 |
|
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
Определение и основные признаки управляемых систем
Главным направлением развития диссипативных объектов высокой устойчивости стало возникновение управляемых систем. Они характеризуются тем, что накопление порядка осуществляется не во всем объекте, а в его небольшой части. Эта часть именуется памятью. Передача порядка от этой малой части всему объекту называется управлением. Процессы управления в природе встречаются довольно часто. Например, достаточно добавить в стакан с насыщенным раствором какой-либо соли маленький кристаллик этой соли, как в нем начнется процесс кристаллизации. Громкий звук в горах может вызвать сход снежных лавин. Небольшая капелька катализатора приводит к химической реакции в большом объеме смеси. Перечисленные примеры можно было бы отнести к управляемым системам, если бы не одно обстоятельство: все они краткосрочны. Длительно существующими управляемыми системами являются системы с отрицательной обратной связью. Именно к ним применяют термин управляемые системы. Примерами таких систем являются все живые организмы. Точнее говоря, биологические системы являются целыми республиками, состоящими из многих миллионов (миллиардов) цепочек отрицательной обратной связи, которые, в свою очередь, объединены в более крупные цепочки и т.д. Широко используются управляемые системы с отрицательной обратной связью в технике – в так называемых автоматах. Есть системы с отрицательной обратной связью и в неживой природе. Те, кто летал самолетами, наверняка обратили внимание на тот факт, что облака располагаются на определенной высоте. Кто следит за тем, чтобы они находились именно на этой высоте? Этим «субъектом» является температура данного слоя атмосферы. Именно при этой температуре пар превращается в дискретные микро- капли, которые могут находиться длительное время во взвешенном состоянии. Если какая-то часть из них опустится ниже этого слоя, она тут же снова превратится в пар и поднимется вверх. Если же микро-капли поднимутся выше, то под действием понижения температуры они объединятся в крупные капли, которые начнут падать, и, пройдя слой облаков, вновь превратятся в пар и т.д. Эволюция управляемых систем в основном протекает в органах памяти. И здесь природой разработан универсальный принцип накопления информации. Человек повторил это «изобретение», использовав его в технических информационных устройствах. Сделал он это совершенно самостоятельно, лишь впоследствии выяснив, что так же поступает природа. Суть этого принципа заключается в том, что простейшим атомом информации является 1 бит, т.е. выбор между нулем (отсутствие информации) и единицей (полная информация). Складывая друг с другом по определенным универсальным правилам эти «атомы», можно получить любую, сколь угодно сложную информацию.
Принцип устройства и действия систем отрицательной Обратной связи На рисунке 4.1 изображена структурная схема простейшей управляющей системы с отрицательной обратной связью.
Рисунок 4.1. Структурная схема управляемой системы обратной связи: ИО(ОР) - исполнительный орган (объект регулирования); Д - измерительный орган (датчик); ОС - орган сравнения; ЭО - эталонный орган (память); УО - усилительный орган; ГОС – гибкая обратная связь.
Как видим, эта система состоит из пяти объектов. Каждый объект представляет собой диссипативную систему, порядок в которой устанавливается путём передачи информации от другого, предшествующего по схеме объекта. Первый из них – исполнительный орган - объект регулирования*. Энергия этого объекта по сути дела – энергия всей системы. Поскольку речь идет о высокоупорядоченной диссипативной системе, обычно рассматривается мощность, т.е. энергия, отнесенная к единице времени. Тоже относится и к остальным элементам системы. Управление этим исполнительным органом, т.е. повышение порядка его мощности Рио, осуществляет орган управления, состоящий из измерительного органа (датчика) – Д, эталонного органа (памяти) – ЭО, органа сравнения – ОС и усилительного органа – УО. Носителем порядка рассматриваемой системы является эталонный орган. Его выходная мощность Рэ значительно меньше Рио, зато содержит значительно больше порядка (информации). Этот порядок накапливался в предшествующий временной период. Как уже указывалось выше (см.§3.7),такое накопление именуется запоминанием, поэтому ЭО является памятью. Очевидно, необходимо, чтобы Рио было пропорционально Рэ, тогда степень упорядоченности исполнительного органа будет такой же, как эталонного. Ниже будет показано, при каких условиях это требование выполняется. Следующий элемент системы обратной связи – измерительный орган (датчик). Он служит для того, чтобы преобразовать информацию о реальном значении Рио. в пропорциональную ей, но значительно меньшую по величине мощность Рд. Например, скорость самолета измеряется с помощью датчика, приводимого в действие частью потока встречного воздуха. Скорость автомобиля определяется с помощью спидометра, отбирающего часть мощности у системы, приводящей во вращение оси колес. Орган сравнения осуществляет вычитание сигнала измерительного органа Рд из сигнала эталонного органа Рэ. Это - узловой орган всей системы. На выходе этого органа осуществляется движение, мощность которого Рос пропорциональна разности (Рэ – Рд). Усилительный орган существенно усиливает сигнал органа сравнения. Иными словами, мощность сигнала на выходе усилительного органа Руо пропорциональна и во много раз больше мощности сигнала Рос. Главная задача усилительного органа – скомпенсировать уменьшение сигнала измерительным органом. Во многих технических устройствах управления в качестве входных и выходных сигналов, т.е. истоков и стоков информации, выбирают не мощность, а другие физические величины, связанные с мощностью, – температуру, давление, скорость, силу тока, напряжение и т.п. [45]. Рассмотрим, как прямо пропорциональная зависимость Рио от Рэ осуществляется. Составим уравнения, характеризующие работу каждого органа. Выходной сигнал исполнительного органа представляет собой линейную комбинацию двух сигналов – Руо и
Величина δP – стохастическое (случайное) слагаемое мощности исполнительного органа, обусловленное воздействием на систему внешних факторов. Она меньше первого слагаемого:
Коэффициент Kио именуется коэффициентом усиления исполнительного органа. Он существенно больше единицы:
Уравнения связи измерительного, усилительного органов и органа сравнения следующие:
где Кд, Куo и Кос - коэффициенты усиления измерительного, усилительного органов и органа сравнения. Коэффициент усиления усилительного органа Куообычно такой, что:
Если произведение Кио Косзначительно больше 1/Кд , то цепочка рис. 4.1 может сформироваться и без усилительного органа. Подставив (4.4), (4.5), (4.6) в (4.1) и исключив Рд, Руo и Рос., получим:
Разделив правую и левую часть (5.8) на коэффициент
Соотношение (4.7) позволяет отбросить последнее слагаемое:
Как видим, действительно, система рисунка 4.1 позволяет сформировать движение с большой мощностью, обладающей той же информацией, что и у эталонного сигнала малой энергии. Убедимся теперь, что система рисунка 4.1 - устойчивая. Для этого допустим, что под влиянием внешних факторов(т.е. не относящихся к элементам системы 4.1)величина δPувеличилась на dРио. Согласно (4.4) Рд увеличится на dРд.Зато Рос уменьшится на dРос, так как в (4.6) Рдявляется вычитаемым. Вслед за Рос уменьшится на dРуо величина Руо, а за ней и Pио. Итак, увеличение выходной мощности системы Рио вызывает внутри неё движение, возвращающее Рио в исходное положение.
Поиск по сайту: |
(неупорядоченный остаток энергии):
, 
(4.1)
(4.2)
. (4.3)
(4.4)
; Kуо>>1; (4.5)
; Kос >1; (4.6)
(4.7)
. (4.8)
:
. (4.9)
. (4.10)