Методы синтеза систем автоматической стабилизацииции и позиционирования

физиологическими

возможностями

в

фізіологічними

можливостями

в

познании и приобретении компетенций.

пізнанні і набутті компетенцій.

В число проблем, связанных с

До

проблем,

пов'язаних

з

варварским использованием планетных

варварським використанням планетних

ресурсов, входят утрата биологического

ресурсів, входять втрата біологічного

разнообразия, гибель лесов, эрозия

різноманіття, загибель лісів, ерозія

почвы, упадок рыболовного промысла,

ґрунту,

занепад

риболовного

нехватка качественной воды, скопление

промислу, нестача якісної води,

в атмосфере углекислого газа, что ведёт

скупчення

в атмосфері вуглекислого

к вхождению в порочный круг

газу, що веде до входження в порочне

изменения климата и более суровым

коло зміни клімату та більш суворим

засухам, лесным пожарам и ураганам –

засух, лісових пожеж і ураганів –

согласно

заключению экспертов

из

згідно з висновком експертів з

международной

организации

Global

міжнародної

організації

Global

Footprint Network.

Footprint Network.

Глава

организации

Матис

Глава

організації

Матіс

Вакернагель

свидетельствует:

«На

Вакернагель свідчить: «На заході

западе

Соединенных

Штатов бушуют

Сполучених Штатів вирують пожежі;

пожары; на другом краю света жителям

на іншому краю світу жителям

Кейптауна пришлось сократить в два

Кейптауна довелося скоротити в два

раза потребление воды с 2015 года. Это

рази споживання води з 2015 року. Це

последствия истощения экологического

наслідки

виснаження

екологічного

бюджета

нашей

уникальной

бюджету

нашої

унікальної

планеты» [2].

планети» [2].

«Наши

экономики

втягивают

«Наші

економіки

втягують

планету в «финансовую пирамиду». Мы

планету в «фінансову піраміду». Ми

используем

ресурсы

Земли,

використовуємо

ресурси

Землі,

предназначенные на будущее, для нужд

призначені на майбутнє, для потреб в

в настоящем и всё глубже погрязаем в

сьогоденні і все глибше грузнемо в

экологическом долге» − отметил он.

екологічному боргу» − зазначив він.

В

представленных

глобальных

У

представлених

глобальних

проблемах одно и то же вполне

проблемах одне і те ж цілком очевидне

очевидное

ядро,

состоящее

в

ядро, що полягає у неконтрольованості

неконтролируемости и неуправляемости

й некерованості всезростаючих потреб

растущих

потребностей

людей

в

людей в умовах істотного виснаження

условиях

существенного

истощения

наявних природних ресурсів.

имеющихся природных ресурсов.

Каждая

из

приведенных

Кожна

з наведених

глобальних

глобальных проблем для продуктивного

проблем

для

продуктивного

їх

их

разрешения

должна

быть

вирішення

повинна

бути

подана

представлена

совокупностью конкрет-

сукупністю конкретних проблем, що

ных проблем, отражающих все аспекты

відбивають

усі

аспекти

глобальної

глобальной проблемы, и расположенных

проблеми,

та

розташованих

в

в иерархической

структуре.

Для

ієрархічній

структурі.

Для вирішення

разрешения

этих

конкретных

проблем

цих

конкретних

проблем

потрібні

требуются

фундаментальные

научные

фундаментальні наукові дослідження,

исследования, в результате которых

в результаті яких повинні з'явитися

должны появиться конкретные задачи и

конкретні завдання і методи їх

методы их решения. Методы решения

вирішення. Методи вирішення на

на современном языке − это технологии.

сучасній мові − це технології. Отже,

Итак, для проблемной ситуации нет

для

проблемної

ситуації

немає

технологии её разрешения, а для задачи

технології її дозволу, а для завдання є

есть

технология

её

успешного

технологія її успішного вирішення, що

разрешения,

гарантирующая

гарантує якісний результат. Отже, для

качественный результат. Итак, для

вирішення

глобальних

проблем

разрешения

глобальных

проблем

потрібні

зусилля

профільних

требуются

усилия

профильных

міжнародних організацій з організації і

международных

организаций

по

координації

фундаментальних

организации

и

координации

наукових

досліджень

у

пошуках

фундаментальных

научных

шляхів і засобів конструктивного їх

исследований в поисках путей и средств

вирішення. У результаті такого

конструктивного их разрешения. В

підходу повинні з'явитися сучасні

результате

такого

подхода

должны

технології

вирішення

конкретних

появиться

современные

технологии

практичних

завдань парирування і

решения

конкретных

практических

нейтралізації причин, що породили

задач

парирования

и нейтрализации

проблемні

ситуації

глобального

причин,

породивших

проблемные

масштабу.

