Kibernetikus fizika

A kibernetikai fizika a kibernetika és a fizika  metszéspontjában álló tudományterület, amely fizikai rendszereket vizsgál kibernetikai módszerekkel. A molekuláris fizika egy része a Kibernetikában is megtalálható . Kibernetikai módszerek alatt a kibernetika keretein belül kidolgozott szabályozási problémák megoldására, változók és paraméterek becslésére (azonosításra), adaptációra, szűrésre, optimalizálásra, jelátvitelre, mintázatfelismerésre stb. A fizikai rendszereket is általában tágan értelmezik: élő és élettelen természetű vagy mesterségesen létrehozott (vagyis esetleg biológiai, kémiai stb.) rendszerekként, amelyek fizikáját kellőképpen tanulmányozzák, és vannak kibernetikai problémák felállítására alkalmas matematikai modellek. A kibernetikus fizika kutatásának célja egy rendszer tulajdonságainak egyik vagy másik osztályba tartozó külső hatások alkalmazásával történő átalakításának lehetőségének elemzése és az ehhez az átalakuláshoz szükséges hatások típusának meghatározása. A hatások jellemző osztályai az időben állandó függvények (paraméterválasztási problémákban, bifurkációk elemzése stb.); csak időtől függő funkciók, például periodikusak (rezgésmechanikai, programvezérlési problémákban); függvények, amelyek értéke minden időpillanatban a rendszer megfigyelhető változóinak (kimeneteinek) azonos vagy korábbi időpontokban mért eredményétől függ. Az utolsó eset a legérdekesebb, és megfelel a külső visszacsatolás rendszerbe történő bevezetésének lehetséges következményeinek tanulmányozásának.

A kibernetikus fizika gyökerei

1990-ig a kibernetikai szakkifejezések ritkán jelentek meg a vezető fizikai folyóiratok oldalain, és a kibernetika hatása a fizikakutatásra szinte elhanyagolható volt. Megjegyzendő, hogy bár az automatikus és automatizált mérési és vezérlőrendszereket már régóta széles körben alkalmazzák a kísérleti fizikai kutatásokban, és egy modern fizikai kísérlet sem elképzelhetetlen automatizálás nélkül, a kísérleti kutatásban a vezérlőrendszer általában segéd szerepet tölt be, biztosítva egy előre meghatározott kísérleti mód fenntartása. Ebben az esetben nem jön létre minőségileg új kölcsönhatás a fizika és az irányításelmélet között, amikor új elméleti eredményeket, minőségileg új fizikai hatásokat fedeznek fel a kibernetikai módszerek alkalmazása során. A helyzet gyökeresen megváltozott az 1990-es években, amikor megindult két új terület gyors fejlődése: a káoszszabályozás és a kvantumrendszerek vezérlése .

Káoszkontroll

A káoszszabályozás története jelzésértékű. 1990-ig tudományos folyóiratokban szinte egyáltalán nem jelentek meg erről a témáról szóló közlemények. 1990-ben azonban megjelent E. Ott, C. Grebogi és J. York „Chaos Control” [1] cikke a Marylandi Egyetem tudósaiból (USA ) . A cikk valódi publikációs robbanást idézett elő: a 2000-es évek elején évente több mint 400 cikk jelent meg e témában lektorált folyóiratokban, az összes publikáció száma pedig meghaladta a 3000-et – írja a Web of Science.

Ott-Grebogi-Yorke cikkében arra a következtetésre jutottak, hogy egy nemlineáris (kaotikusan oszcilláló) rendszerre visszacsatolás formájában alkalmazott kis szabályozás is gyökeresen megváltoztathatja annak dinamikáját és tulajdonságait: - például a kaotikus mozgást periodikussá változtathatja. egy. A munka [1] olyan publikációk lavinát generált, amelyekben esetenként kísérletileg, gyakrabban számítógépes szimulációval mutatták be, hogy a vezérlés (visszacsatolás nélkül vagy anélkül) hogyan befolyásolhatja a különböző valós és modell fizikai rendszerek viselkedését. A műben javasolt ellenőrzési módszert a szerzők nevének kezdőbetűi után OGY-módszernek nevezték el, a műre vonatkozó hivatkozások száma 2002-re meghaladta az 1300-at.

