CC BY
67
Тенденции интеграции радиотехнических и мехатронных средств
В.Е. Ступин
В течение достаточно продолжительного периода времени наблюдается ускоренное развитие техники, тенденции которого можно анализировать на примере развития радиоэлектронных средств (РЭС). Основанием для того, чтобы результаты, полученные в радиотехнике, переносить на развитие техники в целом служит то, что радиотехника является наукоемкой отраслью промышленности; при ее производстве в качестве комплектации используются изделия производимые другими отраслями промышленности; РЭС применяются при решении локальных задач во многих отраслях промышленности, а, следовательно, при ее разработке используется нормативная база этих отраслей. Для решения системных задач управления в глобальном производстве РЭС комплексируются с изделиями других наукоемких отраслей промышленности.
Цель данной работы состоит в обобщении результатов естественного эксперимента, по созданию наукоемких РЭС и на этой основе выявление тенденций развития и определения первоочередных научных задач, требующих решения для поддержки процессов, направленных на совершенствование сложных технических объектов.
Анализ развития РЭС на интервале времени более сорока лет показал, что за этот период произошла смена нескольких поколений техники. Определяющее влияние на облик базовой модели каждого нового поколения РЭС оказывали следующие факторы:
• повышение технического уровня изделий;
• совершенствование элементной базы;
• комплексная микроминиатюризация РЭС;
• развитие микропроцессорной техники, вычислительной техники и систем управления;
• повешение уровня надежности аппаратуры;
• развитие стандартизации;
• развитие технологий;
• изменение социально-экономических отношений в обществе;
• развитие системы организационного управления производством.
Сравнение исходной и последующих моделей описывающих поколение РЭС показывает, что развитие техники и связанные с ним изменения стали характеристическим свойством производства и объектом исследования прикладной науки. Изменения, а при более широком подходе - ценные изменения или инновации, имеют векторную природу и для управления изменениями (инновациями) используются локальные и интегрированные системы автоматизированного управления.
Развитие РЭС идет в направлении увеличения их сложности; увеличения системного многообразия составных частей и использования инновационных технологий [1].
Анализ процессов становления наукоемкого производства позволил выявить следующие аномалии:
1. Существенное различие результативности деятельности отечественных предприятий высоких технологий и аналогичных предприятий в промышленно развитых странах.
2. Наличием барьера между системным характером разрабатываемых технических средств и узкой отраслевой моделью организации их разработки и производства, обусловленных существующей нормативной базой.
3. Наличием барьера между научным и производственным секторами народного хозяйства, который препятствует трансферту новых знаний из области науки в производство.
4. Наличие барьера между технической наукой, формирующей новые знания, и системой стандартизации, призванной транслировать эти знания в регламенты, обязательные для исполнения в производстве.
5. Доминирование субъективного подхода, который при обосновании моделей сложных технических объектов, имеет низкую результативность.
Показатели, характеризующие развитие сложных технических объектов
Конструктивная сложность изделия
Этот показатель принято оценивать по количеству составных частей, элементов и координат Q, которые необходимо задать в конструкторской документации Д^) для изготовления изделия Ив производстве. Показатели, характеризующие сложность базового изделия, приведены в таблице 1. В соответствии с [1] сложность изделия имеет следующие градации: простое - до 102, средней сложности до 103; сложное - до 104, очень сложное - до 106; очень высокой сложности
- свыше 106. Как видно из таблицы 1 анализируемое базовое изделие, и другие разрабатываемые РЭС, относится к числу изделий очень высокой сложности.
Таблица 1
Количественные показатели, характеризующие сложность базового изделия и проектирующей ее системы
№ п/п Наименование показателя Количество, шт
1 Зарегистрированные в ОТД конструкторские документы ~ 1.5 х 104
2 Комплект конструкторских документов в формате А4 ~ 4 х 104
3 Множество координат Q, заданных в комплексе конструкторской документации Д^ (О) и транслируемых в производстве и(О). ~ 8 х 105
4 Сборочные единицы в документе «Ведомость спецификаций» (ВСП) ~ 760
5 Унифицированные детали ~ 5,1 х 104
6 Электро-радиоэлементы (ЭРЭ). Наименование ~ 830
7 ЭРЭ - количество ~ 2,7 х 104
8 Оснастка. Наименование ~ 3,7х 103
9 Технологическая документация в формате А4 ~ 1,2 х 105
10 Множество координат QW , заданное в комплексе ~ 2,5 х 106
технологической документации Д№ ^) .
