Каким свойством характеризуется объекты

Объекты характеризуются определенными свойствами (линейностью, постоянством или переменностью параметров, инерционностью и т. п.), оказывающими большое влияние на выбор методов анализа или синтеза систем автоматического регулирования. Так, для линейных объектов целесообразно применять хорошо разработанные частотные методы анализа и синтеза систем. Для нелинейных объектов приходится использовать более громоздкие методы: фазовой плоскости или гармонической линеаризации.

Методы фазовой плоскости разработаны лишь для систем управления описываемых нелинейными дифференциальными уравнениями низких порядков (обычно второго и третьего). Методы гармонической линеаризации хотя и не имеют ограничений на порядок нелинейных дифференциальных уравнений, однако, являются приближенными. Для повышения их точности иногда приходится учитывать поправки на первую гармонику входного сигнала от высших гармоник. Следует отметить, что существуют такие объекты регулирования, к которым невозможно применять методы гармонической линеаризации.

Наличие линейности у объекта проверяется по его реакции на входные воздействия, одинаковые по величине и различные по знаку. Если при дей­ствии таких сигналов переходные характеристики по своей форме идентичны и различаются только знаками, то рассматриваемый объект является ли­нейным. Это означает, что для него справедлив принцип суперпозиции, и математическое описание объекта можно выполнить с помощью линей­ных дифференциальных или разностных уравнений. Если объект реагирует по-разному на данные типы входных сигналов, то для него несправедлив принцип суперпозиции, и он может быть математически описан нелиней­ными дифференциальными или разностными уравнениями.

Большое влияние на описание объектов регулирования оказывает принятая степень идеализации процессов, протекающих в объектах. Если динамика линейного объекта определяется конечным числом переменных, то его поведение описывается дифференциальными уравнениями с сосредо­точенными постоянными (обыкновенными дифференциальными уравнениями). Если число переменных бесконечно велико, то поведение объекта описы­вается дифференциальными уравнениями с распределенными постоянными (дифференциальными уравнениями в частных производных).

При проектировании систем автоматического регулирования с объек­тами, имеющими распределенные параметры, уравнения динамики в част­ных производных довольно часто приводят к обыкновенным дифференциаль­ным уравнениям (системам дифференциаль­ных уравнений).

Во многих объектах регулирования параметры объекта регулирования не являются постоянными, а зависят от времени. Например, параметр летательного аппарата изменяются в зависимости от скорости его полета по закону V = V (t). В этом случае динамика летательного аппарата (само­лета, ракеты) описывается дифференциальным уравнением с переменными параметрами. Если же у объекта регулирования изменение параметров от времени носит случайный характер, то динамика процессов в таком объекте описывается стохастическим дифференциальным уравнением. К таким объек­там можно отнести усилители сигналов с автоматической регулировкой в радиолокационных станциях, выходные блоки в радиорелейных линиях и т. д.

В процессе проектирования автоматической системы определяют инерционность объекта регулирования. Для этого на его вход подают ступенчатое единичное воздействие, а с выхода снимают переходную характеристику. Чем медленнее происходит нарастание переходной характеристики, тем большей инерционностью обладает объект регулирования. Можно отметить, что регулирование объектов с повышенной инерционностью осуществляется достаточно сложно, так как при этом трудно удовлетворить требуемым показателям качества. Регулирование малоинерционных объектов также представляет значительные трудности из-за необходимости применения быстродействующих исполнительных устройств. Наиболее просто обеспечивается регулирование объектов со средней инерционностью.

У некоторых объектов регулирования наряду со значительной инерционностью имеет место «чистое» запаздывание выходного сигнала, что также ухудшает показатели качества процессов регулирования.

Объекты регулирования различают и по степени самовыравнивания. Если при действии на вход объекта регулирования ступенчатого единичного сигнала происходит асимптотический процесс нарастания выходного сигнала до установления определенного уровня, то принято считать, что такой объект регулирования обладает положительным самовыравниванием. Если _ при действии на вход объекта ступенчатого единичного сигнала сигнал на его выходе все время нарастает, то объект регулирования обладает отрицательным самовыравниванием. И, наконец, если при действии ступенчатого единичного сигнала на объект на его выходе происходит линейное нара­стание сигнала, то объект регулирования имеет нулевое самовыравнивание.

