Физические процессы можно исследовать аналитическими или экспериментальными методами.

Аналитические методы позволяют изучать процессы на основе математических моделей, которые могут быть представлены в виде функций, уравнений, систем уравнений, в основном дифференциальных или интегральных. Обычно в начале создают грубую модель, которую затем, после ее исследования, уточняют. Такая модель позволяет достаточно полно изучать физическую сущность явления.

Однако им свойственны существенные недостатки. Для того чтобы из всего класса найти частное решение, присущее лишь данному процессу, необходимо задать условия однозначности. Часто неправильное принятие краевых условий приводит к искажению физической сущности явления, а отыскать аналитическое выражение, наиболее реально отображающие это явление, или вообще невозможно или чрезвычайно затруднительно.

Экспериментальные методы позволяют глубоко изучить процессы в пределах точности техники эксперимента, особенно те параметры, которые представляют наибольший интерес. Однако результаты конкретного эксперимента не могут быть распространены на другой процесс, даже весьма близкий по своей сути. Кроме того, из опыта трудно установить, какие из параметров оказывают решающее влияние на ход процесса, и как будет протекать процесс, если меняются одновременно различные параметры. Экспериментальные методы позволяют установить лишь частные зависимости между отдельными переменными в строго определенных интервалах. Использование этих зависимостей за пределами этих интервалов может привести к грубым ошибкам.

Таким образом, и аналитические, и экспериментальные методы имеют свои преимущества и недостатки. Поэтому чрезвычайно плодотворным являются сочетание положительных сторон этих методов исследований. На этом принципе основаны методы сочетания аналитических и экспериментальных исследований, которые, в свою очередь, основываются на методах аналогии, подобия и размерностей.

Метод аналогии. Метод аналогии применяют, когда разные физические явления описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями.

Рассмотрим суть метода аналогии на примере. Тепловой поток зависит от температурного перепада (закон Фурье):

где λ – коэффициент теплопроводности.

Массперенос или перенос вещества (газа, пара, влаги, пыли) определяется перепадом концентрации вещества С (закон Фика):

– коэффициент масспереноса.

Перенос электричества по проводнику с погонным сопротивлением обусловливается перепадом напряжения (закон Ома):

где ρ – коэффициент электропроводности.

Три различных физических явления имеют идентичные математические выражения. Таким образом, их можно исследовать методом аналогии. При этом в зависимости от того, что принимается за оригинал и модель, могут быть различные виды моделирования. Так, если тепловой поток q т изучают на модели с движением жидкости, то моделирование называют гидравлическим; если его исследуют на электрической модели, моделирование называют электрическим.

Идентичность математических выражений не означает, что процессы абсолютно аналогичны. Чтобы на модели изучать процесс оригинала, необходимо соблюдать критерии аналогии. На прямую сравнивать q т и q э, коэффициенты теплопроводности λ и электропроводности ρ , температуру Т и напряжения U нет смысла. Для устранения этой несопоставимости оба уравнения необходимо представить в безразмерных величинах. Каждую переменную П следует представить в виде произведения постоянной размерности П п на переменную безразмерную П б:

П = П п ∙П б. (4.25)

Имея в виду (4.25), запишем выражения для q т и q э в следующем виде:

Подставим в уравнения (4.22) и (4.24) значения преобразованных переменных, в результате чего получим:

;

Оба уравнения написаны в безразмерном виде и их можно сравнивать. Уравнения будут идентичны, если

Это равенство называют критерием аналогии. С помощью критериев устанавливают параметры модели по исходному уравнению объекта.

В настоящее время широко применяется электрическое моделирование. С его помощью можно изучить различные физические процессы (колебания, фильтрацию, массперенос, теплопередачу, распределение напряжений). Это моделирование универсально, простое в эксплуатации, не требует громоздкого оборудования. При электрическом моделировании применяют аналоговые вычислительные машины (АВМ). Под которыми, как мы уже говорили, понимают определенное сочетание различных электрических элементов, в которых протекают процессы, описываемые математическими зависимостями, аналогичными с зависимостями для изучаемого объекта (оригинала). Существенным недостатком АВМ является сравнительно небольшая точность и не универсальность, так как для каждой задачи необходимо иметь свою схему, а значить и другую машину.

Для решения задач используют и другие методы электрического моделирования: метод сплошных сред, электрических сеток, электромеханическая аналогия, электрогидродинамическая аналогия и др. Плоские задачи моделируют с использованием электропроводной бумаги, объемные – электролитических ванн.

Метод размерностей. В ряде случаев встречаются процессы, которые не могут быть непосредственно описаны дифференциальными уравнениями. Зависимость между переменными величинами в таких случаях можно установить экспериментально. Для того чтобы ограничить эксперимент и отыскать связь между основными характеристиками процесса, эффективно применять метод анализа размерностей.

