С первых шагов цивилизации человек пытался механизировать труд. Он очень быстро нашел пути замены мускульной энергии механической; высшей точкой этого начального периода технического прогресса была промышленная революция 18 в. Новая эпоха началась, когда человек научился производить и распределять энергию. К 20 в. в передовых странах механическая энергия, получаемая от пара, текущей воды и электричества, в основном заменила энергию человека и животных. Когда стали доступны большие количества энергии, интерес общества сместился на управление такой энергией.
Следующий важный этап в развитии техники, называемый иногда второй промышленной революцией, начался в 1930-х годах. Эта революция была связана не с изобретением принципиально новых механических устройств, а скорее с реализацией некоторой идеи, а именно идеи саморегулирования (рис. 1), которая является фундаментальной характеристикой неисчислимых естественных процессов. Хотя существование саморегулирующихся процессов в природе было замечено людьми давно, только в 20 в. были сформулированы и систематически разработаны принципы автоматического регулирования. Применение этих принципов открыло новую эру в технике и промышленности. См. также АВТОМАТИЗАЦИЯ.
Понятие обратной связи. Важной особенностью большинства управляемых процессов является обратная связь. Понятие обратной связи можно легко проиллюстрировать с помощью простого примера моряка, управляющего кораблем с помощью рулевого колеса (рис. 2). Штурвальный выдерживает курс судна в соответствии с заданными командами. Этот метод управления, обозначаемый термином "управление с разомкнутым контуром", страдает несколькими серьезными недостатками. Так, при изменении характеристик привода - исполнительного механизма, изменяющего положение руля, - судно будет сбиваться с курса, если рулевой не имеет никакой информации о действительном направлении движения.
Если бы рулевой постоянно следил за курсом судна по компасу, сравнивал его с заданным и вращал штурвал так, чтобы уменьшить выявленную ошибку, судно приблизительно выдерживало бы нужный курс (рис. 3). Можно заметить, что в этом случае штурвальный выполняет три основные функции - обнаруживает отклонение действительного исполнения от заданного, принимает решение о коррекции действия и реализует его с помощью штурвала. Эти действия по обнаружению и коррекции ошибки, а также по управлению показаны на рис. 3 как обратная связь от управляемой величины к управляющей. В такой системе фигурирует не только направление движения корабля, задаваемое положением штурвала, но и само положение штурвала зависит от этого направления. Взаимозависимость двух величин - положения штурвала и курса судна - определяет концепцию, называемую в инженерной среде обратной связью, а термин "автоматические системы управления" обычно относится к автоматическим системам, построенным на этой концепции; часто такие системы называются также "системами управления с обратной связью" или "системами с замкнутым контуром".
Теперь можно дать формальное определение систем с замкнутым контуром: система с замкнутым контуром есть система, в которой истинное состояние управляемой переменной (называемое "выход") непрерывно сравнивается с желаемым состоянием (называемым "вход"), и сигнал, пропорциональный разнице между этими двумя состояниями, воздействует на управляющий элемент с целью уменьшить ошибку. В этом определении ничего не говорится об энергии, требуемой для изменения выхода, или об энергии, имеющейся на входе. Как правило, на вход системы управления подается небольшая энергия, а энергия для выхода черпается из внешнего источника. Таким образом, особенностью большинства систем автоматического управления является значительное усиление мощности.
Принцип действия и проектирование. Автоматические системы управления могут быть разделены на две основные группы: стабилизирующие и следящие. В следящих системах (сервомеханизмах) входной сигнал меняется произвольно и зачастую непрерывно, тогда как в стабилизирующих ему задается фиксированное значение, а цель управления - сохранить выход постоянным, несмотря на флуктуации нагрузки. Термостат, у которого выходом является фиксированная температура, и стабилизатор напряжения, выходом которого служит нужное напряжение в сети, являются примерами стабилизирующих систем. В качестве примеров сервомеханизмов можно назвать радиолокационные и артиллерийские системы наведения и автопилоты, управляющие положением и направлением движения летательных аппаратов. См. также СЕРВОМЕХАНИЗМ.
