Что такое «синергетическое объединение», через которое определяется понятие мехатроники? Суть синергетического объединения заключается не только, и не столько в «объединении в единый модуль элементов различной физической природы». Подобное определение подразумевает, что при проектировании имеются только требования к габаритам. Однако, необходимость в синергетическом объединении возникает вследствие растущих требований к характеристикам системы, качеству ее функционирования.
Синергетическое объединение может быть реализовано двумя основными способами:
- функционально-структурная интеграция (далее ФС-интеграция), заключающаяся в минимизации структурных блоков, необходимых для реализации необходимых функций, сокращения числа согласующих устройств;
- структурно-конструктивная интеграция (далее СК-интеграция), заключающаяся в минимизации конструктивных решений для реализации необходимой структуры.
ФС-интеграция приводит к замене связи «согласование» (-) связью «соединение» (+), СК интеграция – к замене связи «соединение» (+) связью «совмещение» (·), связь (-) означает отсутствие интеграции, поэтому в дальнейшем связи (+) и (·) будем называть интегрирующими. Объединение компонент подразумевает наличие любой связи между ними, интеграция – только интегрирующей.
При определенном уровне функционально-параметрических требований, дальнейшее улучшение функционирования в рамках заданных ограничений невозможно обеспечить изменением параметров компонент по отдельности, а только за счет изменения системы в целом, что, как правило, сопровождается ее усложнением и увеличением количества функций, так как улучшение функционирования подразумевает учет большего количества признаков окружающей среды. Для реализации новых функций необходимо использовать дополнительные модули или узлы. При наличии ограничений (например, габаритные размеры) возникает необходимость либо в конструктивном объединении модулей, либо в изменении структуры системы, исключении одних узлов с передачей их функций другим. Таким образом, ФС- и СК-интеграция являются следствием функционально-параметрического усложнения, так как при тех же ограничениях реализуется большее количество функций.
Повышение качества функционирования приводит к усложнению системы, увеличению числа обратных связей, сокращению времени реакции системы на изменения внешней среды, и на каком-то этапе оператор теряет возможность управлять системой в реальном времени. Важным является то, что часть или вся информация об окружающей среде и состоянии системы ранее обрабатываемая человеком-оператором, теперь должна обрабатываться системой, и таким образом, система приобретает признаки адаптивного поведения, то есть самоорганизации в той или иной степени.
Допустим, что каждой компоненте i-ой соответствует множество функционально-параметрических характеристик Ф. Система, состоящая из n компонент, функционирует в среде, имеющей множество характеристик Фс. Тогда условие работоспособности системы в данной среде можно записать как
(1)
При проектировании известно определенное требуемое множество характеристик Фт. Если о среде известно все, то
(2)
(3)
Для каждой из компонент можно задать определенные характеристики и обеспечить работоспособность системы. В этом случае система взаимодействует со средой однозначно, то есть изменению характеристик среды соответствует изменение характеристик компонент, определяемых известным множеством Фт.
Если о среде известно не все, то
(4)
(5)
Для обеспечения работоспособности системы ее характеристики должны изменяться на величину ΔФ. В этом случае система должна взаимодействовать со средой адаптивно, иметь авторегуляторы, а характеристики системы должны превышать множество Фт, следовательно, система должна проявлять новые свойства.
Исходя из общего определения синергетики, с учетом выше предложенных определений можно предложить следующую формулировку.
Синергетическая интеграция – интеграция М, С, Э и И-компонент для достижения единой цели, при котором вновь образованная система приобретает качественно новые свойства, недостижимые отдельными компонентами, и адаптивно взаимодействующая с окружающей средой;
Необходимое условие мехатронности – объединение М, С, Э и И-компонент в систему, однозначно взаимодействующую с окружающей средой (по [1], [3], [4] – мехатронизированные объекты);
Достаточное условие мехатронности – интеграция М, С, Э и И-компонент в систему, адаптивно взаимодействующую с окружающей средой, то есть синергетическая интеграция.
Таким образом, мехатронность объекта определяется функционально-параметрическими требованиями к нему (множество Фт), уровень которых определяет состав компонент, характер интеграции, вид взаимодействия с окружающей средой, а также его структурой:
- если в структурном уравнении нет какой либо из компонент, то объект не мехатронный и не мехатронизированный;
- если в структурном уравнении есть все компоненты, но хотя бы одна из них имеет связь (-), то данный объект мехатронизированный;
- если все связи в структурном уравнении интегрирующие, то объект мехатронный.