kế điện tử Giai đoạn Trong giai đoan thứ ba, phải đánh giá giải pháp tiềm theo yêu cầu vấn đề Giai đoạn dễ dàng có mơ hình cho phép so sánh yêu cầu vấn đề với đặc tính thiết kế Một phương pháp luận thiết kế cụ thể bao gồm tiêu chuẩn chất lượng khác cộng với yêu cầu khách hàng mơi trường, ví dụ phương châm thiết kế Suh hướng tới thiết kế với nội dung thơng tin tối thiểu thỏa mãn yêu cầu đặc tính độc lập thiết kế [11] Một phương pháp để đánh giá thử tìm tiêu chuẩn số cho tất yêu cầu đánh giá giải pháp việc tối thiểu hóa hàm giá chung có tính đến tất thứ (hoặc cách tương đương tối thiểu hàm giá trị có tính đến tất thứ) Phương pháp mang lại kết vài kiểu vấn đề mà u cầu định lượng (ví dụ giải pháp tối ưu giải pháp kết hợp yêu cầu với trọng lượng tối thiểu giá kinh tế) Ngay trường hợp đó, việc xác định độ quan trọng yêu cầu gồm nhiều loại khác công thức hàm giá trị khó khăn Ví dụ muốn thiết kế có giá phần nhỏ trọng lượng nhỏ Một hàm giá thích hợp là: p c w c0 w0 q n c w tương ứng giá trọng lượng, c0 w0 thừa số cân chỉnh hai thừa số quan trọng nhau, số mũ p, q, n biểu diễn độ quan trọng tương đối việc giảm thiểu hai thừa số Rõ ràng, có nhiều lựa chọn cho tham số nhiều mơ hình khác dùng Điều nêu bật khó khăn phương pháp Một ví dụ khó khăn trường hợp tương đối đơn giản việc xác định giá thành phần thay đổi Các mơ hình cho vấn đề có giá trị từ hàm bước giá = khoảng cho phép giá =C khoảng cho phép đến hàm giá bậc hai Taguchi [12] Không cần phải nói, giải pháp tối ưu tìm thấy phụ thuộc vào hàm giá chọn Mặt khác, vài trường hợp, tối ưu tìm thấy khơng phụ thuộc nhiều vào việc chọn hàm giá việc đánh giá thỏa đáng nhận mà khơng tốn nhiều công sức để nhận hàm giá xác Trong thực tế, có tương đối lựa chọn thiết kế để chọn đảo vấn đề Thay việc tìm thiết kế để giảm thiểu hàm giá cụ thể tìm dải tham số hàm giá để dẫn đến giải pháp cụ thể tối ưu Thường dễ dàng xác định dải tham số thực tế Giai đoạn Giai đoạn thứ tư thiết kế chi tiết, tồn q trình nhắc lại để giải chi tiết thiết kế chưa giải (mở) cho thành phần riêng biệt thiết kế Đây việc thiết kế theo kinh nghiệm "xác định nguồn tài nguyên giá thành khơng biết vượt q giá thành tìm ra" [13] Quá trình chất đệ quy, với định thiết kế mức cao đưa vấn đề thiết kế đơn giản mức độ trừu tượng thấp với yêu cầu đơn giản Để điều tiết điều này, cần có khả mơ hình hóa thiết kế nhiều mức độ trừu tượng cho phép định rõ giao diện thành phần Các mơ hình phải cho phép xác định thành phần tĩnh động giao diện Ngồi khía cạnh đệ quy thiết kế, dĩ nhiên có phép lặp, bế tắc phát chuỗi định thiết kế đầy triển vọng có thay đổi thị trường đòi hỏi sửa lại sản phẩm Để xem xét phép lặp này, mơ hình thiết kế phải thể không định đưa mà cịn lý định Mặt khác, việc lập luận cần phải kiểm tra lại bước lặp, ra, phải kiểm tra lại trước muộn 22-5 Sổ tay Cơ điện tử 22.2 Mục tiêu việc mơ hình hóa Chúng ta thấy mơ hình phục vụ nhiều mục đích thiết kế điện tử Đầu tiên, mơ hình để thể ý tưởng, giả định, yêu cầu cho phép truyền đạt ý tưởng tới người khác nhóm thiết kế nhà đầu tư khác trình thiết kế Thứ hai mơ hình cung cấp cấu trúc theo thứ bậc cho phép phân chia cơng việc q trình thiết kế cho phép làm việc đồng thời phần riêng rẽ Thứ ba mơ hình cho phép hiểu rõ ứng xử hệ thống mà bị che