Научно-техническая революция привела к необходимости разработки и построения автоматизированных систем управления народным хозяйством (промышленностью, транспортом и т. д.), автоматизированных систем сбора и обработки информации в национальном масштабе и т. д. Теоретические основы для решения этих задач разрабатываются в теориях иерархических, многоуровневых систем, целенаправленных систем (в своем функционировании стремящихся к достижению определенных целей), самоорганизующихся систем (способных изменять свою организацию, структуру) и др. Сложность, многокомпонентность, стохастичность и другие важнейшие особенности современных технических систем потребовали разработки теорий систем «человек и машина», сложных систем, системотехники, системного анализа.
В качестве показателей эффективности системы выбирают числовые характеристики, оценивающие степень соответствия системы задачам, поставленным перед ней, например, для систем производственных процессов – среднее число изделий, выпускаемых за смену.
В целях унификации технологических средств, методов и терминологии разработана и с 1975 г. введена в действие в качестве государственного стандарта Единая система технологической документации (ЕСТД).
Таким образом, в курсе «Современные системы технологий» рассматриваются различные технологические системы как нечто единое целое, оцениваемое производительностью труда, воздействием на окружающую среду, качеством выпускаемых изделий или услуг и т. д. Уделяется особое внимание технологическим инновациям.
Поскольку наша страна, как и все развитые страны мира, вступила на путь построения информационного общества, значительное внимание уделяется информационной технологии.
2.2. Сущность современных систем высоких технологий (ВТ)
Каждое изделие, поставляемое в условиях жесткой конкуренции на внутренний и в особенности на внешний рынок, должно обладать новым уровнем свойств и отвечать все возрастающим требованиям, предъявляемым потенциальным потребителем к функциональным, экологическим и эстетическим свойствам.
Эти тенденции повышения требований потребителей к качеству изделий нашли свое отражение в международных стандартах серии ISO–9000. Получение такого уровня изделий все больше связывают с нетрадиционными конструкторскими и технологическими решениями, реализация которых не всегда возможна на основе использования технологии, оборудования, оснастки общего назначения и т. д., то есть на основе всего того, что составляет суть традиционных технологий.
В связи с этим все большее внимание специалистов привлекают современные и нетрадиционные технологии, созданию которых предшествует накопление обширных данных фундаментальных и прикладных наук. В отличие от традиционных, чаще аналоговых, такие технологии называют «наукоемкими», «высокими», «прецизионными», «ультрапрецизионными», «нанотехнологиями» и др. Эти названия новых технологий связаны с тем или иным при знаком технологического процесса или свойствами изделия, который принят авторами в качестве определяющего, при этом во внимание чаще всего берется предельная точность, обеспечиваемая данным рабочим процессом.
Представляется, что, независимо от используемой терминологии, все эти технологии объективно представляют собой составляющие единого, самостоятельного направления в рамках общей технологии машино – и приборостроения, суть которого более полно отражается в понятии высокие технологии.
Высокими (ВТ) следует считать такие технологии, которые обладая совокупностью основных признаков – наукоемкость, системность, физическое и математическое моделирование с целью структурно-параметрической оптимизации, высокоэффективный рабочий процесс размерной обработки, компьютерная технологическая среда и автоматизация всех этапов разработки и реализации, устойчивость и надежность, экологическая чистота, – при соответствующем техническом и кадровом обеспечении (прецизионное оборудование, оснастка и инструмент, определенный характер рабочей технологической среды, система диагностики, компьютерная сеть управления и специализированная подготовка персонала), гарантируют получение изделий, обладающих новым уровнем функциональных, эстетических и экологических свойств.
Именно новый уровень функциональных, эстетических и экологических свойств изделий при соблюдении экономической целесообразности интересует потребителя. Этим гарантируется конкурентоспособность новой продукции.
Достижению такого уровня свойств подчинены все структурные составляющие высоких технологий (рис. 2.1).
Рис. 2.1.Структура высоких технологий
Наиболее общим и всеми воспринимаемым признаком высоких технологий является наукоемкость, отражающая то обстоятельство, что она базируется на новейших результатах фундаментальных и специальных прикладных исследований. Например, в химико-технологических процессах (ХТП) – это применение эффективных катализаторов, математическое моделирование, в техническом машиностроении – использование новейших инструментальных материалов, внедрение современных технологических способов обработки.
Системность предполагает диалектическую взаимосвязь, взаимодействие всех элементов технологической системы, всех основных процессов, явлений и составляющих. Системность особо важна как требование прецизионности и соответствие этим требованиям всех структурных элементов технологической системы обработки и сборки (оборудование, инструмент, обрабатываемый материал, оснастка, измерения, диагностика, работа исполнительных органов). Системный подход предполагает использование не отдельных математических моделей, а системы взаимосвязанных моделей с непременной параметрической и структурной оптимизацией. Например, параметрическая оптимизация в машиностроении преследует цель минимизации ряда характеристик процесса размерной обработки детали, прежде всего энергетических затрат, минимизации толщины срезов, силы резания, уровня температуры, интенсивности окислительных и диффузионных процессов и т. д.