ситуации глобального масштаба.

Проблема (др. греч. πρόβληµα) −

Проблема (др. греч. πρόβληµα)

в науке: противо-речивая ситуация,

− у науці: суперечлива ситуація,

выступающая

в

виде

яка виступає у вигляді

противоположных позиций

в

протилежних позицій в поясненні

объяснении

каких-либо

явлений,

будь-яких явищ, об'єктів, процесів

объектов,

процессов и требующая

і потребує адекватної теорії її

адекватной

теории

для

её

дозволу.

разрешения.

Весь ход развития человеческого

Увесь хід розвитку людського

познания может быть представлен как

пізнання може бути представлений як

переход от постановки одних проблем и

перехід від постановки одних проблем

их решению, а затем к формированию

і їх вирішення, а потім до формування

новых проблем и технологии их

нових проблем і технології їх дозволу.

разрешения.

Английский философ Фрэнсис

Англійський філософ Френсіс

Бэкон (1561−1626) − один из творцов

Бекон (1561−1626) − один з творців

научного

метода

познания

–

подарил

наукового методу пізнання –

подарував

Миру фразу-формулу: Scientia est

Світу фразу-формулу: Scientia est

potential (лат. «знание − сила»),

potential (лат. «знання − сила»), яка

отражающую

истинную

суть

научного

відображатиме

справжню

суть

познания и его непреходящее значение

наукового пізнання і його неминуче

для прогресса. Свою лепту в

значення для прогресу. Свій внесок у

становление научного метода познания

становлення

наукового

методу

внёс и Рене Декарт (1596−1650) −

пізнання зробив і Рене Декарт

французский философ и математик.

(1596−1650) − французький філософ і

математик.

С

момента

применения

к

З

моменту

застосування

до

устойчивым

повторяющимся

явлениям

стійких повторюваних явищ природи

природы

научного

метода стали

наукового методу стали з'являтися

появляться научные знания − это

наукові знання − це такі знання, які

такие знания, которые можно

можна перевірити, зберегти і

проверить, сохранить и передать

передати іншому.

другому.

Примеров

научного

разрешения

Прикладів

наукового

вирішення

проблемных

ситуаций

достаточно в

проблемних ситуацій досить у різних

различных

областях

человеческой

областях людської діяльності. У

деятельности. В медицине: особое место

медицині: особливе місце в ряду

в ряду

опустошительных

эпидемий

спустошливих епідемій належало віспі.

принадлежало оспе. В конце XVII века

Наприкінці XVII

століття

була

была найдена вакцина против оспы. С

винайдена вакцина проти віспи. З

этого

момента

начинается

эра

цього

моменту

починається

ера

иммунологии. Имя Луи Пастера,

імунологіі. Ім'я Луї Пастера, який

заложившего

научные

основы

заклав

наукові

основи приготування

приготовления

вакцин,

вписано

вакцин, вписано золотими літерами в

золотыми

буквами

в

историю

історію імунологіі.

иммунологии.

В механике: согласно легенде об

У механіці: згідно з легендою про

Архимеде (около 287−212 до н. э.) царь

Архімеда (близько 287−212 до н. е.)

Гиерон приказал найти способ проверки

цар Гиєрон наказав знайти спосіб

содержания золота в короне. Перед

перевірки вмісту золота в короні.

Архимедом

стояла

проблемная

Перед

Архімедом

стояла

проблемна

ситуация. Не переставая думать над

ситуація. Не перестаючи думати над

этой проблемой, он полез в ванну и

цією проблемою, він поліз у ванну і

заметил, что вытеснил часть воды на

помітив, що витіснив частину води на

пол, причём его тело стало легче.

підлогу, причому його тіло стало

Архимеда осенило и, выскочив из

легше. Архімеда осяяло і, вискочивши

ванны, он побежал по улицам Сиракуз,

з ванни, він побіг по вулицях Сіракуз,

крича: «Эврика!» (Нашёл!). Таким

кричучи: «Еврика!» (Знайшов!). Таким

образом, был открыт первый закон

чином, був відкритий перший закон

гидростатики:

«Всякое

тело

при

гідростатики:

«Будь-яке

тіло

при

погружении в жидкость теряет в весе

зануренні в рідину втрачає у вазі

столько, сколько весит вытесненная им

стільки, скільки важить витіснена ним

жидкость». Этот закон назван в честь

рідина». Цей закон названий на честь

его создателя – законом Архимеда.

