Мертвая Вода Том 1

3.11. Манёвры и балансировочные режимы, принципы сопоставления и выявления подобия

Теперь вернёмся к замкнутым системам. Устойчиво управляемая система может находиться либо в балансировочном режиме, либо в режиме манёвра. Один и тот же, реально протекающий режим может быть интерпретирован и как балансировочный, если соотноситься с одним вектором целей, и как режим манёвра, если соотноситься с другим вектором целей.

В векторе целей балансировочного режима контрольные параметры неизменны во времени. В реальном устойчивом балансировочном режиме вектор состояния колеблется относительно неизменного положения в подпространстве контрольных параметров, а свободные параметры могут при этом изменяться по-всякому.

Понятие «балансировочный режим» несколько сродни понятию «равновесие», но шире его, поскольку обыденное сознание возпринимает «равновесие» статично - как неподвижную неизменность во времени. В балансировочном же режиме во времени неизменен процесс колебаний системы относительно точки «равновесия», координаты которой неизменны во времени: система проходит через неё, но не может пребывать в ней, хотя бы потому, что отклонения от неё - ниже порога чувствительности средств измерения или управление негибко, обладает конечным быстродействием и не может вовремя остановиться. Последнее поясним.

Понятие об отрицательных обратных связях отражает факт построения системы управления объектом таким образом, что обнаружение системой управления отклонений объекта от идеального режима, предписанного вектором целей, вызывает появление управляющего воздействия, направленного в сторону возвращения объекта к идеальному режиму. При положительных обратных связях управление помогает возмущению с момента его возникновения увести объект от идеального режима в направлении воздействия на объект возмущения.

Если идеальный режим - неизменность во времени вектора целей, в который собраны контрольные параметры, то по причине конечного быстродействия системы управления её воздействие, компенсирующее отклонение от идеального режима (при отрицательных обратных связях), с какого-то момента времени само становится возмущающим и объект проходит точку идеала

[67]. Так система управления сама разкачивает объект относительного идеального режима вектора целей (вопрос только в том, амплитуды колебаний лежат в допустимых пределах либо же нет). Лучше всего это видно в устойчивых балансировочных режимах. В неустойчивых балансировочных режимах амплитуда колебаний либо выше допустимой, либо нарастает от колебаний к колебанию даже при отрицательных обратных связях.

Т.е. сам принцип отрицательных обратных связей по контрольным параметрам в теории и практике управления необходим, но всё же он - одна из частностей в теории и практике управления в целом.

В векторе целей режима манёвра изменяется хотя бы один из контрольных параметров. При разсмотрении реального процесса устойчивого манёвра в подпространстве контрольных параметров вектор состояния отслеживает с некоторой ошибкой управления изменение вектора целей (содержащего только контрольные параметры). На свободные параметры, как и в случае балансировочного режима, ограничения не накладываются.

Режим маневрирования, в котором производные по времени контрольных изменяющихся параметров постоянны (в пределах допустимой ошибки управления), называется установившимся манёвром. Установившийся манёвр сам является балансировочным режимом, из вектора целей которого изключены изменяющиеся в процессе манёвра контрольные параметры.

Если идти от реально протекающего процесса управления и строить по предположению (т.е. гипотетически) вектор целей субъекта, реально управляющего процессом (это называется «идентификация» вектора целей), то один и тот же режим можно интерпретировать в качестве балансировочного режима или устойчивого колебательного манёвра. Так, при отнесении к вектору целей только параметров, колеблющихся относительно средних значений (в зависимости от ограничений на ошибки управления), режим интерпретируется как балансировочный режим; при отнесении к вектору целей хотя бы одного из произвольно меняющихся параметров, режим интерпретируется как манёвр.

Точно также один и тот же режим можно возпринимать как устойчивый, изходя из одних ограничений на вектор ошибки; и как неустойчивый, изходя из более строгих ограничений на вектор ошибки; в этом предложении хорошо видно проявление возможности двоякого понимания устойчивости: по ограниченности и убыванию отклонений и по предсказуемости.

Простейший пример балансировочного режима - езда на автомобиле по прямой дороге с постоянной скоростью. Все стрелочки на приборной панели, кроме разхода бензина, подрагивают около установившихся положений; но рулём всё же «шевелить» надо, поскольку неровности дороги, боковой ветер, разное давление в шинах, люфты в подвесках и рулевом приводе норовят увести автомобиль в сторону.

Манёвры в свою очередь разделяются на слабые и сильные. Это разделение не отражает эффективности манёвра. Понятие слабого манёвра связано с балансировочными режимами. Перевод системы из одного балансировочного режима в другой балансировочный режим - это один из видов манёвра. Некоторые замкнутые системы обладают таким свойством, что, если этот перевод осуществлять достаточно медленно, то вектор состояния системы в процессе манёвра не будет сильно отличаться от вектора состояния в изходном и (или) конечном балансировочном режиме за изключением изменяющихся в ходе манёвра контрольных параметров и некоторых свободных параметров, информационно связанных с контрольными.

Если на корабле положить руль на борт на 3 - 4 градуса, то корабль начнёт описывать круг очень большого диаметра и будет произходить изменение угла курса. Если это делается вне видимости берегов и в пасмурную погоду, то большинство пассажиров даже не заметят манёвра изменения курса. Если же на полном ходу быстроходного корабля (узлов 25 - 30) резко положить руль на борт градусов на 20 - 30, то палуба в процессе перекладки руля дёрнется под ногами в сторону обратную направлению перекладки руля; потом начнётся вполне ощутимое вестибулярным аппаратом человека изменение курса, сопровождающееся вполне видимым креном до 10 и более градусов.

Хотя в обоих случаях изменение курса может быть одинаковым, гидродинамические характеристики корабля в первом случае слабого манёвра не будут сильно отличаться от режима прямолинейного движения; во втором случае, когда корабль начнёт входить в циркуляцию диаметром не более 4 - 5 длин корпуса, - будет падать скорость хода, появится значительная по величине поперечная составляющая