Анализ размерностей является методом установления зависимости между физическими параметрами изучаемого явления. Основан он на изучении размерностей этих величин.

Измерение физической характеристики Q означает ее сравнение с другим параметром q той же самой природы, то есть нужно определить во сколько раз Q больше чем q. В этом случае q является единицей измерения.

Единицы измерения составляют систему единиц, например, Международную систему СИ. Система включает единицы измерения, которые независимы одна от другой, их называют основными или первичными единицами. В системе СИ таковыми являются: масса (килограмм), длина (метр), время (секунда), сила тока (ампер), температура (градус Кельвина), сила света (кандела).

Единицы измерений других величин называются производными или вторичными. Они выражаются с помощью основных единиц. Формула, которая устанавливает соотношение между основными и производными единицами называется размерностью. Например, размерность скорости V является

где L – условное обозначение длины, а Т – времени.

Эти символы представляют собой независимые единицы системы единиц измерения (Т измеряется в секундах, минутах, часах и т.д., L в метрах, сантиметрах, и т.д.). Размерность выводится с помощью уравнения, которое в случае скорости имеет следующий вид:

откуда вытекает формула размерности для скорости. Анализ размерностей базируется на следующем правиле: размерность физической величины является произведением основных единиц измерения, возведенных в соответствующую степень.

В механике используют, как правило, три основные единицы измерения: массу, длину и время. Таким образом, в соответствии с вышеприведенным правилом, можно записать:

(4.28)

где N – обозначение производной единицы измерения;

L , M , T – обозначения основных (длина, масса, время) единиц;

l , m , t – неизвестные показатели, которые могут быть представлены целыми или дробными числами, положительными или отрицательными.

Существуют величины, размерность которых состоит из основных единиц в степени, равной нулю. Это так называемые безразмерные величины. Например, коэффициент разрыхления породы представляет собой отношение двух объемов, откуда

следовательно, коэффициент разрыхления есть безразмерная величина.

Если в ходе эксперимента установлено, что определяемая величина может зависеть от нескольких других величин, то в этом случае возможно составить уравнение размерностей, в котором символ изучаемой величины располагается в левой части, а произведение других величин – в правой. Символы в правой части имеют свои неизвестные показатели степени. Чтобы получить окончательно соотношение между физическими величинами, необходимо определить соответствующие показатели степени.

Например, необходимо определить время t , затраченное телом, имеющим массу m , при прямолинейном движении на пути l под действием постоянной силы f . Следовательно, время зависит от длины, массы и силы. В этом случае уравнение размерностей запишется следующим образом:

Левая часть уравнения может быть представлена в виде . Если физические величины изучаемого явления выбраны правильно, то размерности в левой и правой частях уравнения должны быть равны. Тогда система уравнений показателей степени запишется:

тогда x =y =1/2 и z = –1/2.

Это значит, что время зависит от пути как , от массы как и от силы как . Однако получить окончательное решение поставленной задачи с помощью анализа размерностей невозможно. Можно установить лишь общую форму зависимости:

где k – безразмерный коэффициент пропорциональности, который определяют путем эксперимента.

Таким способом находят вид формулы и условия эксперимента. Необходимо определить лишь зависимость между двумя величинам: и А , где А = .

Если размерности левой и правой частей уравнения равны, это значит, что рассматриваемая формула аналитическая и расчеты могут выполняться в любой системе единиц. Напротив, если используется эмпирическая формула, необходимо знать размерности всех членов этой формулы.

Используя анализ размерностей, можно ответить на вопрос: не потеряли ли мы основные параметры, влияющие на данный процесс? Иначе говоря, найденное уравнение является полным или нет?

Предположим, что в предыдущем примере тело при движении нагревается и поэтому время зависит также от температуры С .

Тогда уравнение размерностей запишется:

Откуда легко найти, что , т.е. изучаемый процесс не зависит от температуры и уравнение (4.29) является полным. Наше предположение не верно.

Таким образом, анализ размерностей позволяет:

– найти безразмерные соотношения (критерии подобия), чтобы облегчить экспериментальные исследования;

– выбрать влияющие на изучаемое явление параметры, чтобы найти аналитическое решение задачи;

– проверить правильность аналитических формул.

Метод анализа размерностей очень часто применяется в исследованиях и в более сложных случаях, чем рассмотренный пример. Он позволяет получить функциональные зависимости в критериальном виде. Пусть известна в общем виде функция F для какого-либо сложного процесса

(4.30)

Значения имеют определенную размерность единиц измерения. Метод размерностей предусматривает выбор из числа k трех основных независимых друг от друга единиц измерения. Остальные (k –3) величины, входящие в функциональную зависимость (4.30), выбирают так, чтобы они были представлены в функции F как безразмерные, т.е. в критериях подобия. Преобразования производят с помощью основных, выбранных единиц измерения. При этом функция (4.30) принимает вид:

Три единицы означают, что первые три числа являются отношением n 1 , n 2 и n 3 к соответственно равным значениям а , в , с . Выражение (4.30) анализируют по размерностям величин. В результате устанавливают численные значения показателей степени х …х 3 , у …у 3 , z …z 3 и определяют критерии подобия.

