Н Моисеев - Люди и кибернетика

Теория регулятора Уатта дала начало целому потоку исследований. Оказалось, что принципы автоматического управления, систематизированные Дж. Максвеллом и И. Вышнеградским, довольно универсальны. Они дают возможность проектировать механизмы, управляющие работой ректификационных колонн нефтехимии, поддерживающие заданную температуру в химических реакторах, обеспечивать заданный режим полета самолета и т. д.

Выяснилось также, что математические методы, предложенные И. Вышнеградским и Дж. Максвеллом, при соответствующем развитии годятся и для задач, возникающих в практике управления. В XIX и первых десятилетиях XX века этот факт послужил источником многочисленных исследований чисто математического характера. Усилиями Рауса в Англии, Д. Стодолы в Чехии, Н. Жуковского в России и ряда других крупных ученых и инженеров "Теория регулирования" превратилась постепенно в самостоятельную науку.

Вместе с "Теорией регулирования" развивались также другие технические дисциплины, определявшие правила инженерного проектирования регуляторов. Оказалось, что, несмотря на различие условий, в которых работают, скажем, автопилот и регулятор температуры в химическом реакторе, у них много общего - я бы сказал, общие принципы, общая организация, единая структура.

Так, всякая система регулирования должна иметь некоторый чувствительный регистрирующий орган, позволяющий оценивать состояние системы и показывать, насколько она отклоняется от предписанного ей режима.

В автопилоте таким чувствительным органом является гироскоп: благодаря способности его оси сохранять положение в пространстве он позволяет обнаруживать непредусмотренный крен самолета, отклонение его курса и т. д. В реакторах, где важно сохранять постоянство температуры, чувствительным элементом является термометр либо иное устройство, измеряющее температуру.

В регуляторе Уатта это угол отклонения центробежных грузиков от их расчетного положения. Назовем условно этот элемент системы регулирования информационной системой, поскольку он поставляет нам данные о ее состоянии.

Далее, любая система регулирования имеет блок, который именуется блоком выработки сигнала, или, имея в виду последующие разговоры, назовем его блоком принятия решения. В автопилоте это гироскоп, по сигналу которого вырабатывается команда поворота рулей или элеронов, компенсирующая отклонения. В ректификационных колоннах это устройство, обеспечивающее регулирование температуры процесса. В паровых двигателях это система, регулирующая соотношение длины хода заслонок, открывающих доступ пара в паровую машину, и угол отклонения грузиков от его расчетного положения. В современных сложных системах регулирования в этом блоке может присутствовать и электронная вычислительная машина.

Наконец, в любой системе регулирования должны быть управляющие органы и силовой агрегат, который их приводит в действие. В автопилоте управляющие органы - это рули высоты и поворота и элероны. Силовой агрегат - рулевая машинка. В системе регулирования паровой машины управляющий орган - это заслонка, пропускающая пар в цилиндры паровой машины. Силовой агрегат сам центробежный механизм (регулятор прямого действия).

Общим признаком всех систем регулирования является реализация принципа обратной связи: управляющие воздействия на управляющую систему оказываются функциями и следствиями отклонения системы от предписанного ей режима работы. Эти функции могут быть самой разной природы, самого разного уровня сложности. Если обратные связи в системе достаточно просты, то такие системы называются рефлексными. Система, снабженная регулятором Уатта, является рефлексной: увеличилось число оборотов трансмиссии на 10 процентов - на столько же процентов уменьшается подача пара; уменьшилось число оборотов - увеличивается подача пара.

Понятие "рефлексные системы" идет из физиологии, и возникло оно в школе академика И. Павлова. Реакция организма на раздражитель называется рефлексом, если она связана с возбуждением простой функциональной связью. Позднее мы убедимся, что далеко не все обратные связи рефлексные и описываются достаточно простой зависимостью.

Есть еще одно общее у этих задач, что послужило поводом называть эту дисциплину "Теорией регулирования". Все перечисленные системы имели своей целью регулирование установившихся стационарных режимов.

Автопилот призван обеспечить равномерный и прямолинейный по*лет самолета независимо от силы воздушных течений, неравномерности работы двигателя или других причин, не предусмотренных заранее расчетами.

Терморегулятор в химическом реакторе должен держать постоянной заданную температуру в зоне реакции. Регулятор Уатта должен обеспечивать равномерное вращение вала трансмиссии. Решения именно этих технических проблем породили определенные классы математических задач, составивших содержание исследований в данной области в течение почти ста лет.

И наконец, еще одно немаловажное обстоятельство.

Основным требованием, которому должны были удовлетворять все регуляторы, - была устойчивость. Но условие устойчивости не выделяет единственного решения:

обеспечить устойчивость можно многими способами. Поэтому конструктор получал определенную свободу выбора. Создавая тот или иной механизм, он всегда сталкивается с необходимостью удовлетворить различным и подчас противоречивым требованиям. Требование повышения качества трудно согласуется, например, с требованием снижения себестоимости. Увеличение прочности и надежности приводит к увеличению веса конструкции самолета, то есть к ухудшению его летных характеристик, и т. д. Поэтому та свобода выбора параметров, которую допускает "Теория регулирования", позволяла конструктору выполнять и другие требования, которые перед ним возникают, находить разумные между ними соотношения. Это обстоятельство породило целый ряд новых проблем, которые подготовили следующий этап развития теории. Поясним это на одном примере.

Пусть речь идет все о том же автопилоте пассажирского самолета. Его задача - обеспечить равномерный установившийся полет самолета. Для этого он должен быть способен парировать, например, любые случайные порывы ветра. Сделать это можно, как мы выяснили, бесчисленным числом способов, Но это означает, что среди них можно найти и такой, который лучше других, однако уже по какому-либо другому критерию. Таким критерием может быть, например, удобство пассажиров - оно определяется величиной перегрузок. Мы все знаем, как неприятны случайные ускорения, воспринимаемые нами как толчки. И всегда очень ценим умение шофера не только соблюдать правила уличного движения, но и вести машину так плавно, чтобы пассажиры не замечали ускорений, замедлений и резких поворотов.