його творця –

законом Архімеда.

В технике: на ранних этапах

У техніці: на ранніх етапах

становления

авиации проблемой была

становлення

авіації

проблемою

була

форма крыла. В 1904 г. основоположник

форма

крила.

У

1904

р.

современной

аэродинамики Николай

основоположник

сучасної

Егорович

Жуковский

(1847−1921)

аеродинаміки

Микола

Єгорович

установил

связь

величины

Жуковський

(1847−1921)

установив

завихрённости и подъёмной силы,

зв'язок величини завихреності і

доказав теорему о подъёмной силе,

підйомної сили, довівши теорему про

позволившей

выбирать

эффективную

підйомну силу, яка дала змогу

форму профиля крыла

летательного

вибирати

ефективну

форму профілю

аппарата.

крила літального апарата.

Итак, чтобы из проблемной

Отже, щоби з проблемної ситуації

ситуации

получить

практически

отримати

практично

вирішувані

решаемые задачи, нужны технологии.

завдання, потрібні технології.

Технология (от греч. τέχνη −

Технологія (від грец. τέχνη −

искусство, мастерство, умение;

мистецтво, майстерність, уміння;

λόγος

−

«слово»,

«мысль»,

λόγος

−

«слово»,

«думка»,

«понятие») − совокупность методов

«поняття») − сукупність методів

и инструментов для достижения

та інструментів для досягнення

желаемого результата; в широком

бажаного результату; в широкому

смысле

−

применение

научного

сенсі − застосування наукового

знания для решения практических

знання для вирішення практичних

задач.

задач.

Разработка

технологий,

Розроблення

технологій,

що

позволяющих

целенаправленно

дозволяють цілеспрямовано змінювати

изменять

состояние

объектов

и

стан об'єктів і процесів, дозволяє

процессов, позволяет перейти к их

перейти до їх автоматизації.

автоматизации.

«Глобальная неконтролируемость и

«Глобальна

неконтрольованість і

неуправляемость процессов

экономики

некерованість

процесів

економіки

приводит

к

появлению

глобальных

призводять

до

появи

глобальних

проблем, зачастую неразрешимых» …

проблем,

часто

нерозв'язних» ...

«Автоматизация имеет большие преи-

«Автоматизація має великі переваги,

мущества, делая процесс производства

роблячи процес

виробництва

більш

более точным и надёжным. Машины

точним і надійним. Машини можуть

могут выполнять работу лучше, быстрее

виконувати

роботу краще,

швидше і

и гораздо точнее, чем человек,

набагато точніше, ніж людина,

независимо от

уровня заработной

незалежно від рівня заробітної плати»

платы» [3].

[3].

Необходимое

условие

для

Необхідна

умова

для

автоматизации −

это формализация

автоматизації −

це формалізація

технологического процесса посредством

технологічного процесу за допомогою

его алгоритмизации.

його алгоритмізації.

Алгоритм

–

система

Алгоритм

–

система

последовательных

операций

(в

послідовних

операцій (відповідно

соответствии

с определёнными

до визначених правилами) для

правилами) для решения какой-

вирішення будь-якої задачі.

нибудь задачи.

Алгоритм должен описываться на

Алгоритм повинен описуватися на

формальном

языке,

исключающем

формальній мові, яка виключає

неоднозначное толкование.

неоднозначне тлумачення.

Алгоритмы

обладают

свойством

Алгоритми

мають

властивість

детерминированности (определённости):

детермінованості

(визначеності):

каждый шаг и переход от шага к шагу

кожен крок і перехід від кроку до

должен быть точно определён так,

кроку

повинен

бути

точно

чтобы его могло выполнить устройство

визначеними так, щоб його міг

автоматического

управления в

составе

виконати

пристрій

автоматичного

системы автоматического

управления

управління

у

складі

системи

(САУ).

автоматичного управління (САУ).

Формализация

технологического

Формалізація

технологічного

процесса

управления

объектами

процесу управління об'єктами за

посредством

его

алгоритмизации

допомогою

його

алгоритмізації

осуществляется

при

проектировании

здійснюється при проектуванні систем

систем автоматического управления и в

автоматичного

управління

і

зокрема

частности

систем

автоматической

систем

автоматичної

стабілізації та

стабилизации и позиционирования.

позиціонування.