Наглядным примером использования метода анализа размерностей при разработке аналитико-эскпериментальных методов является расчетный метод Ю.З. Заславского, позволяющий определить параметры крепи одиночной выработки.

ЛЕКЦИЯ 8

Теория подобия. Теория подобия – это учение о подобии физических явлений . Ее использование наиболее эффективно в том случае, когда на основе решения дифференциальных уравнений зависимости между переменными отыскать невозможно. В этом случае, воспользовавшись данными предварительного эксперимента, с применением метода подобия составляют уравнение, решение которого можно распространить за пределы эксперимента. Этот метод теоретического исследования явлений и процессов возможен лишь на основе комбинирования с экспериментальными данными.

Теория подобия устанавливает критерии подобия различных физических явлений и с помощью этих критериев исследует свойства явлений.Критерии подобия представляют собой безразмерные отношения размерных физических величин, определяющих изучаемые явления.

Использование теории подобия дает важные практические результаты. С помощью этой теории осуществляют предварительный теоретический анализ проблемы и выбирают систему величин, характеризующих явления и процессы. Она является основой для планирования экспериментов и обработки результатов исследований. Совместно с физическими законами, дифференциальными уравнениями и экспериментом, теория подобия позволяет получать количественные характеристики изучаемого явления.

Формулирование проблемы и установление плана эксперимента на базе теории подобия значительно упрощается благодаря функциональной зависимости между совокупностью величин, определяющих явление или поведение системы. Как правило, в этом случае речь не идет о том, чтобы изучать отдельно влияние каждого параметра на явление. Очень важно, что можно достичь результатов с помощью одного лишь эксперимента над подобными системами.

Свойства подобных явлений и критерии подобия изучаемых явлений характеризуются тремя теоремами подобия.

Первая теорема подобия. Первая теорема, установленная Ж. Бертраном в 1848г., базируется на общем понятии динамического подобия Ньютона и его втором законе механики. Эта теорема формулируется следующим образом: для подобных явлений можно найти определенную совокупность параметров, называемых критериями подобия, которые равны между собой.

Рассмотрим пример. Пусть два тела, имеющие массы m 1 и m 2 , перемещаются с ускорениями соответственно а 1 и а 2 под действием сил f 1 и f 2 . Уравнения движения имеют вид:

Распространяя результат для n подобных систем, получим критерий подобия:

(4.31)

Критерий подобия условились обозначать символом П , тогда результат вышеприведенного примера запишется:

Таким образом, в подобных явлениях соотношение параметров (критерии подобия) равны между собой и для этих явлений справедливо Обратное утверждение также имеет смысл. Если критерии подобия равны, то явления являются подобными.

Найденное уравнение (4.32) называется критерием динамического подобия Ньютона , оно аналогично выражению (4.29), полученному с помощью метода анализа размерностей, и является частным случаем критерия термодинамического подобия, основанного на законе сохранения энергии.

При исследовании сложного явления могут развиваться несколько различных процессов. Подобие каждого из этих процессов обеспечивается подобием явления в целом. С точки зрения практики очень важно, что критерии подобия могут трансформироваться в критерии другого вида с помощью деления или умножения на константу k . Например, если имеются два критерия П 1 и П 2 , следующие выражения являются справедливыми:

Если подобные явления рассматриваются во времени и в пространстве, речь идет о критерии полного подобия. В этом случае описание процесса наиболее сложно, оно позволяет иметь не только численное значение параметра (силу удара взрывной волны в точке, удаленной от места взрыва на 100 м), но также развитие, изменение рассматриваемого параметра во времени (например, увеличение силы удара, скорость затухания процесса и т.д.).

Если подобные явления рассматриваются только в пространстве или во времени, они характеризуются критериями неполного подобия.

Наиболее часто, используют приблизительное подобие, при котором не рассматриваются параметры, влияющие на данный процесс в незначительной степени. Вследствие этого и результаты исследований будут приблизительными. Степень этого приближения определяется путем сравнения с практическими результатами. Речь идет в этом случае о критериях приблизительного подобия.

Вторая теорема подобия (П – теорема ). Она была сформулирована в начале XX века учеными А. Федерманом и У. Букингемом следующим образом: каждое полное уравнение физического процесса может быть представлено в форме () критериев (безразмерных зависимостей), где m есть число параметров, а k – число независимых единиц измерения.

Такое уравнение может быть решено по отношению к любому критерию и может быть представлено в виде критериального уравнения:

. (4.34)

Благодаря П- теореме возможно уменьшить число переменных размерных величин до () безразмерных величин, что упрощает анализданных, планирование эксперимента и обработку его результатов.

