Виникнення і розвиток мехатронних систем

Сучасний термін «мехатроника» (Mechatronics) був введений в 1969 р. японською фірмою Yaskava Electric і зареєстрований в 1972 р. як торгову марку. Назва дістала комбінацією слів «механіка » і «електроніка». У 1984 р. Японське суспільство інженерів-механіків(Нихон Кикай Гаккай) випустило у видавництві «Гиходо» семитомне видання, присвячене мехатронике. Це є свідченням того, що, нарешті, термін «мехатроника» затвердився і в наукових кругах. Авторитетне велике наукове співтовариство стало використовувати записане в катакане(одна з азбук японського алфавіту) слово, складене з елементів англійських слів. Хоча на початку по відношенню до цього терміну і виникало деяке почуття неприязні, кінець кінцем, воно стало звичним.

Мехатроніка (рус. мехатроника; англ. mechatronics) - галузь науки, присвячена аналізу виконавчих станів мехатронних об' єктів і функціональної взаємодії механічних, енергетичних і інформаційних процесів між ними та із зовнішнім середовищем, а також синтезові мехатронних об' єктів. З іншого боку, мехатроніка - область техніки, що забезпечує повний життєвий цикл мехатронного об' єкта.

Сьогодні завдяки широкому застосуванні результатів досліджень з мехатроніки а автотранспорті можна визначити як спеціальний напрям розвитку цієї області науки саме автомобільну мехатроніку (рус. автомобільна мехатроника; англ. automotive mechatronics). Це є наука, що присвячена аналізу проблем сполучення та організації взаємодії автомобільних електромеханічних, електронних вузлів, агрегатів та інформаційних приладів у процесі експлуатації та саме руху автомобіля для отримання сінергатичного ефекту.

По аналогії можна визначите більш широке спрямування - транспортну мехатроніку(рус. транспортна мехатроника; англ. vehicle mechatronics), яка розповсюджується не тільки на транспортні машини. Об' єктом дослідження транспортної мехатроніки є саме рух та устрій транспортних машин, їх взаємодія у транспортному процесі включно організація такої взаємодії.

Мехатронний об' єкт (рус. мехатронный об'єкт; англ. mechatronic object) синтезується на синергетичному об' єднанні вузлів точної механіки з електронними, електротехнічними і комп'ютерними компонентами, що забезпечують проектування і виробництво якісно нових модулів, систем, машин з інтелектуальним керуванням їх функціональними станами(у т.ч. рухом). Мехатронний об' єкт - це узагальнююче поняття, що містить у собі мехатронні систему, агрегат, модуль або вузол.

Мехатронний модуль (рус. мехатронный модуль; англ. mechatronic module) - уніфікований мехатронний об' єкт, що має автономну документацію і призначений, як правило, для реалізації рухів по одній координаті. При цьому, є на увазі мехатронний модуль руху.

Мехатронний вузол (рус. мехатронный вузол; англ. mechatronic junction) принципово відрізняється від мехатронного модуля тим, що він не уніфікований.

Мехатронний агрегат (рус. мехатронный агрегат; англ. mechatronic aggregate) складається з декілька модулів

Мехатронна система (рус. мехатронная система; англ. mechatronic system), що складається з декількох агрегатів або агрегату і ряду окремих модулів, тобто з об' єктів однакових або різних нижчих рівнів. Система - сукупність компонентів, яким-небудь чином зв'язаних між собою: підлеглих визначеному відношенню, залежності або закономірності; діючих як одне ціле. Мехатронна система цілком відповідає цьому визначенню як сукупність механічних, електронних і управляючих компонентів, що утворять синергетичну єдність, що діє як одне ціле.

Мехатронна система - цільова упорядкована множина агрегатів з упорядкованими зв'язками, що динамічно функціонує в часі і просторі і взаємодіє із середовищем як єдине ціле. Прикладами можуть служити гнучкі виробничі системи або сучасні автомобілі(наприклад, Мерседес Бенц SW220 є мехатронна система, що включає до 40 керуючих агрегатів).