1.2. Жизненный цикл систем

1.2. Життєвий цикл систем

управления

управління

Для систем автоматической стаби-

Для систем автоматичної ста-

лизации (САС) и систем автоматичес-

білізації (САС) і систем автоматичного

кого позиционирования (САП) различ-

позиціонування

(САП)

різними

ными объектами и процессами харак-

об'єктами і процесами характерні певні

терны определённые этапы жизненного

етапи життєвого циклу, які можна

цикла, которые можно представить в

зобразити у вигляді такої схеми (рис.

виде такой схемы (рис. 1.1):

1.1):

критерии. К таким критериям относятся:

належать:

1)

запаси

стійкості;

1) запасы устойчивости; 2) статическая

2) статична помилка; 3) динамічна

ошибка;

3)

динамическая

ошибка;

помилка; 4) надійність; 5) час

4) надёжность; 5) время готовности к

готовності до роботи; 6) масогабаритні

работе;

6)

массогабаритные

характеристики; 7) енергоспоживання;

характеристики; 7) энергопотребление;

8) стійкість до шкідливих факторів.

8) устойчивость к вредным факторам.

Цели

и

критерии

проектирования

Цілі

й

критерії

проектування

имеют исключительно важное значение,

мають виключно важливе значення,

так как определяют и направляют весь

оскільки

визначають

і

направляють

процесс

проектирования,

труд

увесь процес проектування, працю

многочисленных

проектировщиков.

численних проектувальників. Цілі й

Цели

и

критерии

проектирования

критерії

проектування

натикаються

натыкаются при их воплощении на

при їх втіленні на обмеження, до яких

ограничения, к которым относятся

належать

терміни

проектування,

сроки

проектирования,

стоимость

вартість проекту, можливість фізичної

проекта,

возможность

физической

реалізації проекту в готовому виробі,

реализации проекта в готовом изделии,

матеріальні

й

технічні

ресурси

материальные и

технические

ресурсы

проектного підприємства, кваліфікація

проектного предприятия,

квалификация

проектувальників,

наявність

проектировщиков,

наличие

комплектуючих матеріалів.

комплектующих материалов.

Подробное

представление

целей,

Детальне

уявлення

цілей,

критериев

и

ограничений

критеріїв

і

обмежень

проектування

проектирования САУ и её отдельных

САУ і її окремих пристроїв

устройств

осуществляется

в

здійснюється в

технічному

завданні

техническом задании (ТЗ).

(ТЗ).

Этап

формирования

ТЗ

обычно

Етап

формування

ТЗ

зазвичай

реализуется

во

взаимодействии

реалізується у взаємодії підприємства-

предприятия-«заказчика»

и

«замовника»

і

підприємства-

предприятия-«проектировщика».

В

«проектувальника».

В

результаті

результате

согласования

действий

узгодження дій з'являється ТЗ як

появляется

ТЗ

как

официальный

офіційний документ. Етап технічної

документ.

Этап

технического

пропозиції

призначений

для

предложения

предназначен

для

дослідження і розроблення принципів

исследования

и

разработки

принципов

побудови САУ, визначення шляхів і

построения САУ, определения путей и

способів

проектування,

іншими

способов

проектирования,

другими

словами

–

технології

проектування.

словами –

технологии проектирования.

Він

завершується

захистом

Он завершается защитой «аванпроекта»

«аванпроекту»

−

попереднього

эскизного проектирования начинается с

починається

з

результатів

результатов

предыдущего этапа и

попереднього

етапу і

закінчується

заканчивается

принципиальной схемой

принциповою

схемою

САУ і її

САУ и её устройств. Этап рабочего

пристроїв.

Етап

робочого

проектирования

предназначен

для

проектування

призначений

для

разработки полного комплекта техни-

розроблення

повного

комплекту

ческой документации, необходимой и

технічної документації, необхідної і

достаточной для изготовления САУ и её

достатньої для виготовлення САУ і її

устройств. Завершается этап изгото-

пристроїв.

Завершується

етап

влением опытных образцов. Этап испы-

виготовленням дослідних зразків. Етап

тания является

неотъемлемой частью

випробування є невід'ємною частиною

процесса проектирования.

Испытание

процесу проектування.

Випробування

прототипов, макетов начинается уже на

прототипів, макетів починається вже

первых этапах проектирования, а

на перших етапах проектування, а

испытанием

опытных

образцов

випробуванням

дослідних

зразків

завершается процесс проектирования.

завершується процес проектування.

3. Производство –

этап массового

3.

Виробництво –

етап масового

изготовления

спроектированных

САУ,

виготовлення

спроектованих

САУ,

который осуществляется по тщательно

який

здійснюється

за

ретельно

отработанной

на предыдущих

этапах

відпрацьованою на попередніх етапах

технической документации.

