CC BY
43
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
В. К. ФЁДОРОВ Д. В. РЫСЕВ И. В. ФЁДОРОВ Д. В. ФЁДОРОВ С. Н. ШЕЛЕСТ В. В. ФЕДЯНИН Л. Г. ПОЛЫНЦЕВ
Омский государственный технический университет ОАО «Энергосбыт», г. Омск ООО «Сандимакс», г. Москва
КАЧЕСТВЕННЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИНЦИПА УСТОЙЧИВОГО НЕРАВНОВЕСИЯ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ С ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Для экспериментальной проверки действия принципа устойчивого неравновесия в неравновесных системах была создана сложная электронная система с положительной обратной связью. Исследованы режимы работы этой сложной электронной системы с положительной обратной связью, включая режимы детерминированного хаоса.
Ключевые слова: электрические и электронные системы, принцип устойчивого неравновесия, положительная обратная связь, хаос.
УДК 621.3
%
Сформулированный В.К. Фёдоровым в монографии [1] Принцип устойчивого неравновесия (ПУН) для нелинейных сложных электрических и электронных систем (СЭЭС) с положительной обратной связью (ПОС) говорит только об общем поведении СЭЭС с ПОС и о направлении протекающих в них процессов, однако не содержит никаких количественных характеристик. Поэтому мы должны дополнить его таким образом, чтобы он получил количественное выражение. Мы утверждаем, что СЭЭС с ПОС всегда превращает всю свою свободную энергию в работу против ожидаемого равновесия. Этот выдвинутый тезис носит качественный и количественный характер, и его правильность может быть экспериментально проверена посредством измерений. Перед тем как это сделать, мы хотели бы несколько разъяснить смысл этого количественного выражения. Прежде всего из этого выражения должно следовать, что СЭЭС с ПОС вообще не исполняет никакой другой работы, кроме работы против равновесия, иначе говоря, работы, которая направлена против ожидаемого равновесия или ведет к воспроизведению разностей потенциалов в системе и, следовательно, к сохранению ее работоспособности. В самом деле, если она применяет всю свою свободную энергию для этой работы, то она не может уже исполнять никакой другой работы.
Принудительные силы, представляющие собой функции времени, исполняют работу, которая направле-
на против процесса выравнивания потенциалов, причем источник этой работы лежит в самой СЭЭС с ПОС. В конце концов дело фактически сводится к работе, которая нужна для сохранения структуры СЭЭС с ПОС и условий, необходимых для поддержания неизменности структуры СЭЭС с ПОС.
Итак, СЭЭС с ПОС никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики при существующих условиях функционирования. Подобный общий закон, поскольку он правилен и ведет во всяком отдельном случае к верным заключениям, не противоречащим фактам, и ставится поэтому всегда во главу всякого исследования, называется принципом. Так, например, говорят «принцип Даламбера», «принцип Гамильтона», «принцип инерции» в механике, «принцип сохранения энергии» — в термодинамике и т.д.
Так же как устойчивое равновесие характеризуется тем, что оно, будучи нарушено, всегда наступает вновь, так и у СЭЭС с ПОС неравновесное состояние сохраняется постоянно и обладает всеми признаками устойчивости. ПУН выражает также в краткой форме характерное свойство СЭЭС с ПОС, у которой неравновесное состояние обладает признаками устойчивости.
ПУН показывает, что СЭЭС с ПОС при изменении условий функционирования будет производить
Рис. 1. Принципиальная схема сложной электрической и электронной системы с положительной обратной связью
такую работу, которая направлена против равновесия, ожидаемого при неизмененных условиях функционирования системы. Между двумя принципами — принципом Ле-Шателье и ПУН — имеется, таким образом, внешнее сходство, заключающееся в том, что оба они содержат общее указание в каком направлении будет происходить реакция, т.е. изменение состояния системы при каком-либо изменении условий функционирования. Физический смысл в обоих случаях однако совершенно различный и не имеет друг к другу никакого отношения. Несмотря на это, иногда считают, что между этими двумя принципами имеется что-то общее или что поведение систем при изменениях условий функционирования следовало бы выводить непосредственно из принципа Ле-Ша-телье.
Эта ошибочная аналогия, так же как и аналогия с динамическим равновесием, влечет за собой нежелательные последствия, так как она физически неправильна и приводит к ошибочным, не соответствующим фактам, заключениям. Чтобы это понять, надо иметь в виду следующее: принцип Ле-Шателье относится к системам, находящимся в равновесии, и изменение состояния, то есть реакция системы, которую требует принцип при изменении условий функционирования, ведет именно к ожидаемому при данных условиях функционирования равновесию, иначе говоря, принцип указывает, при каком именно направлении реакции при данных новых условиях функционирования наступит равновесие. ПУН относится к системам, не находящимся в равновесии, и изменение состояния, иначе реакция системы, которую ПУН требует при изменении условий функционирования, состоит в работе против ожидаемого при данных условиях функционирования равновесия, следовательно, именно против того изменения, которого следовало
бы ожидать по принципу Ле-Шателье, если бы системы находились в равновесии.