Автомобільна мехатронна система (рус. автомобільна мехатронная система; англ. automotive mechatronic system) - спеціальна упорядкована множина агрегатів, що умонтовані в автомобіль як сукупність електромеханічних, електронних та мікропроцесорних приладів та пристроїв, які забезпечують його рух.

Мехатронні технології (рус. мехатронные технології; англ. mechatronics technologys) - інформаційні технології керування рухом, тобто реалізація за допомогою інформаційних технологій складних законів виконавчих рухів, що по тим або іншим причинам не могли бути реалізовані раніше. Наприклад, інтелектуалізація транспортних машин та систем за допомогою названих технологій дозволяє створити принципово нову транспортну технологію керування рухом громадського транспорту та саме оптимізувати маршрутну ятір великого міста згідно результатам, що отримані у дослідженнях з інтелектуалізації систем керування транспортом великого місту.

Мехатронные технічні об'єкти є складними системами. Розглянемо це поняття як одне з часто вживаних нині практично в усіх галузях науки і техніки.

Відсутність чіткого визначення складної системи привела до того, що до таких відносять переважну більшість систем різного призначення і природи. У той же самий час, очевидно, що не усі існуючі і створювані системи складні. Більше того, одна і та ж система може бути складною і простою одночасно, залежно від точки зору аналітика, поставлених цілей дослідження, рівня знань про неї і т. п.

Є багато трактувань складнощі системи і її ознак, на підставі яких конкретну систему відносять до класу складних. Ці ознаки складних систем можна знайти в роботах Л. Растригина, Т. Саати, Дж. Касти, Х. Саймона, Н. Бусленко, А. Цвиркуна, Г. Золить, В. Левіна та ін.

Сформульовані наступні основні ознаки складного об'єкту управління:

1. Складним об'єктом не можна управляти без його математичної моделі. Відсутність математичного опису і необхідність в нім є рисою складної системи.

2. Стохастичність поведінки. При цьому випадковими можуть бути як зовнішні дії, так і внутрішні властивості елементів системи. Будь-яка складна система має велике число випадковостей в поведінці, що є свідченням її складності.

3. «Нетерпимість«до управління. Складна система має свої власні цілі, що часто не лише не співпадаючі з тими, що задаються ззовні, але і суперечать останнім. Тому управління є зовнішнім по відношенню до об'єкту управління і порушує його»нормальне«функціонування.

4. Нестаціонарна складної системи - характеристики системи змінюються впродовж часу. Елементи старіють, замінюються новими, з'являються нові, раніше відсутні елементи, система працює з елементами, що частково відмовили, і т. п.

5. Невідтворюваність експериментів. Ця риса пов'язана з попередньою і означає, що, якщо над складною системою провести декілька експериментів за одних і тих же початкових умов, то результати відрізнятимуться один від одного.

Приведені вище ознаки складної системи не можна вважати вичерпними, тим більше це не формальні ознаки, а лише характерні риси, відсутність частини яких не означає простоту системи.

Майже кожна з приведених вище властивостей складної системи робить неможливим її аналіз строгими методами прикладної математики. Складні проблеми реального світу не можуть бути виділені, пояснені окремо, а потім інтегровані для пояснення явища в цілому. При взаємодії окремих частин системи виникають нові властивості, не властиві цим частинам окремо. Положення посилюється тим, що середовище, в якому виникають складні проблеми, не є статично цілісним. Вона динамічна, оскільки схильна до зовнішніх і внутрішніх обурень. Складна проблема зазвичай має декілька можливих рішень, і вони можуть служити багатьом призначенням.

Згідно концепції загальної теорії систем складність - це сукупність величезного числа різних об'єктів, що функціонують разом і що взаємодіють непростим способом. Складність є взаємодія і, більше того, взаємозалежність, т. е. поведінка одного або декількох елементів впливає на поведінку інших елементів. Складність залежить не лише від взаємозалежності, але і від числа взаємодіючих компонентів.

В процесі розвитку системи об'єкти, які спочатку вважаються складними, починають розглядатися як елементи нижчих рівнів абстракції, з яких потім будуються складніші системи. Складні системи зазвичай створюються на основі стійких проміжних форм.