Обычно, в механике, в качестве основных единиц принимаются три величины: длину, время и массу. Тогда при исследовании явления, которое характеризуется пятью параметрами (включая, безразмерную константу), достаточно получить взаимосвязь между двумя критериями.

Рассмотрим пример приведения величин к безразмерному виду, используемый обычно в механике подземных сооружений. Напряженное деформированное состояние пород вокруг выработки предопределяется весом вышележащей толщи γН , где γ – объемный вес пород, Н – глубина расположения выработки от поверхности; прочностной характеристикой пород R ; сопротивлением крепи q ; смещениями контура выработки U ; размерами выработки r ; модулем деформации Е .

В общем виде зависимость можно записать следующим образом:

В соответствии с П- теоремой система из п параметров и одной определяемой величины должна дать безразмерных комбинаций. В нашем случае время не принимается во внимание, следовательно, получаем четыре безразмерные комбинации.

из которых можно составить более простую зависимость:

Третья теорема подобия. Эта теорема сформулирована акад. В.Л. Кирпичевым в 1930 г. следующим образом: необходимым и достаточным условием подобия является пропорциональность схожих параметров, составляющих часть условия однозначности, и равенство критериев подобия изучаемого явления.

Два физических явления подобны, если они описываются одной и той же системой дифференциальных уравнения и имеют подобные (граничные) условия однозначности, а их определяющие критерии подобия – численно равны.

Условиями однозначности являются условия, с помощью которых конкретное явление отличают от всей совокупности явлений того же типа. Подобие условий однозначности устанавливается в соответствии со следующими критериями:

– подобие геометрических параметров систем;

– пропорциональность физических постоянных, имеющих основное значение для изучаемого процесса;

– подобие начальных условий систем;

– подобие граничных условий систем в течение всего рассматриваемого периода;

– равенство критериев, имеющих основное значение для изучаемого процесса.

Подобие двух систем будет обеспечено в случае пропорциональности их схожих параметров и равенства критериев подобия, определенных с помощью П- теоремы из полного уравнения процесса.

Различают два типа задач в теории подобия: прямую и обратную. Прямая задача состоит в определении подобия при известных уравнениях. Обратная задача заключается в установлении уравнения, которое описывает подобие схожих явлений. Решение задачи сводится к определению критериев подобия и безразмерных коэффициентов пропорциональности.

Задача нахождения уравнения процесса с помощью П- теоремы решается в следующем порядке:

– определяют тем или иным методом все параметры, влияющие на данный процесс. Один из параметров записывается в виде функции от других параметров:

(4.35)

– предполагают, что уравнение (4.35) является полным и однородным по отношению к размерности;

– выбирают систему единиц измерений. В этой системе выбирают независимые параметры. Число независимых параметров равно k ;

– составляют матрицу размерностей выбранных параметров и рассчитывают детерминант этой матрицы. Если параметры независимы, то детерминант не будет равен нулю;

– находят комбинации критериев, используя метод анализа размерностей, их число в общем случае равно k –1;

– определяют коэффициенты пропорциональности между критериями с помощью эксперимента.

Критерии механического подобия. В горной науке наибольшее применение находят критерии механического подобия. При этом считают, что другие физические явления (термические, электрические, магнитные и др.) не влияют на изучаемый процесс. Чтобы получить необходимые критерии и постоянные подобия используют закон динамического подобия Ньютона и метод анализа размерностей.

В качестве основных единиц принимаются длина, масса и время. Все остальные характеристики рассматриваемого процесса будут находиться в зависимости от этих трех основных единиц. Следовательно, механическое подобие устанавливает критерии для длины (подобие геометрическое), времени (подобие кинематическое) и массы (подобие динамическое).

Геометрическое подобие двух подобных систем будет иметь место, если все размеры модели изменены в С l раз по отношению к системе, имеющей реальные размеры. Иначе говоря, отношение расстояний в натуре и на модели между любой парой аналогичных точек есть величина постоянная, называемая геометрическим масштабом :

. (4.36)

Отношение площадей подобных фигур равно квадрату коэффициента пропорциональности , отношение объемов – .

Условие кинематического подобия будет иметь место, если аналогичные частицы систем, перемещаясь по геометрически подобным траекториям, проходят геометрически подобные расстояния за отрезки времени t n в натуре и t m на модели, которые отличаются коэффициентом пропорциональности:

(4.37)

Условие динамического подобия будет иметь место, если, кроме условий (4.36) и (4.37), еще и массы аналогичных частиц подобных систем отличаются одна от другой коэффициентом пропорциональности:

. (4.38)

Коэффициенты C l , C t , и C m названы коэффициентами подобия.

2.1. СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

(Современные системы автоматического регулирования (САР) обычно используют серийно выпускаемые промышленностью регуляторы. Структурная схема такой системы изображена на рис 1.