Érdekes módon [1] előtt öt évvel megjelentek a [2] [3] cikkek , amelyekben felvetődött a nemlineáris rendszerben a káosz periodikus vezérléssel történő elnyomásának problémája, és ennek megoldásának lehetőségét számítógépes szimulációval demonstrálták. ökológiai rendszer példája. Még korábban felfedezték a Lorentz-rendszerben egy kaotikus folyamat átalakulását periodikus folyamattá harmonikus gerjesztés hatására [4] . Azonban bár a cikkeket [2] [4] lefordították és megjelentették angol nyelven, nem generáltak publikációs lavinát.

Ezt követően más módszereket javasoltak a kaotikus mozgások periodikussá alakítására, például a késleltetett visszacsatolásos módszert (Piragas-módszer) [5] . Számos létező nemlineáris és adaptív szabályozási módszert is alkalmaztak. A részletekért lásd [6] [7] .

A témával kapcsolatos publikációk többsége fizikai folyóiratokban jelenik meg, és a legtöbb közlemény szerzői fizikai karokat és tanszékeket képviselnek. Így kellő okkal új irányt tulajdoníthatunk a fizika területének. A kaotikus folyamatok szabályozására szolgáló módszerek kidolgozását a lézer- és kémiai technológiák, a telekommunikációs technológia, a biológia és az orvostudomány új alkalmazásai ösztönözték.

Kvantumrendszerek vezérlése

A 20. század utolsó évtizedében a molekuláris és kvantumrendszerek szabályozási területe gyors növekedésen ment keresztül. Talán ezen a területen hatoltak be mindenekelőtt az irányítás gondolatai – emlékezzünk az alkimistákra, akik a kémiai reakciók lefolyásába való beleavatkozás módját keresték annak érdekében, hogy az ólmot és a higanyt arannyá alakítsák. A következő mérföldkövet James Clerk Maxwell angol fizikus állította fel , aki 1871-ben feltalált egy hipotetikus lényt ( Maxwell démonának nevezte Lord Kelvin ), amely képes megmérni az egyes gázmolekulák sebességét egy edényben, és a gyors molekulákat az edény egyik részébe irányítani. edényt, és lassabb molekulákat egy másikba, akkor a molekulákat a visszacsatolás elve alapján kell irányítani. A legújabb publikációkban komolyan foglalkoznak a Maxwell-démon [8] kísérleti megvalósításának kérdéseivel . Figyelemre méltó, hogy Maxwell is írta az egyik alapvető cikket az irányításelméletről [9]

Az 1970-es évek végén jelentek meg a kvantumrendszerek vezérlési problémáinak első matematikai megfogalmazásai és megoldásai a vezérléselméleti módszerekre [10], különös tekintettel a kvantumrendszerek irányíthatóságának kritériumairaalapozva s). A femtoszekundumos impulzus időtartama összevethető a molekulák természetes rezgési periódusával, ami elvileg a femtoszekundumos lézert az egyes atomok és molekulák viselkedésének szabályozásának eszközévé teszi. A kémiában új irány alakult ki - a femtokémia, amiért 1999-ben A. Ziveil kémiai Nobel-díjat kapott .

A femtoszekundumos lézerek egyéb felhasználási módjainak fejlődésével a femtoszekundumos technológiák vagy femtotechnológiák kifejezés jött létre . Az új technológiák fejlődése ösztönözte a molekuláris rendszerek koherens szabályozására irányuló kutatások gyors növekedését klasszikus és kvantummodelleken egyaránt. A kizárólag a kvantumrendszerek szabályozásával foglalkozó, lektorált folyóiratokban megjelent publikációk száma meghaladta az évi 600 cikket. Az irányításelméleti módszerek alkalmazása új távlatokat nyit az atomok és molekulák mozgásának vizsgálatában, változásában, meghatározva a mikrovilág bensőséges természeti folyamataiba való beavatkozás módjait és lehetséges határait.

