Н Моисеев - Люди и кибернетика

Значит, и от автопилота мы можем потребовать нечто подобное. Потребовать, чтобы он не только обеспечивал устойчивость полета, но и старался компенсировать случайные помехи так, чтобы перегрузки были по возможности малыми.

Вот каковой была постановка задач регулирования, в которой впервые появилось понятие качества регулирования. Инженеры начали ею заниматься еще в довоенное время. Именно в те годы впервые появилась идея оптимизации применительно к управлению. Эта идея требовала не просто обеспечения достижения цели управления, а достижения ее наилучшим образом.

К концу 30-х годов развитие "Теории регулирования"

казалось, закончилось: проблемы, которые вызвали ее появление и оформление как самостоятельной дисциплины, оказались решенными. Методы, развитые ею к этому времени, позволяли решать практически все задачи, возникающие в инженерной практике, и вполне удовлетворяли запросы практики. "Теория регулирования" стала постепенно превращаться в стандартную дисциплину, подобную "Деталям машин" или "Сопромату" с их строго канонизированными постановками задач и методами решения.

Но человеческая практика, научно-технический прогресс непрерывно усложняют жизнь и ставят новые задачи. Исследователь всегда подобен путнику, идущему через перевалы. Перед каждым новым ему кажется, что он последний. Но, поднявшись на него, он видит, что перед ним новый, еще более высокий, поднявшись на него, он опять видит перед собой новый перевал и т. д.

Но если у него достаточно сил, то он знает, что однажды доберется до самого высокого и увидит то, что скрывается за ним. То же случилось и с "Теорией регулирования". Преодолев трудности решения задач, которые наука унаследовала от И. Вышнеградского и Дж. Максвелла, ученые увидели задачи, которые оказались не только естественным развитием старых, но и требовали нового видения проблем управления и нового математического аппарата.

Я не сомневаюсь, что крупные ученые еще раньше видели эти новые задачи и имели принципиальные соображения, как их решать, еще в довоенное время.

Но только после войны бурное развитие техники потребовало практического решения этих новых задач науки и техники.

СОВРЕМЕННАЯ ТЕОРИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ

Итак, с "Теорией регулирования" связаны две фундаментальные идеи, развитию которых и посвящена главным образом эта дисциплина. Первая - это идея обратной связи. Вторая - представление о качестве управления.

"Теория регулирования" предложила способы проектирования обратной связи и оценки качества для относительно простых технических систем. Но развитие техники и технологии стало выдвигать новые задачи, потребовавшие нового расширения теории. Постепенно возникла знакомая нам "Теория технического управления", которая является прямой наследницей "Теории регулирования". Основное качественное усложнение тематики произошло в связи с созданием ракетной техники.

Ракета так же, как самолет или химический реактор, является управляемой системой. Но задачи управления, здесь возникающие, совершенно непохожи на самолетные. Поясним содержание этих новых задач на хорошо известном примере вывода космических аппаратов на орбиту.

Перед конструктором обычно ставится вполне определенная цель: обеспечить вывод космического аппарата на заданную орбиту, например орбиту спутника Земли.

Для ее достижения он располагает целым рядом возможностей. Прежде всего это варьирование величиной тяги; другими словами, он может распоряжаться подачей в камеру сгорания того или иного количества горючего и окислителя. Кроме того, он может менять положение газовых рулей, направляющих газовый поток ракетного двигателя. Как распорядиться этими возможностями, как обеспечить достижение цели, причем наилучшим образом?

Проблема выбора этих управленческих воздействий, или, как иногда говорят, управляющих функций, оказалась весьма сложной и потребовала создания не только специальных методов расчета, но и выявила ряд других трудностей.

Чтобы провести расчеты, которые позволили бы определить управляющие функции, обеспечивающие достижение цели управления, необходимо знать плотность воздуха, скорость и направление ветра, особенности работы двигателя и многое другое, что никогда вполне точно заранее знать невозможно.

Значит, конструктор должен задаться каким-то определенным сценарием внешней неконтролируемой обстановки (так мы будем называть предполагаемый комплекс значений величин, определяющих внешние условия). Не сделав подобного предположения, просто невозможно провести необходимые вычисления. Следовательно, этот предварительный расчет достижения орбиты, который даст нам возможность определить потребный ресурс (запас горючего в первую очередь) и способ его использования, мы проводим для некоторой идеальной, абстрактной обстановки, так как заранее знать, какова будет реальная, нам, увы, не дано.

Выбор управляющих воздействий имеет одну очень важную особенность: если задача вообще имеет решение, то есть если ресурса достаточно для достижения цели, то вывод аппарата на орбиту может быть осуществлен бесчисленным множеством способов. Поэтому одновременно с заданием цели управления ставится вопрос о том критерии, по которому мы будем отбирать необходимые нам управляющие воздействия из тех, которые обеспечивают достижение цели.

Поскольку, как говорят, "грамм в космосе стоит тонну на земле", то таким критерием (принципом отбора)

у нас будет количество затрачиваемого горючего, необходимого для достижения орбиты. Поэтому из множества вариантов управления мы выберем тот, где минимальная затрата топлива.

Для решения подобных задач сейчас развиты относительно простые и надежные методы. Однако в то время их еще не существовало, и потребовались немалые усилия ученых и математиков, чтобы их найти. Сейчас создана специальная теория, которая получила название "Теория оптимального управления". Главным результатом ее является так называемый принцип максимума, открытий академиком Л. Понтрягиным в начале 50-х годов. Он позволяет свести большинство практических задач определения оптимального управления, по которым можно рассчитывать оптимальную траекторию, к известным уже математике задачам с хорошо разработанным методом решения.

Воспользовавшись этим методом расчета, мы сможем найти траекторию, которая, будет оптимальной по выбранному критерию. Эту траекторию называют программной или просто "оптимальной программой".

В свою очередь, управление, обеспечивающее движение по этой траектории, называется оптимальным или программным.

Оптимальная траектория в задаче о полете космического аппарата играет ту же роль, что и заданное число оборотов вала в теории регулятора Уатта или заданный курс при расчете параметров автопилота.