Здесь О – объект управления;

ПР – промышленный регулятор;

X(t) – управляющее воздействие;

Y(t) – процесс на выходе объекта;

f(t) – возмущающее воздействие;

E(t) = X(t) - У(t) – отклонение регулируемого процесса от заданного (ошибкарегулирования);

μ (t) – регулирующее воздействие на объект.

Промышленные регуляторы - это универсальные устройства, предназначенные для регулирования самых разнообразных величин и объектов. Их конструкция такова, что к ним могут подключаться различные измерительные преобразователи и исполнительные механизмы. Они состоят из отдельных блоков, выполняющих конкретные операции (усиление, сложение, интегрирование и т.п.). Из этих блоков можно собрать схемы, реализующие практически любые законы регулирования. Современные промышленные регуляторы выполняются на основе микроконтроллеров.

Динамические свойства САР зависят от характеристик объекта и регулятора. Все параметры САР можно разделить на три группы:

Заданные параметры, которые нельзя изменить (например, статические и динамические параметры объекта);

Параметры, которые могут быть выбраны конструктором при разработке
регулятора, но не могут быть изменены при настройке;

Параметры, которые можно изменить при настройке (настроечные).

При разработке САР на основе промышленного регулятора возникает задача определения и установки настроечных параметров регулятора по заданным параметрам объекта. Решение этой задачи производится в следующем порядке:

На основании сведений о регулируемом объекте, характере возмущений, управляющих воздействий и т.п. выбирается достаточно простой типовой закон регулирования;

Производится расчет оптимальной настройки регулятора;

Производится повторный анализ качества работы системы;

Если система не удовлетворяет поставленной задаче, выбирают более
сложный закон регулирования;

Если и эта мера не даст удовлетворительные результаты, усложняют структуру САР (вводят дополнительные контуры регулирования, уточняют характер воздействия возмущений и т.д.).

Динамические свойства объекта регулирования влияют на вид переходного процесса.

Свойства объекта необходимо знать при разработке схемы авто­матизации, выборе закона работы регулятора и определении оп­тимальных значений его настроечных параметров. Правильный учёт свойств объекта позволяет создавать САР с высокими показателями качества переходного процесса.

Основными свойствами объектов регулирования являются: самовыравнивание, ёмкость и запаздывание.

Самовыравниванием называют свойство объекта самостоятельно приходить в равновесное состояние после изменения входного воздействия. В объектах с самовыравниванием ступенчатое изменение входной величины приводит к изменению выходной величины со скоростью, постепенно уменьшающейся до нуля, что связано с наличием внутренней отрицательной обратной связи.Чем больше степень самовыравнивания, тем меньше отклоне­ние выходной величины от первоначального значения.Самовыравнивание объекта таким образом характеризует его устойчивость.

ОБЪЕКТ С САМОВЫРАВНИВАНИЕМ

Объект - ёмкостьЕ (рис. 1, а); расход по входу – F вx ; расход на выходе - F выx . Рассмотрим зависимость изменения уровня L , при изменении F вx и F выx т.е. . При увеличении расхода F вx (рис. 1, б), в момент времени t 1 уровень начинает увеличиваться; при этом увеличивается гидростатическое давление столба жидкости, что вызывает увеличение расхода F выx , который стремится к расходу F вx . Уровень увеличивается, но в момент равенства расходов приходит к установившемуся значению

Рисунок 1 Схема объекта с самовыравниванием(а) и график .(б)

ОБЪЕКТ БЕЗ САМОВЫРАВНИВАНИЯ

На выходе ёмкостиЕ установлен насос H , с производительностью F выx (рис. 2, а). При увеличении расхода F вx ; в момент времени t 1 рас­ход F выx не изменяется, что вызывает увеличение уровня (рис. 2, б). Данный объект может быть представлен интегрирующим звеном.

ЕмкостьС характеризует инерционность объекта, т.е. степень влияния входной величины x на скорость изменения выходной dy/dt . . (1)

Чем больше ёмкость , тем меньше скорость изменения выходной величины объекта и наоборот. Ёмкость объекта является свойством, присущим всем технологическим объектам.

Рисунок 2 Схема объекта без самовыравнивания(а) и график .(б)

Запаздывание объекта выражается в том, что его выходная ве­личина у начинает изменяться не сразу после нанесения возмущения, а только через некоторый промежуток времени t , называемый временем запаздывания . Все реальные объекты нефтяной и промышленности обладают запаздыванием и требуют времени для прохождения сигнала от места нанесения возмуще­ния до места, где фиксируется изменение выходной величины. Обозначив это расстояние через l (рис.3, а), а скорость прохождения сигнала через V , выразим время запаздывания t следующим образом

В качестве примера объекта, обладающего запаздыванием, можно рассмотреть трубопровод длиной l , на вход которого поступает продукт с расходом F вх, а на выходе трубопровода имеем F выx (см. рис. 3, а). На рис. 3, б представлен график изменения F вх в момент времени t 1 . Изменение F выx происходит с некоторым запаздыванием t в момент времени t 2 . Запаздывание определяется разностью времён (3)Свойства объектов оказывают существенное влияние на качество переходного процесса САР и на выбор закона регулирования.