11 Документы, включенные в документ «Ведомость документов» (ВД) ~ 860
В теории формальных систем для таких объектов справедливой является теорема Геделя о неполноте решений, которая констатирует, что всегда можно создать объект лучше существующего и всегда существует проектное решение, истинность которого недоказуема в границах принятой формальной теории. Указанная теорема является теоретическим обоснованием возможности непрерывных улучшений существующих сложных технических средств даже в случае неизменных элементов и технологий.
К конструктивной модели изделия предъявляется требование прозрачности, а это значит что любая из координат множества Д(О) должна быть доказуема в существующем информационном пространстве, заданном нормативной базой. Для выполнения этого требования в состав Д(О) включаются следующие информационные модели: параметрические, системотехнические,
функциональные, схемотехнические, математические, конструкторские, технологические, метрологические, для разработки которых на предприятии существуют специализированные организационные звенья. Функциональное и технологическое многообразие разрабатываемых РЭС иллюстрируют данные приведенные в таблице 2.
Таблица 2
Типовые элементы конструкции РЭС и их технологии
№ п/п Вид изделия Типовые технологии
1 Элементы покупные Электроника Микроэлектроника электротехника
2 Элементы собственной разработки Микроэлектроника Точная механика
3 Элементы НФПФ Акусто-опто электроника
4 Детали со спецсвойствами Полоски Волноводы Оптоволокно Композиты
5 Модули первого уровня (печатные платы) Электрохимия Сборочно-монтажные
6 Модули второго уровня (блоки) Слесарно-каркасные Сборочно-монтажные
7 Модули третьего уровня (шкафы, стеллажи, стойки) Слесарно-каркасные Сборочно-монтажные
8 Контейнеры защиты РЭА Слесарно-каркасные
Монтажные
9 Помещение для оператора, пульты управления Слесарно-сборные
10 Машина, изделие пост Сборочно-монтажные Настройка
11 Позиционеры линейные; роторные Сборка, монтаж, настройка
12 - несущие конструкции Слесарно-сборные
13 - опорно-поворотные устройства Мех.обработка, сборка
14 - механизмы, редуктор, домкрат, подвески Мех.обработка, сборка
15 - электромеханизмы Электромеханика
16 - токосъемщики Электромеханика
17 - волноводные соединения Точная механика
18 - стабилизированные платформы Точная механика
19 Нестандартное технологическое оборудование, спец. инструмент, оснастка Инструментальное
20 Стенды для испытаний и настроек Машиностроение Оборонный комплекс
21 Система жизнеобеспечения, охлаждения, защиты Сборочно-монтажные
Системотехническое многообразие РЭС
Анализ параметрических моделей базового изделия, например, технических условий Дту^*), показывает, что оно содержит около двадцати разделов, среди которых выделены: социальный (С), экономический (Э), технический (Т), технологический №), информационный, инновационный (И), организационный (О). Каждый раздел имеет множество присущих переменных Д(), находящихся в данном изделии в состоянии баланса и системотехническая модель конкурентно способного изделия имеет следующий вид:
Ю -> Дту^*) -> Дту(ДС ; ДЭ; ДТ; ДМ;ДБД; ДИ;Д0) = Д(^ -> и(^ (1)
Общее количество переменных Q*, заданных техническими условиями Дту(0*) составляет около ста.
Организация производственной системы Б/
Б/ по отношению к изделию и^) является порождающей, и поэтому ее сложность существенно превышает сложность производимого изделия. Рассматриваемое производство относится к области высоких технологий (ВТ). Производство имеет организационные звенья, которые отражают структуру (1) выпускаемого изделия и организационная модель П-системы, выпускающей конкурентоспособные изделия, имеет следующий вид:
Ю -> Б(БС ; БЭ; БТ; БW; ББД; БИ; Б0) -> и^;К)
Организационные сектора Б() имеют локальные АСУ и собственный вектор управления, которые в случае выпуска и^;К) находятся в состоянии баланса по К- критерию.
Каждый сектор Б() владеет своими технологиями М(), которые строго задают последовательность действий позволяющие транслировать координаты, заданные в конструкторской документации Д^), в материальные объекты, выпускаемые производством.
Изделие в целом порождается интегральной технологией, символьная модель которой имеет следующий вид:
Ю -> М>(МС; МЭ; Ш; ММ; МБД; МИ ;М0) -> и^;К)
Теоретическая база и содержание обобщенных моделей РЭС
Наблюдение за развитием РЭС показывают, что при переходе от исходного к следующим поколениям РЭС происходят существенные изменения теоретической и нормативной базы, которые находят отражение в векторе изменений объекта. Эти изменения, структура которых отражена на рис.1, имеют следующие тенденции:
1. Совершенствование предметной теории, лежащей в основе отраслевой направленности технического объекта. В случае РЭС это будет радиотехника.
