Научная статья на тему 'К вопросу о терминологии в области мехатроники'

К вопросу о терминологии в области мехатроники Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
522
91
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕХАТРОНИКА / MECHATRONICS / МИКРОИ НАНОМЕХАТРОНИКА / ТЕРМИНОЛОГИЯ / TERMINOLOGY / МЕЖДУНАРОДНЫЙ ТРАНСЛЯТОР / INTERNATIONAL TRANSLATOR / МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА / УРОВНЕВЫЙ ПОДХОД / LEVEL APPROACH / ТРИАДА "СЕНСОРЫ–КОНТРОЛЛЕР–АКТЮАТОР" / TRIAD "SENSORS–CONTROLLER–ACTUATOR" / MICROAND NANOMEHATRONIKA / MICRO-SYSTEM ENGINEERING

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Шалобаев Евгений Васильевич, Толочка Римантас Тадас

Рассматриваются актуальные вопросы терминологии в области мехатроники в связи с 25-летием появления в России термина «мехатроника», а также – распространением терминов, рекомендованных постоянным комитетом по стандартизации терминологии Международной организации по теории машин и механизмов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

BRIEF REPORTS ON THE TERMINOLOGY ISSUES IN THE FIELD OF MECHATRONICS

The publication covers topical issues of terminology in the field of mechatronics in connection with the 25 -th anniversary of the term «mechatronics» appearance in Russia, as well as dissemination of the terms recommended by the Committee for standardization and terminology of the International Organization for theory of machines and mechanisms.

Текст научной работы на тему «К вопросу о терминологии в области мехатроники»

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 621.865.8

К ВОПРОСУ О ТЕРМИНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ МЕХАТРОНИКИ

Е.В. Шалобаев, Р.Т. Толочка

Рассматриваются актуальные вопросы терминологии в области мехатроники в связи с 25-летием появления в России термина «мехатроника», а также - распространением терминов, рекомендованных постоянным комитетом по стандартизации терминологии Международной организации по теории машин и механизмов.

Ключевые слова: мехатроника, микро- и наномехатроника, терминология, международный транслятор, микросистемная техника, уровневый подход, триада «сенсоры-контроллер-актюатор».

В канун 25-летия выхода в свет русского издания монографии «Мехатроника» японских ученых под редакцией Т. Исии [1] необходимо вернуться к проблемам терминологии в области мехатроники. Можно с полной уверенностью констатировать, что становление мехатроники как науки состоялось, что показывают публикации [2-5], отражающие положение дел как в науке и технике, так и в деле подготовки специалистов в рассматриваемой области [6-10]. При этом, несмотря на две волны интереса к рассматриваемой проблеме [11-22], общепризнанная терминология до сих пор отсутствует.

В России действует государственный образовательный стандарт для подготовки специалистов в области мехатроники, который является лишь отраслевым нормативным документом. В первой (1995 г.) и второй (2000 г.) редакциях даны определения термина «мехатроника». В последней редакции ФГОС-2009 определен как сам термин «мехатроника», так и термин «мехатронная система» [10].

Мехатроника - область науки и техники, основанная на системном объединении узлов точной механики, датчиков состояния внешней среды и самого объекта, источников энергии, исполнительных механизмов, усилителей, вычислительных устройств.

Мехатронная система - единый комплекс электромеханических, электрогидравлических, электронных элементов и средств вычислительной техники, между которыми осуществляется постоянный динамически меняющийся обмен энергией и информацией, объединенный общей системой автоматического управления, обладающей элементами искусственного интеллекта.

Постоянный комитет по стандартизации терминологии Международной организации по теории механизмов и машин (ТММ) (РС «А» ГРТоММ) в 2002 г. разослал проект, в котором предлагались трактовки терминов для использования в области мехатроники. После ознакомления научной общественности с указанным проектом и заключениями ряда экспертов [14] РК «А» ГРТоММ были подготовлены рекомендации по терминологии в области мехатроники, принятые ГРТоММ [15]. В международном трансляторе по ТММ даны термины и их толкование как на английском, так и на русском языке.

Несмотря на наличие рекомендаций ГРТоММ, их использование не стало общепринятым фактом. Так даже в широко известных и используемых книгах проф. Ю.В. Подураева и его коллег [3, 5, 6] есть упоминания о рекомендациях ГРТоММ, которые, однако, фактически не используются. Интерес к проблемам терминологии в области мехатроники периодически проявляется, как это следует из работ [1217], а также [18-22].

Данная проблема была обсуждена на 23-й и 24-й рабочих совещаниях комитета «А» ГРТоММ (Беларусь, Гомель, 2010; Германия, Ильменау, 2012) [20], и данная публикация, принадлежащая членам РК «А», является реализацией одного из направлений принятых на них решений по ознакомлению широкой научной общественности с рекомендациями международного транслятора в области мехатроники. В качестве иллюстрации приведем ряд следующих терминов на русском языке.

