Основные пути создания систем автоматического регулирования

Одним из путей создания АСР является экспериментальный путь - метод «проб и ошибок». Таким путем шли И. И. Ползунов, Д. Уатт и их ближайшие последователи. Выбор элементов систем и их параметров производится в этом случае непосредственным изменением их конструкции, размеров и т.д. Влияние произведенных изменений на работу системы всякий раз анализируется и делается заключение о степени такого влияния. Когда выполненные переделки улучшают работу системы, стремятся произвести последующие изменения в том же направлении, пока не получат требуемого качества функционирования АСР. Поскольку для создания систем экспериментальным путем необходимо всякий раз изготавливать новые механизмы или переделывать уже имеющиеся, затраты на разработку в этом случае могут быть значительны, а сам процесс отладки систем на современном оборудовании часто небезопасен. Представьте себе, что было бы, если бы эксперименты велись на системах управления атомным реактором…

Другим путем создания АСР является использование моделей, т.е. копий реальных элементов. Модели бывают словесные, физические, математические и т.д.

Словесные модели – это те наши представления о системах, о процессах в них происходящих, которые составляют предмет наших размышлений при решении задач проектирования. Мы мыслим образами, иначе – моделями. Они позволяют, используя имеющийся опыт, делать заключения о качественной стороне изучаемых явлений процессов и дают возможность предвидеть последствия принимаемых решений. Вспомним пример
Ф. Энгельса об архитекторе и пчеле. Именно способность мыслить образами позволяет архитектору, в отличие от пчелы, представить себе здание, его детали, еще не построив его. Однако качественных представлений не достаточно, когда речь идет конкретно о размерах, формах, прочности конструкции и т.д. Здесь требуется строгий количественный расчет.

Физические модели – уменьшенные копии реальных объектов – позволяют в некоторой степени ответить на вопрос, какие по размерам, массе, прочности и другим параметрам должны быть выполнены элементы. Сложная задача в данном случае связана с масштабированием, т.е. перенесением сведений, полученных с помощью физических моделей, на реальные объекты. Далеко не всегда такое масштабирование дает надежные результаты, хотя и позволяет многое предвидеть.

Детские игрушки – пример таких моделей.

Другой пример – моделирование дамбы в Санкт-Петербурге. Задача заключалась в решении вопроса, где в дамбе делать проходы для стока воды и для прохода кораблей. В случае неудачного решения имели бы застойные зоны с гниением, что нарушало бы экологическую ситуацию в городе. Вместе с тем стоял вопрос и о проходе рыбы по веками проложенным ею путям и т.п. Для решения вопросов был задействован бассейн в судостроительном институте имени А.Н.Крылова, смоделирован рельеф дна залива. По воде пускались кораблики и изучались различные варианты расположения проходов. Решить подобную задачу с привлечением математических методов не получалось ввиду ее сложности.

Аэродинамические трубы применялись для изучения поведения моделей самолетов. Проблема масштабирования результатов исследований, т.е. перенесения результатов на реальные самолеты была связана с тем, что изменение линейного размера – длины самолета, приводило не к пропорциональному, а к квадратичному изменению его поперечного сечения.

Математические модели несут в себе сведения о процессах, записанные с помощью знаков и правил математики. Таковыми являются, например, все известные физические законы. Полученные на основе многочисленных экспериментов, они отражают в себе выявленные закономерности. Использование уже известных законов при проектировании систем позволяет пользоваться «готовыми» результатами и таким образом экономить средства и время, т.е. повышать производительность труда проектировщика. Большим преимуществом математических моделей является возможность не только качественного, но и количественного изучения процессов. Вместе с тем использование математических методов и приемов позволяет эффективно решать задачи отыскания наилучших технических решений.

Можно сказать, что использование математических методов исследования есть вопрос научной организации труда проектировщиков АСР. Однако не нужно забывать, что математические модели лишь копии реальных объектов. То, насколько близко они соответствуют таким объектам, зависит от правильности учета при математическом описании всех существенных сторон изучаемых процессов.

Рассмотренные пути создания технических устройств с использованием моделей применяются и при проектировании АСР. В конечном итоге критерием правильности моделей и результатов исследований, полученных с их помощью, всегда служит близость работы реального оборудования результатам моделирования.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие пути создания АСР существуют?

2. В чем заключается преимущество и недостатки известных путей создания АСР?

3. Возможно ли использование какого-либо из известных путей создания АСР без привлечения других?