Vibrációs mechanika

A mechanika és a fizika számos más területe foglalkozik a rendszerek tulajdonságaiban bekövetkezett változások tanulmányozásával, amikor egy bizonyos hatáscsoportot alkalmaznak rájuk. Egyesekben a kibernetika és az irányításelmélet módszereit kifejezetten alkalmazzák, míg mások csak ideológiailag közelítenek a kibernetikus fizikához. Ez utóbbi magában foglalja a "vibrációs mechanikát". Az 1940-es években P. L. Kapitsa akadémikus, aki később fizikai Nobel-díjat kapott, kísérletet végzett, amely kimutatta, hogy az inga felső, instabil egyensúlyi helyzete akkor válik stabillá, ha az inga felfüggesztésének tengelye függőleges irányban kellően magas frekvencián rezeg. . Ezt a kísérletet Kapitsa P. L. az ún. effektív potenciál bevezetése alapján magyarázta, amely az átlagolási módszer egy változatának felel meg [11] . Kapitsa P. L. munkája lendületet adott a mechanika egy új ágának - a vibrációs mechanikának - kifejlesztéséhez. I. I. Blekhman és munkatársai munkáiban általános megközelítést dolgoztak ki a rezgés mechanikai rendszerekre gyakorolt ​​hatásának vizsgálatára [12] . Kapitsa P. L. módszerét alkalmazták az atomfizika, plazmafizika stb. oszcillációs folyamatainak vizsgálatára is, kibernetikai szempontból a fenti munkák lényege a nagyfrekvenciás jelekkel vezérelt rendszerek tulajdonságainak elemzése visszacsatolás nélkül. Az ilyen rendszerek olyan esetekben alkalmazhatók, amikor a rendszer megfigyelt változóinak mérése lehetetlen vagy nem praktikus.

Optimalizálás termodinamika

A klasszikus termodinamika alapjait 1724-ben Sadi Carnot fektette le , aki meghatározta a folyamatszabályt a leghatékonyabb hőmotorra ( Carnot-ciklus ). Egy olyan gép esetében, amely hőt von ki egy hőmérsékleten termikus egyensúlyban lévő forrásból, és hasznos munkát végez a hőcserélővel egy hőmérsékleten , a maximális hatásfok megegyezik a Carnot-féle hőmotorra vonatkozó hatásfokbecslésekkel, valamint más becslésekkel. A klasszikus termodinamika (ideális gázok és ideális megoldások keverékleválasztásának reverzibilis munkája stb.) olyan folyamatokra érvényes, amelyekben nincs disszipáció, ami viszont vagy korlátlan időtartamú folyamatot, vagy tetszőlegesen nagy hő- és tömegátadási együtthatókat jelent ( közvetve jellemzik a készülék méreteit). Az 1950-es évek végén kialakult az irreverzibilis termodinamika iránya, amely a különféle rendszerek korlátozó lehetőségeit vizsgálta a folyamatok korlátozott időtartamára, vagy adott átlagos áramlási intenzitásra. Ezt nevezték "termodinamika véges időben" vagy "optimalizációs termodinamika".

1957-ben I. I. Novikov [13] és egymástól függetlenül F. L. Kurzon és V. Alborn [14] 1975-ös munkájában megtalálták a hőgép maximális teljesítményciklusának paramétereit, és kimutatták, hogy maximális hatékonysága egyenlő (Novikov-Curzon-Ahlborn képlet). Megjegyezzük, hogy a probléma optimalizálási problémaként kerül felállításra és megoldásra, és bonyolultabb esetekben az optimális szabályozáselmélet modern módszereit is sikeresen alkalmazzák a termodinamikai rendszerek korlátozó jellemzőinek felkutatására. Így ezen a területen is kibernetikai módszereket alkalmaznak új fizikai eredmények eléréséhez. Az optimalizációs termodinamika jelenlegi állása a [15] [16] könyvekben található .

A kibernetikus fizika tárgya és módszertana

Az 1990-es évek végére világossá vált, hogy a fizika és az irányításelmélet metszéspontjában tulajdonképpen egy új terület alakult ki, amelyben az irányításelmélet (kibernetika) gondolatait és módszereit felhasználva folyik a fizikai kutatás. A kibernetikus fizika kifejezést valószínűleg ben javasolták[ hol? ] [17] [18] , és in[ hol? ] [19] [20] [21] szisztematikusan mutatja be az új terület tematikáját és módszertanát.

A kibernetikus fizika tantárgy jellemzéséhez szükséges a vezérlőobjektumok (CO), a vezérlőobjektumok (CC) és a megengedett vezérlőalgoritmusok figyelembe vett modelljei osztályainak leírása, módszertanának jellemzéséhez pedig a ismertesse a vezérlőalgoritmusok felépítésének főbb módszereit és a kapott eredmények típusait.

