Методологические принципы системной организации научных исследований

Прошин Иван Александрович,

доктор технических наук, профессор,

Прошин Дмитрий Иванович,

кандидат технических наук, доцент,

Прошина Раиса Дмитриевна,

соискатель.

Пензенская государственная технологическая академия.

Предлагается за основу методологии проведения и системной организации научных исследований принять системный, энер­гетический и информационно-алгоритмический причинно-следственный подходы, комплексные исследования объекта исследований (ОИ), сочетающие эксперименталь­ные и теоретические исследования, моделирование, технологические и конструктивные про­работки, схемотехнические решения с выявлением главных, определяющих функций ОИ и его составных частей в достижении цели. Каждый исследуемый объект и его основные составные части, определяющие системные свойства ОИ в виде единого целого, предлагается рассматривать как:

·                    функциональные элементы, формирующие системные свойства ОИ;

·                    элементы систем;

·                    системы взаимосвязанных элементов;

·                    преобразователи энергии;

·                    объекты управления.

Первый этап исследования – анализ объекта исследования и каждого элемента, входящего в ОИ с позиций выполнения определяющей функции, достижения цели исследования. При этом все элементы системы, образующей объект исследования, рассматриваются как система вложенных элементов, распределённых по уровням вложенности (рис. 1) с позиций выполнения каждым элементом определяющей функции. При этом каждый уровень вложенности в качестве главного элемента, обеспечивающего выполнение определяющей функции, может содержать, как один, так и несколько ключевых элементов.

Например, авиационный тренажёр (рис. 1) в качестве основного элемента, определяющего уровень акселерационных воздействий, включает в свой состав имитатор акселерационных воздействий (ИАВ). В свою очередь основа ИАВ – динамический стенд, обеспечивающий перемещение кабины тренажёра в соответствии с требуемыми законами управления. Перемещения платформы динамического стенда обеспечивает управляемая система приводов, которая является узловым элементом, формирующим динамические свойства системы управления динамическим стендом в целом и составляющая элемент третьего уровня вложенности.

Рис. 1. Системный анализ объектов управления – элементов авиационного тренажёра.

Подобие воспроизводимых движений на тренажёре реальным перемещениям летательного объекта определяется динамическими свойствами всех компонент, входящих в систему управления и, прежде всего, используемыми исполнительными механизмами – двигателями гидравлическими или электрическими. Предельная точность имитации движения летательного аппарата определяется характеристиками преобразователей параметров движения, используемых в цепях обратных связей систем управления и являющихся вместе с двигателями элементами четвёртого уровня вложенности.

С позиций системного подхода каждый объект исследования, являясь элементом системы более высокого уровня, выполняющим определённые функции, представляет собой систему взаимосвязанных элементов, определяющих функциональные возможности и свойства ОИ.

Так, авиационный тренажер, с позиций системного подхода, – это система взаимосвязанных элементов, выполняющая функции связующего звена в деятельности экипажа по взаимодействию с системами и устройствами летательного аппарата, и одновременно, – наземная имитационная модель, воспроизводящая условия реального полета, а также – элемент в системе профессиональной подготовки, обеспечивающий выполнение определённых, свойственных только ему функций по практическому обучению лётного состава.

Объект исследования – управляемая вентильно-электромеханическая система (УВЭМС) [1, 2] представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя (ЭМП), вентильного преобразователя (ВП) и устройства управления (УУ) и одновременно – элемент многих промышленных систем, в том числе и авиационного тренажёра. УВЭМС – сложные технические комплексы, объединяющие устройства с различной физической природой преобразования энергии. Если в ВП осуществляется процесс преобразования энергии посредством импульсной модуляции входных напряжений и синтез кривой выходного напряжения производится дискретно, то ЭМП – чаще всего система непрерывного преобразования энергии, имеющая накопители энергии и обладающая интегрирующими свойствами. Управление преобразованием энергии в этих системах – сложный многогранный процесс, требующий при проведении научных исследований учёта взаимного влияния всех элементов системы и рассмотрения УВЭМС как единого целого.

Различия в механизмах преобразования энергии, с одной стороны, усложняют задачу анализа УВЭМС, с другой – упрощают механизм формирования заданных значений управляемых координат, взаимно дополняя друг друга, и расширяют функциональные возможности, придавая системе новые свойства, неприсущие ни ВП, ни ЭМП. Поэтому одним из направлений создания управляемых ВЭМС является синтез таких управляющих воздействий, которые бы обеспечивали наиболее эффективное использование обоих видов преобразования энергии в решении общей для системы в целом задачи.

Вентильно-электромеханическая система с непосредственным преобразователем энергии (НПЭ) – взаимосвязанная система элементов (НПЭ, ЭМП, УУ), объединённых общей задачей по управлению выходными координатами УВЭМС. Непосредственный преобразователь энергии как управляемый элемент УВЭМС – устройство, которое объединяет энергетическую (силовую) и информационную (управляющую) части в единое целое и обеспечивает функциональное единство отдельных блоков системы, её целостность.

Энергетический подход позволяет выявить механизм преобразования энергии, количества вещества и количества движения, раскрыть принцип действия основных объектов управления, свойственных рассматриваемому объекту исследования, дать оценку их эффективности, определить требования к системе. При этом основу исследования сложных ОИ составляют принципы структурирования объектов по физическим явлениям, средам, блокам.