Автоматическая система управления не может функционировать без некоторой ошибки, потому что именно эта ошибка является источником управляющего сигнала. Задача проектировщика системы управления - сделать эту ошибку как можно меньше и тем самым увеличить чувствительность системы. Эта задача связана с определенными ограничениями, что становится ясно из следующего примера. Система управления с обратной связью, показанная на рис. 4, нужна для наведения тяжелого орудия с высокой точностью; она состоит из детектора ошибки, усилителя и серводвигателя. Ключевым элементом системы является прибор, который обнаруживает рассогласование угловых направлений цели и орудия, вырабатывая пропорциональный ему сигнал. Этот "сигнал ошибки", обычно очень малый, усиливается и прилагается в виде напряжения к одной из обмоток возбуждения электродвигателя, который развивает вращающий момент, пропорциональный указанному напряжению. Этот вращающий момент перемещает ствол орудия в направлении, приводящем к уменьшению ошибки.
Если направление на цель изменяется, то орудие следует за ним. Однако по инерции орудие будет проскакивать нужное положение, приводя к появлению ошибки с противоположным знаком. Это, в свою очередь, заставит серводвигатель повернуть орудие в обратном направлении. Следовательно, орудийный ствол может рыскать туда-сюда, проскакивая правильное положение. Такой режим работы системы управления называется "автоколебательным" и является принципиальным ограничением управления с обратной связью. (Например, при запаздывании сигнала обратной связи на 180? происходило бы усиление колебаний.) Поэтому главная проблема, которая встает перед проектировщиком систем управления, заключается в предотвращении неконтролируемых колебаний при одновременном сохранении высокой чувствительности системы к управляющему сигналу.
Первым очевидным решением является минимизация запаздывания сигнала обратной связи путем использования приборов с малым временем реакции. Это может улучшить устойчивость системы, но обычно не решает проблемы полностью. Кроме того, в большинстве практических ситуаций проектировщик вынужден использовать существующие элементы системы, что диктуется соображениями веса и стоимости.
Вторая и наиболее распространенная процедура - применение в контуре корректирующих звеньев (рис. 5), нейтрализующих эффект западывания. При отсутствии таких компенсаторов управляющий сигнал представляет собой усиленную ошибку и имеет тот же знак, что и ошибка. Если компенсатор вырабатывает составляющую сигнала, пропорциональную производной от ошибки по времени, то общий управляющий сигнал будет уменьшаться и станет отрицательным прежде, чем система "промахнется". Это воспрепятствует вхождению системы в режим автоколебаний. Такой способ компенсирующего управления называется "фазовым упреждением" или "управлением с дифференцирующей цепочкой".
Вернемся к нашему примеру об управлении курсом корабля. На любом достаточно большом корабле его реакция на поворот штурвала настолько замедленна, что, если рулевой перекладывает штурвал вправо только тогда, когда корабль явно отклоняется влево от правильного курса, это вызовет лишь увеличение амплитуды колебаний относительно курса. По этой причине рулевой должен предвидеть каждое отклонение и, чтобы уменьшить колебания, раньше перекладывать штурвал в противоположном направлении.
Другим видом компенсирующего элемента является прибор с интегрирующей цепочкой, который игнорирует малые быстро флуктуирующие сигналы ошибки и принимает во внимание только монотонную составляющую. Это уменьшает эффект обратной связи на высоких частотах, но сохраняет его силу на низких частотах. Поскольку большинство систем управления с обратной связью адекватно реагирует только на низкочастотные сигналы, такая компенсация повышает точность. В большинстве систем управления упомянутые компенсаторы могут быть механическими или электрическими, и проектировщик имеет полную свободу в их подборе для достижения наилучшей эффективности.
Еще один метод улучшения управления - введение дополнительных (вторичных) контуров обратной связи, в которых могут вырабатываться любые нужные составляющие сигнала. В конкретной ситуации проектировщику предоставляется выбор комбинации из самых последних методов, обеспечивающих правильное проектирование системы управления.
В рассмотренных выше случаях предполагается, что управляемый процесс или объект неизменны, а система управления и компенсирующие элементы подгоняются под процесс. С ростом потребности в управлении во многих отраслях промышленности и техники нет ничего необычного в том, что сами установки проектируются так, чтобы получить максимум преимуществ от использования последних достижений теории управления. В таких случаях сама установка становится частью системы управления. Действительно, по мере усложнения систем с обратной связью среди конструкторов и специалистов по управлению растет осознание того, что, хотя различные части системы, например ракеты, могут исследоваться и анализироваться независимо, сама система должна проектироваться как единое целое. Этот аспект проектирования сложных систем приобрел важное значение и получил название "системного анализа", или "системотехники". См. также СИСТЕМОТЕХНИКА.
