Экспериментальные исследования в мехатронных системах. Часть 1

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

C.В. Овсянников, А.А. Бошляков,
А.О. Кузьмина

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ В МЕХАТРОННЫХ
СИСТЕМАХ

В двух частях
Часть 1

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 681.5(075)
ББК 32.965
О-34

О-34

Рецензенты: М.В. Баранов, Л.Д. Нечаев

Овсянников С.В.
Экспериментальные исследования в мехатронных системах :
учеб. пособие / C.В. Овсянников, А.А. Бошляков, А.О. Кузьмина. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 49 [3] с. :
ил.

В пособии дана классификация научных методов исследования
мехатронных систем, приведены основные формулы для обработки
экспериментальных данных, изложены методики проведения эксперимента с целью получения различных характеристик мехатронных
систем: статических, динамических, случайных.
Для студентов, изучающих курс «Экспериментальные исследования в мехатронных системах».

УДК 681.5(075)
ББК 32.965

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальные исследования занимают главенствующее
место среди всех способов получения информации о внутренних
взаимосвязях в мехатронных системах. Процесс проектирования
мехатронных систем связан с их экспериментальными исследованиями и многочисленными разнообразными испытаниями.
В общем случае под экспериментом принято понимать совокупность действий, осуществляемых с использованием материальных средств для получения новой информации об изучаемом
объекте путем построения информационной модели, характеризующей различные его стороны и проявления. Разновидностью
эксперимента являются испытания, цель которых – проконтролировать нахождение параметров объекта в допустимых пределах.
Постоянное усложнение технических задач требует научного планирования эксперимента, чтобы уменьшить затраты на его проведение и получить при этом достоверную информацию.
В настоящем учебном пособии рассматриваются экспериментальные исследования и испытания, проводимые для определения
основных параметров мехатронных систем.
Первая часть учебного пособия посвящена вопросам классификации научных методов исследования в целом и эксперимента как
их составной части, экспериментальному определению статических и динамических характеристик мехатронных систем, а также
характеристик случайных процессов в мехатронных системах.

3

1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

1.1. Классификация научных методов исследования

Все многообразие научных методов исследования можно
условно разбить на три большие группы:
1) теоретические методы;
2) теоретико-эмпирические методы;
3) эмпирические методы.

1.1.1. Теоретические методы

Выделяют четыре основных теоретических метода исследования:
1) метод формализации;
2) метод аксиоматизации;
3) метод идеализации;
4) метод восхождения от абстрактного к конкретному.
Метод формализации. Метод базируется на представлении содержания и структуры изучаемого объекта в знаковой форме с
помощью искусственных языков и символов. Этот метод широко
применяется при исследовании мехатронных систем, в частности
с помощью различного рода операторных преобразований (Фурье,
Лапласа), передаточных функций и т. д.
Метод аксиоматизации. Метод базируется на использовании
в исследованиях некоторых логических аксиом (постулатов), на
основании которых результаты исследования получают чисто логически, посредством доказательств.
Метод идеализации. Метод основан на изучении объекта путем наделения его некоторыми идеальными свойствами. Этот метод широко применяется при исследовании мехатронных систем,

4

например, в случае описания мехатронной системы в целом или
отдельных ее частей как линейных или нелинейных объектов.
Метод восхождения от абстрактного к конкретному. Метод
основан на получении результатов исследования путем перехода
от логического изучения абстрактного расчлененного объекта к
его целостному конкретному представлению.

1.1.2. Теоретико-эмпирические методы

Выделяют четыре основных теоретико-эмпирических метода
исследования:
1) метод абстрагирования;
2) метод анализа и синтеза;
3) метод индукции и дедукции;
4) метод моделирования.
Метод абстрагирования. Метод основан на мысленном отвлечении от несущественных свойств исследуемого объекта и изучении наиболее важных его сторон с использованием модели. Применение этого метода является обязательным при исследовании
мехатронных систем.
Метод анализа и синтеза. Метод базируется на различных
способах расчленения изучаемого объекта на элементы и отношения (анализ), а также соединения отдельных его элементов и отношений в единое целое (синтез). Это один из основных методов,
применяемых при исследовании и проектировании мехатронных
систем.
Метод индукции и дедукции. Метод основан на получении
результатов исследования на базе процессов познания от частного
к общему (индукция) и от общего к частному (дедукция).
Метод моделирования. Метод дает возможность изучить объект путем замены его моделью, отражающей структуру, связи, отношения и т. п. Результаты исследования модели распространяются на реальный объект. Этот метод чрезвычайно эффективен при
исследовании и проектировании мехатронных систем.

1.1.3. Эмпирические методы

Выделяют четыре основных эмпирических метода исследования:

5

1) метод наблюдения;
2) метод измерения;
3) метод сравнения;
4) метод эксперимента.
Метод наблюдения. Метод базируется на фиксации и регистрации параметров изучаемого объекта и широко применяется
при исследовании мехатронных систем.
Метод измерения. Метод состоит в формировании численной
оценки исследуемого параметра объекта и также находит широкое
применение при исследовании мехатронных систем.
Метод сравнения. Метод позволяет определить различия или
общность исследуемого объекта с аналогом (эталоном).
Метод эксперимента. Метод основан на исследовании изучаемого объекта в искусственно созданных для него условиях, натуральных и смоделированных, с привлечением ряда других методов — в том числе эмпирических. Метод эксперимента используется при исследовании и проектировании мехатронных систем.
Изложение материала в настоящем пособии связано исключительно с различными аспектами применения именно этого метода.