Мехатроника - связующая комбинация механики, электротехники, электроники и информационных технологий для создания технических систем с искусственным интеллектом, в особенности механизмов и машин.

Мехатронная система - система, созданная на основе принципов мехатроники.

Мехатронный подход - интегральный междисциплинарный подход к разработке мехатронных систем.

Микромехатроника - подобласть мехатроники, относящаяся к устройствам и системам с размерами в несколько миллиметров и меньше.

Наномехатроника - подобласть мехатроники, относящаяся к устройствам и их системам, соизмеримым с молекулами.

Адаптивная механика - раздел мехатроники, в котором рассматриваются интеллектуальные устройства и адаптивные структуры, способные к изменению их поведения в соответствии с изменениями в окружающей среде и их внутреннего состояния.

Актуатор - устройство, оказывающее непосредственное воздействие на процесс, другие механические устройства или окружающую среду для выполнения какого-либо полезного действия.

Интеллектуальный актуатор - автономно действующий актуатор, состоящий из сервопривода и вычислительного устройства с соответствующим программным управлением, служащим для управления, восприятия и обмена информацией.

Интеллектуальная машина - машина, обладающая искусственным интеллектом.

Интеллектуальный материал - композиционный материал (структура), обладающий свойствами, соответствующими примитивному интеллекту.

«Умный» материал (система, продукт) - материал (система, продукт), способный к достаточно сложному поведению за счет присущих ему свойств искусственного интеллекта.

Адаптивная машина - интеллектуальная машина, обладающая интеллектуальным свойством адаптивности.

Активный материал (структура) - материал (структура), способный реагировать на возмущения, благодаря внутреннему преобразованию энергии или изменению собственных параметров.

Механизм переменной структуры (с переменными параметрами) - регулируемый механизм, структура (параметры) которого могут быть изменяемы.

Регулируемая структура - структура, параметры или компоновка составляющих которой могут изменяться с целью улучшения функционирования.

Интеллектуальный датчик - автономная единица, интегрирующая в себе функции ощущения, восприятия, переработки аналогового и дискретного сигнала, автоматической и самокалибровки и компенсации.

Система датчиков - система, состоящая из нескольких датчиков, используемая с целью дополнения данных одного датчика данными, полученными от других.

Архитектура мехатронной системы - иерархия или устройство компонентов мехатронной системы.

Решающая система - часть мехатронной системы, которая оценивает воспринятую информацию и планирует последующие действия.

Автоматизированная система управления - система для автоматического управления, обычно основанная на использовании компьютеров.

Исполнительная система - часть мехатронной системы, которая управляет работой машины на основе данных, полученных от решающей системы или непосредственно от системы восприятия (от датчиков).

Система восприятия - часть мехатронной системы, которая выполняет сбор, хранение, переработку и распределение информации о состоянии машины и окружающей среды.

Самоорганизующая система - система, которая полностью или частично формирует свою структуру путем самоорганизации.

Самоорганизация - способность создавать структуру без каких-либо внешних воздействий; свойство системы, заключающееся в ее способности к возникновению.

Саморегулирование - способность машины достигать и поддерживать желаемое поведение при работе в окружающей среде, которая претерпевает конечные изменения во времени.

Самовосстановление - способность машины к восстановлению работоспособности.

Самодиагностика - способность машины контролировать и оценивать рабочее состояние.

Указанные выше термины в англоязычной литературе используются около 10 лет, их толкование не является догмой и, естественно, должно корректироваться в процессе использования. Так, термин «мехатронный подход» должен, по мнению авторов данной публикации, рассматриваться как часть системного подхода. Опыт применения термина «актуатор» показал, что в русской транскрипции лучше использовать написание «актюатор». Синонимом термина «решающая система» может быть использован термин «контроллер», широко применяемый в зарубежной и отечественной литературе. Термин «система восприятия» логично трактовать как «сенсорную систему». Отсюда мехатронная система может трактоваться как триада «сенсоры-контроллер-актюатор» [11]. Необходимо зафиксировать и уровневый подход к мехатронике, учитывая масштабный фактор. Иначе говоря, мехатроника относится к макромиру, микромехатроника - к микромиру, наномехатроника - к наномиру [11]. Требуется установить взаимосвязь между микро- и наносистемной техникой и мехатроникой, поскольку имеются отечественные журналы «Мехатроника» (ныне «Мехатроника, автоматизация, управление») и «Микросистемная техника» (ныне «Нано- и микросистемная техника»), в которых взаимосвязь между их предметными областями не оговаривается. В работах одного из авторов данной публикации [2, 11, 14, 23] такой уровневый подход к мехатронике был предложен, что нашло фактическое отражение в рассматриваемом международном трансляторе, но формально зафиксировано не был и требует такого закрепления. Также необходимо и закрепление тождества терминов «микросистемная техника» и «микромехатроника» [2]. Кстати, нужно зафиксировать различие терминов «сенсор» и «датчик», которое должно отражать физические и конст-

руктивные аспекты [24]. Можно уточнить, что систему, являющуюся частью другой системы, корректнее называть подсистемой. Есть и другие замечания.

