Владимир Петров - Структурный анализ систем

Существует класс задач, в которых необходимо измерятькакие-то параметры систем или обнаруживатькакие-то объекты или их части. Условно такие системы будем называть — измерительными. Модели таких систем могут иметь вепольные структуры, рассмотренные ранее (3.2), (3.3) или (3.6).

Для измеренияпараметров вещества В 1или его обнаруженияк нему присоединяют вещество В 2, которое может:

— генерировать поле П 1(3.7);

— преобразовывать поле П 1в поле П 2(3.9);

— видоизменять поле П »в поле П »»(3.10).

Генерирование поля

Необходимо измеритьили обнаружитьобъект, который обозначим как вещество В 1.Для этого к нему присоединяют вещество В 2, которое генерируетполе П 1.

В вепольном виде генерирование поля описано схемой (3.7). Слева от двойной стрелки показано, что в системе нужно обнаружить или измерить (вещество В 1), а справа — вепольная модель генерирования поля, где В 2 — вещество-генератор, которые мы рассмотрели выше.

По выделяемому полю можно легко обнаружить В 1или измерить его характеристики.

Пример 3.5. Обнаружение затонувшего объекта

Для обозначения места затонувшего объекта В 1к нему прикрепляют радиобуй В 2, дающий сигнал П рад(3.8), который является радиомаяком для спасательных средств (рис. 3.1).

Где:

В 1 — затонувший объект;

В 2 — радиобуй;

П рад — радиосигнал (радиополе — электромагнитное поле).

Рис. 5.1. Обнаружение затонувшего объекта

Преобразование поля

Необходимо обнаружитьвещество В 1 .Для этого к нему присоединяют вещество В 2, на которое воздействуют полем П 1и вещество В 2 преобразуетего в поле П 2. Преобразование поля описано веполем (3.9).

Примечание. Следует отметить, что если объект измерения В 1 отзывчив на имеющееся в нашем распоряжении поле П 1и может адекватно реагировать на это поле (генерировать ответное поле П 2), то нет необходимости добавлять другое вещество В 2.

Пример 3.6. Измерение температуры

Градусник можно представить веполем (3.9).

В 1 — объект, температуру которого нужно измерить;

В 2 — градусник, «переводящий» температуру (тепловое поле П 1или П тем) в некоторый сигнал (поле П 2), например, электрический сигнал П элили оптический П опт — столб ртути, на который мы смотрим.

Схема (3.9) в данном примере может быть уточнена. Объект, температуру которого нужно измерить В 1,генерирует поле (тепловое поле) П 1,воздействующее на вещество В 2(градусник), показывающий температуру П 2.(3.10)

Схемой (3.9) можно представить любой датчик (сенсор), например, для измерения: давления, скорости, перемещения, положения, натяжения, расхода, влажности, уровня, радиоактивности и т. д.

Видоизменение поля

Необходимо обнаружитьвещество В 1 .Для этого к нему присоединяют вещество В 2, на которое воздействуют полем П »,и вещество В 2 видоизменяетего в поле П »» .Видоизменение поля описано веполем (3.11). Поля П »и П »»одной и той же природы, они, например, могут отличаться количественно, но могут быть и друге характеристики, например полярность, фаза, цвет и т. д.

Веполем (3.11) можно представить, например, любые электрические измерения: напряжения , тока , мощности, частоты; измеритель информации и т. д.

Пример 3.7. Обнаружение пешехода

Для того чтобы в темное время суток обнаружить и не сбить пешехода ( В 1), к его одежде, обуви или сумке прикрепляют светоотражающий материал ( В 2). Свет фар ( П ») автомобиля отражается от этого материала ( В 2), и шофер видит отраженный свет ( П »»). Это можно представить веполем (3.12).

Где:

В 1 — пешеход;

В 2 — светоотражающий материал;

П « опт — свет фар (оптическое поле);

П «« опт — отраженный свет (оптическое поле).

Пример 3.8. Бактерии определяют химикат

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали устройство, определяющее конкретный химикат.

В качестве индикатора использовали конкретные бактерии, которые при прикосновении с определенным химическим веществом светятся 4 4 Living sensors at your fingertips. URL: http://news.mit.edu/2017/living-sensors-your-fingertips-0215 . .

В качестве живого материала использовали конкретные бактерии, расположенные в воде, находящейся в гидрогеле.

Поддержание жизнедеятельности бактерий осуществляется с помощью жидкой питательной среды, расположенной в гидрогеле 5 5 Xinyue Liu and others. Stretchable living materials and devices with hydrogel—elastomer hybrids hosting programmed cells. PNAS. February 15, 2017, URL: http://www.pnas.org/content/early/2017/02/14/1618307114.full?sid=43417b52-d915-4e2a-ab1b-610afd15fe12 . .

Устройство выполнено в виде перчаток или бандажа (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Устройство, определяющее химикат

Существуют следующие виды вепольных структур:

1. невепольная система(3.13), (3.14), (3.15);

2. вепольная система — простой веполь (3.16);

3. комплексный веполь:

— внутренний комплексный веполь (3.20), (2.21);

— внешний комплексный веполь (3.24), (3.25);

— комплексный веполь на внешней среде (3.28), (3.29);

— комплексный веполь на измененной внешней среде (3.32), (3.33);

4. цепной веполь(3.36);

5. двойной веполь(3.40);

6. смешанный(3.43), (3.44).

Невепольная система

Система, состоящая из одного элемента : вещества В 1или поля П 1, описанных схемой (3.13), или двух элементов : двух веществ В 1, В 2(3.14); вещества В 1и поля П 1(3.15), называется невепольнойили неполной вепольной системой.

Невепольные системы, как правило, неуправляемые или плохо управляемые.

Основное правило вепольного анализа

Невепольные системы для повышения управляемости необходимо сделать вепольными. Это правило можно условно представить в виде (3.16).

Задача 3.1. Снятие коры с древесины

Условия задачи

Обычно кору древесины отделяют механически в специальных корообдирочных барабанах или механическими инструментами, например топором. При этом повреждается и сама древесина.