khuất cố gắng xem xét hệ tồn phức tạp Thứ tư cho phép nắm tương tự với hệ khác sử dụng kinh nghiệm trước để giúp giải vấn đề Thứ năm mơ hình đưa cách nhận diện kiểm tra thiếu hiểu biết ứng xử thực tế hệ cách xác định tham số chưa biết cung cấp giả thuyết thử phù hợp Trong mục này, cần phải xem xét mục đích khác vấn đề mơ hình hóa nghiên cứu đặc trưng dẫn phương pháp luận mơ hình hố cụ thể thích hợp tồi cho mục đích Thể Truyền thơng Mục đích mơ hình coi thể tài liệu Chúng ta thường quên mục đích khác, mơ hình thường công cụ tốt để thông tin với đồng nghiệp, với khách hàng với người nối nghiệp Mỗi văn tạo q trình thiết kế mơ hình vài phần hệ thống Tới mức độ định, tránh thể lặp lại cho ý tưởng, không giảm tải giảm thời gian đưa thị trường, mà phải giảm khả xảy mâu thuẫn thể Các mô thể văn nào? Xét sơ đồ mạch Nó khơng phải mạch mà thể văn thiết kế mạch Nó mơ hình ứng xử mà cố tìm kiếm từ mạch điện Tính khơng lý tưởng thay đổi thành phần nguyên nhân mạch thực tế chạy khác so với mơ hình, mơ hình đáp ứng mục đích Ngay từ giai đoạn đầu trình thiết kế, văn yêu cầu thể sản phẩm, dạng yêu cầu đặc tính để thỏa mãn chúng Các văn thiết kế quan trọng cho bốn nhóm khác Đội kỹ thuật cần thông tin thành viên để chắn cố gắng khơng bị lãng phí phần tử hoạt động riêng biệt khơng đóng góp cho yêu cầu chung sản phẩm Việc truyền thông yêu cầu đội thiết kế khách hàng để chắn yêu cầu hiểu xác thực đầy đủ thiết kế Ban quản lý cần hiểu trạng thái dự án theo rủi ro chưa giải quyết, phí tổn phải trả thỏa hiệp để tác động đến thị trường Cuối đội thiết kế sau tận dụng văn thể ý tưởng, phân tích định từ giai đoạn thiết kế ban đầu Vai trò văn thông tin với nhà nghiên cứu sau công nhận phần quan trọng tất lĩnh vực khoa học [14] thường bị bỏ qua phải tập trung vào báo cáo ngắn hạn Các đặc trưng kỹ thuật mơ hình dẫn tới việc chứng minh tốt truyền thơng rõ ràng? Rõ ràng, mơ hình phải hiểu nhiều người khác Yêu cầu khuyến khích việc dùng phương pháp mơ hình hóa chuẩn Nó khuyến khích việc dùng phương pháp mơ hình hóa liên quan đến nhiều lĩnh vực khoa học Khi chọn mơ hình cho mục đích thể hiện, điều phải nhớ mơ hình nêu bật đặc tính thiết kế đặc tính khác lại bị dấu Ví dụ, sơ đồ chuỗi thể rõ truyền thông hai đối tượng dấu chi tiết đối tượng phát thông báo hiểu thông báo vào Nếu nhiều loại mơ hình phức tạp hệ thống dùng để thể khía cạnh khác hệ thống phải có vài cách để liên hệ chéo mơ hình (ví dụ: việc xác định yêu cầu mặt thời gian đề cập mơ hình chuỗi cần phải đáp ứng tính chất động lực học hệ mơ tả theo sơ đồ khối) Ngồi ra, thể văn phải có ích cho người thiết kế sau này, phải để tham khảo chéo mơ hình thiết kế dựa khác tiêu chuẩn bao gồm yêu cầu hệ thống thành phần, cho thiết kế sau có 22-6 Vai trị việc mơ hình hố thiết kế điện tử thể khai thác từ văn Rõ ràng, kỹ thuật mô hình đáp ứng số mục đích khác thiết kế phục vụ cho việc thể văn bản, mơ hình phải chọn để đáp ứng tính chất mong muốn thể Cấu trúc thứ bậc Các hệ điện tử thực bao gồm số lượng lớn thành phần ảnh hưởng lẫn theo nhiều cách Các mơ hình đơn giản hóa giao diện phức tạp chúng mô tả sản phẩm trình theo thành phần tương tác đơn giản với giao diện ứng xử định nghĩa tốt Việc đơn giản hóa cho phép chia nhỏ vấn đề phức tạp thành tập hợp vấn đề đơn giản