6.3. Действие как характеристика объекта

В реальной жизни объекты при определенных обстоятельствах либо сами, либо под воздействием других объектов могут выполнять какие-то действия. Человек постоянно что-то делает: думает, говорит, передвигается, спит, пишет. Собака сторожит дом, ест, спит, бежит и т. д. Чтобы описать действия объекта, мы должны ответить на вопрос: «Что он может делать?» Солнце светит. Автомобиль едет. Химическое вещество «натрий» вступает в реакцию с водой. 

Объекты могут испытывать воздействие со стороны других объектов. Человек загорает на солнце. Паруса раздуваются ветром. Лопасти мельницы вращаются потоком падающей воды.

Для характеристики объекта совершенно не важно, сам объект выполняет действия или он испытывает воздействие со стороны другого объекта. Действие, применяемое к объекту, приравнивается к действию, выполняемому объектом.

В окружающем мире все объекты связаны друг с другом, они сосуществуют в тесном взаимодействии. Если ударить ногой по мячу, он полетит в соответствующем направлении. Если начать вращать педали велосипеда, то он поедет. И в том и в другом случае объекты (мяч и велосипед) будут выполнять действия в результате того, что человек, который тоже является объектом, воздействует на них.

Среди огромного многообразия выполняемых различными объектами действий можно выделить такие, которые свойственны только данному конкретному объекту. Эти действия, так же как и свойства, являются характеристикой объекта и позволяют отличить, выделить его в окружающем мире. Очень часто такие отличительные действия описывают назначение объекта. Молоток нужен, чтобы забивать гвозди. Скатертью накрывают стол.

Природные объекты характеризуются действиями, заложенными в них самой природой. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Пчелы собирают нектар и вырабатывают мед. Вулкан извергает лаву.

Путем перечисления действий можно довольно точно описать объект. Птиц характеризует то, что они могут летать. Однако если вы посмотрите вверх и увидите птицу, которая парит в небе, а потом вдруг камнем падает вниз, то можно предположить, что это орел или сокол, поскольку именно для этих птиц свойственны такие действия.

В таблице 6.5 представлены примеры некоторых рассмотренных ранее объектов и указаны характерные для них действия. 

Действие всегда проявляется через его результат. Им может стать изменение некоторых параметров самого объекта или окружающих его объектов. Принято говорить, что при этом изменяется состояние объекта. Одни результаты действий проявляются очень быстро, другие намного медленнее. Например, под воздействием огня вода в чайнике закипает за 10 минут. Ученик исписывает пасту в шариковой ручке в течение месяца. Рост человека меняется совсем незаметно для окружающих в течение нескольких лет.

Переход объекта из одного состояния в другое происходит при воздействии на него других объектов.

В выполнении действия участвуют, как правило, два объекта: один — производящий действие, и другой, который испытывает это воздействие.

Однако часто встречаются ситуации, когда совершенно невозможно определить, какой объект на какой воздействует. Например, две команды перетягивают канат… В таких случаях говорят о взаимодействии объектов. Взаимодействие — одновременное воздействие различных объектов друг на друга.

Мяч, ударившись о ногу игрока, изменяет свое направление. Происходит взаимодействие ноги и мяча.

Очень часто в окружающем мире мы наблюдаем последовательную смену состояний объекта как результат некоторых воздействий. Говорят, что происходит некоторый процесс.

Процессом можно назвать изготовление скульптуры из камня. Движение автомобиля — это тоже процесс, который приводит к изменению его положения в пространстве. Вам хорошо знаком процесс приготовления пищи.

Особое место в деятельности человека занимают информационные процессы — процессы, связанные с обменом, хранением и обработкой информации. В таких процессах состояние информации (текущее значение ее параметров) изменяется. Например, вам стало известно, что знакомому исполняется 16 лет. По этому поводу в голове сложилось шуточное четверостишие. На компьютере вы оформили открытку с рисунком и стихотворением и послали ее приятелю по электронной почте. В описанном процессе менялись форма представления информации, содержание, объем и местоположение. 

Многим процессам человек дал названия: горение, старение, рост, полет, строительство…

Процессы характеризуются свойствами и параметрами. Например, движение характеризуется скоростью, продолжительностью, пройденным расстоянием. Вам известны формулы, связывающие эти параметры: S = vt. Некоторые характеристики процессов представлены в таблице 6.6.

Для человека процесс является объектом наблюдения, изучения, управления.

6.4. Среда существования объекта

Каждый обитатель Земли живет в определенных условиях. Например, крот живет под землей, а рыба — в воде, одни животные обитают только в лесу, а другие — в поле или пустыне. В ботаническом саду для каждой группы растений создаются особые условия существования: тропические, субтропические, пустынные и т. д. Вспомните, что рыбы водятся в определенных водоемах и на разных глубинах. Подобные условия часто называют средой (обстановкой). У каждого объекта своя среда, в которой он существует.

