1 АНАЛІЗ ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ

1.1 Про поняття «вимірювання» та його узагальнення

Вимірювання - це отримання інформації про різні властивості різних матеріальних об'єктів різними способами, причому характерними специфічними рисами вимірювань є:

а) отримання інформації в результаті безпосередньої взаємодії (контактним або безконтактним способом) спеціального технічного засобу - первинного вимірювального перетворювача або іншого засобу вимірювання (його чутливого елементу) з досліджуваним об'єктом;

б) одержувана інформація в остаточному підсумку представляється у вигляді числа (або сукупності чисел). Ці основні особливості вимірювальної процедури є загальними для вимірювань й пердствавляють собою їх другу відмінну ознаку.

Третьою ознакою є спільність етапів підготовки до вимірювань. Ці етапи наступні:

• складають модель об'єкта, що выдображаэ ті його властивості, визначення яких є метою вимірювань. Параметри цієї моделі приймають за «вимірювані величини». Деякий час був відсутній цей свідомо фіксуємий етап підготовки вимірювань, але фактично, так чи інакше, він при вимірах завжди був присутній. У цей час складання моделі об'єкта, що адекватно відбиває його властивості, які необхідно визначити шляхом вимірювань - перший необхідний етап планування вимірювань [1]. У результаті цього етапу встановлюють «вимірювану величину», діапазон її можливих значень, характер її зміни в часі (динаміку);

• установлюють, яка реальна властивість об'єкта приймається в якості «носія» тієї властивості, визначення якої є метою вимірювань. Наприклад, у якості «носія» досліджуваної температури об'єкта може бути обрана інтенсивність його випромінювання в певному діапазоні довжин хвиль (пірометрія). Таким чином, установлюють основний метод вимірювань, що дозволяє вибрати вид засобу вимірювань (первинного вимірювального перетворювача), що виробляє первинну інформацію про обумовлену властивість об'єкта;

• вибирають методи, операції й технічні засоби, що дозволяють оптимально, тобто з можливо меншими витратами й із прийнятною точністю, перетворити вихідний сигнал первинного перетворювача (або чутливого елемента іншого засобу вимірювань) у число або в сукупність чисел, що відбивають необхідну властивість об'єкта.

Четвертою відмітною ознакою вимірювань є спільність метрологічної методології оцінки ступеня досягнення мети вимірювань. Для гарантованої оцінки ступеня досягнення мети, тобто ступеня близькості результату вимірювань достеменній досліджуваній властивості, розвивається система забезпечення єдності вимірювань: система одиниць; система еталонів; перевірочні схеми; зразкові засоби вимірювань; методи перевірки й випробувань засобів вимірювань; методи атестації методик виконання вимірювань, а також метрологічні служби, як державна, так і відомчі, одна з основних функцій яких – забезпечення оцінки ступеня досягнення мети вимірювань.

Традиційні виміри мають єдність цілей, спільністю основних вимірювальних процедур, основних етапів підготовки до вимірювань і методології оцінки ступеня досягнення цілей. Якби при визначенні маси якого-небудь конкретного вантажу, довжини відрізка тканини, інтенсивності космічного випромінювання або при медико-біологічних вимірах зазначеної єдності й спільності ознак не існувало, то навіть при єдності мети (визначення значення, тобто подання числом) навряд чи б так непохитно, протягом сотень років зберігалося об'єднання подібних різних операцій загальним поняттям «вимірювання». Наслідком зазначеної єдності є доцільність і можливість розробки загальної теорії подібних вимірі, загальних метрологічних методів, які конкретизуються для різноманітних конкретних видів вимірі. Але спільність метрологічних методів дозволяє розробляти й оптимізувати на науковій основі всі метрологічні процедури, і, отже, методики виконання вимірювань, вимоги до робочих і зразкових засобів вимірювань, методи перевірки й т.д.

Сформульовані вище ознаки, по яких виділяється поняття «вимірювання», дозволяють розглянути доцільність об'єднання вимірювань з іншими операціями. Загалом кажучи, окремі із цих ознак застосовні не тільки для власне вимірювань, коли результат виражається числом (або сукупністю чисел). В АСУ технологічними процесами, у процесах випробувань і контролю якості продукції, у системах технічної діагностики й у ряді інших систем і процесів виходить і перетвориться в зручну форму (не обов'язково в число) та або інша інформація про властивості матеріальних об'єктів. Хоча цілі цих операцій можуть бути відмінними від цілей вимірювань, основні особливості операцій, етапи їхньої підготовки й методи оцінки ступеня досягнення цілі повністю ідентичні таким особливостям, етапам і методам, що використовуються при вимірах.