với giải pháp tích hợp dễ Trong hệ điện tử phức tạp mà phải xem xét thành phần tương tác vài miền lượng việc đơn giản hố cần thiết Khi vẽ sơ đồ khối hệ thống, tức chia ứng xử hệ thống thành tập hợp phần tử định nghĩa với ứng xử mô hình hố tập hợp tương tác biết phần tử dễ dàng phân tích Vai trị việc mơ hình hố hướng chọn phương pháp mơ hình hố cho phép chia mơ hình thành phần xử lý riêng biệt kỹ sư độc lập Ví dụ, hệ phương trình vi phân tuyến tính, cho nhiều thơng tin mod hệ thống, lại cho thơng tin cách chia nhiệm vụ thiết kế cho thành viên đội Tuy nhiên, sơ đồ khối, sơ đồ lớp, sơ đồ luồng liệu cung cấp giao diện rõ ràng phần tử phép chia nhỏ vấn đề Sự hiểu biết Đối với hiểu biết ứng xử hệ thống, mơ hình khác cung cấp kiểu hiểu biết khác Các biểu đồ dịng tín hiệu hệ có điện tử có mặt vịng phản hồi để làm ổn định ổn định hệ thống Các phương trình vi phân cung cấp thơng tin cỡ thời gian ứng xử khác tầm quan trọng tương đối thông số đưa ước tính đắn giả thiết đơn giản hoá Tương tự, sơ đồ thời gian chuỗi cung cấp thơng tin khả xử lý cần thiết để thoả mãn yêu cầu thời gian cho trường hợp dùng khác Trong trường hợp, mơ hình cung cấp thông tin vấn đề đặc trưng giải pháp đề xuất cách nêu bật khía cạnh hệ dấu khía cạnh khác Sự tương tự Liên quan tới hiểu biết mà mơ hình đem lại cho hệ thống xem xét hiểu biết mà mơ hình cung cấp, cho phép nhận tương tự với hệ thống khác mà người khác biết trước Theo cách này, phương pháp mơ hình hoá sử dụng tương tự lĩnh vực khác có ích Tuy nhiên tương tự cần phải chọn cách cẩn thận Xét tương tự phổ biến đại lượng điện tử đại lượng học nửa trái hình 22.7 Theo đó, vận tốc tương tự với điện áp lực tương tự với dòng điện Tuy nhiên, thấy nửa phải hình 22.7, phương trình hệ thống điện không bị thay đổi hệ thống đối ngẫu dòng điện điện áp đổi qua lại vai trò điện cảm điện trở đổi qua lại tương ứng với điện dung điện dẫn Các kết hệ thống đối ngẫu dẫn đến tương tự khác mặt học, vận tốc tương tự với dòng điện lực tương tự với điện áp Mỗi tính chất tương tự chứng tỏ có ích để đổi tham số thiết kế từ lĩnh vực lượng sang lĩnh vực khác, tính đối ngẫu hai mơ hình điện chứng tỏ hữu ích thiết kế mạch Với tính chất tương tự số đó, phải nhớ thành phần thực khác chất với mơ hình lý tưởng chúng tính chất tương tự khơng tuân theo cách chặt chẽ Điều vừa có lợi vừa có hại thiết kế trở nên chất lượng tính chất khơng lý tưởng thành phần thay thiết kế tương tự lĩnh vực với tính chất khơng lý tưởng khác bất lợi Phần tử Điện Cơ Điện Cơ 22-7 Sổ tay Cơ điện tử Điện dung Điện cảm Điện trở Điện dẫn i C i dv dt vdt L i f M dv dt f k vdt v R i Gv v idt C vL di dt v Ri f Bv v f k vdt f M dv dt f Bv i G HÌNH 22.7 Các tương tự điện - Nhận biết thiếu hiểu biết Vai trị cuối việc mơ hình hoá để giúp nhận biết thiếu hiểu biết Điều thực hai dạng Đầu tiên, việc xây dựng mơ hình thường đòi hỏi đặt tên tham số mà giá trị số chúng chưa biết Điều buộc phải ước tính phạm vi tham số phải thiết kế thí nghiệm để xác định giá trị tham số Việc nhận biết chi tiết thiếu bước để xác định chúng Theo cách mô hình giúp nhận biết thiếu hiểu biết chi tiết vấn đề giải pháp đề xuất Thứ hai, dự đốn mà đưa với trợ giúp mơ hình kiểm tra Sự đầy đủ mơ hình để mơ tả ứng xử hệ thống xác định cách so sánh ứng xử