    Среда — условия существования объекта.

Примером среды может служить и любая климатическая зона Земли. На эти зоны (среды) делится вся поверхность нашей планеты. Это происходит вследствие неравномерности нагревания
Земли Солнцем и распределения атмосферных осадков. Каждая климатическая зона характеризуется такими параметрами, как суточные и годовые колебания температур, атмосферное давление, влажность. Для каждой из климатических зон характерны свои флора и фауна. Например, пингвины живут в холодных областях Южного полушария, а место обитания верблюдов — страны с жарким и сухим климатом.

Среда существования объекта влияет на сам объект. Он приспосабливается к окружающей обстановке, иногда изменяя какие-то свои свойства, выполняя новые действия.

Когда вы впервые пришли в школу, то тоже попали в новую среду, к которой пришлось приспосабливаться, изменяя свое поведение.

Я на уроке в первый раз.

Теперь я ученица.

Вошла учительница в класс, —

Вставать или садиться?

Как надо парту открывать,

Не знала я сначала,

И я не знала, как вставать,

Чтоб парта не стучала.

Мне говорят — иди к доске,

Я руку поднимаю,

А как перо держать в руке,

Совсем не понимаю.

Агния Барто. «Первый урок»

Приспособление к среде происходит и в результате воздействия на объект. Интересным примером может служить искусство бонсаи — выращивание в цветочном горшке миниатюрного аналога большого дерева, сохраняющего естественность и пропорции. При создании бонсаи растение изменяет свою внешнюю форму, приспосабливаясь к новым условиям. Искусство бонсаи зародилось в Китае. Придворные садовники разбивали прекрасные парки и сады из местных и привезенных растений. Они создавали удивительные пейзажи из этих растений, высаживая их в отдельные сосуды, которые можно было легко перемещать по парку, изменяя композицию. Иногда садовники задерживали рост крупных деревьев и придавали им сначала естественную, а потом и понравившуюся форму. В VI веке это искусство было привезено в Японию, где и превратилось в самостоятельное направление — бонсаи — культуру выращивания растений на подносе. Размер бонсаи может быть от нескольких сантиметров до метра.

Сведения о средах существования объектов можно также представить в табличной форме, что позволит легко провести сравнение объектов друг с другом. Посмотрите на таблицу 6.7.

Объект может изменить свое состояние, если попадает в другую среду.

Самый яркий пример — круговорот воды в природе. Когда солнечные лучи нагревают водную поверхность (в океане, море, озере, луже и т. д.), часть воды испаряется. Став паром, она поднимается в атмосферу и смешивается с другими газами. На оп- ределенной высоте пар охлаждается и конденсируется, снова превращается в воду, крошечные капельки которой образуют облака. В зависимости от температуры воздуха вода возвращается на землю в виде дождя, снега или града. Объект «вода» под воз
действием температуры переходит в разные состояния: жидкое, газообразное, твердое (вода-пар-лед).

Мороженое, если находится в определенной среде — морозильной камере, — твердое. Но стоит ему попасть под воздействие солнечных лучей — переместиться в другую среду, как оно становится мягким, а затем просто жидким.

Вот так состояние объекта неразрывно связано со средой его существования и воздействием окружающих объектов.

Контрольные вопросы и задания

1. Приведите примеры материальных объектов.

2. Приведите примеры нематериальных объектов.

3. Можно ли с помощью имени дать полную характеристику объекта?

4. Как можно с помощью имени конкретизировать объект?

5. Какими свойствами можно охарактеризовать объекты «ручка для письма», «автомобиль», «стихотворение»?

6. В чем состоит отличие понятия «свойство объекта» от его значения? Приведите примеры свойств и их значений.

7. Что такое параметры объекта? Приведите примеры.

8. Какие значения могут принимать параметры «вес» и «длина хвоста» объекта «кошка»?

9. Какие значения могут быть у свойства «вид линовки» для объекта «тетрадь»?

10. Что такое действия объекта? Приведите примеры.

11. Что такое состояние объекта? Приведите примеры.

12. Что такое процесс? Приведите примеры.

13. Опишите биологический процесс роста растения.

14. Опишите, в чем состоит процесс обучения и какие свойства ученика изменяются в этом процессе.

15. Что такое среда существования объекта? Приведите примеры.

16. Какими характеристиками можно описать объект?

17. Для чего нужны разнообразные характеристики объекта?