Сложные системы управления. Любые самые сложные системы управления - будь то самолет, ядерный реактор или даже государство - включают функции оценки состояния, выработки сигнала обратной связи и управления. Главная задача любой системы управления - сделать выходные сигналы близкими к нужным значениям как можно быстрее и точнее. Другой важной характеристикой системы управления является ее устойчивость, т.е. ситуация, когда ее выходные сигналы не превышают заданных пределов. Следовательно, устойчивость, быстродействие и точность рассматриваются в качестве основных целей при проектировании эффективной системы управления. Однако в некоторых системах увеличение быстродействия сверх определенного предела может вызвать снижение точности и даже привести к неустойчивости. Поэтому достижение наилучшего соотношения между этими характеристиками является одной из важнейших задач проектирования системы управления.
В динамической системе, т.е. в такой системе, характеристики которой изменяются в зависимости от времени и места, три фактора осложняют задачу управления: 1) система имеет большое число входов и выходов; 2) имеется неточность в измерении характеристик или знании системы; 3) поскольку характеристики системы все время изменяются, может оказаться затруднительным расчет требуемых управляющих сигналов.
Чтобы количественно оценить влияние входов системы на ее выходы, нужна математическая модель этой системы. Для этого может быть применен компьютер. Вообще, компьютер используется во всех сложных системах, выполняя операции оценки состояния, выработки сигнала обратной связи и управления. В 1960-х годах были разработаны основы современной математической теории оптимального управления. Они позволяют генерировать управляющие сигналы, которые оптимизируют тот или иной показатель эффективности - например, время, энергию, расход топлива или стоимость - в больших системах, для которых могут быть разработаны точные математические модели.
Адаптация, обучение и искусственный интеллект. В реальном мире большинство систем не только изменяются в зависимости от времени и места, но и не могут быть представлены точными математическими моделями. Необходимость управлять такими системами привела к созданию новых теорий адаптации, обучения и самоорганизации. Это, в свою очередь, привело к появлению сложных систем управления с обратной связью, в которых компьютер выполняет эксперименты над системой, исследует ее характеристики в процессе работы и меняет стратегию управления. Можно сказать, что такие системы управления имитируют адаптивные способности живых организмов в изменяющихся и неопределенных условиях среды. Таким образом, вообще говоря, адаптивная система управления требует двух различных операций: идентификации характеристик управляемой системы и настройки параметров управляющей системы с учетом динамики управляемой.
Другой областью исследований, оказывающей существенное влияние на проектирование сложных автоматических систем, является теория обучения. Идеи, развитые в математической психологии, могут быть применены к проектированию систем, использующих обратную связь по состоянию, что позволяет выбрать оптимальное действие из конечного набора действий. Распознавание образов - одна из форм обучения, нашедшая применение в некоторых современных системах с обратной связью. Если управляемая система имеет конечное число состояний, а параметры оптимального управления, соответствующие каждому состоянию, сохраняются в памяти компьютера, то скорость адаптации системы управления может быть существенно повышена с помощью устройства распознавания. Например, на космическом корабле распознавание состояния по измерениям температуры, влажности, давления, вибраций, радиации и т.п. является задачей распознавания образов.
Кроме исследований, упомянутых выше, многое делается в области разработки искусственного интеллекта, который включает более высокие уровни обратной связи, такие, как поиск информации, перевод с одного языка на другой, игры, доказательство теорем и решение комплексных проблем. Эти идеи начинают находить применение в различных областях современной науки и технологии. Электроника и компьютерные технологии, особенно разработка микропроцессоров, открыли новые пути применения теорий управления, основанных на сложных формах обратной связи. Человечество вступает в эру, где какие-либо применения будут ограничиваться только состоянием теории и воображением проектировщика. См. также ИНТЕЛЛЕКТ ИСКУССТВЕННЫЙ; КОМПЬЮТЕР; ЭЛЕКТРОННАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ; ИНФОРМАЦИИ НАКОПЛЕНИЕ И ПОИСК; ИНФОРМАЦИИ ТЕОРИЯ.