В АСУ технологічними процесами за допомогою технічних засобів виходить інформація про властивості продукту або процесу, вона перетвориться в сигнал керування процесом (не обов'язково з перетворенням інформації в число). Метою випробування продукції є отримання інформації не про реальні (у процесі випробувань) властивостя випробуваного об'єкта, а про ті його властивості, якими він володів би при режимі й умовах випробувань, точно рівних заданим значенням [2]. Метою контролю якості продукції є не визначення значення параметра продукції, а визначення відповідності цього параметра встановленим вимогам. Результатом контролю є не число, а судження (придатне, непридатний). Таким чином, ціль цієї операції теж відмінна від мети вимірювань.

Однак особливості цих операцій, основні етапи їхньої підготовки й методи оцінки ступеня досягнення цільний досить близькі (якщо не ідентичні) використовуваними при вимірах. Можна привести приклади й інші операції, по названих ознаках близьких до вимірювань, хоча й не є вимірами. Об'єднання всіх подібних операцій в одну групу корисно, тому що основою забезпечення можливої оцінки ступеня досягнення цілей для них є метрологія, і ці операції необхідно включити в коло задач метрології.

Виділяють таку групу операцій отримання інформації про кількісні властивості матеріальних об'єктів, для якої (груп операцій) були б загальними їхні основні особливості й відповідні методи, засновані на метрологічних наукових методах [3]. Подібну інформацію запропоновано назвати вимірювальною, а всю сукупність можливих операцій її отримання - операціями отримання вимірювальної інформації. Подібне узагальнення має цілком ясну мету й робить єдиними методи рішення практичних задач. Для цієї групи операцій, більш широкої, чим вимірювань повністю справедливий зроблений вище для вимірювань висновок про доцільність і можливість розробки загальних метрологічних методів, що дозволяють оптимізувати всі процедури, пов'язані з отриманням вимірювальної інформації, тобто всі процеси отримання вимірювальної інформації [4].

1.2 Про методологічні основи теорії контролю

Незважаючи на проникнення контролю в усі сфери людського життя, його теорія як наукова дисципліна не мала досить розвитиої методологічної бази. Немає чіткості основних понять і визначень, єдності підходів до дослідження контролю об'єктів різної фізичної й математичної природи, спільності постановок задач і т.п [5].

До середини нашого сторіччя основною сферою технічних додатків контролю було виробництво штучних виробів у машинобудуванні, будуванні двигунів, годинникової промисловості й т.д. Контролю, як правило, піддавали ті або інші розміри виробів, тобто об'єкти, описувані одномірною вимірюваною величиною. Сам контроль трактувався як «визначення того, що дійсне значення вимірюваної величини перебуває між граничними її значеннями або поза їх». Для такого контролю основні методологічні компоненти наукового дослідження - його об'єкт, предмет, задачі, методи їхнього рішення й ін. - приймали досить очевидну розшифровку. Коло охоплюваних контролем технічних об'єктів безупинно розширювався, вони усе більше відповідали новим системно-структурним поданням, що складаються в науці й виробництві. Теоретичний інтерес стали представляти об'єкти, описувані множиною векторних величин (наприклад, партія виробів) або величинанами-показниками (наприклад, динамічна система, технологічний агрегат). Потрібні були нові методи побудови й аналізу контроля. Правда, вони ще не вели до необхідності переосмислення його основних методологічних концепцій і могли розвиватися в рамках тих же вихідних трактувань. Коли ж увага теоретиків перемкнулася з дискретних об'єктів на технологічні процеси, описувані функціями-величинами-функціями, стало ясно, що такий контроль не побудувати на старому фундаменті. У цей час і виникли дискусії по самому визначенню контролю. Але виробництву потрібний був реальний поточний вихід: діючі пристрої й системи контролю технологічних процесів, конкретні методи їхньої побудови, розрахунку, оцінки. Зусилля розробників зосередилися на цих завданнях, що викликали до життя техніку централізованого контролю [6]. Прискорений прогрес її практики й фактор часу визначили пошук теоретичних рішень шляхом еволюційного розвитку вже досягнутих у контролі подань. Це зажадало специфічного підходу й постановки нових задач уже на початковому етапі теоретичної розробки централізованого контролю.