Математические модели (ММ) основных технологических процессов имеют вид конечных, дифференциальных, интегральных или интегрально-дифференциальных уравнений. Основой энергетического подхода и теоретическим фундаментом при построении ММ технологических процессов являются основные законы физики [3]:

·                    законы сохранения субстанции (массы М, энергии Э и импульса Д), согласно которым возможны только такие превращения, при которых алгебраическая сумма массы, энергии и импульса внутри системы остаются неизменными;

·                    законы термодинамического равновесия, определяющие условия, при которых процесс переноса субстанции отсутствует;

·                    законы переноса субстанции, определяющие интенсивность протекания технологических процессов.

Для составления моделей УВЭМС используются законы Кирхгофа, равновесия моментов, сил и др.

С позиций энергетического подхода НПЭ – управляемый преобразователь электрической энергии (напряжение, ток, частота, фаза, количество фаз), который под действием управляющих воздействий осуществляет энергетическую взаимосвязь различных систем электрического тока с техническим объектом.

Рассмотрение любого элемента как объекта управления предполагает:

·                    определение координат состояния объекта – переменных, характеризующих поведение объекта в пространстве состояний;

·                    выявление управляемых координат – выходных переменных, подлежащих в соответствии с технологией управлению;

·                    установление управляющих воздействий – величин, посредством которых может быть наиболее эффективно обеспечено управление в заданном диапазоне выходными координатами объекта управления;

·                    нахождение возмущающих воздействий – входных величин ОУ, влияющих на его управляемые координаты, но которые не могут быть изменены с помощью управляющего устройства или управление которыми не целесообразно;

·                    выявление внутренних параметров ОУ – величин, характеризующих статические и динамические свойства объекта;

·                    установление критериев управления и ограничений на входные и выходные переменные, возможных пределов изменения под действием возмущений внутренних параметров объекта.

Непосредственный преобразователь электрической энергии как объект управления в соответствии с [1] представляет собой дискретную нелинейную систему, выходными координатами которой являются величина, фаза, частота и форма входных и выходных напряжений и токов, возмущающие воздействия – изменения параметров входного напряжения и нагрузки, управляющие воздействия – системы двух переключающих функций: амплитуды и фазы.

УВЭМС с НПЭ как объект прямого цифрового управления представляет собой взаимосвязанную систему с управляющими воздействиями – системами переключающих функций амплитуды и фазы, в которой в генераторном режиме основные управляемые величины – выходные напряжения  и частота , основные возмущающие воздействия – частота вращения приводного вала и нагрузка генератора . В двигательном режиме управляемая величина – скорость (ускорение, перемещение) или момент (сила) на валу ВЭМС, основные возмущающие воздействия – параметры входного напряжения и момент сопротивления на валу.

Авиационный тренажёр, являясь элементов в системе профессиональной подготовки лётного состава, одновременно сам объединяет в единое целое множество компонентов, среди которых центральными в формировании акселерационных воздействий являются системы управления: имитацией акселерационных воздействий; динамическим стендом; приводами.

Как объект управления авиационный тренажер – система человек-машина, в которой человек, включенный в контур управления, воздействует на органы управления тренажёра в ответ на реакцию системы, поступающую по зрительному, акустическому, приборному и другим информационным каналам.

Основу научных исследований составляет итерационная последовательность процедур «Модель – анализ – синтез». Глубокие и всесторонние исследования особенностей ОИ, синтез и оценка показателей качества систем управления эффективны на основе совместных аналитических исследований и моделирования на компьютерах. В тоже время достоверные исследования физических закономерностей механизмов преоб­разования энергии, отработки управляющих воздействий, конструктивных и технологических особенностей ОИ возможно только с использованием результатов экспериментальных исследований. Идентификация ММ по экспериментальным данным при этом представляется как процесс повышения ранга неопределённости модели [4]. Совокупность решаемых задач построения ММ образует вложенную структуру, в которой выбор класса модели (непрерывные, дискретные, линейные, нелинейные, стационарные, нестационарные, детерминированные, стохастические, конечномерные, бесконечномерные) в качестве внутренних включает задачи структурной и параметрической идентификации. В свою очередь выбор структуры модели охватывает решение задач параметрической идентификации.

Таким образом, методологическую основу системной организации научных исследований составляют принципы и методология системного анализа, системный, энер­гетический и информационно-алгоритмический причинно-следственный подходы. Комплексные исследования объектов как системы вложенных элементов, как функциональных элементов, формирующих системные свойства ОИ, как элементов систем и как системы взаимосвязанных элементов, как преобразователей энергии и объектов управления, сочетающие теоретические и эксперименталь­ные исследования, моделирование с использованием математических моделей «Вход – выход» и «Вход – состояние – выход» для различных классов объектов.

Литература

1.                  Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 1. Управление непосредственными преобразователями электрической энергии. – Пенза: ПТИ, 2002. – 333 с.

2.                  Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 2. Математическое моделирование вентильно-электромеханический систем. – Пенза: ПТИ, 2003. – 306 с.

3.                  Математическое моделирование и обработка информации в исследованиях на ЭВМ / И. А. Прошин, Д. И. Прошин, Н. Н. Мишина, А. И. Прошин, В. В. Усманов; Под ред. И. А. Прошина. – Пенза: ПТИ, 2000. – 422 с.

4.        Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Н.Н. Структурно-параметрический синтез математических моделей в задачах обработки экспериментально-статистической информации. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2007. – 178 с.

Поступила в редакцию 20.05.2009 г.