hệ thống thực với dự đốn dựa mơ hình Sự khác thực hệ thống thực dự đốn mơ hình lỗi mơ hình đáng kể Bằng cách kiểm tra tính đắn mơ hình, nhận biết khía cạnh hệ thống thực mô không thoả đáng mơ hình phần mơ hình khơng tồn hệ thống thực Sự không quán giả định khơng thích hợp hiểu sai hệ thống vật lý Trong hai trường hợp, nguồn gốc khơng qn phải hiểu để xác định mơ hình có thích hợp với mục đích đề hay khơng 22.3 Mơ hình hố hệ thống tín hiệu Trong phạm vi hệ thống tín hiệu, phải quan tâm tới việc mơ hình hố động lực hệ thống luồng thông tin qua hệ thống mơi trường Nhưng thấy từ bàn luận trên, điều phần khơng nhỏ việc mơ hình hố Tuy nhiên, có nhiều định cần phải đưa chọn mơ hình cho ứng xử hệ động lực Điều bao gồm việc chọn mô hình giải tích mơ hình số, chọn việc dùng tham số phân bố tập trung, chọn phương pháp để mơ hình hố thừa số ngẫu nhiên, chọn mơ hình tuyến tính phi tuyến Vấn đề xem xét phần Lựa chọn mơ hình giải tích mơ hình số Về vấn đề này, Cả cơng cụ giải tích số sẵn có để hỗ trợ chúng ta, có nhiều lựa chọn phải làm để phù hợp với mức độ phức tạp mơ hình dùng cho nhiệm vụ khác Các cơng cụ giải tích đưa hiểu biết ứng xử toàn hệ thống cho phép so sánh hệ khác dựa tương tự mơ hình chúng Các hệ tương tự thường chứng tỏ hữu ích giai đoạn tạo ý tưởng trình thiết kế chúng cho phép đưa giải pháp cho vấn đề khác từ giải pháp sẵn có Tuy nhiên mơ tả trên, tính chất tương tự thường khơng xem xét kỹ Trong trường hợp tương tự động lực, chúng thường dựa hệ mơ tả phương trình vi phân tương đương (ví dụ máy tạo dao động điện cơ) Tuy nhiên, phương trình vi phân tuyến tính đơn giản hóa để bỏ qua khơng tuyến tính ứng xử phụ thuộc vào thời gian ảnh hưởng lớn đến ứng xử hệ Vì 22-8 Vai trị việc mơ hình hố thiết kế điện tử áp dụng tính chất tương tự phải cẩn thận phát biểu rõ ràng giả thiết đưa q trình mơ hình hóa Mặt khác, công cụ số không đưa thông tin cơng cụ giải tích mà đưa thông tin khác chi tiết ứng xử thực hệ thực Đặc biệt cơng cụ trở lên hữu ích nhiều giai đoạn cuối trình thiết kế, cho phân tích cân đối cơng việc thiết kế chi tiết Khả công cụ mở nhiều cánh cửa tới lựa chọn mô hình hóa mà trước đóng cho phép xem xét lựa chọn mà trước xem xét cách khó khăn Ví dụ, lời giải số phương trình vi phân phi tuyến cho phép mơ hình hóa hệ xấp xỉ trước phép xấp xỉ tuyến tính Lựa chọn mơ hình phương trình vi phân đạo hàm riêng mơ hình phương trình vi phân thường Một lựa chọn phải thực là, phải mơ hình hóa tính chất động lực hệ thống cách dùng phương trình vi phân thường phương trình vi phân đạo hàm riêng Các phương trình vi phân đạo hàm riêng phải dùng giá trị quan tâm thay đổi theo khơng gian thời gian Ví dụ, xem xét thiết kế cánh tay robot, dùng phương trình vi phân thường xem xét cánh tay cứng, phương trình vi phân đạo hàm riêng muốn mô tả cách chi tiết khuỷu tay cánh tay mềm Tuy nhiên, xảy cơng nhận mềm dẻo cánh tay không cần biết chi tiết dịch chuyển quan tâm đến tác dụng mềm dẻo lên quan phản ứng lại kích thích cuối cùng? Trong trường hợp tạo mơ hình tham số tập trung cánh tay để tổng kết tính chất động lực theo dịch chuyển quan phản ứng lại kích thích cuối lực lên điều khiển quan phản ứng cuối Khi mơ hình tham số tập trung dùng? Có hai hạn chế Một chi tiết thay đổi ứng xử theo không gian