Читать книгу: «От мехатронизации до мехатроницизма», страница 2

Глава 1

Мехатронизация

1.1. Постановка задачи исследования

Эта глава посвящается новому этапу развития человечества – от автоматизации к мехатронизации.

Задача главы состоит в том, чтобы показать актуальность вопроса мехатронизации как направления научно – технического прогресса.

Мехатронизация – это интеллектуализированное движение материи во времени и пространстве в бесчисленном множестве форм, объектов и систем.

Задача мехатронизации – снижение зависимости человечества в отношении его среды обитания и сохранение этой среды обитания – одна из главных задач эволюции.

Мехатронизация – это инструмент, с помощью которого человечество решает, и будет решать свою основную задачу на новом уровне развития.

1.2. Описание исследования

Первую ступень снижение зависимости от среды обитания человек преодолевает с рождением. Теперь перед ним стоит вопрос перехода на вторую ступень снижение зависимости от среды обитания – зависимости от Земли, гармонизации отношений с планетой. Далее человечеству предстоит третья ступень снижение зависимости от среды обитания – зависимости от Солнца, затем четвертая ступень снижения зависимости от среды обитания – зависимости от Галактики и последняя ступень снижение зависимости от среды обитания – слияние с Вселенной.

Уже на второй ступени независимости мы видим, как количество перерастает в качество и выполняется основной философский постулат мехатронизации – приоритета целого по отношению к его частям.

Философией мехатронизации является – холизм. Холизм – соотношения части и целого, исходящая из качественного своеобразия и приоритета целого по отношению к его частям.

Из холистических представлений исходит часто используемое понятие синергии. Практическим воплощением идеи холизма является возникшее в синергетике понятие эмерджентности, то есть возникновения в системе нового системного качества, несводимого к сумме качеств элементов системы.

Наглядный пример этому – муравейник, где каждое насекомое по отдельности не является особо интеллектуальным, но когда одновременно взаимодействует большое количество муравьев, они могут вырабатывать удивительные решения по поиску пищи и защите от хищников. В сущности, целое всегда больше суммы его частей.

Мехатронизация включает в себя автоматизацию, роботизацию, мехатронику, и на начальном этапе – бионику и другие науки будущего. На смену мехатронизации придет следующий этап научно – технического прогресса – бионизация. По своей сущности эти два научно – технических прогресса не могут существовать в своем развитии без интеллекта.

Наступили век, тысячелетие мехатронизации и бионизации, эра нового промышленного и социального развития общества.

Что в зените мехатронизации – освоение Вселенной, что в надире мехатронизации – освоение Океана, земной коры, мантии и земного ядра, биологических систем с их наноразмерами и изменяющейся формой, использование молекул фуллерена в качестве самостоятельных наноразмерных устройств. Надир мехатронизации не менее сложное направление, чем зенит и во многом с меньшими затратами поможет развитию освоения Вселенной.

Начну с последней ступени снижения зависимости от среды обитания – слияние с Вселенной. Это не означает подойти к окончательной теории. Сама идея окончательной теории в мире бесконечности пространства, материи, движения и как следствие этих составляющих − времени противоречива. Мы не знаем ограниченности во времени в прошедшем и будущем. Раз время беспредельно, то также беспредельно пространство. Ограничение того или иного сразу приводит к вопросу”А что там, за ограничением?”

Редукционизм мог бы помочь в разработке окончательной теории, если бы Вселенная не развивалась и не совершенствовала сама себя. Предположение Стивена Вайнберга о том, что наша Вселенная не единственная очень желаемо, но тогда возникает проблема идеального пространства между Вселенными.

Как можно предположить, в идеальном пространстве нет никакой материи (ни светлой, ни темной), нет движения, а значит, нет времени. Возможно ли это?!

Понимание законов, которым подчиняется наша Вселенная – стремление человечества во все времена.