Влияние самовыравнивания объекта аналогично действию ав­томатического регулятора.

Так, объекты, не обладающие самовыравниванием, самостоятельно не обеспечивают устойчивой работы и требуют обязательного применения автоматического регулятора. Причем, не каждый регулятор может справиться с задачей управления такими объектами. Таким образом, отсутствие самовыравнивания в объектах усложняет задачу регулирования, а его наличие облегчает задачу поддержания регулируемого параметра на заданном значении. Чем выше степень самовыравнивания, тем более простыми методами можно обеспечить требуемое качество регулирования.

Ёмкость объектов влияет на выбор типа регулятора. Чем она меньше, т.е. чем больше скорость изменения выходной величины объекта при данном изменении нагрузки, тем большую степень воздействия на объект должен иметь регулятор.

Наличие запаздывания в САР усложняет задачу регулирования технологического параметра в объекте. Поэтому необходимо стремиться к его уменьшению: устанавливать измерительный преобразователь и исполнительное устройство системы как можно ближе к объекту регулирования, применять малоинерционные измерительные и нормирующие преобразователи и т.д.

Рисунок 3 Схема объекта с запаздыванием (а) и график .(б)

Свойства объектов определяют аналитическим, эксперимен­тальным и экспериментально-аналитическим методами.

Аналитический метод заключается в составлении математического описания объекта, при котором находят уравнение статики и динамики на основе теоретического анализа физических и хи­мических процессов, протекающих в исследуемом объекте, с учетом конструкции аппаратуры и характеристик перерабатываемых веществ.

Аналитический метод применяют при проектировании систем управления технологическими объектами, физико-химические процессы которых достаточно хорошо изучены. Он позволяет прогнозировать работу объектов в статическом и динамических режимах, однако сопряжен с трудностью решения и анализа со­ставленных уравнений и требует проведения специальных иссле­дований для определения значений коэффициентов этих уравнений

Экспериментальный метод состоит в определении характеристик реального объекта путём постановки на нём специального эксперимента. Метод достаточно прост, обладает малой трудоем­костью, позволяет достаточно точно определить свойства кон­кретного объекта. При экспериментальном методе невозможно выявить функциональные связи между свойствами перерабатываемых и получаемых веществ, режимными показателями технологического процесса и конструктивными характеристиками объекта. Этот недостаток не позволяет распространить на другие подобные объекты результаты, полученные экспериментальным методом.

Экспериментально-аналитический метод заключается в со­ставлении уравнений путём анализа явлений, происходящих в объекте, при этом численные значения коэффициентов полученных уравнений определяются экспериментально на реальном объекте. Являясь комбинацией аналитического и экспериментального способов определения свойств объектов, этот метод учитывает их преимущества и недостатки.

Метод эксперимента

Структурно-аналитический метод

Известно, что естествознание обязано своим развитием применению эксперимента. От простого наблюдения эксперимент отличается тем, что исследователь, изучая какое-либо явление, может произвольно изменять условия, при которых оно совершается, и, наблюдая результаты такого вмешательства, делать выводы о закономерностях изучаемого явления. Например, экспериментатор может исследовать скорость реакции в ответ на подаваемые им сигналы разной интенсивности. Или, положим, изучать действия испытуемого, которому нужно найти выход из лабиринтов разного уровня сложности. При этом экспериментатор наблюдает и фиксирует, какие приемы, средства и формы поведения применяет испытуемый, выбираясь из предложенных лабиринтов. Дальнейший анализ полученных результатов, при котором экспериментатор прослеживает структурное строение применявшихся испытуемым приемов, получил название метода структурного анализа.

В приведенных примерах речь шла о прямых непосредственных экспериментах, в которых исследователь, активно изменяя условия деятельности испытуемых, наблюдал за их поведением. Обычно такие исследования ведутся в так называемых лабораторных условиях. Отсюда эксперимент и получил название лабораторного. Часто в них применяется специальная аппаратура, эксперимент четко спланирован, а испытуемый включен в эксперимент добровольно и знает, что подвергается исследованию.

Вся психофизика, психофизиология, а также многие исследования общей психологии (память, внимание, мышление) проводятся в лабораторных условиях. Эти эксперименты не вызывают сомнения, когда их целью является исследование внешне наблюдаемых реакций или форм поведения. Но можно ли экспериментально изучать сами психические явления: восприятия, переживания, воображение, мышление? Ведь они недоступны прямому наблюдению, а для проведения эксперимента необходимо изменять условия протекания этих процессов. Действительно, напрямую это невозможно, но возможно косвенно, если мы заручимся согласием испытуемого на такой эксперимент и с его помощью, опираясь на его самонаблюдение (субъективный метод), будем изменять условия протекания психических процессов в его сознании.