Сформована строкатість підходів до дослідження контролю різних об'єктів свідчила про неблагополуччя в його науковій методології. Лише в останні роки ця проблема стала часто обговорюватися в наукових колах. Причиною такої реакції є, принаймні, дві обставини: глибоко проникнення контролю в технологічні процеси й назрілу необхідність порівняння різних форм і модифікацій контролю [7]. Роль каталізатора цієї реакції випала на частку стандарту, що будує термінологію контролю дискретних об'єктів і безперервних процесів на колишньому фундаменті.

Об'єктом дослідження контролю (об'єктом дослідження теорії контролю як наукової дисципліни) може бути будь-яка доступна об'єктивній кількісній оцінці властивість або деяка сукупність таких властивостей (ознак, характеристик). Ця сукупність (в окремому випадку - одна властивість) виступає у відношенні, що цікавить нас, «повноважним представником» свого речового носія - об'єкта контролю. Помітимо, що контроль як процедура охоплює також об'єкти, що допускають лише суб'єктивну (органолептичну) оцінку їхніх властивостей. Останні, зрозуміло, не можуть бути об'єктами дослідження контролю.

Приймемо природне припущення, що контрольовану сукупність властивостей, можна вичерпно описати яким-небудь математичним числовим об'єктом: натуральним числом, скалярною або векторною величиною, скалярною або векторною функцією й ін. Цей об'єкт (інакше кажучи, ізоморфну математичну модель об'єкта контролю) будемо йменувати загальним терміном - контрольований параметр.

У тих або інших конкретних умовах формування або функціонуванні об'єкта контролю контрольований параметр здобуває вид конкретної (заздалегідь невідомої) реалізації х. Цим х може бути конкретне число, матриця, реалізація функції й т.п.

Предметом дослідження контролю (предметом дослідження теорії контролю як наукової дисципліни) є реальна контроль-процедура, тобто фактично виконувана сукупність дій, що встановлює допустимість або неприпустимість (з погляду прийнятого в тих або інших конкретних обставинах критерію) даної реалізації х, Для того, щоб виробити єдиний підхід до вивчення різних форм і модифікацій контролю, сформулюємо предмет його дослідження математичною мовою.

Нехай – множина можливих, N – множина дозволених реалізацій контрольованого параметра. Передбачається, що друга множина відбиває характер вимог, пропонованих до об'єкта контролю. Звичайно воно виділяє якісно однорідну властивість об'єкта й називається нормою. Однак вимога якісної однорідності є некритичною. З погляду процесу контролю контролю несуттєво, яка частка умовності внесена в це сполучення.

Кожної реалізації (елементу) поставимо у відповідність якщо , і – у противному випадку. Сукупність дій, яку треба зробити над х, щоб одержати з математичної точки зору являє собою деякий функціонал (в окремому випадку —1 функцію)

r=Ф(х) (1.1)

з областю визначення G й областю значень {0; 1}.

Відповідно до словникового визначений контроль об'єкта можна розглядати як відшукування значення r функционалу (1.1). Від звичайних математичних пpoцедур розрахунку функціонала процедур контролю відрізняється практичним отриманням результату. Далеко не для всіх класів об'єктів воно можливо або економічно доцільно. Проблема контролю таких об'єктів вирішується розробкою спеціального, зручного в реалізації алгоритму.

Розглянемо методику розробки. Замість реалізації х з об'єкта контролю «витягається» реалізація х₁ (образ х) і встановлюється її приналежність деякій множині N₁ (образу N). Результат перевірки розцінюється як результат контролю об'єкта. З математичної точки зору таке рішення зводиться до заміни множини G і функціонала Ф деякими іншими множиною й функціоналом Ф₁. Область значень нового функціонала залишається тієї ж {0; 1}. Заміна повинна бути такою, щоб новий результат

r₁=Ф₁(х₁), (1.2)

, був у деякому змісті близьким до точного (1.2), але більше зручним в отриманні. Технічна реалізація описаного рішення вносить у х₁ і Ф₁ (а виходить, і в ) свої корективи. Будемо вважати, що вони вже враховані в останньому записові.