Основой Вселенной или Мира, является материя. Универсальными формами существования материи в бесконечной смене свойств и форм являются движение, пространство и время.

Философия определяет: материя несотворима и неуничтожима, вечна во времени и бесконечна в пространстве, является субстанциональной основой всевозможных свойств и форм движения.

Последняя ступень мехатронизации не предполагает управление Вселенной человечеством, а снижение зависимости человека от среды обитания – Вселенной, умение человека с помощью высоко интеллектуализированных мехатронных систем сохранить себя в вечно развивающейся и совершенствующейся саму себя Вселенной.

Может возникнуть вопрос: “Почему с последней ступени мехатронизации?” Ответ: “Для того, что бы увидеть какой пласт технического совершенства необходимо человечеству одолеть”

В частности, так называемые предположительно неопознанные летающие объекты (НЛО), не что иное предположительно, как голографическое изображение в земной атмосфере и именно поэтому так легко перемещаются они и их невозможно догнать. Само НЛО находиться на достаточно большом расстоянии от Земли и достаточно ему незначительно переместиться и его голографическое изображение в атмосфере переместиться на тысячи километров за секунду. Предположительно сам НЛО величайшее достижение мехатронизации.

Использование в мехатронизации голографии как метода записи, воспроизведения и преобразования, волновых полей, основанного на интерференции волн, на регистрации интерференционной картины, которая образована волнами, позволит расширить возможности информационных технологий, как в космосе, так и в океане.

Мелкими шажками человечество идет к своему НЛО: микродроны, напоминающие НЛО, беспилотные авиационные системы, использование солнечной энергии в летательных аппаратах с большим размахом крыла. Следующий этап макродроны, по форме напоминающие традиционные НЛО, на верхней поверхности, которых будут установлены солнечные преобразователи, и от формы НЛО в виде тарелки, в будущем летательных объектов никуда не уйти. Кроме того эта форма поможет избегать катастроф летательных аппаратов и естественно жертв.

Если посмотреть состав беспилотных авиационных систем, то можно увидеть, что это еще одно достижение мехатронизации и он включает в себя: собственно сам беспилотный летающий аппарат, пункт управления (пульт оператора, приёмопередающая аппаратура, специализированные вычислители на базе цифровых сигнальных процессоров или компьютеры, под управлением операционных систем реального времени), систему связи (это может быть прямая радиосвязь или спутниковая связь). Программное обеспечение пишется обычно на языках высокого уровня, таких как Си, См++, Модуль -2.

Именно мехатронизация лежит в основе всех этих новшеств. В специализированных изданиях часто упоминается термин «Индустрия 4.0». Как считают многие специалисты возможность обмена мехатронных систем между собой данными, возможность изготовителя систем контролировать посредствам Интернета выполнение правил эксплуатации систем потребителем и упреждать нарушения, коренным образом изменит традиционное промышленное производство.

Мехатронизация производства в корне изменит традиционную логику производства, поскольку каждый рабочий объект будет сам определять, какую работу необходимо выполнить для производства.

Мехатронные системы требуют их высокой степени очувствления, то есть создание высокочувствительных многофункциональных датчиков. Датчики различного типа, как, например, датчики давления и температуры, электрооптические и инфракрасные датчики, будут функционировать совместно, создавая общую картину происходящего и определяя то, что происходит в их окружении.

Большое количество датчиков будут регистрировать свое окружение с невероятной точностью, а встроенные процессоры будут сводить воедино различные данные от датчиков для идентификации сложных событий и критических состояний и их интерпретации на основе сложившейся ситуации и самостоятельно принимать решения, независимо от центральной системы управления производством, исходя из полученных результатов.

В мехатронизации мехатронные модули на основе МЭМС-технологии (технологии использующие микро электромеханические системы) нашли самое широкое применение. К типичным измеряемым параметрам мехатронными модулями МЭМС-технологии относятся перемещения, скорости и ускорения (линейные или угловые), действующие силы и моменты. Примерами сенсоров, изготовленных на основе МЭМС – технологий, могут служить акселерометры – датчики ускорений.

