Введение в мехатронику. Общие понятия.
Мехатроника — это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.
Общей тенденцией развития науки и техники последнего столетия явственно выступает интеграция наук, преодоление принципа декомпозиции, стремление к системному подходу. Свидетельством этому является возникновение новых научно-технических направлений, таких как кибернетика, бионика, системотехника и, наконец, мехатроника.
Современный термин «мехатроника» (Mechatronics) был введен в 1969 г. японской фирмой Yaskava Electric и зарегистрирован в 1972 г. как торговая марка. Название получено комбинацией слов «МЕХАника» и «элекТРОНИКА». В 1984 г. Японское общество инженеров-механиков (Нихон Кикай Гаккай) выпустило в издательстве «Гиходо» семитомное издание, посвященное мехатронике. Это является свидетельством того, что, наконец, термин «мехатроника» утвердился и в научных кругах. Авторитетное большое научное сообщество стало использовать записанное в катакане (одна из азбук японского алфавита) слово, составленное из элементов английских слов. Хотя в начале по отношению к этому термину и возникало некоторое чувство неприязни, в конечном счете, оно стало привычным.
Важно подчеркнуть, что толчком для становления мехатроники стали не общие теоретические идеи (как это было, например, в истории робототехники), а технические достижения инженеров-практиков в различных отраслях. Затем заинтересованные организации в конце 80-х годов прошлого столетия стали объединяться в научно-технические сообщества. В России координацию научно-технических работ в настоящее время осуществляет Ассоциация инновационного машиностроения и мехатроники. Аналогичные организации были созданы и во многих странах Европы.
В эти же годы курсы по мехатронике стали включать в учебные планы технические университеты. В нашей стране специальность «Мехатроника» была введена в классификатор Государственного комитета по высшему образованию в марте 1994 года. Первыми эту специальность открыли МГТУ «СТАНКИН», МГТУ им. Н. Э. Баумана и Балтийский ГТУ (Санкт-Петербург).Мехатроника является научно-технической дисциплиной, которая изучает построение электромеханических систем нового поколения, обладающих принципиально новыми качествами и, часто, рекордными параметрами.
Некоторые исследователи видят главную суть мехатроники в объединении, прежде всего, механики и электроники, в отличие от электромеханики, появившейся в свое время на стыке механики и электротехники.
Мехатронные технические объекты являются сложными системами. Так, определение мехатроники как междисциплинарной специальности, принятое на первом международном конгрессе, посвященном этой новой науке, гласит: «Мехатроника - это синергетическая интеграция точной механики, электроники и интеллектуального управления в проектировании и производстве промышленных изделий, в разработке новых технологических процессов». Суть мехатронного подхода заключается в тесной взаимосвязи указанных компонент на всех этапах жизненного цикла изделий, начиная со стадии его проектирования и маркетинга, продолжая на стадии производства и эксплуатации заказчиком и заканчивая утилизацией (в полном соответствии с международным стандартом ISO 9001-2001).
В приведенном выше определении мехатроники предполагается, что понятие «синергетическая интеграция» распространяется также и на все элементы информационной системы, рабочие среды исполнительных органов, привод и силовые элементы, имеющие разную физическую природу, а также на методы моделирования, способы управления, программное обеспечение и т. д.
Заметим, что термин «синергетика» (synergetics) - совместное действие, сотрудничество - был предложен в начале 70-х гг. ХХ века немецким физиком Г. Хакеном. В более широком смысле синергетику можно также рассматривать как общую теорию самоорганизации в активных средахразличной природы, поскольку главным отличительным свойством активных сред являются протекающие в них процессы самоорганизации.
Обычно мехатронная система является объединением собственно электромеханических компонентов с новейшей силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров, ПК или других вычислительных устройств (рис. 1). При этом система в истинно мехатронном подходе, несмотря на использование стандартных компонентов, строится как можно более монолитно, конструкторы стараются объединить все части системы воедино без использования лишних интерфейсов между модулями. В частности, применяя встроенные непосредственно в микроконтроллеры АЦП, интеллектуальные силовые преобразователи и т. п. Это уменьшает массу и размеры системы, повышает ее надёжность и дает некоторые другие преимущества. Любая система, управляющая группой приводов может считаться мехатронной. В частности, если она управляет группой реактивных двигателей космического аппарата.
Рисунок 1. Обобщенная структура мехатронной системы.
Имеется много трактовок сложности системы и ее признаков, на основании которых конкретную систему относят к классу сложных. Эти признаки сложных систем можно найти в работах Л. Растригина, Т. Саати, Дж. Касти, Х. Саймона, Н. Бусленко, А. Цвиркуна, Г. Буча, В. Левина и др.
Л. Растригин формулирует следующие основные признаки сложного объекта управления:
- Сложным объектом нельзя управлять без его математической модели. Отсутствие математического описания и необходимость в нем является чертой сложной системы.
- Стохастичность поведения. При этом случайными могут быть как внешние воздействия, так и внутренние свойства элементов системы. Любая сложная система имеет большое число случайностей в поведении, что является свидетельством ее сложности.
- « Нетерпимость» к управлению. Сложная система имеет свои собственные цели, часто не только не совпадающие с задаваемыми извне, но и противоречащие последним. Поэтому управление является внешним по отношению к объекту управления и нарушает его «нормальное» функционирование.
- Нестационарность сложной системы - характеристики системы изменяются в течение времени. Элементы стареют, заменяются новыми, появляются новые, ранее отсутствовавшие элементы, система работает с частично отказавшими элементами и т. п.