phải phải bỏ qua Nếu cần biết chi tiết (ví dụ, để xác định tập trung ứng suất phân tán nhiệt) khơng thể áp dụng mơ hình đơn giản Thứ hai phương trình vi phân đạo hàm riêng khơng tn theo dạng mơ hình tham số tập trung phức tạp Lựa chọn mơ hình thống kê mơ hình tất định Một lựa chọn phải đưa mơ hình hóa ứng xử hệ thống thay đổi khơng điều khiển mơ hình thể nào.15 Phương pháp thực phụ thuộc nhiều vào nguồn gốc đặc tính thay đổi Ví dụ, giá trị vài tham số hệ thống khơng biết trước xác, khơng đổi theo thời gian Các tham số khác thay đổi chậm theo thời gian theo cách chưa biết Trong trường hợp đầu, độ nhậy hệ giá trị tham số xác định cách dùng hai phương pháp giải tích số Trong trường hợp sau, cần phải nghiên cứu tốc độ thay đổi tham số để xác định hệ phân tích trạng thái giả ổn định động lực thay đổi tham số gắn với động lực hệ Với mục đích này, thường có ích viết phương trình dạng khơng thứ ngun số kích cỡ tốc độ tới hạn việc gắn kết Khi thay đổi tham số theo thời gian phải xem xét vài tín hiệu vào hệ thống có thay đổi không điều khiển được, phải chọn để mơ hình hóa tín hiệu vào tín hiệu tín hiệu với tham số thống kê biết Trong trường hợp đầu, có tín hiệu vào khác phân tích hệ với độ nhạy tín hiệu vào Trong trường hợp thứ hai, mơ tả hệ thống theo phép đo phổ tự tương quan tương đương dùng kỹ thuật lọc tối ưu để giảm độ không chắn [16] Điểm then chốt mơ hình thống kê hệ dựa mơ hình với thay đổi biết thêm vào giả thiết ồn trắng Gaussian chỗ điều chỉnh [17] Lựa chọn mơ hình tuyến tính mơ hình phi tuyến Rất nhiều kỹ thuật có sẵn để phân tích hệ tuyến tính bất biến theo thời gian Nhưng đáng tiếc, thực tế, lại gặp nhiều thành phần khơng tuyến tính Một thuận lợi kỹ thuật mơ hình hóa cho phép chia hệ phức tạp thành thành phần đơn giản thường có 22-9 Sổ tay Cơ điện tử thể lập tính chất phi tuyến yếu tố riêng biệt phát triển mô hình tuyến tính cho chúng Với thay đổi nhỏ quanh điểm lấy vi phân đường cong khơng tuyến tính, ln tìm thấy mơ hình tuyến tính, giá trị mơ hình phải giới hạn chặt chẽ phụ thuộc vào độ xác dải giá trị vào chấp nhận Trong trường hợp phi tuyến gián đoạn phi tuyến khơng có đạo hàm, vấn đề lớn Một mơ hình tuyến tính tìm thấy xa gián đoạn gián đoạn nhỏ so với phần tuyến tính mơ hình Tuy nhiên, tính phi tuyến tạo ứng xử hoàn toàn hệ mà ứng xử khơng thể có hệ hồn tồn tuyến tính Chính lý mà mơ hình phi tuyến cần thiết vài trường hợp Ví dụ, với hệ tuyến tính, theo lý thuyết, dao động ổn định cho hệ phương trình vi phân với giá trị riêng ảo hoàn toàn Phần thực dương làm cho dao động lớn dần, phần thực âm làm cho dao động giảm dần Rõ ràng, ứng xử hệ nhạy cảm cao tham số hệ Các thay đổi nhỏ làm tắt dao động điều khiển hệ vào vùng hoạt động không tuyến tính Ngồi ra, với dao động lý tưởng, biên độ dao động không bị ràng buộc Tuy nhiên, hệ khơng tuyến tính phương trình Van der Pol: y 2 y y 1 y y0 bao gồm đại lượng giảm chấn tăng theo biên độ dao động Với dao động nhỏ so với y0 dao động lớn lên, dao động lớn bị tắt dần Ví dụ ứng xử có chất phi tuyến khác khơng thể mơ hình hóa cách thỏa đáng mơ hình tuyến tính Khi mà ứng xử công nhận phải dùng mô hình phi tuyến trạng thái dừng cuối hệ (như tạo dao động ổn định) mơ hình hóa cho nhiều mục đích cách dùng hệ tuyến tính tương đương (mặc dù khơng thực mặt vật lí) Khi sử dụng phương trình vi phân để mơ hình hóa hệ, phải đặc biệt cẩn thận chọn đơn vị đo nhóm tham số thể Ví dụ, phương trình Van der Pol trên, chọn thang biến đổi cho y y0 thang thời gian Trong trường hợp có: z z z2 z z = y/y0, = ωt = α/ω Việc cân chỉnh đưa phương trình khơng thứ nguyên cung cấp dấu hiệu thang thời gian thực hệ thống, thang y thang α tương đối so với ω quan trọng Nói chung, thấy việc viết phương trình dạng khơng thứ ngun có ba ưu điểm Thứ nói trên, thừa số cân chỉnh cho biết ý nghĩa thang thời gian giá trị tính chất khác ứng xử động lực hệ thống Thứ hai, tham số không thứ nguyên kết việc kết hợp tham số hệ vật lí cung cấp phương pháp phân tích ứng xử dải rộng hệ thống theo tham số xử lí dễ dàng Thứ ba, cách đưa phương trình dạng khơng thứ ngun phân loại nhận phương trình tương tự lĩnh vực khác Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] [5] [6] 22-10 Hubka, V and Eder, W.E., Engineering Design—General Procedural Model of Engineering Design, Heuista, Zurich, 1992 Pahl, G and Beitz, W., Engineering Design: A Systematic Approach, Springer-Verlag, Berlin, 1988 Dym C.L., Engineering Design—A Synthesis of Views, Cambridge University Press, New York, 1994 Booch, G., Jacobson, I., Rumbaugh, J., and Rumbaugh, J., The Unified Modeling Language User Guide, AddisonWesley, New York, 1998 Douglass, B., Doing Hard Time: Developing Real-Time Systems with UML, Objects, Frameworks and Patterns, Addison-Wesley, New York, 1999 Demarco, T., Structured Analysis and System Specification, Yourdon Press, NJ, 1978 Vai trị việc mơ hình hố thiết kế điện tử [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] Coad, P and Yourdon, E., Object-Oriented Analysis, Yourdon Press, NJ, 1990 Glegg, G.L., The Design of Design, Cambridge University Press, London, 1969 Shearer, Murphy, and Richardson, Introduction to Dynamic Systems, Addison-Wesley, Reading, MA, 1967 Karnopp, D and Rosenberg, R., System Dynamics: A Unified Approach, Wiley, New York, 1975 Suh, N.P., Principles of Design, Oxford University Press, NY, 1990 Taguchi, G and Yokoyama, Y., Taguchi Methods: Design of Experiments, American Supplier Institute, Dearborn MI, 1994 Koen, B.V., Definition of the Engineering Method, American Society for Engineering Education, Washington, 1985 Lonergan, B., Method in Theology, University of Toronto, Toronto, 1990 Zhou, K., Essentials of Robust Control, Prentice-Hall, NJ, 1998 Papoulis, A., Probability, Random Variables, and Stochastic Processes, McGraw-Hill, New York, 1991 Law, A and Kelton, W., Simulation, Modeling and Analysis, McGraw-Hill, New York, 1991 22-11 ... điện tử đại lượng học nửa trái hình 22. 7 Theo đó, vận tốc tương tự với điện áp lực tương tự với dòng điện Tuy nhiên, thấy nửa phải hình 22. 7, phương trình hệ thống điện không bị thay đổi hệ thống. .. quan hệ hệ với mơi trường thành phần hệ. 7 Các sơ đồ quan hệ lớp hệ bao gồm hệ nào, thành phần giống khác với thành phần khác Ví dụ, Hình 22- 3 Sổ tay Cơ điện tử 22. 5 sơ đồ quan hệ lớp cho hệ truyền... tương tự lĩnh vực với tính chất khơng lý tưởng khác bất lợi Phần tử Điện Cơ Điện Cơ 22- 7 Sổ tay Cơ điện tử Điện dung Điện cảm Điện trở Điện dẫn i C i dv dt vdt L i f M dv dt f k vdt v R i