технічною документацією.

4. Эксплуатация

–

основной этап

4.

Експлуатація –

основний етап

жизненного цикла САУ, где все усилия

життєвого циклу САУ, де всі зусилля

разработчиков

и

производителей

розробників і виробників мають бути

должны

быть

направлены

на

спрямовані

на

безумовне

виконання

безусловное

выполнение

системой

системою

заданих

технічних

заданных технических характеристик.

характеристик.

5. Утилизация –

этап, связанный с

5.

Утилізація –

етап, пов'язаний з

моральным или физическим старением

моральним

або фізичним

старінням

системы и прекращением её эксплуата-

системи і припиненням її експлуатації

ции и возвращением

использованных

і

поверненням

використаних

компонентов

и

материалов

для

компонентів

і

матеріалів

для

повторного

использования

в

новом

повторного

використання

в

новому

цикле производства других изделий.

циклі виробництва інших виробів.

На всех этапах жизненного цикла

На всіх етапах життєвого циклу

свойства САУ характеризуются обоб-

властивості

САУ

характеризуються

щенной характеристикой − качеством.

узагальненою характеристикою − які-

Качество − это совокупность потре-

стю. Якість − це сукупність споживчих

бительских свойств САУ, обуславли-

властивостей САУ, які зумовлюють її

вающих её применение для выполнения

застосування для виконання поставле-

поставленных задач. Качество − инте-

них задач. Якість –

інтегральна оцінка,

гральная оценка, включающая в себя

що містить функціональні, надійнісні,

функциональные, надёжностные, техно-

технологічні, ергономічні, безпекові,

логические, эргономические, безопас-

екологічні, естетичні, транспорта-

ностные, экологические, эстетические,

бельні, патентно-правові та інші

транспортабельные, патентно-правовые

споживчі властивості.

и другие потребительские свойства.

1.3. Особенности эскизного

1.3. Особливості ескізного

проектирования САУ

проектування САУ

Одной из важнейших и наукоемких

Однією з найважливіших і науко-

задач этапа

эскизного

проектирования

містких завдань

етапу

ескізного

является задача структурного и параме-

проектування є задача структурного і

трического синтеза САУ.

параметричного синтезу САУ.

На рис. 1.2 изображена обобщенная

На рис. 1.2 зображено узагальнену

схема эскизного проектирования САУ.

схему ескізного проектування САУ.

Схема отражает основные задания

Схема відображає основні завдан-

процесса проектирования и связи между

ня процесу проектування та зв'язки

заданиями, обеспечивающие итера-

між завданнями, що забезпечують

ционность

процесса

формирования

ітераційний

процес

формування

концептуального проекта САУ. Эта

концептуального проекту САУ. Ця

схема в общем отражает процесс

схема в загальному відображає процес

эскизного проектирования и применима

ескізного проектування і може бути

как для синтеза САС, так и САП.

застосована

як

для

синтезу

САС,

так і САП.

Необходимость

поддержания

Необхідність

підтримання

ста-

постоянства физических переменных су-

лості фізичних змінних існує в най-

ществует

в

самых

разнообразных

різноманітніших

областях

техніки.

областях техники. Например, в энерго-

Наприклад, в енергосистемах необхід-

системах

необходимо

поддерживать

но підтримувати сталість напруги,

постоянство

напряжения,

частоты,

частоти, потужності та інших фізичних

мощности и других физических вели-

величин. В аерокосмічних системах

чин. В аэрокосмических системах тре-

необхідна стабілізація кутового поло-

буется стабилизация углового положе-

ження щодо центру мас літального

ния относительно центра масс лета-

апарату, стабілізація курсу та інших

тельного аппарата, стабилизация курса и

фізичних характеристик. У будівництві

других физиических характеристик. В

– стабілізація

висотних

споруд.

У

строительстве − стабилизация высотных

системах

автономного

конди-

сооружений. В системах автономного

ціонування

необхідно

підтримувати

кондиционирования необходимо под-

задані значення тиску, температури,

держивать заданные значения давления,

вологості, газового складу та інших

температуры,

влажности,

газового

величин.

состава и других величин.

Стабилизация (лат. stabilis –

Стабілізація (лат. stabilis –

устойчивый)

−

обеспечение

устойчивый)

−

забезпечення

постоянства

управляемых

сталості

керованих

фізичних

физических переменных.

змінних.

Задача стабилизации заключается в

Завдання

стабілізації

полягає

в

компенсации

влияния

возмущающих

компенсації

впливу збурних

діянь

з