Bármely szabályozási probléma formális megfogalmazása a vezérelt rendszer dinamikájának modelljének (kontrollobjektum - OC) és az irányítási cél modelljének kiválasztásával kezdődik. Még ha a DT-modell nem is adott vagy ismeretlen, ilyen vagy olyan formában meg kell határozni. A különbség a kibernetikai modellek és a hagyományos fizika és mechanika dinamikai modelljei között az, hogy kifejezetten jelzik a rendszer be- és kimeneteit, mivel ez elengedhetetlen a külső visszacsatolások konstruálásakor. A fizikai rendszerek szabályozásával foglalkozó irodalomban a CO modellek több osztályát is figyelembe veszik: az állapottérben közönséges differenciálegyenletekkel leírt, csomózott paraméterekkel rendelkező modelleket, parciális differenciálegyenletekkel leírt elosztott paraméterű modelleket, differenciálegyenletekkel leírt diszkrét modelleket.

A menedzsment célok fő típusai a következők:

A szabályozás (amelyet gyakran stabilizálásnak vagy pozicionálásnak is neveznek) az objektumállapot-változók vektorának (vagy a kimeneti változók vektorának ) valamilyen egyensúlyi állapotba hozása (illetve ).

Követés. A nyomkövetési feladatokban (más néven programvezérlési feladatokban) a CO állapotváltozóinak vektorát közelíteni kell a kívánt időfüggvényhez vagy a kimeneti vektort a kívánt idő függvényéhez . A célok elérésének nehézsége megnő, ha a kívánt egyensúlyi állapot vagy pálya kontroll hiányában instabil. Az ilyen eset jellemző a kaotikus rendszerek vezérlési problémáira.

A rezgések gerjesztése (felépítése, elősegítése, gyorsítása). A rezgések gerjesztésének problémáinál feltételezzük, hogy a rendszer kezdetben nyugalomban van, és adott jellemzőkkel kell rezgőmozgásba hozni, és nincs előre meghatározott pálya, amely mentén a rendszer fázisvektorának mozognia kell. nem ismert vagy nem számít a cél eléréséhez. Hasonló problémák ismertek az elektrotechnikában, rádiótechnikában, akusztikában, lézertechnikában, rezgéstechnikában, ahol meg kell indítani a periodikus rezgések generálásának folyamatát. Ebbe az osztályba tartoznak a molekuláris rendszerek disszociációjával és ionizációjával, a potenciálkútból való kilökődéssel, a kaotizálással és az energia növekedésével kapcsolatos egyéb problémák is, amelyek esetleg fázisátalakuláshoz vezethetnek a rendszerben. Formálisan az ilyen problémák a követési problémákra redukálhatók, de a kívánt mozgások nem periodikusak, szabálytalanok, és a célpálya csak részben adható meg.

Szinkronizálás. A szinkronizálás alatt két vagy több rendszer állapotváltozóinak egybeesését vagy konvergenciáját, vagy a rendszerek egyes mennyiségi jellemzőinek összehangolt változását értjük. A szinkronizálási probléma eltér a referenciamodell vezérlési problémájától, mivel lehetővé teszi az egyeztetett változók diagramjai közötti időeltolást. Az eltolódások lehetnek állandóak vagy általában állandóak (aszimptotikus fázisok). Ezenkívül számos szinkronizálási feladatban a rendszerek közötti kommunikáció kétirányú (kétirányú). Ez azt jelenti, hogy a rendszerben lévő korlátozó mód (szinkron megoldás) nem ismert előre.