- Невоспроизводимость экспериментов. Эта черта связана с предыдущей и означает, что, если над сложной системой провести несколько экспериментов при одних и тех же исходных условиях, то результаты будут отличаться друг от друга.
Приведенные выше признаки сложной системы нельзя считать исчерпывающими, тем более это не формальные признаки, а лишь характерные черты, отсутствие части которых не означает простоту системы.
Почти каждое из приведенных выше свойств сложной системы делает невозможным ее анализ строгими методами прикладной математики. Сложные проблемы реального мира не могут быть выделены, объяснены по отдельности, а затем интегрированы для объяснения явления в целом. При взаимодействии отдельных частей системы возникают новые свойства, не присущие этим частям в отдельности. Положение усугубляется тем, что среда, в которой возникают сложные проблемы, не является статически целостной. Она динамична, так как подвержена внешним и внутренним возмущениям. Сложная проблема обычно имеет несколько возможных решений, и они могут служить многим назначениям.
В процессе развития системы объекты, которые сначала считаются сложными, начинают рассматриваться как элементы низших уровней абстракции, из которых затем строятся более сложные системы. Сложные системы обычно создаются на основе устойчивых промежуточных форм.
Сложные системы можно анализировать, концентрируя внимание либо на объектах, либо на процессах; выгоднее рассматривать систему как упорядоченную совокупность объектов, которые в процессе взаимодействия друг с другом обеспечивают функционирование системы как единого целого.
Из-за сложности системы требуется при ее анализе или проектировании применять методы имитационного моделирования (ИМ), которое позволяет использовать релевантную информацию различного вида, включая точные данные, количественную информацию, и неточные - полученные интуитивно, из опыта экспертов, с учетом оценок, суждений и различных эвристик.
Рассматривая сложные системы, Дж. Касти в первую очередь выделяет проблемы, связанные с внутренней структурой сложных систем. Он подчеркивает, что не может быть единственной модели данной системы: существует множество моделей, каждая из которых обладает характерными математическими свойствами и пригодна для изучения определенного класса вопросов, связанных со структурой и функционированием системы.
При рассмотрении системы выделяют два принципиально различных типа ограничений:
- внутренние - ограничения, налагаемые структурой самой системы; они возникают вследствие определенной ограниченности возможностей для измерения характеристик состояния системы и управления течением процесса, т. е. они ограничивают взаимодействие системы с внешним миром;
- внешние - ограничения, налагаемые на поведение системы внешними факторами. Они определяются управлением, применяемым к системе, и связаны с ограниченностью имеющихся ресурсов и производственных мощностей, наличием заданного спроса и т. д. Они налагаются извне и не имеют никакого отношения к математическим ограничениям, имеющимся в самой модели.
Структурная связность системы является, по-видимому, наиболее существенной качественной характеристикой сложной системы. Она связана с двумя важными свойствами системы:
- математической структурой неприводимых компонентов (подсистем);
- способом, которым эти компоненты связаны между собой.
Отсюда следует, что сложность присуща самой системе, а тот факт, что она все же связана с взаимодействием исследователя и системы, отступает на второй план.
Помимо структурной, или статической сложности, включающей связность и структуру подсистем, существует динамическая сложность, обусловленная поведением системы во времени. Эти два вида сложности могут быть относительно независимы, т. е. структурно простая система может быть динамически сложной и наоборот.
Выводом из сказанного служит тот факт, что даже в элементарных системах могут возникать совершенно неожиданные (и неприятные) явления, если сложность взаимосвязей не изучена должным образом. Другой важный вывод состоит в том, что в отличие от обычных представлений такое парадоксальное поведение системы вызывается не наличием нелинейности, стохастичности и другими подобными факторами, а порождается исключительно структурой системы, имеющимися связями и ограничениями, присущими компонентам системы.
Сложные системы стараются спроектировать так, чтобы поведение одной части системы оказывало бы минимальное воздействие на остальную систему. При неблагоприятных условиях некоторое внешнее воздействие может привести к нарушению текущего состояния системы из-за того, что при создании системы не были предусмотрены все возможные варианты взаимодействия между событиями.
Сложные системы могут быть управляемыми и неуправляемыми. Примером неуправляемых сложных систем могут служить атмосфера Земли, совокупность звезд некоторой галактики и т. п. Эти системы могут наблюдаться, изучаться, классифицироваться и т. д., роль исследователя здесь пассивна.
Однако большая часть сложных систем, для которых создавался системный анализ, и в частности ИМ, являются управляемыми, например, таковые все системы, созданные человеком. Исследователь играет активную роль в функционировании сложной системы, ибо он имеет возможность генерировать определенные внешние воздействия на систему, пытаясь заставить вести ее необходимым для него (оптимальным) образом.
Кибернетика как наука об управлении (основанного на принципе обратной связи) требует изменения входов системы в зависимости от наблюдаемых выходов.
Помимо внешнего управления сложная система, как правило, имеет в себе одну или несколько подсистем, выполняющих функции управления. Это своя собственная система управления совсем не обязательно функционирует в полном соответствии с внешним управлением.
Поэтому, говоря о сложности мехатронных систем, следует рассматривать кроме структурной и динамической сложности еще и сложность управления.
УЧЕНЬЕ - СВЕТ, А НЕУЧЕНЬЕ - ЧУТЬ СВЕТ И НА РАБОТУ!