Данная публикация является предложением для дискуссии, которая и должна учесть разные мнения и создать предпосылки для создания общепризнанной терминологии. Предстоящее в этом году вступление России в ВТО ставит вопрос об использовании международных стандартов, норм и рекомендаций для поддержания конкурентоспособности в области не только собственно торговли, но и различных форм отечественной продукции, в том числе и научной, что еще раз подчеркивает актуальность данной публикации. В ряде других научно-технических областей подобные международные трансляторы уже не только разработаны с участием постоянного комитета по стандартизации терминологии IFToMM [25], но и нашли широкое применение, о чем говорят многочисленные переиздания словаря-справочника [26].

1. Мехатроника / Под ред. Т. Исии. - Пер. с яп. - М.: Мир, 1988. - 318 с.

2. Шалобаев Е.В. Фундаментальные и прикладные проблемы развития мехатроники // Сборник: Современные технологии / Под ред. С. А. Козлова. - СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. - С. 46-66.

3. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 2007. -256 с.

4. Tolocka R.T. Adaptive mechanics for mechatronics // The 22th Working Meeting of the IFToMM PC for Standardization of Terminology, June 29-July, 2008. - Villeurbanne, France, Lyon : IFToMM, 2008. -P. 25-29.

5. Подураев Ю.В. Основы мехатроники. - М.: Изд-во МГТУ СТАНКИН, 2000. - 80 с.

6. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Конструирование мехатронных модулей: Учебник. - М.: Изд-во МГТУ СТАНКИН, 2004. - 360 с.

7. Tolocka R.T. Engineering, mechatronics and its educational programs // Global Cooperation in Engineering Education: Innovative Technologies, Studies and Professional Development : the 3rd international conference proceedings, October 1-3, 2009. - Kaunas: Technologija, 2009. - P. 32-35.

8. Bansevicius R.P.; Tolocka R.T., Macha Ewald, Pawliczek Roland. Adaptive mechanics: concept and course for mechatronics study programme // Mechatronic Systems and Materials: selected papers. - Opole University of Technology, 2007. - P. 7-14.

9. Tolocka R.T., Macha E., Pawliczek R. Mechanical engineering and mechatronics: development of study programmes // Mechatronic Systems and Materials 2010. - Opole University of Technology, 2011. - P. 249-254.

10. ФГОС ВПО по направлению подготовки 221000 «Мехатроника и робототехника» (квалификация (степень) «Магистр»). - М., 2009. - 23 с.

11. Шалобаев Е.В. Микросистемная техника и мехатроника: особенности соотношения макро- и микроуровней // Микросистемная техника. - 2000. - № 4. - С. 5-10.

12. Аршанский М.М., Шалобаев Е.В. Мехатроника: основы глоссария // Мехатроника, 2001. - № 2. - С. 47-48.

13. Шалобаев Е.В. К вопросу об определении мехатроники и иерархии мехатронных объектов // Датчики и системы. - 2001. - № 7. - С. 62-65.

14. Шалобаев Е.В. К вопросу о международном трансляторе по мехатронике // Мехатроника. - 2002. -№ 4. - С. 6-11.

15. Международный транслятор по науке механизмов и машин в редакции 2003, MMS-terms-2003 // [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.iftomm.3me.tudelft.nl, свободный. Яз. рус. (дата обращения 09.07.2012).

16. Шалобаев Е.В. Проблемы и тенденции развития терминологии в современных условиях // Микросистемная техника. - 2004. - № 4. - С. 29-32.

17. Шалобаев Е.В. Определение неологизма «мехатроника» и его развитие // В кн.: Проблемы интеллектуального управления в авионике. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. - С. 12-18.

18. Осипов Ю.М. К вопросу о развитии понятия «мехатроника» // Доклады ТУСУРа, июнь 2010. - № 1 (21). - Ч. 2. - С. 193-198.

19. Кориков А.М. О развитии понятия «мехатроника» // Доклады ТУСУРа, июнь 2010. - № 1 (21). - Ч. 2.

- С. 199-202.

20. Shalobaev Е^. Mechatronics: Today Problems and Development trends of Terminology // Proceeding 23rd Working Meeting of the IFToMM Permanent Commission for Standardization of Terminology on MMS Minsk. - Gomel, Belarus, June 21-26, 2010. - P. 111-118.

21. Кориков А.М. Еще раз о мехатронике как о науке // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2011.