Rendszerek határhalmazainak ( attraktorainak ) módosítása. A célok ebbe az osztályába olyan speciális céltípusok tartoznak, mint:

- az egyensúly típusának megváltozása (például egy instabil egyensúlyi helyzet átalakulása stabil állapotba vagy fordítva);

- a határkészlet típusának megváltoztatása (például a határciklus kaotikus attraktorrá alakítása vagy fordítva; a határkészlet fraktáldimenziójának megváltoztatása stb.);

— a bifurkációs pont helyzetének és típusának változása a rendszerparaméterek terében;

Az ilyen típusú problémákkal az 1980-as évek óta foglalkoznak a bifurkáció szabályozásával foglalkozó munkák . A kaotikus rezsimek szabályozásával foglalkozó számos műben gyakran egyáltalán nem feltételezik a kívánt mozgás mennyiségi jellemzőinek beállítását. Ehelyett a határérték (vonzó) kívánt minőségi típusa van megadva. Például a kaotikus , szabálytalan oszcillációkat periodikus vagy kvázi-periodikusra kell konvertálni. Ha a véletlenszerűség, szabálytalanság mennyiségileg kívánt fokát kell beállítani, akkor a véletlenszerűség ismert jellemzőivel: Ljapunov-kitevőkkel, fraktáldimenziókkal, entrópiákkal stb., lásd [6] [7] .

A fő szabályozási cél mellett további célok vagy korlátozások is meghatározhatók: például a cél alacsony vezérlési teljesítménnyel vagy alacsony szabályozási költséggel való elérésének követelménye. A kontroll kicsinységének követelménye fontos a fizikai problémáknál, hiszen ez azt jelenti, hogy a külső hatások nem rombolják le a fizikai rendszerben rejlő belső tulajdonságokat, nem hajtanak végre "erőszakot" a rendszeren. Ez különösen fontos a kísérleti vizsgálatok során, mivel megsértése műtermékek megfigyeléséhez vezethet – olyan hatásokhoz, amelyek hiányoznak a rendszerre gyakorolt ​​​​irányított hatás hiányában, és nem figyelhetők meg természetes körülmények között.

A fizikai problémákban háromféle vezérlés és ennek megfelelően vezérlési algoritmus létezik: állandó, program és visszacsatolás. Mivel a visszacsatolás formájában történő vezérlés megvalósítása megköveteli a vezérlés felépítéséhez szükséges mennyiségek mérésének képességét, ami gyakran hiányzik, a vezérelt rendszer tulajdonságainak vizsgálata általában a legalacsonyabb forma lehetőségeinek vizsgálatával kezdődik. állandó szabályozás, majd áttér a nyílt hurkú vezérlés lehetőségeinek (szoftver) vizsgálatára, és csak azután Ennek érdekében lehetőség szerint visszacsatolásos szabályozási problémákat vizsgálunk.

Az ellenőrzési probléma tipikus megfogalmazása, figyelembe véve a fizikai kutatás sajátosságait, a következő formában jelenik meg:

- meg kell találni minden lehetséges rendszerviselkedést, amely egy adott (kellően kis) értéket meg nem haladó normával biztosítható vezérlőfüggvények segítségével, és adott esetben az adott korlátozások teljesülése esetén};

Megoldásánál hasznos lehet egy segédprobléma megoldása, ami inkább a vezérléselméleti munkákra jellemző:

— megtalálni a minimális norma vezérlési függvényét (vagy visszacsatolási törvényét), amely biztosítja a rendszer adott viselkedésének (az adott szabályozási cél) elérését.

A kibernetikus fizika módszertana az irányításelmélet jól kidolgozott módszerein alapul : lineáris , nemlineáris , optimális , robusztus , adaptív vezérlés módszerei ; a paraméterek azonosításának (rekonstrukciójának) módszerei , az állapotok (paraméterek) szűrésének és kiértékelésének módszerei; rendszeroptimalizálási módszerek . Általában a fizikai rendszer egyes paraméterei ismeretlenek, és néhány változó nem elérhető a méréshez. A kontrollelmélet terminológiája szerint ez azt jelenti, hogy az irányítás szintézisét bizonytalanság körülményei között kell végrehajtani. Az ilyen problémák megoldására robusztus és adaptív szabályozási módszereket fejlesztettek ki .

Perspektívák

Jelenleg a fizikusok figyelme folyamatosan nő a kibernetikai módszerek alkalmazása iránt. A kiberfizikai kutatás alábbi területei aktívan fejlődnek:

Az alkalmazott kutatások legfontosabb területei: termonukleáris reakciók szabályozása, szabályozás a nano- és femtotechnológiákban. A módszerek és alkalmazások áttekintése itt található[ hol? ] [19] [20] [21] .