1.2. Классификация экспериментов

Все эксперименты можно классифицировать по следующим
признакам:
• по структуре;
• по стадии проведения;
• по организации;
• по способу проведения.

1.2.1. Классификация экспериментов по структуре

По этой классификации все многообразие экспериментов подразделяют на две группы:
1) натурные эксперименты;
2) модельные эксперименты.
Натурные эксперименты. Средства эксперимента взаимодействуют непосредственно с объектом исследования.

6

Модельные эксперименты. Средства эксперимента взаимодействуют не с самим объектом исследования, а с его заменителем — моделью. Существует разновидность модельного эксперимента — модельно-кибернетический эксперимент, в котором
параметры изучаемого объекта вычисляют на ЭВМ с помощью
моделирующего алгоритма.
Оба типа экспериментов характерны для исследования мехатронных систем.

1.2.2. Классификация экспериментов по стадии проведения

По этой классификации все многообразие экспериментов можно подразделить на три группы:
1) лабораторные эксперименты;
2) стендовые эксперименты;
3) промышленные эксперименты.
Лабораторные эксперименты. Это эксперименты по изучению общих закономерностей, свойственных явлениям и процессам, по проверке гипотез и теорий. Для исследования мехатронных систем лабораторные эксперименты в большинстве случаев
не характерны.
Стендовые эксперименты. С помощью экспериментов изучают вполне конкретные процессы в исследуемом объекте (системе,
изделии). По результатам стендовых экспериментов определяют:
• недоработки, допущенные при расчетах и конструировании;
• рекомендации по серийному выпуску изделия;
• рекомендации по эксплуатации изделия.
Стендовые эксперименты весьма характерны для исследования
мехатронных систем.
Промышленные эксперименты. Эти эксперименты проводятся в случае:
• создания нового изделия по результатам лабораторных и стендовых экспериментов;
• контрольно-выборочного испытания изделия, выпускаемого
серийно.
Промышленные эксперименты также характерны для исследования мехатронных систем.

7

1.2.3. Классификация экспериментов по организации

По этой классификации все многообразие экспериментов можно подразделить на четыре группы:
1) обычные эксперименты;
2) специальные эксперименты;
3) уникальные эксперименты;
4) смешанные эксперименты.
Обычные эксперименты.
Достаточно простые эксперименты, проводимые, как правило, в лабораторных условиях. В
процессе их выполнения используются относительно несложные
методики и оборудование, а также многократно повторяющиеся
однообразные измерения и вычисления. Обычные эксперименты
характерны для исследования мехатронных систем, особенно для
исследования работы их отдельных элементов (например, электродвигателей, датчиков координат и т. п.).
Специальные эксперименты. Это эксперименты, связанные
с созданием и исследованием параметров объекта (системы, изделия) в целом.
Уникальные эксперименты.
Проводятся на сложном единичном оборудовании и отличаются большим объемом экспериментальных данных и высокой скоростью протекания процессов.
Для исследования мехатронных систем уникальные эксперименты
не характерны. Объектом исследований, проводящихся с помощью
уникальных экспериментов, являются новые самолеты, ракеты, силовые установки и т. п.
Смешанные эксперименты.
Представляют собой совокупность разнотипных экспериментов, связанных единой программой.

1.2.4. Классификация экспериментов по способу проведения

По этой классификации все многообразие экспериментов можно подразделить на три группы:
1) пассивные эксперименты;
2) активные эксперименты;
3) активно-пассивные эксперименты.
Пассивные эксперименты. Основаны на регистрации входных и выходных параметров объекта без вмешательства в ход эксперимента. Обработка результатов выполнения только после его
окончания.

8

Активные эксперименты. Эти эксперименты основаны на активном воздействии на объект специальных возмущений. Различают следующие активные эксперименты:
• неуправляемые;
• с программным управлением;
• с обратной связью на каждом шаге эксперимента.
Неуправляемые эксперименты характеризуются отсутствием
изменений параметров в ходе эксперимента. Программное управление означает изменение параметров в ходе эксперимента в соответствии с заранее разработанным планом. Наконец, в эксперименте с обратной связью предполагается интерпретация результатов
на каждом шаге эксперимента с целью выработки оптимальной
стратегии его дальнейшего проведения.
Активно-пассивные эксперименты. В этих экспериментах
одна часть данных просто регистрируется, а другая часть обрабатывается и используется для управления экспериментом.

1.3. Основные этапы экспериментального исследования

На рис. 1 представлена процедура экспериментального исследования, отражающая в общем случае его основные этапы.
Процедура обычно состоит из шести этапов. Один из наиболее
ответственных этапов — третий, где выбирается тип модели исследования. Физическая (аналитическая) модель соответствует случаю, когда имеется достоверная информация о протекающих в объекте процессах, причем объект может быть описан уравнениями
(например, алгебраическими, дифференциальными, интегральными, интегродифференциальными). Статистическая (эмпирическая)
модель соответствует случаю, когда достоверной информации о
протекающих в объекте процессах нет. Тогда структура модели
остается неизвестной, а взаимосвязи между входными и выходными параметрами находят свое выражение в случайных коэффициентах, определяемых из опытных данных, т. е. эмпирически. Такое
представление модели называют «черным ящиком».

1.4. Статистическая модель «черный ящик»

На рис. 2 представлена универсальная статистическая модель
мехатронной системы типа «черный ящик».

9

Рис. 1. Схема основных этапов экспериментального исследования

10