МЭМС – технологии позволили создать интеллектуальные сенсоры, где реализовано объединение функций измерения текущих параметров механического движения, их преобразования и обработки по заданным алгоритмам в едином блоке.

Интеллектуализация сенсоров позволяет добиться более высокой точности измерения, программным путем обеспечив фильтрацию шумов, калибровку, линеаризацию характеристик вход/выход, компенсацию гистерезиса, перекрестных связей.

Устройства для трехмерной печати сами по себе являются достижением мехатронизации. Знание общих принципов того, как работает 3D-принтер, позволяет говорить о большом потребительском потенциале этих устройств. Теоретически с помощью такого оборудования можно наладить безотходное производство. На данном этапе его возможности оценивают в основном специалисты, которые используют печать 3D в решении своих профессиональных задач.

Программным языком в принтерах на данном этапе является G-код, построенный на командах управления оборудованием для печати. На этой стадии можно перейти к рассмотрению программ-слайсеров, которые обеспечивают перевод 3D-модели для печати на 3D-принтере в понятный контроллерам код. Основными задачами программ – слайсеров является установка параметров, в соответствии с которыми будет осуществляться печать. Выбор конкретной программы определяется типом принтера.

Наличие способности мехатронных систем взаимодействовать со своим окружением, планировать и адаптировать свое собственное поведение согласно окружающим условиям, учиться новым моделям и линиям поведения, и на основе активной семантической памяти, соответственно, быть самооптимизирующимися позволит мехатронизации связывать виртуальное пространство Интернета с реальным миром. Эти способности обеспечат эффективный выпуск даже минимальных партий при быстром внесении изменений в продукцию и большом количестве вариантов, будут способствовать будущему созданию экологически безопасного производства.

В целом мехатронизация – это оптимальный выбор принимаемых научных, технических и технологических, организационно – экономических и информационных решений с интеллектуализацией движений. Обеспечение работы в средах с препятствиями, в реконфигурируемых системах, когда требуется оптимизировать конфигурацию цепи, в недетерминированных внешних средах: пожары, наводнения, космическая, подводная, подземная, радиоактивная и других средах с использованием в основном нелинейных базисов исполнительных движений направление развития мехатронизации.

Интеллектуализация движения мехатронных систем, функционирующих в изменяющихся и неопределенных внешних средах, требует автоматического контроля и диагностики собственного состояния, адаптации и оптимизации функций в условиях, изменяющейся внешней среды, при наличии существенных возмущающих воздействий, значительной автономности и гибкости при планировании и исполнении движений при минимальном участии человека.

Именно мехатронизация в состоянии решить вопросы характерных особенностей нелинейности базовых исполнительных движений (БИД) систем движения. Вопросы анизотропии и неоднородности динамических, упругих и скоростных свойств, переменности параметров в нелинейных уравнениях, что может приводить к потере управляемости системой в сингулярных положениях, сложности задания движений манипуляторов в обобщенных координатах, связанных со степенями подвижности, исполнении пространственных по криволинейным траекториям движений и реализацию сложных законов перемещения во времени.

Мехатронизация позволяет создавать универсальные машины перемещения по многим степеням свободы с параллельной кинематикой (МПК)

Из холистических представлений в мехатронизации исходит современная тенденция построения машин нового поколения, которая заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным) компонентам, которые легко перепрограммируются под новую задачу.

Сейчас механические устройства все чаще становятся узким местом в сложных машинах. Мехатронный подход предполагает не дополнение, а замещение функций, традиционно выполняемых механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки.

К перераспределению функциональной нагрузки, в сторону увеличения интеллектуальной составляющей, служит и метод электронной редукции, когда исполнительный механизм отслеживает движение задающего устройства.