A kibernetikus fizika szakértői közötti információcserére létrehozták a Nemzetközi Fizikai és Irányítási Társaságot (IPACS) . A társaság rendszeresen tart konferenciákat (Physics and Control) és elektronikus kiadványtárat tart fenn. IPACS Electronic Library archiválva 2010. december 19-én a Wayback Machine -nél és a "Physics and Control Resources" információs portál archivált 2010. május 2-án a Wayback Machine -nél .

Jegyzetek

  1. 1 2 3 Ott E., Grebogi C., Yorke G. A káosz szabályozása. Phys. Fordulat. Lett. 1990. V.64. (11) 1196-1199.
  2. 1 2 Alekseev VV, Loskutov A. Yu. Egy rendszer desztochasztizálása furcsa attraktorral parametrikus cselekvés segítségével. Vestn. Moszkvai Állami Egyetem. Ser.3, Fizika, csillagászat. 1985, V.26, (3), S. 40-44.
  3. Alekseev V. V., Loskutov A. Yu. Egy rendszer vezérlése furcsa attraktorral periodikus paraméteres művelettel. DAN USSR, 1987, 293. kötet, (6), C. 1346-1348.
  4. 1 2 Dudnik E. N., Kuznetsov Yu. I., Minakova I. I., Romanovsky Yu. M. Szinkronizálás rendszerekben furcsa attraktorral. Vestn. Moszkvai Állami Egyetem. Ser. 3: Fizika. Csillagászat. 1983. Vol. 24, (4). 84-87.
  5. Pyragas K. A káosz folyamatos irányítása önkontroll visszacsatolással. Phys. Lett. A. 1992. V.170. 421-428.
  6. 1 2 Andrievsky B. R., Fradkov A. L. A káosz szabályozása: Módszerek és alkalmazások. I. Módszerek. Automatizálás és telemechanika. 2003, (5). C.3-45.
  7. 1 2 Andrievsky B. R., Fradkov A. L. A káosz szabályozása: Módszerek és alkalmazások. II. Alkalmazások. Automatizálás és telemechanika. 2004, (4), C.3-34.
  8. Leff HS és AFRex (szerk.). Maxwell's Demon 2: entrópia, klasszikus és kvantuminformáció, számítástechnika: 2. kiadás. Fizikai Intézet. 2003 (klasszikus és kortárs tanulmányok gyűjteménye Maxwell démonáról ).
  9. JC Maxwell. A kormányzókon. Proc. Royal Soc. 16, 1868, 270-283.
  10. Butkovsky A. G., Samoylenko Yu. I. Control of kvantummechanikai folyamatok. M.: Nauka, 1984, 256s. (Angol fordítás: Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1990.)
  11. Kapitsa P. L. Lengő felfüggesztési pontú inga dinamikus stabilitása. ZhETF. 1951. T.21.(5).
  12. Blekhman I. I. Vibrációs mechanika. Moszkva: Nauka, 1994.
  13. Novikov I. I. Az atomerőművek hatásfoka. Atomenergia . 1957. No. 3. S. 409-412.
  14. Curzon FL, Ahlburn B., Carnot motor hatékonysága maximális teljesítmény mellett. Am.J. Phys., 43, 22-24, 1975.
  15. Mironova V. A., Amelkin S. A., Tsirlin A. M. A termodinamika matematikai módszerei véges időben. Moszkva: Kémia, 2000.
  16. Berry RS, Kazakov VA, Sieniutycz S., Szwast Z., Tsirlin AM Thermodynamic Optimization of Finite Time Processes. Wiley. NY, 2000.
  17. Fradkov A.L. A nemlinearitás feltárása visszacsatolás útján. Physica D. 1999, V. 128, No. 2-4. 159-168.
  18. Fradkov A. L. Fizikai rendszerek tanulmányozása visszacsatolás segítségével. Automatizálás és telemechanika. 1999. (3). 213-230.
  19. 1 2 Fradkov A. L. Kibernetikus fizika. Szentpétervár: Nauka, 2003.
  20. 1 2 Fradkov A.L. A kibernetikai módszerek alkalmazásáról a fizikában. Fizikai siker. Sciences, 2005, T.175, N 2, pp.113-138.
  21. 1 2 Fradkov AL Kibernetikai fizika: a káosz irányításától a kvantumvezérlésig. Springer-Verlag, 2007, 242p.

Linkek