Развития информатики, автоматики и управления

    За  последние десятилетия 20 века микрокомпьютеры  проделали значительный эволюционный путь, многократно увеличили своё быстродействие и объёмы перерабатываемой информации, но окончательно вытенить микрокомпьютеры и большие вычислительные системы - мейнфреймы они не смогли. Более того, развитие больших вычислительных систем привело к созданию суперкомпьютера – суперпроизводительной и супердорогой машины, способной просчитывать модель ядерного взрыва или крупного землетрясения. В конце 20 века человечество вступило в стадию формирования глобальной информационной сети, которая способна объединить возможности компьютерных систем… 
 
 

    2. Развитие автоматики.

    Автоматика - отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления, действующих без непосредственного участия человека; в узком смысле - совокупность методов и технических средств, исключающих участие человека при выполнении операций конкретного процесса. Как самостоятельная область техники автоматика получила признание на второй Мировой энергетической конференции (Берлин, 1930), где была создана секция по вопросам автоматического и телемеханического управления. В СССР термин "А." получил распространение в начале 30-х гг.

    Автоматика  как наука возникла на базе теории автоматического регулирования, основы которой были заложены в работах  Дж. К. Максвелла (1868), И. А. Вышнеградского (1872-1878), А. Стодолы (1899) и др.; в самостоятельную  научно-техническую дисциплину окончательно оформилась к 1940. История автоматики как отрасли техники тесно связана с развитием автоматов, автоматических устройств и автоматизированных комплексов. В стадии становления автоматики опиралась на теоретическую механику и теорию электрических цепей и систем и решала задачи, связанные с регулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых и частоты вращения электрических машин, управления работой станков-автоматов, АТС, устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства автоматики. в этот период разрабатывались и использовались применительно к системам автоматического регулирования. Интенсивное развитие всех отраслей науки и техники в конце первой XX века половины  вызвало также быстрый рост техники автоматического управления, применение которой становится всеобщим.

    Вторая  половина ХХ века ознаменовалась дальнейшим совершенствованием технических средств  автоматики и широким, хотя и неравномерным  для разных отраслей народного хозяйства, распространением автоматических управляющих устройств с переходом к более сложным автоматическим системам, в частности в промышленности - от автоматизации отдельных агрегатов к комплексной автоматизации цехов и заводов. Существенной чертой является использование автоматики на объектах, территориально расположенных на больших расстояниях друг от друга, например крупные промышленные и энергетические комплексы, системы управления космическими летательными аппаратами и т. д. Для связи между отдельными устройствами в таких системах применяются средства телемеханики, которые совместно с устройствами управления и управляемыми объектами образуют телеавтоматические системы. Большое значение при этом приобретают технические (в т. ч. телемеханические) средства сбора и автоматической обработки информации, т. к. многие задачи в сложных системах автоматического управления могут быть решены только с помощью вычислительной техники. Наконец, теория автоматического регулирования уступает место обобщённой теории автоматического управления, объединяющей все теоретические аспекты автоматики и составляющей основу общей теории управления.

    Автоматическое  управление в технике, совокупность действий, направленных на поддержание  или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. Автоматика широко применяется во многих технических и биотехнических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья. Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины - выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта - управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления (УУ). Совокупность взаимодействующих управляющего устройства и управляемого объекта образует систему автоматического управления.  
 
 

3. Развитие теории управления.

    Первоначальное  развитие теории управления было связано с решением конкретной технической задачи - обеспечить равномерность вращения паровой машины. В XIX веке, который недаром называют "веком пара", эта задача имела первостепенное значение.