Итак, подробно разобрано содержание в качественном и количественном отношениях ПУН, который мы ставим в основу всего описания СЭЭС с ПОС. Это подробное разъяснение было, безусловно, необходимо для того, чтобы понять точный физический смысл ПУН и с ним свыкнуться.
Для экспериментальной проверки действия ПУН В.В. Федяниным была создана СЭЭС с ПОС, которая позволила исследовать режимы работы СЭЭС с ПОС, включая режимы детерминированного хаоса. Схема СЭЭС с ПОС показана на рис. 1.
Схема СЭЭС с ПОС состоит из: 1) блока питания; 2) генератора прямоугольных импульсов с подстраиваемой частотой и амплитудой; 3) регулируемого стабилизатора напряжения; 4) операционных усилителей.
В схеме используется регулятор частоты и амплитуды напряжения.
Схема питается от напряжения величиной 14 В.
Количественные характеристики режимов работы:
— хаос наступает в пределах от 15 до 100 Гц при входном импульсном напряжении от 1 до 3 В.
— от 100 Гц и выше наблюдается периодический выходной сигнал. При увеличении напряжения свыше 3 В сигнал становится периодическим при любой частоте.
Блок питания состоит из:
1) трансформатора мощностью 25 Вт, ток 2000 мА, напряжение 12 В;
2) выпрямителя И8 107;
3) регулируемого стабилизатора напряжения.
Подаваемое напряжение поступает на эмиттер
транзистора КТ817Г, а выходное напряжение снимается с его коллектора. Максимальный ток, отдаваемый
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
254
-Ру 2,
где
-^1,2 - (UCl)l,2; *1,2 - (UC2)i,2' ^1,2 - (iL)l,2
Рис. 3. Временная диаграмма напряжения на емкости С13 при частоте следования управляющих импульсов 30 Гц
Нелинейность активных элементов может быть аппроксимирована различными соотношениями. В данной работе использовалась кусочно-линейная аппроксимация
h(x) -
в нагрузку, определяется током база-эмиттер и его коэффициентом усиления по току. В свою очередь, ток база-эмиттер задан резистором Я=1 кОм, включенным между коллектором и базой транзистора КТ817Г. Среднее расчетное падение напряжение на регулирующем транзисторе КТ817Г — примерно 14 В.
Генератор прямоугольных импульсов создан на микросхеме стандартной логики К516ЛА7, состоящей из 4-х элементов 2И-НЕ.
Основные параметры К516ЛА7:
Напряжение питания: 3..15 В Напряжение питания макс.: 18 В Напряжение лог. 0: <0,05 В Напряжение лог. 1: >и -0,05 В
Ґ пит '
Типовая задержка (при ипит = 5 В): 60 нс Типовая задержка (при ипит= 15 В): 20 нс Температурный диапазон: -40.. + 85 еС. Переключатель Б1 представляет собой транзисторные ключи. На коллекторы транзисторов были подключены светодиоды, которые сигнализируют о работоспособности ключей.
Эквивалентная схема замещения, соответствующая схеме СЭЭС с ПОС, показанной на рис. 1, представлена на рис. 2. Система уравнений, описывающая состояние данной эквивалентной схемы замещения, имеет вид:
х 1 = а(У1 - X! - И(Х)),
У1 = Х1 - У1 + 21 + У((х2 - х1) - (У2 - У1) + (г2 - 21)),
¿1 = -Р У1,
Х2 = а(У2 - Х2 - Л(Х2)), (1)
у2 = Х2 - У2 + 22 + У((Х1 - Х2) - (У1 - У2) + (г1 - г2)) ,
bx - a + b, если x < -1,
ax, если |x| < 1,
bx + a - b, если x > 1,
5
(2)
Cl
C2
C2 • Ri
C C 9 • R C S
a - — - 9,0 ; Р - —----L - 22 ; g - — - 0, 1.
C5
C2
где а, Ь — постоянные, а =--, Ь =--
7 7
Количественные характеристики режимов работы созданной СЭЭС с ПОС, показанные на рис. 3 — 5, подтвердили действие ПУН.