Экспериментально-генетический метод

Наряду со структурно-аналитическим методом в психологии широко используется экспериментально-генетический метод, имеющий особенно большое значение для детской (генетической) психологии. С его помощью экспериментатор может исследовать происхождение и развитие у ребенка тех или иных психических процессов, изучать, какие этапы в него включены, какие факторы его определяют. Ответ на эти вопросы можно получить, прослеживая и сравнивая, как выполняются одни и те же задачи на последовательных ступенях развития ребенка. Этот подход получил в психологии название генетических (или поперечных) срезов. Другой модификацией экспериментально-генетического метода является лонгитюдное исследование, т.е. длительное и систематическое изучение одних и тех же испытуемых, позволяющее определить возрастную и индивидуальную изменчивость фаз жизненного цикла человека.

Лонгитюдное исследование нередко ведется в условиях естественного эксперимента, который был предложен в 1910 г. А.Ф. Лазурским. Смысл его в том, чтобы исключить напряжение, которое испытывает человек, знающий, что над ним экспериментируют, и перенести исследование в обычные, естественные условия (урок, собеседование, игра, домашние занятия и т.п.).

Примером естественного эксперимента может служить исследование продуктивности запоминания в зависимости от установки на длительность сохранения материала в памяти. На уроке в двух классах учеников знакомят с материалом, который нужно изучить. Первому классу сообщают, что их будут опрашивать на следующий день, а второму - что опрос будет через неделю. На самом деле оба класса опрашивали через две недели. В ходе этого естественного эксперимента были выявлены преимущества установки на длительное сохранение материала в памяти.

В возрастной и педагогической психологии нередко применяется сочетание структурно-аналитического и экспериментально-генетического методов. Например, чтобы выявить, как формируется та или иная психическая деятельность, испытуемого ставят в различные экспериментальные условия, предлагая решать определенные задачи. В одних случаях от него требуется самостоятельное решение, в других ему предоставляются разного рода подсказки. Экспериментатор, наблюдая за деятельностью испытуемых, определяет те условия, при использовании которых испытуемый может оптимально овладеть данной деятельностью. При этом, применяя приемы экспериментально-генетического метода, оказывается возможным экспериментально сформировать сложные психические процессы и глубже исследовать их структуру. Такой подход получил в педагогической психологии название формирующего эксперимента.

Экспериментально-генетические методы широко использовались в трудах Ж. Пиаже, Л.С. Выготского, П.П. Блонского, С.Л. Рубинштейна, А.В. Запорожца, П.Я. Гальперина, А.Н. Леонтьева. Классическим примером использования генетического метода является исследование Л.С. Выготским эгоцентрической речи ребенка, то есть речи, обращенной к самому себе, регулирующей и контролирующей практическую деятельность ребенка. Л.С. Выготский показал, что генетически эгоцентрическая речь восходит к внешней (коммуникативной) речи. Ребенок вслух обращается к самому себе так, как к нему обращался кто-либо из родителей или воспитывающих взрослых. Однако с каждым годом эгоцентрическая речь ребенка становится все более сокращенной и потому непонятной окружающим, а к началу школьного возраста прекращается совсем. Швейцарский психолог Ж. Пиаже считал, что к этому возрасту эгоцентрическая речь попросту отмирает, однако Л.С. Выготский показал, что она не исчезает, а переходит во внутренний план, становится внутренней речью, которая играет важную роль в самоуправлении своим поведением. Внутреннее проговаривание, «речь про себя», сохраняет структуру внешней речи, но лишена фонации, т.е. произнесения звуков. Она составляет основу нашего мышления, когда мы проговариваем про себя условия или процесс решения задачи.

Залог успеха эксперимента лежит в качестве его планирования. К эффективным экспериментальным планам относятся «смоделированный план с предварительным и заключительным тестированием, план с заключительным тестированием и контрольной группой, план с предварительным и заключительным тестированием и контрольной группой и план Соломона с четырьмя группами. Эти планы, в отличие от квазиэкспериментальных планов, обеспечивают бо льшую уверенность в результатах, так как устраняют возможность возникновения некоторых угроз для внутренней валидности (т.е. угроз предварительного измерения, взаимодействия, фона, естествен­ного развития, инструментальной погрешности, отбора и выбывания)».

Эксперимент состоит из четырех основных этапов независимо от предмета изучения и от того, кем он осуществляется. Так, при проведении эксперимента следует: определить, что именно необходимо узнать; предпринять соответствующие действия (провести эксперимент, манипули­руя одной или несколькими переменными); наблюдать эффект и последствия этих действий на другие переменные; определить, в какой мере наблюдаемый эффект может быть обусловлен пред­принятыми действиями.