    Еще великий изобретатель паровой машины Джеймс Уатт (Watt, 1736-1819) разработал центробежный регулятор для поддержания постоянства частоты вращения машины. Если нагрузка паровой машины уменьшалась, то при неизменной подаче пара частота вращения вала резко и опасно возрастала. Регулятор Уатта состоял из двух тяжелых шаров на вертикальном валу, связанном с валом машины. Шары были стянуты между собой жесткой пружиной. При вращении вала центробежная сила, преодолевая упругость пружины, поднимала шары, а с шарами была связана заслонка на паропроводе, снижающая доступ пара в машину. Жесткость пружины подбиралась так, что при номинальной нагрузке на валу частота вращения равнялась заданной. При увеличении частоты вращения из-за уменьшения нагрузки возросшая центробежная сила разводила шары, в результате заслонка уменьшала подачу пара, предотвращая большие отклонения частоты вращения от номинального значения. Регулятор Уатта являлся одним из первых регуляторов, работающих на принципе обратной связи по отклонению, поскольку именно отклонение текущей скорости вращения машины от заданной изменяло угол сдвига шаров, а тем самым и подачу пара на входе в цилиндры машины. Регуляторы с обратной связью являются основой автоматического управления до самого последнего времени.

    К 70-м годам XIX века в Англии работало уже примерно 75 тысяч регуляторов Уатта. Однако при настройке регуляторов инженеры сталкивались с трудностями - снабженные регуляторами машины часто приобретали необъяснимую склонность к самораскачиванию, а иногда переходили в режим самопроизвольно возрастающих колебаний, неминуемо приводивший к аварии. Изобретатели опытным путем нащупывали средства борьбы с неустойчивостью работы машин, снабженных регуляторами (одним из очень действенных средств оказался так называемый катаракт, т. е. устройство, осуществляющее воздействие, - пользуясь уже современной терминологией, пропорциональное производной регулируемой величины), но ощущалась, разумеется, нужда в теоретическом исследовании, которое раскрыло и разъяснило бы суть происходящих при регулировании явлений и указало путь к построению хороших регуляторов. Такое исследование было выполнено великим английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (Maxwell, 1831-1879), который в1868 г. опубликовал статью "О регуляторах". "Регулятор есть часть машины, посредством которой скорость машины поддерживается почти постоянной, несмотря на изменения движущего момента или момента сопротивления" - так начинается статья Максвелла.

    В этой статье Максвелл указывает, что  для правильного представления  о работе регулятора надо учесть инерционность его элементов и составить уравнение колебаний, возникающих при отклонениях действительной скорости вращения машины от номинальной. При исследовании этого уравнения достаточно, однако, ограничиться случаем малых колебаний, ибо если малые колебания будут затухать, то они не разовьются в большие. Исследование же малых колебаний значительно проще, чем больших, и сводится к исследованию линейных дифференциальных уравнений, решения которых будут устойчивыми, если характеристический полином имеет корни только с отрицательными вещественными частями.

    Таким образом, Максвелл показал, что. Устойчивость или неустойчивость машины, снабженной регулятором, зависит от корней характеристического полинома, и для обеспечения устойчивости инженеру достаточно подобрать такие параметры регулятора, чтобы этот полином имел корни с отрицательными вещественными частями.

    Работа  Максвелла правильно наметила принципиальные пути, по которым в, дальнейшем пошло развитие теории автоматического управления. В то же время на работе Максвелла сказалось то, что он был все же физиком, а не инженером. Максвелл не мог учесть специфики тех реальных задач, которые стояли перед техникой того времени, и поэтому его работа не оказалась использованной инженерами ни в самой Англии, ни на континенте.

    Основателем теории регулирования машин, получившей практическое применение в промышленности, по праву считается Иван Алексеевич Вышнеградский (1831 - 1895), основная работа которого - "О регуляторах прямого  действия" -  вышла в 1876 г. По своему содержанию она во многом схожа с работой Максвелла "О регуляторах". Независимо друг от друга и Максвелл, и Вышнеградский пришли к выводу, что исследование устойчивости работы машины, снабженной регулятором, можно свести к исследованию корней характеристического уравнения ее малых колебаний.

Однако работа Максвелла, как уже указывалось, не оказала влияние на практику проектирования реальных регуляторов, тогда как  идеи И. А. Вышнеградского получили широкое практическое использование. Поэтому на примере классической работы Вышнеградского полезно рассмотреть те особенности, которые характерны для хороших работ по прикладной математике - таких, которые не "ложатся на полку" для того, чтобы мирно на ней пылиться, а широко применяются в практике.

• Во-первых, И. А. Вышнеградский, в отличие от Максвелла, исходил из хорошо ему известных параметров паровых машин того времени, поэтому его выводы и рекомендации подтверждались на практике и вызывали тем самым доверие инженеров.