Отже, через неідеальність застосовуваного алгоритму й недосконалості використовуваних при його реалізації технічних засобів замість функціонала (1.1) «працює» функціонал (1.2). Останній є реальною моделлю предмета досліджень контролю й служить керівною ідеєю в пізнанні його численних різновидів.

Задачі контролю можна розбити на дві групи. Перша охоплює задачі, пов'язані з розробкою й реалізацією принципів побудови процедури контролю того або іншого класу об'єктів друга - задачі її аналізу й синтезу.

Щоб окреслити коло задач першої групи, звернемося до (1.2). Тут проглядаються загальні риси, властивому будь-якому контролю. Він містить у собі дві досвідчені операції: визначення елемента х₁ і реалізацію для нього функціонала Ф_1.

Операція визначення елемента х₁ припускає попереднє рішення якоїсь сукупності задач: вибір множини ; побудова алгоритму збирання й обробки вихідних даних, що дозволяє виділити конкретні елементи цієї множини; технічне втілення алгоритму.

Елемент (в окремому випадку він може збігатися з х) повинен нести в собі об'єктивну кількісну інформацію про властивості об'єкта. Основним засобом отримання такої інформації є вимірювання . Звичайно воно лежить в основі досвідченого визначення .

Поерація реалізації функціонала Ф₁ схоплює задачі розробки: способів опису норм (завдання множини вирішальних правил (алгоритмів дізнавання елемента х₁), засобів їхньої технічної реалізації.

Звичайна множина задається своними верхньою й (або) нижньою границями. Вирішальні правила встановлюють приналежність (або неприналежність) элемета множині . Вони будуються на порівнянні відібраних й оброблених вихідних даних з відповідними значеннями границь множини формування результуючого судження («0» або «1») для всіх порівнянь.

Обидві виділені операції можуть бути незв'язаними й виконуватися послідовно одна за іншою, але можуть переплітатися й виконуватися паралельно. Останній варіант характерний для об'єктів, контрольовані параметри яких описуються точками функціоналъного простору.

Друга група задач пов'язана з аналізом і синтезом контролю. Вона з'являється на більше пізніх етапах розвитку контролю й фактично визначає рівень його теоретичному розробки. Самі задачі породжені неадекватністю результатів ідеальної й реальної процедур контролю. Є дві причини цієї неадекватності - методична й технічна. Одна з них обумовлена відмінностями реального алгоритму контролю (1.2) від його ідеальної моделі (1.1). Інша - недосконалістю використовуваних при реалізації самого алгоритму технічних засобів.

Аналіз контролю припускає кількісну оцінку його якості. Під якістю контролю розуміють його властивість бути придатним до використання по призначенню. Природно розрізняти якість результату і якість методики (модифікації) контролю. Обґрунтований вибір їхньої міри (показника, критерію) - перша задача, що встає перед фахівцем, на даному етапі досліджень. До неї тісно примикає інша задача: розробка методів обчислення конкретного показника. Самостійний інтерес здобуває задача оцінки впливу методичних і технічних причин на помилкові результати і якість контролю.

Синтез контролю виливається в розробку його алгоритму (і у вибір необхідних для реалізації алгоритму технічних засобів), що задовольняють заданим вимогам до його якості. Вимоги можуть зводитися до накладення деяких обмежень на показник якості контролю. Більше розвинена форма задачі синтезу полягає у відшуканні алгоритму, що мінімізує (що максимізує) цей показник.

Таке загальне коло задач теорії контролю як наукової дисципліни. Пошук їхнього рішення для того або іншого класу контрольованих об'єктів може вилитися в докладні теоретичні дослідження. Прикладом служить контроль: вибірковий, динамічних систем, безперервних технологічних процесів й ін [8].

На закінчення відзначимо, що розробка чітких методологічних концепцій контролю, що відповідають сучасним системно-структурним поданням, - насущна задача, висунута потребами науки й виробництва. Її рішення дозволить направлено розвивати приватні різновиди контролю, зосередивши увагу на наочності фізичних подань, єдності методів й чіткості рішень їх найважливіших практичних задач [9].