Складні системи можна аналізувати, концентруючи увагу або на об'єктах, або на процесах; вигідніше розглядати систему як впорядковану сукупність об'єктів, які в процесі взаємодії один з одним забезпечують функціонування системи як єдиного цілого.

Із-за складності системи вимагається при її аналізі або проектуванні застосовувати методи імітаційного моделювання(ЇМ), яке дозволяє використати релевантну інформацію різного виду, включаючи точні дані, кількісну інформацію, і неточні - отримані інтуїтивно, з досвіду експертів, з урахуванням оцінок, суджень і різних евристик.

Розглядаючи складні системи в першу чергу виділяють проблеми, пов'язані з внутрішньою структурою складних систем, а саме не може бути єдиної моделі цієї системи: існує безліч моделей, кожна з яких має характерні математичні властивості і придатна для вивчення певного класу питань, пов'язаних із структурою і функціонуванням системи.

При розгляді системи виділяють два принципово різних типу обмежень:

– внутрішні - обмеження, що накладаються структурою самої системи. Вони виникають внаслідок певної обмеженості можливостей для виміру характеристик стану системи і управління течією процесу, т. е. вони обмежують взаємодію системи із зовнішнім світом;

– зовнішні - обмеження, що накладаються на поведінку системи зовнішніми чинниками. Вони визначаються управлінням, що застосовується до системи, і пов'язані з обмеженістю наявних ресурсів і виробничих потужностей, наявністю заданого попиту і т. д. Вони накладаються ззовні і не мають ніякого відношення до математичних обмежень, наявних в самій моделі.

Структурна зв'язність системи являється, мабуть, найбільш суттєвою якісною характеристикою складної системи. Вона пов'язана з двома важливими властивостями системи:

– математичною структурою неприведених компонентів(підсистем);

– способом, яким ці компоненти пов'язані між собою.

Звідси витікає, що складність властива самій системі, а той факт, що вона все ж пов'язана зі взаємодією дослідника і системи, відступає на другий план.

Окрім структурної, або статичної складності, що включає зв'язність і структуру підсистем, існує динамічна складність, обумовлена поведінкою системи в часі. Ці два види складності можуть бути відносно незалежні, т. е. структурно проста система може бути динамічно складною і навпаки.

Висновком із сказаного служить той факт, що навіть в елементарних системах можуть виникати абсолютно несподівані(і неприємні) явища, якщо складність взаємозв'язків не вивчена належним чином. Інше важливе виведення полягає в тому, що на відміну від звичайних представлень така парадоксальна поведінка системи викликається не наявністю нелінійності, стохастичності і іншими подібними чинниками, а породжується виключно структурою системи, наявними зв'язками і обмеженнями, властивими компонентам системи.

Складні системи намагаються спроектувати так, щоб поведінка однієї частини системи чинила б мінімальну дію на іншу систему. За несприятливих умов деяка зовнішня дія може привести до порушення поточного стану системи через те, що при створенні системи не були передбачені усі можливі варіанти взаємодії між подіями.

Складні системи можуть бути керованими і некерованими. Прикладом некерованих складних систем можуть служити атмосфера Землі, сукупність зірок деякої галактики і т. п. Ці системи можуть спостерігатися, вивчатися, класифікуватися і т. д., роль дослідника тут пасивна.

Проте велика частина складних систем, для яких створювався системний аналіз, і зокрема ЇМ, є керованими, наприклад, такі усі системи, створені людиною. Дослідник грає активну роль у функціонуванні складної системи, бо він має можливість генерувати певні зовнішні дії на систему, намагаючись змусити вести її необхідним для нього(оптимальним) чином.

Кібернетика як наука про управління(заснованого на принципі зворотного зв'язку) вимагає зміни входів системи залежно від спостережуваних виходів.

Окрім зовнішнього управління складна система, як правило, має в собі одну або декілька підсистем, що виконують функції управління. Це своя власна система управління зовсім не обов'язково функціонує в повній відповідності із зовнішнім управлінням.

Тому, говорячи про складність мехатронных систем, слід розглядати окрім структурної і динамічної складності ще і складність управління.