Наше восприятие природы становится дуалистическим, и стержневым моментом в таком восприятии становится представление о неравновесности. Причем неравновесности, ведущей не только к порядку и беспорядку, но открывающей также возможность для возникновения уникальных событий, ибо спектр возможных способов существования объектов в этом случае значительно расширяется (в сравнении с образом равновесного мира). В ситуации, далекой от равновесия, дифференциальные уравнения, моделирующие тот или иной природный процесс, становятся нелинейными, а нелинейное уравнение обычно имеет более, чем один тип решений. Поэтому в любой момент времени может возникнуть новый тип решения, не сводимый к предыдущему, а в точках смены типов решений — в точках бифуркации — может происходить смена фазовой пространственновременной организации объекта. Вдали от равновесия каждая подсистема «видит» всю систему целиком. Можно сказать, что в равновесии система слепа, а вне равновесия прозревает. Следовательно, лишь в неравновесной системе могут иметь место уникальные события и флуктуации, способствующие этим событиям, а также происходит расширение масштабов системы, повышение ее чувствительности к внешнему миру и, наконец, возникает историческая перспектива, т.е. возможность появления других, быть может более совершенных, форм организации. И, помимо всего этого, возникает новая категория феноменов, именуемых аттракторами.
Примером подобного возникновения новой пространственно-временной структуры может служить химический процесс, в ходе которого раствор периодически меняет свою окраску с голубой на красную. Кажется, будто молекулы, находящиеся в разных областях раствора, могут каким-то образом взаимодействовать друг с другом. Во всяком случае, очевидно, что вдали от равновесия когерентность поведения молекул в огромной степени возрастает.
2
L
11с,В
I
>у
1 0 100 к 1 Ок ГГ
Рис. 4. Частотный спектр напряжения на емкости С13 при частоте следования управляющих импульсов 30 Гц
Рис. 5. Временная диаграмма напряжения на емкости С13 при частоте следования управляющих импульсов 100 Гц
Рис. 6. Электронный аналог модели клеточной системы
В дальнейшем были открыты странные аттракторы, для которых движение системы в фазовом пространстве от одной точки к другой происходит детерминированным образом, но траектория движения в конце концов настолько запутывается, что предсказать движение системы в целом невозможно — это смесь стабильности и нестабильности.
В 1986г. сэр Джеймс Лайтхил, ставший позже президентом Международного союза чистой и прикладной математики, сделал удивительное заявление: он извинился от имени своих коллег за то, что «в течение трех веков образованная публика вводилась в заблуждение апологией детерминизма, основанного на системе Ньютона, тогда как можно считать доказанным, по крайней мере с 1960 года, что этот детерминизм является ошибочной позицией». Так, например, закон роста энтропии был сформулирован еще в XIX в., и на фоне идеологизированной научной установки, исключающей время из научного описания, он рассматривался лишь как закон роста беспорядка. Сегодня мы знаем, что увеличение энтропии отнюдь не сводится к увеличению беспорядка, ибо порядок и беспорядок возникают и существуют одновременно. Порядок и беспорядок, таким образом, оказываются тесно связанными — один включает в себя другой. И эту констатацию мы можем оценить как главное изменение, которое происходит в нашем восприятии Природы сегодня. Что касается современного видения Мира, то интересно отметить, что космология теперь все мироздание рассматривает как в значительной мере существенно беспорядочную среду, в которой выкристаллизовывается порядок.
Дальнейшие обоснования ПУН и его применение еще яснее обрисуют его не только физический, а также и биологический смысл. Физические и биологические аспекты, вытекающие из ПУН, ведут к пониманию сущности механизма развития Вселенной, Жизни и Разума. Вселенная, Жизнь, Разум для своего развития, а это их общее свойство, обязаны постоянно находиться в устойчивом неравновесии. Итак, все что развивается, обязано находиться в неравновесном состоянии, иначе не будет никакого развития. Устойчивое равновесие в неживой природе характеризуется минимальным значением из всех возможных значений свободной энергии. В живой природе имеется избыток свободной энергии, и весь избыток свободной энергии уходит на поддержание устойчивого неравновесия живой системы, но с обязательным сохранением устойчивости форм и обособленности живых систем.
Сочетание устойчивых форм элементов живых и неживых сложных систем с устойчивым неравновесием сложных систем приводит к возникновению самоподобных форм типа фракталов в развивающихся сложных системах. Сложные системы развиваются, сохраняя подобие в своих формах. Отсюда следует, что в развивающихся сложных неживых системах имеется некий механизм, аналогичный генетическому коду сложных живых систем. Таким образом, можно сделать заключение, что Вселенная в целом создана и развивается по Единому Общему Принципу [2].
Для понимания сущности механизма развития Вселенной, Жизни, Разума предполагается, что биологическая клетка является усилителем, имеющим
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
обратную положительную связь с микромиром как внешней средой (окружением). Биологическая клетка как усилитель обязана иметь состояние устойчивого неравновесия и избыток свободной энергии клетки поддерживает состояние устойчивого неравновесия. С физической точки зрения связь биологической клетки с микромиром вполне обоснована: ДНК и РНК — это молекулы, хромосомы ядра и ферменты достаточно близки к микромиру, а эти структуры и есть главные, основные структуры биологической клетки.
