Рубрикатор:
Кибернетика
Научная публикация

Управляемый жидкий однородный тор

 

Германия
Март 26. 2020


     Рассмотрим объект управления (регулирования) - жидкий однородный тор, управляемой величиной в котором выбрано его состояние.
     Как известно, объект, представляющий собой сплошное жидкое образование в форме тора, является фигурой равновесия [1]. Однако, исследованиями А.Пуанкаре, А.М.Ляпунова и С.В.Ковалевской показано, что такая фигура равновесия неустойчива и практически существовать не может: раз возникнув, сплошные жидкие тор либо кольцо тут же распадутся [1]. Этот вывод послужил, в частности, теоретическим аргументом в пользу того, что кольцо Сатурна, раз уж оно существует, не сплошное. А.А.Белопольским и другими учеными дополнительно установлено, что кольцо Сатурна имеет метеоритное строение, т.е. действительно не является сплошным.
     Итак, будем рассматривать набор физических полей в сплошном жидком торе (кольце) как управляемое состояние соответствующей распределенной системы. Цель - стабилизация жидкого кольца, т.е. - превращение распределенного неустойчивого объекта в устойчивое. Речь, стало быть, идет о создании качественно нового состояния сложной системы с распределенными параметрами.
     Здесь следует заметить, что реальный перенос идей автоматического управления сосредоточенными объектами на объекты с распределенными параметрами, несмотря на имеющуюся общую концепцию, всё равно сопряжен со значительными теоретическими и практическими трудностями. Обобщения в этом направлении оказываются существенно нетривиальными и подобные разработки ещё далеки от завершения. Тем не менее, первые впечатляющие результаты уже достигнуты.
     Приведём один такой пример, причем именно для сплошного жидкого кольца.
Представим распределенное чувствительное устройство (распределенный датчик) и распределенное регулирующее устройство. Последнее предназначено для подачи распределенного воздействия на регулируемый объект - физические поля в расплавленном (!) металлическом кольце. Система замкнутая. Распределенный датчик непрерывно снимает информацию о мгновенном распределенном состоянии (физических полях) кольца, подает её на распределенное регулирующее устройство, которое, в свою очередь, мгновенно (без запаздывания) формирует поля, компенсирующие (парирующие) любые пространственно-временные отклонения состояния кольца от заданного.
     Подобная система реализована в Институте кибернетики в Киеве (авторы Ю.П.Ладиков, Ю.И.Самойленко и коллеги) на установке, подробно описанной в [2].
     Что же в итоге выполняет эта распределенная система автоматической стабилизации? Алюминиевое кольцо помещается в ней в индуктор и подвешивается магнитным полем. Если обратная связь разомкнута, то при расплавлении (токами высокой частоты) кольцо в соответствии с законами физики тут же растекается и перестает существовать. Однако, при замыкании обратной связью расплавленное кольцо не исчезает, сохраняет свою форму и остается сколь угодно долго устойчивым и неподвижным! Даже при нагреве до температур порядка 2000 градусов Цельсия не обнаруживается каких-либо протеканий.
     Что же потребовалось для создания такой установки?
Для проектирования и расчета подобной системы необходимы, прежде всего, математические описания объекта регулирования и его регулятора. Но, например, изучение физических полей в расплавленном металлическом кольце (объекте регулирования) требует рассмотрения взаимосвязанных уравнений гидродинамики соответствующей вязкой жидкости (непрерывности и Навье-Стокса для электропроводной среды), уравнения молекулярной и конвективной теплопроводности и уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Названные уравнения совместно образуют систему уравнений магнитной гидродинамики. Несколько "проще" выглядит система уравнений, описывающая функционирование распределенного регулятора. Далее требуется преобразовать указанные описания в таком направлении, чтобы, с одной стороны, сколько возможно их упростить, а, с другой, чтобы они продолжали отражать основные свойства объекта и регулятора. Одновременно, следует принимать во внимание и кибернетический принцип необходимого многообразия Эшби [2], который можно выразить так:  ранг сложности регулятора должен быть сопоставим с рангом сложности объекта регулирования. Отметим также, что регулятор должен, помимо прочего, удовлетворять ещё и, так называемым, требованиям физической реализуемости [2]. По результатам теоретической стадии необходимо, далее, практически сконструировать соответствующую замкнутую распределенную систему. Для синтеза пространственно-распределенного регулятора авторами предложены, рассчитаны и реально созданы специальные линейные слоистые и волокнистые искусственные среды -  квазиконтинуальные регулирующие структуры[2].
     Работа в целом, помимо общепознавательных мотивов, ориентирована на создание новых технологий получения сверхчистых материалов и на информационное обогащение исследований, связанных с установками для термоядерного синтеза типа токамак. Основоположник теории управления распределенными системами и структурами А.Г.Бутковский так оценил эту работу: "Если бы Нобелевская премия присуждалась за достижения в области кибернетики, я был бы за то, чтобы авторам данной разработки была эта премия присуждена".
     Допустим теперь, что неподготовленный наблюдатель не посвящен, что для достижения описываемого и явно видимого невооруженным глазом эффекта, рассчитана, сконструирована и "запущена" специальная распределенная система автоматической стабилизации. И, более того, пусть наблюдению доступно только само жидкое кольцо, а стабилизирующий это кольцо регулятор скрыт от наблюдения. Тогда длительное существование висящего жидкого металлического, но, тем не менее, неразрушающегося (нерастекающегося) устойчивого кольца будет восприниматься наблюдателем как противоречащее законам физики чудо, как ещё неизвестное и, при этом, "запрещенное", но, тем не менее, существующее явление природы [3]!
     Подчеркнем, что качественной "переделке" здесь подвергнуто только состояние объекта. Структура же, математически отраженная в виде уравнений магнитной гидродинамики, осталась нетронутой.


     Примечания:

1.  Н.И.Гаврилов. Методы теории обыкновенных дифференциальных уравнений. - М.: Высшая школа, 1962
2.  Ю.П.Ладиков. Стабилизация процессов в сплошных средах. - М.: Наука, 1978
3.  О.О.Фейгин, О.И.Золотов, Л.М.Пустыльников. Кибернетика физики. - Спб: СПбГУТ, 2014