В4. Понятие модели

Важнейшими понятиями, используемыми в естественных науках и технике, являются наблюдение и измерение. На основе наблюдений строится физическая модель исследуемого явления, с помощью которой методом проб и ошибок создаётся теория. На достигнутом этапе развития теории планируются новые эксперименты и наблюдения, результаты которых используются для дальнейшего совершенствования теории.

Идея построения модели неотделима от понятия наблюдения и измерения. Определим модель как изображение существенных сторон реальной или конструируемой системы, в удобной форме отражающее информацию о системе.

В приведённом определении система - это совокупность упорядоченных объектов, в которой каким-либо образом определены задачи и цели. Всё, что не входит в систему, является частью среды. Система характеризуется связями между входными и выходными сигналами, вид которых зависит от выбора границы между системой и средой.

Понятие модели можно дополнить несколькими замечаниями.

1. Модель не должна быть описанием фактического устройства системы. Она может имитировать систему или подражать её поведению.

2. Модели бывают концептуальные, физические и математические (альтернативные названия: феноменологические, эмпирические и аналитические) в зависимости от того, какая сторона явления в данном случае наиболее существенна, от методов построения модели, количества и качества информации.

3. Модель должна быть представлена в удобной форме, то есть являть собой упрощённое отражение действительности.

В технике следует различать несколько целей использования моделей.

1. Исследование. Анализ информации, полученной в результате построения модели и поиск ключей к дальнейшим исследованиям.

2. Проектирование. Характеристики отдельных элементов или подсистем используются для построения модели системы, удовлетворяющей критерию проектирования (устойчивость, точность, надёжность и т. д.).

3. Управление. Способы управления системой зависят от имеющейся информации. В этом случае следует различать:

а) условия нормального функционирования, к которым можно отнести:

• управление по каналам прямых и обратных связей;

• статическую и динамическую оптимизации;

• адаптивное управление;

б) критические ситуации, такие, как частичная поломка, когда способ управления зависит от информации о типе и глубине отказа;

в) стартовые и финишные режимы, когда некоторые элементы программного управления могут зависеть от значений параметров и состояния системы.

Как правило, задача управления разнообразными объектами и процессами заключается в устранении неопределённостей, причиной возникновения которых являются изменяющиеся условия функционирования. Обычная обратная связь может устранить влияние неопределённости или по крайней мере уменьшить эффект её влияния. Однако принцип обратной связи имеет ограничения, проявляющиеся при больших изменениях параметров системы; в этой ситуации возможно использование принципов адаптивного управления.

Проектировщик редко располагает необходимой для синтеза системы управления полной информацией об объекте и окружающей его среде. Даже если известны уравнения системы, часто оказываются неизвестными значения отдельных параметров, а модели слишком сложны.

Все задачи идентификации в автоматическом управлении характерны тем, что:

1. для получения недостающей информации ставятся эксперименты над системой;

2. цель идентификации состоит в выработке стратегии управления.