Системность в технологии машиностроения определяется по строением структурных связей в последовательности конкретных технологических операций и отдельных этапов в реальном производстве (подробнее см. раздел 6.1).
Задача системного анализа в данном случае сводится к достижению максимальной эффективности функционирования производства. В теоретическом плане решение задачи оптимального управления производственным процессом возможно на основе теории динамического программирования с использованием принципа Беллмана.
Рабочий процесс является, безусловно, важнейшим признаком ВТ. Он доминирует во всей технологической системе и должен отвечать самым разнообразным требованиям, но, главное, быть потенциально способным обеспечить достижение нового уровня функциональных свойств изделия. Здесь богатыми возможностями обладают те устойчивые и надежные рабочие процессы, в которых эффективно используются физические, химические, электрохимические и другие явления в сочетании со специальными свойствами инструмента, технологической среды, например криогенное резание, диффузионное формообразование изделий из алмазов и т. п. Таким образом, рабочий процесс является базой создания высоких технологий.
Применительно к высоким технологиям требования к рабочим процессам, их роль и значимость не идентичны тем, которые приняты в традиционных технологиях. Принципиальным отличительным признаком рабочих процессов ВТ является их индивидуализация, более жесткая связь с требованиями, вытекающими из заданного уровня функциональных, экологических и эстетических свойств изделий.
Автоматизация, автоматизированные системы управления (АСУ), несомненно, являются существенным признаком ВТ. Они базируются на компьютерном управлении всеми этапами изготовления продукции (процессами проектирования, изготовления и сборки), на физическом, геометрическом и математическом моделировании, всестороннем анализе моделей процесса и его со ставляющих.
Наличие рассматриваемого признака требует системного подхода к ее компьютерно- интеллектуальной среде, т. е. перехода к системам CAD/CAM System (компьютерное проектирование, ЧПУ, АСУТП). Таким путем обеспечивается сочетание гибкости и автоматизации, прецизионности и производительности. Очевидно, специфика высоких технологий требует специализации таких систем на узкой группе изделий или признаков.
Для высокой технологии нужна высокая степень и «глубина» оптимальности для сравнительно узкого конкретного диапазо на условий и требований. Базой такой оптимальности могут быть только глубокие специальные исследования в этой области, разработка автоматизированных систем научного обеспечения, включая использование мирового опыта, специальных методов оптимизации, методов достижения прецизионности, технологического обеспечения функциональных свойств и др.
В современных условиях непременным признаком ВТ является их экологическая ориентация, гармонизация с окружающей средой.
Важную роль играет техническое обеспечение высоких технологий, в рамках которого в качестве основных условий реализации выступают прецизионность оборудования, инструмента, оснастки, системы диагностики и контроля. Все это происходит в рамках основных направлений развития, например технологии размерной обработки, прежде всего создания новых рабочих процессов, прецизионного оборудования и средств технологического обеспечения, новых форм построения технологических процессов. Результаты развития каждого из этих направлений в сочетании с новейшими достижениями науки и смежных областей техники являются естественными истоками высоких технологий. При этом прогресс в создании рабочих процессов ВТ, как и традиционных технологий, является определяющим и характеризуется наиболее высокими темпами:
Здесь каждое отношение составляет скорость разработки со ответственно РП – рабочих процессов, О – оборудования, СТО – систем технологического обеспечения, ФО – форм организации технологического процесса, r – время.
Особое место занимает специально подготовленный персонал.
Во взаимосвязанной системе «человек – техника – организация» человеческий фактор выдвигается на главенствующую роль и прежде всего в плане профессиональной подготовки, коммуникабельности, восприимчивости к новому, способно сти переучиваться.
Изложенное представление о высоких технологиях позволяет выделить их в качестве самостоятельного раздела технологии машиностроения. Область высоких технологий в этом плане, без условно, обладает своей спецификой, и многие общие принципы технологии машиностроения становятся крайне не достаточными, а потому затруднительно их использование. Например, принципиальным отличием высоких технологий от аналоговых является их ориентированная на объект индивидуализация, целевой характер, что обеспечивается организацией гибкого рабочего процесса с со ответствующими условиями его технического и технологического обеспечения.
2.3. Кибернетический подход в инновационной технологии
Все отмеченные и рассмотренные признаки высоких технологий объединяются наукой «кибернетика».
Кибернетика является молодой наукой, которая возникла в первые годы после Второй мировой войны и развивалась столь стремительно, что к настоящему времени завоевала прочные позиции во многих областях науки и техники. Своими успехами кибернетика обязана открытию ряда аналогий между функционированием технических устройств, жизнедеятельностью организмов и развитием коллективов живых существ. Эти аналогии, вытекающие из общих рассуждений методологического характера, кибернетика подкрепила созданием ма тематических методов, позволивших с количественной точки зрения описывать процессы в системах самой разнообразной физической природы. Принципы кибернетики находят широкое применение в автоматике и телемеханике, теории связи, в экономике и социологии, в биологии и медицине [Л. 1–5].