Учитывая увеличение интеллектуальной составляющей, следует иметь в виду, что целевые функции, задачи верхнего и нижнего уровней управления обычно гармонизируются слабо. Это вынуждает вводить соответствующие коррективы в целевые функции нижнего уровня, не разрушая упорядоченность распределенной системы.

Следовательно, одна из функций системы верхнего уровня должна состоять в том, чтобы оказывать соответствующее влияние на системы нижнего уровня, которое позволяло бы обеспечить состояние, при котором было бы желательным взаимодействие между ними.

Задача описания движения многомерной мехатронной системы в мехатронизации разделяется на две взаимосвязанные подзадачи: движение в пространстве и во времени.

Законы пространственного перемещения всех звеньев мехатронной системы определяются технологической постановкой задачи движения.

Законы движения во времени исполнительных приводов определяется, с одной стороны, желаемым законом перемещения рабочего органа, а с другой − кинематикой многомерной системы.

Нам не важно, что есть во Вселенной такое физическое явление как “черные дыры”, важно то, какую задачу Вселенная поставила перед “черными дырами”, одним из ее рабочих органов в совершенствовании самой себя.

Нам не важно, что есть НЛО, важно то, что если мы пойдем в обратном направлении философии мехатронизации – холизма, то мы придем к частному, а именно, к разумному существу и возникает вопрос” А откуда он?”

Это отступление сделано для того, что бы убедить читателей в необходимости изучения основ мехатронизации, которая объединит множество наук и технических достижений под своим крылом.

Основным принципом мехатронизации является концепция аппарата конфигурируемого управления (controlconfiguredvehiсle–CCV) АКУ – конфигурация, у которой маневренность является приоритетной функцией.

Неоднородность характеристик (кинематических, скоростных, динамических, упругих) среды, анизотропия (приложение вектора силы в заданном направлении), в которой работают мехатронные системы, требует решения задачи управления в пространстве и во времени.

В случае же аппарата конфигурируемого управления существует механическая неустойчивость, которая часто оказывается необходимой для обеспечения соответствующих динамических характеристик. Устойчивость достигается благодаря наличию контуров управления.

То, что говорится о «четвертой промышленной революции», в действительности является развитием мехатронизации. Научно-исследовательские организации и промышленный сектор усиленно работают для того, чтобы воплотить Индустрия 4.0 в реальность.

В немецком исследовательском центре искусственного интеллекта (DFKI) в Кайзерслаутерне уже несколько лет эксплуатируется первое в мире умное производство в качестве «живой» лаборатории» Данное производство – эталонная архитектура для Индустрии 4.0 в мехатронизации.

Важным фактором успеха мехатронизации является интеллектуальная интерпретация информации об окружающей среде. Соответственно, здесь ключевую роль играет программное обеспечение.

Особенность программного обеспечения заключается в его масштабной неэкономичности. С накоплением информации, которую необходимо обработать, очень сильно возрастают трудности, связанные с созданием программного обеспечения. При превышении некоторого объема могут даже сложиться неудачные обстоятельства, для решения которых в большинстве случаев желательно использовать иерархические структуры программных средств.

Но, тем не менее, выбор децентрализации позволяет повысить интеллектуальную составляющую мехатронных систем за счет распределения ЭВМ, сократить объем информации, передаваемой в системе, упростить физические схемы, один канал связи может использоваться многократно.

Это положение нашло воплощение в том, что в качестве языков программирования стали использовать структурные языки, унифицированные описательные языки и Интернет в качестве коммуникационной платформы на предприятии. Еще одним направлением развития стало распределение программных средств по функциональным блокам.

По своей сути мехатронизация не может существовать без ителлектуализации движения. Модули движения, мехатронные модули движения – это переходной этап мехатроники, этап, когда новое еще слабо, а старая аппаратно – релейная система управления не хотела сдаваться. Мехатронизацию невозможно представить без интеллектуализации движения, за ней будущее.