2. Разработка интегрированных объектов, для описания которых используются походы и модели, относящиеся к различным разделам технической науки. В результате интеграции в техники формируются новые направления, позволяющие решать особенные задачи. В РЭС это: радиомеханика, трибомеханика, мехатроника, радиомехатроника.
3. Разработка объектов, модели которых формируются на основе установлением системного единства разнородных научных направлений, например, в социальной, экономической, технической, инновационной и организационной сферах производства.
Рис.1. Иерархия моделей сложных технических объектов,относящихся к различным разделам
техники
На основе системного подхода на предприятии разработаны методология создания наукоемкой продукции по критерии эффективность-стоимость [2] и по критерии управления
конкурентоспособностью продукции и достижению конкурентного превосходства [1].
Радиомехатронные позиционеры РЭС
Анализ системотехнических взаимосвязей радиотехники с другими отраслями промышленности и выпускаемой ими продукцией (таблица 2) показывает, что позиционеры РЭС как сложный технический объект, аккумулируют в себе практически все достижения техники и технологий,
начиная с изделий тяжелого машиностроения, например, радиотелескопы с диаметром
отражателя 40 и более метров, и кончая микро-электроникой, в которой используются
технологии создания изделий и топологий с субмикронными размерами. Это позволяет принять позиционер РЭА и его гетерогенную модель в качестве образца сложного изделия в технике, на современном этапе ее развития [1].
Показатели, характеризующие позиционеры
К числу таких показателей относятся:
• вероятность выполнения основной задачи в системе более высокого иерархического уровня;
• точность позиционирования, включая координаты перемещений, частоты, времени;
• помехоустойчивость, в том числе в условиях организованных помех.
Типовая конструктивная модель радиомехатронного позиционера представлена на рис.2. В его состав входят локальные технологические объекты и(и1... ип) и объекты управления А(А1... Ап).
Объекты множества и(и1...ип) содержат следующие составные части: конструктивы, базовые несущие конструкции, привод, технологическое оборудование, системы микропроцессорного (МП) управления, системные блоки, средства радиосвязи. Объекты управления А(А1...Ат) содержат аппаратуру передачи данных и автоматизированные рабочие места, входящие в состав системы управления распределенных РЭС.
Рис.2. Конструктивная модель радиомехатронного позиционера: и (и1...ип) - технологические объекты; А (А1...Ап) - объекты управления;
1- следящий привод; 2 - система МП-управления; 3 - радиотехнические средства; 4 - автоматизированное рабочее место АСУ
Актуальные научные задачи разработки РЭС
Анализ развития РЭС позволил выявить первоочередные задачи, решение которых позволяет перейти на более высокий уровень совершенства РЭС и создания нового поколения базовых моделей. К таким задачам относятся:
• исследование процессов и выявление закономерностей, имеющих место в трибосопряжениях РЭС;
• разработка методов анализа, математического моделирования сложных нелинейных динамических систем, имеющих узлы внешнего трения;
• разработка принципов динамического мониторинга радиомехатронных систем с трением на основе анализа отображения изменяющихся свойств трибосреды в формируемых многообразиях [3].
Заключение
1. Анализ процессов создания РЭС показал, что главными тенденциями ее развития являются увеличение сложности, гетерогенности и инновационные изменения.
2. Причина отставания наукоемкого отечественного производства от производства промышленно развитых стран лежит в сложившемся несоответствии между сложностью РЭС и отраслевыми методами ее анализа и синтеза, не учитывающих системотехническую сущность РЭС, и не позволяющими эффективно управлять их развитием.
3. Основные задачи, которые стоят при переходе к новому поколению изделий, лежат в области построения интегрированных моделей РЭС, основанных на использовании достижений базовых разделов науки. Актуальными при создании РЭС в настоящее время являются задачи связанные с моделированием сложных нелинейных динамических систем, имеющих узлы внешнего трения.
4. В результате развития РЭС возник новый класс технических объектов, в котором
достигается единство составных частей, имеющую следующую функциональную направленность: радиоэлектронную, механическую, микропроцессорную,
триботехническую, теплофизическую, эргономическую. Этот класс систем, названных в работе - радиомехатронными, требует разработки соответствующей научной базы и методологии инженерного проектирования.
Литература
1. Дружинин И.В. Информационно-технологические основы конкурентоспособности
производственных систем. - Ростов-на-Дону: Изд. Центр ДГТУ, 2001г - 242с.
2. Перунов Ю.М., Фомичев К.И., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием. (Под ред. Ю.М. Перунова. М.: Радиотехника, 2003г
- 480с)
3. Заковоротный В.Л. Введение в динамику трибосистем. Ростов-на-Дону: Инфо Сервис. 2004г - 680с.
15 мая 2007 г.