• Во-вторых, И. А. Вышнеградский не только провел теоретическое исследование работы регуляторов, но и сумел придать результатам своего исследования яркую, четкую, запоминающуюся форму.

    Продолжил и развил работы - Ивана Алексеевича Вышнеградского выдающийся словацкий ученый и инженер Аурель Стодола (Stodola, 1859 - 1942).

    Основные  работы А. Стодолы по автоматическому  регулированию опубликованы в период 1893 - 1899 гг. В них А. Стодола распространил результаты И. А. Вышнеградского на регуляторы непрямого действия, где передвижение исполнительного механизма регулятора осуществляет не сам чувствительный элемент, а особый двигатель-сервомотор, имеющий самостоятельный источник энергии. Использование сервомоторов позволяло успешно решать задачи регулирования мощных машин и установок, но исследование устойчивости регуляторов непрямого действия приводило к необходимости анализа знака вещественных частей корней характеристических полиномов дифференциальных уравнений высоких порядков.

    Полином произвольной степени можно записать в виде:

    Стодола нашел очень простое необходимое  условие того, что все корни  полинома (1) имеют отрицательные вещественные части: если >0, то для всех остальных коэффициентов должны выполняться условия >0, т. е. среди коэффициентов не должно быть равных нулю или отрицательных (необходимое условие Стодолы).

    Огромный  вклад в развитие управления внес А. М. Ляпунов (1857 – 1918). Проблема устойчивости – основная тема научной работы. В 1885 г. он защитил магистерскую диссертацию «Об устойчивости эллипсоидальных форм равновесия вращающейся жидкости». В 1902 г. он был избран действительным членом Российской Академии наук.

    В журнале "Автоматика и телемеханика" была в 1939 году опубликована статья профессора Георгия Владимировича Щипанова (1903 - 1953), основателя первой в Советском Союзе кафедры автоматики в Московском авиационном институте. Статья была посвящена новому принципу управления - не управлению по принципу обратной связи, не управлению "по отклонению" действительного движения от желаемого, а управлению "по возмущению", когда управляющее воздействие непосредственно компенсирует те возмущающие воздействия , которые являются причиной появления отклонения . При правильно подобранной величине компенсации регулируемая величина при управлении "по возмущению" становится "инвариантной" (т. е. - неизменной) по отношению к возмущающему воздействию.

    Теория "управления по возмущению" возникла из анализа давно применяемых в технике остроумных решений по компенсации возмущений. Характерным примером были генераторы постоянного тока, для которых возмущающим воздействием был ток нагрузки, приводящий к колебаниям напряжения генератора. Для их уменьшения еще в XIX веке было предложено пропускать ток нагрузки через дополнительную последовательную (называемую еще сериесной) обмотку возбуждения. Эта обмотка создавала дополнительную электродвижущую силу, компенсирующую колебания напряжения генератора при изменении нагрузки. При правильном выборе числа витков дополнительной последовательной обмотки. напряжение генератора становилось инвариантным (неизменным) по отношению к колебаниям нагрузки.

    Конечно, в случае с генератором постоянного  тока достижение инвариантности облегчалось тем, что ток нагрузки было легко направить в обмотку возбуждения, и тогда он непосредственно, без преобразования, компенсировал свое возмущающее воздействие на величину напряжения. Г. В. Щипанов показал, что и для многих других технических объектов возмущающий фактор но только соответствующим образом преобразованный - может обеспечить инвариантность регулируемой величины.

    Завершая  тему управления, расскажем об интересной судьбе так называемой "гипотезы Айзермана". Еще в 40-е годы ХХ века внимание исследователей привлекли часто встречающиеся системы, состоящие из линейного объекта управления и регулятора, в котором зависимость управляющего воздействия и от сигнала рассогласования ε в цепи обратной связи является нелинейной, т. е. , причем - т. е., как показано на рисунке функция лежит внутри сектора, ограниченного прямыми и = 0 и и = k(ε). В 1949 году профессор М. А. Айзерман (1913-1992) высказал и опубликовал очень правдоподобную гипотезу: необходимым и достаточным условием устойчивости данной нелинейной системы является устойчивость всех линейных систем, в которых и = kε для всех k, заключенных в пределах .