Сам термин «кибернетика» греческого происхождения. Древние греки обозначали этим словом искусство управления кораблем. В XVIII в. слово «кибернетика» встречается у выдающегося французского физика и математика А.М. Ампера, который этим термином определил науку об управлении государством. В современном понимании под кибернетикой понимают науку об управлении в самом широком смысле этого слова. Современный смысл термина «кибернетика» связан с именем крупного американского математика Н. Винера, книга которого «Кибернетика или управление и связь в животном и машине», вышедшая в свет в 1948 г., положила начало формированию этой новой научной дисциплины. Возникновение кибернетики как науки об управлении неразрывно связано с общим техническим прогрессом, характеризующим развитие производительных сил в современную эпоху.
До появления кибернетики основные направления развития техники характеризовались, во-первых, созданием устройств, служащих для получения и преобразования энергии (например, паровые машины, турбины, генераторы электрической энергии, электрические и другие виды двигателей и т. п.), и, во-вторых, созданием устройств, служащих для воздействия на окружающую природу. Основное внимание в таких устройствах обращается на энергетические соотношения, и важнейшим показателем их работы является коэффициент полезного действия. Сравнительная простота технических устройств не ставила проблему управления ими на особое место. Человек одновременно работал и управлял объектом своей работы. Необходимую для управления информацию он получал непосредственно от своих органов чувств, наблюдая за результатами работы.
Однако прогресс техники в середине XX века привел к созданию столь сложных технических систем, задачи управления которыми стали превышать физиологические возможности человека. В конце Второй мировой войны такой задачей явилась задача создания автоматической системы управления зенитным огнем, которая при скоростях самолетов, сравнимых со скоростью зенитного снаряда, могла бы без участия человека следить за курсом самолетов, осуществлять расчет их траекторий и наводку орудий. В подобных системах на первое место выдвигаются задачи получения информации об окружающей обстановке, обработки этой информации с целью извлечения из нее пригодных для управления данных и использования этой информации для осуществления целенаправленных действий, т. е. задачи создания устройств, служащих для связи и управления.
Несущественность энергетических соотношений в задачах связи и управления позволяет отвлечься от физических особенностей носителей информации и от физической природы систем, в которых эта информация используется. Поэтому кибернетика представляет собой общую теорию связи и управления, применимую к любой системе, независимо от ее физической природы.
Понятие системы, наряду с понятием управления, является фундаментальным понятием кибернетики. Любая реально существующая система состоит из конкретных объектов, в качестве которых могут выступать технические устройства, люди, управляющие этими устройствами, материальные ресурсы и т. п. Эти объекты связаны между собой и с окружающим миром определенными связями, представляющими собой силы, потоки энергии, вещества, информации. Однако кибернетика отвлекается от физического содержания свойств объектов и связей и рассматривает реальную систему как абстрактное множество элементов, наделенных общими свойствами и находящихся друг с другом в некоторых отношениях, определяемых характером существующих связей. Такое представление позволяет отказаться от привычного разделения систем на механические, электрические, химические, биологические и т. п. и ввести понятие абстрактной кибернетической системы как совокупности взаимосвязанных и воздействующих друг на друга элементов.
Рассмотрение системы как совокупности элементов дает возможность привлечь для ее математического описания аппарат теории множеств. При этом в ряде важных случаев связи между элементами удобно описываются с помощью аппарата математической логики.
Целью кибернетики является управление системами. Для суждения о путях решения этой задачи необходимо четко представить себе смысл термина «управление».
В широком смысле слова под управлением понимают организационную деятельность, осуществляющую функции руководства чужой работой, направленной на достижение определенных целей. Процесс управления состоит в принятии решений о наиболее целесообразных действиях в той или иной сложившейся ситуации. Человек, осуществляющий управление, принимает решения, оценивая окружающую обстановку с помощью информации, получаемой от своих органов чувств, измерительных приборов, других, лиц. Во многих случаях этой информации оказывается недостаточно для однозначной оценки обстановки. Тогда человек использует свой опыт, свои знания, память, интуицию. Замечательным свойством человека является способность принимать решения в условиях значительной неопределенности в отношении окружающей обстановки.
В теории современной технологии управление предусматривает решение практических производственных задач, на правленных на обеспечение максимальной эффективности производственного процесса за счет выбора организационной структуры производства, технической базы и технологических решений.
Как следует из приведенного выше определения понятия управления, любую управляемую систему можно представить в виде совокупности двух частей: управляемой части, называемой объектом управления, и управляющей части, называемой управляющим устройством или оператором.
На рис. 2.2 приведена структурная схема, показывающая основные потоки информации в управляемой кибернетической системе.
Рис. 2.2.Структурная схема оптимального управления современным технологическим процессом
Система управления технологическим процессом предусматривает разработку его математической модели в виде функциональной зависимости входных
и выходных параметров
состояния в виде математической модели
= f (
). Модель может быть представлена в эмпирической, аналитической или аналоговой форме. Задача управления технологическим процессом предусматривает поиск условий оптимальности целевого критерия R?opt(min,max), что реализуется за счет выработки управляющего сигнала – отрицательной обратной связи (—)U. Отрицательная обратная связь направлена на «гашение» отклонения выходного параметра
от его расчетного значения