Чтобы быть уверенным, что наблюдаемые результаты получены именно вследствие экспериментальной манипуляции, эксперимент должен быть валиден. Необходимо исключать факторы, которые могут повлиять на результаты. Иначе будет неизвестно, чему при­писывать различия в отношении или поведении респондентов, наблюдаемые до и после экспери­ментального манипулирования: самому процессу манипулирования, изменению из­мерительных инструментов, методики записи, способов сбора данных или непосле­довательному проведению интервью.

Кроме плана эксперимента и внутренней валидности, исследователю необходимо определить оп­тимальные условия для проведения запланированного эксперимента. Их классифицируют по уровню реальности экспериментальной обстановки и окружения. Так выделяют лабораторные и полевые эксперименты.

Лабораторные эксперименты: достоинства и недостатки

Лабораторные эксперименты обычно проводятся, когда нужно оценить уровни установленных цен, альтернативные формулировки товара, творческие разработки рекламы, дизайн упаковки. Эксперименты позволяют тестировать различные продукты, рекламные подходы. В ходе лабораторных экспериментов фиксируют психофизиологические реакции, наблюдают за направлением взгляда или за кожно-гальванической реакцией.

При проведении лабораторных экспериментов исследователи имеют достаточные воз­можности для контроля его хода. Они могут планировать физические условия осуществления экспериментов и манипулировать строго заданными переменными. Но искусственность обстановки проведения лабораторных экспериментов обычно создает среду, отличающуюся от реальных условий. Соответственно в лабораторных у словиях реакция респондентов может отличаться от реакции в естественных условиях.

Как следствие, хорошо разрабо­танные лабораторные эксперименты обычно обладают высокой степенью внутренней валидности, относительно низкой степенью внешней валидности и относительно низким уровнем обобщаемости.

Полевые эксперименты: достоинства и недостатки

В отличие от лабораторных, полевые эксперименты характеризуются высоким уровнем реализма и высоким уровнем обобщаемости. Однако при их проведении возможно возникновение угроз для внутренней валидности. Также необходимо отметить, что проведение полевых экспериментов (очень часто в местах реальных продаж) занимает много времени и дорого стоит.

На сегодня управляемый полевой эксперимент является лучшим инструментом в маркетинговых исследованиях. Он позволяет как выявить связи между причиной и следствием, так и достаточно точно спроектировать результаты эксперимента на реальный целевой рынок.

Примерами проведения полевых экспериментов служат пробные рынки и электронные пробные рынки.

К экспериментам на пробных рынках прибегают при оценке внедрения нового товара, а также альтернатив стратегии и рекламных кампаний перед проведением общенациональной кампании. Таким образом можно оценить альтернативные варианты действия без масштабных финансовых инвести­ций.

Для эксперимента на пробном рынке обычно проводится целенаправленный отбор географических областей с целью получить репрезентативные, сопоставимые географические единицы (города, поселки). После того как потенциальные рынки выбраны, они распределяются по экспериментальным условиям. При этом рекомендуется, чтобы «на каждое экспериментальное условие приходилось, по крайней мере, два рынка. Кроме того, если желательно обобщать результаты на всю страну, каждая из экспериментальных и контрольных групп должна включать четыре рынка, по одному из каждого географического региона страны».

Типичный эксперимент на пробном рынке может проводиться в пределах от месяца до года и более. В арсенале исследователей имеются пробные рынки на местах продаж и смоделированные пробные рынки. Пробный рынок на местах продаж обычно имеет довольно высокий уровень внешней валидности и средний уровень внутренней валидности. Смоделированный пробный рынок имеет сильные и слабые стороны, которые присущи лабораторным экспериментам. Это относительно высокий уровень внутренней валидности и относительно низкий уровень внешней валидности. В сравнении с пробными рынками на местах продаж, смоделированные пробные рынки дают бо льшую возможность контроля за посторонними переменными, результаты поступают быстрее и стоимость их получения ниже.

Электронный пробный рынок – это «рынок, на котором маркетинговая исследовательская компания обеспечивает себе возможность контролировать рекламу, передаваемую дома у каждого из участников, и отслеживать покупки, совершенные членами каждой семьи». Исследования, проведенные на электронном пробном рынке, позволяют соотнести тип и количество уви­денной рекламы с покупательским поведением. Цель исследования на электронном пробном рынке – повысить степень контроля ситуации эксперимента, не принося при этом в жертву обобщаемость или внешнюю валидность.

Во время эксперимента на электронном пробном рынке, проводимого в пределах ограниченного количества рынков, контролируется телевизионный сигнал, посылаемый в квартиры участников, и регистрируется покупательское поведение лиц, проживающих в этих квартирах. Технологии исследований электронных пробных рынков позволяют менять рекламные ролики для показа каждой отдельной семье, сравнивая реакцию участвующей в тесте группы с контрольной группой. Обычно исследования на пробном электронном рынке продолжаются от шести до двенадцати месяцев.

Более подробную информацию на эту тему можно найти в книге А. Назайкина