Электронный аналог модели клеточной системы, показанный на рис. 6, иллюстрирует ПУН посредством двойного преобразования, когда вначале входное воздействие, преобразуется в импульсный сигнал, частота которого и связанное с частотой его среднее значение зависят от величины этого воздействия; а затем происходит выделение среднего значения импульсного сигнала.
Каждый из блоков Аг.. Ап моделирует совместно с сумматором ДА3.1 взаимодействие клеточных систем между собой. Сумматор введен в модель клеточной системы как цепь ООС, компенсирующей влияние воздействия иВх. ООС не позволяет клеточной системе уйти «вразнос», хотя ООС слабая. Каждый блок, моделирующий клеточную систему, может иметь одинаковую крутизну преобразования, но даже при этом напряжение на выходе любого последующего блока будет больше, чем напряжение на выходе у предыдущего блока. Частота сигнала на входе интегрирующей цепи в каждом блок 1 = иВХ/ (ио Я1 С2). Форма импульсов — прямоугольная. Амплитуда сигнала равна напряжению питания операционного усилителя ДА2. В целом, представленная функциональная схема есть электронный аналог модели биологической клетки, а также модели межклеточного взаимодействия.
Квантовая неопределенность через перечисленные клеточные структуры является причиной «свободы воли» Человека. С квантовой неопределенностью связана неустойчивость психического развития Человека. Биологическхая клетка есть усилитель индетерминизма микромира и через живую клетку и, далее, через Человека- Человечество- Разум индетерминизм микромира переходит в макромир и мега-мир и оказывает, таким образом, влияние на разви-
тие Вселенной в целом. Разум, как посредник между микромиром и мегамиром, поддерживает устойчивое неравновесие Вселенной и обеспечит завершение нынешнего цикла развития и переход к новому циклу развития Вселенной.
Библиографический список
1. Фёдоров, В. К. Концепция устойчивого неравновесия. Версия Сотворения Разума и Материи. Проблемы современного естествознания / В. К. Фёдоров. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2003. - 152 с.
2. Фёдоров, В. К. Генезис / В. К. Фёдоров. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2002. — 72 с.
ФЁДОРОВ Владимир Кузьмич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета. РЫСЕВ Дмитрий Валерьевич, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» секции «Промышленная электроника» Омского государственного технического университета. ФЁДОРОВ Игорь Владимирович, старший преподаватель кафедры «Прикладная математика и информационные системы» Омского государственного технического университета.
ФЁДОРОВ Дмитрий Владимирович, студент группы ПЭ-418 кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» секции «Промышленная электроника» Омского государственного технического университета.
ШЕЛЕСТ Сергей Николаевич, главный инженер ОАО «Энергосбыт».
ФЕДЯНИН Виктор Викторович, студент ПЭ-319 кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» секции «Промышленная электроника» Омского государственного технического университета. ПОЛЫНЦЕВ Леонид Геннадьевич, инженер-проектировщик ООО «Сандимакс», г. Москва.
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 20.12.2011 г.
© В. К. Фёдоров, Д. В. Рысев, И. В. Фёдоров, Д. В. Фёдоров, С. Н. Шелест, В. В. Федянин, Л. Г. Полынцев.
Книжная полка
Петров, Г. А. Инновационные энергосберегающие технологии переработки радиоактивных отходов / Г. А. Петров, А. Г. Петров, И. П. Боровинская. - М. : Книжный мир, 2012. - 304 с. - 18БЫ 978-5-8041-0578-6.
Книга посвящена разработке новых композиционных материалов, технологии формования минеральных матричных блоков расплавлением композиций радиоактивных отходов (РАО) и порошкообразных металлизированных топлив (ПМТ), а также проблемам кондиционирования жидких радиоактивных отходов (ЖРО) их выпариванием на базе объемных принципов нагрева растворов. Рассматриваются вопросы разработок рецептур ПМТ как автономных источников энергии, работающих без подвода энергии извне, в термохимических реакторах получением высокотемпературных расплавов гетерогенных систем ПМТ + РАО. Рассмотрены вопросы разработки нового класса ПМТ химически активными шлаками для связывания различных радионуклидов в матричных блоках, которые формируются непосредственно в глубинных скважинах горных пород. Рассмотрены вопросы переработки низкоактивных и среднеактивных ЖРО выпариванием в малогабаритных установках. Сформулированы структуры проблем и научнотехнические методы их решения в способах увеличения производительности парообразования, предложены модель насыщения продуктов сгорания топлива с воздухом парами воды, автоматически нагреваемый фильтрационный двухъярусный блок парогазокапельной смеси и автоматически съемный отстойник концентрированной части ЖРО от корпуса испарителя. Для специалистов-радиохимиков, занимающихся изысканием новых технологий переработки РАО и их отвержденных форм, а также для преподавателей, студентов и аспирантов химико-технологических и радиохимических вузов.
