3.8. Распределенные ис в мехатронике

3.8.1. Принцип конфигурируемого управления

В настоящем подразделе рассматриваются основные положения децентрализации МС и связанное с ней повышение надежности подсистем управления, что является важным фактором, стимулирующим децентрализацию.

Одной из тенденций при создании новых МС является использование конфигурируемого управления. Это подразумевает конфигурацию, у которой маневренность является приоритетной функцией. Исторически при создании технических систем сначала выполнялось базовое проектирование, а затем в качестве подсистемы разрабатывали систему управления (например, механическая и силовая части самолетов времен второй мировой войны проектировались совершенно независимо от электрического и электронного оборудования, которое затем просто устанавливалось на готовый самолет, при этом полный выход из строя всего электронного оборудования никак не сказывался на способности самолета продолжать полет). Однако, если еще на этапе базового проектирования заложить основы информационной подсистемы и связанной с ней подсистемы управления, спроектированная машина может быть сделана более эффективной.

Машина, спроектированная на основе использования концепции конфигурируемого управления, может реализовать свои функции только благодаря существованию системы управления. Обычные машины обладают самоустойчивостью (например, уже упоминавшиеся старые самолеты-бипланы могли некоторое время продолжать полет и даже совершать посадку при вышедших из строя двигателях). Машины с конфигурируемым управлением обладают механической неустойчивостью, которая оказывается необходимой для обеспечения соответствующих динамических характеристик. Устойчивость таких машин достигается благодаря наличию контуров управления.

Примером самоустойчивой машины может служить обычный автомобиль, который при отсутствии «системы управления» (водителя) может сохранять устойчивое положение как в движении (при закрепленном руле), так и в неподвижном состоянии. В конструкции двухколесного велосипеда сделан шаг по направлению к конфигурируемому управлению. Такая машина, полностью лишенная устойчивости в статическом состоянии, обладает высокой устойчивостью в движении как из-за наличия чисто механической системы стабилизации положения (за счет гироскопического эффекта при вращении колес), так и благодаря «системе управления», располагающейся в седле (если рассматривать велосипед с управляющим человеком как эргадическую МС, то система управления является органической часть этой системы). Практически любое животное (рассматриваемое как средство передвижения) не обладает самоустойчивостью и представляет собой прекрасный пример природной МС с конфигурируемым управлением. Так, человек может находиться в вертикальном положении лишь при включенной внутренней «системе управлении» сохранением равновесия (сон, болезнь или состояние опьянения могут полностью парализовать работу этой системы). В приведенных примерах использование конфигурируемого управления позволяет резко повысить такие качества системы как маневренность, проходимость. В настоящее время концепция конфигурируемого управления очень продуктивно используется в самолетостроении. Примером могут служить обладающие крайней механической неустойчивостью современные военные истребители (Российские СУ-27, СУ-37, Американский F-16). При проектировании этих истребителей было заложено принудительное управление от ЭВМ, что позволило достичь очень высокой маневренности.

Для реализации принципа конфигурируемого управления важнейшим является наличие ИС и системы управления. В этом смысле концепцию конфигурируемого управления можно отнести к основополагающим принципам мехатроники. Системы управления машинами и аппаратами, создававшимися раньше, очень часто обладали централизованной структурой, управляемой от ЭВМ, к которой звездообразно подсоединялись многочисленные датчики и исполнительные механизмы. В большинстве случаев это было обусловлено тем, что проектирование системы управления выполнялось на последних стадиях всей разработки. С точки зрения концепции конфигурируемого управления следует считать более разумным распределение функций управления между несколькими ЭВМ (центральной и локальными). Последние входят в состав различных модулей мехатронной системы. Этому способствует и появление в последнее время недорогих и малогабаритных компьютеров.

Вначале, когда ИС существовали как дополнение к механической системе, машины могли работать и без этих систем. Однако по мере интеграции механики и электроники информационные системы перестали играть вспомогательную роль и стали равноправными с механическими системами. ИС, интегрированным с механическими системами, часто работают в очень жестких условиях. Если в вычислительных центрах обычные ЭВМ работают в специально контролируемой среде, то, например, промышленным роботам приходится работать непосредственно в заводском цехе. Компьютеры и другая электроника, установленные на автомобилях, подвергаются воздействию почти таких же неблагоприятных факторов внешней среды, как и сам автомобиль.

Когда вычислительные машины были лишь придатком механических систем, надежность информационных систем не была столь важна. С повышением ценности ИС требования, предъявляемые к ним с точки зрения надежности, стали сравнимыми с требованиями, предъявляемыми к механическим системам. Например, повреждения в электрической цепи двигателя внутреннего сгорания, имеющего электронную регулировку впрыска топлива, приводит к остановке двигателя, а выход из строя бортовой ЭВМ летательного аппарата с конфигурируемым управлением означает катастрофу.