- № 1. - С. 2-8.

22. Толочка Р.А., Шалобаев Е.В. Терминология в области мехатроники // Материалы Международной научной школы «Фридлендеровские чтения», BVP-2011. - СПб: ИПМаш РАН, 2011. - С. 38-44.

23. Шалобаев Е.В., Старжинский В.Е., Шилько С.В. Тенденции развития современной трибологии на микро- и наноуровнях // Труды Международного симпозиума: Гидродинамическая теория смазки. В 2-х томах. - М.: Машиностроение, 2005. - Т. 2. - С. 289-295.

24. Шалобаев Е.В. Сенсорика и 21 век // Датчики и системы. - 2001. - № 1. - С. 63-65.

25. Starghisky V.E., Shalobaev E.V., 8ИегЪакоу S.V. On compiling a terminological Reference-Dictionary on gearing // Proceedings of International conference «Power Transmissions'03», 11-12 September, 2003, Section I. - Sofia, Varna : БолгАН, 2003. - P. 180-186.

26. Гольдфарб В.И., Старжинский В.Е., Шалобаев Е.В. и др. Словарь-справочник по зубчатым передачам: русско-англо-немецко-французский / Под ред. В.Е. Старжинского. - Изд. 5-е. - Гомель: ИММС НАН Б, 2011. - 220 с.

Шалобаев Евгений Васильевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, профессор, [email protected] Толочка Римантас Тадас - Каунасский технологический университет, доктор технических наук, профессор, [email protected]

УДК 629.1

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТОДА СПРЯМЛЕННЫХ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В ЗАДАЧАХ СГЛАЖИВАНИЯ А.В. Лопарев, О.А. Степанов, О.М. Яшникова

Предлагается обобщение приближенного метода спрямленных логарифмических характеристик в случае решения стационарных задач сглаживания.

Ключевые слова: фильтрация, сглаживание, метод логарифмических характеристик, стационарные процессы.

При решении задач обработки измерительной информации широкое применение получили алгоритмы, разрабатываемые в рамках калмановского подхода. Вместе с тем для задач обработки стационарных сигналов сохраняет свою актуальность винеровский подход. Суть подхода заключается в нахождении передаточной (или весовой) функции оптимального фильтра, минимизирующего среднеквадратиче-скую ошибку оценивания в установившемся режиме. Одно из достоинств винеровского подхода заключается в том, что для построения алгоритмов разработаны различные упрощенные методы. В частности, применительно к навигационным приложениям наибольшее применение получил так называемый метод спрямленных логарифмических характеристик [1, 2]. В работе предлагается обобщение этого метода для решения задач сглаживания.

Рассмотрим классическую задачу оптимального оценивания полезного сигнала на фоне случайных ошибок измерений. Пусть скалярные измерения у{1) = х() + п(1)

представляют собой аддитивную смесь полезного сигнала х(/) и помехи п(/), которые полагаются центрированными, некоррелированными и стационарными процессами с заданными спектральными плотностями Бх (ю), Бп (ю). Рассмотрим задачу сглаживания, особенность которой заключается в том, что при получении оценки в текущий момент времени могут быть использованы не только прошлые, как в случае задачи фильтрации, но и будущие (по отношению к этому моменту времени) измерения. В этом случае выражение для передаточной функции оптимального сглаживающего фильтра будет определяться как [1]

О) = —^—, (1)

' ^ (ю) + Бп (ю)' ^

а для спектральной плотности ошибки оптимальной нереализуемой оценки и ее дисперсии будут в этой ситуации справедливы следующие выражения:

Б (ю = (ю)Бп(ю) , р = ± | Бх (ю)Бп(ю) аю . (2)

' (ю) + Бп (ю) 0 Бх (ю) + Бп (ю)

Метод спрямленных логарифмических характеристик основан на предположении о том, что свойства фильтра определяются характером поведения спектральных плотностей полезного сигнала и помехи в точке их пересечения. Для приближенного их описания в логарифмическом масштабе используются аппроксимирующие прямые, соответствующие так называемым условным спектральным плотностям для

' \2р , ,2 1 Р | о .ч „2 I Р

полезного сигнала х(() и помехи п(/), определяемым в виде Бх (ю) и а I — I , Бп (ю) и а I — I . Используя

аналогичный подход к задачам сглаживания, нетрудно получить общие решения для различных комбинаций простейших аппроксимаций спектральных плотностей сигнала и помехи. В таблице приведены выражения для параметров Си С и, характеризующих дисперсии установившихся ошибок фильтрации

(а7) = С ¡¿а2р и сглаживания (а1) = Сиа2р , и величина, позволяющая оценить потенциальный выигрыш в точности в виде отношения среднеквадратических ошибок оценивания при решении задач фильтрации и сглаживания а ¿/а1 = .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.