Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Рис. 15.2. Киловатт-часы на одну семью в год в США

Трудно переоценить социальную значимость замены мускульных усилий человека механической энергией. Понятно, что 700 000 человек не могут напрямую производить энергию для полета самолета с 50 пассажирами со скоростью 500 миль в час. Западные сообщества, адаптировавшись к механической энергии, используют ее для множества целей, а не только как замену человеческим мускульным усилиям. Расширение использования энергии сделало XX век золотым веком энергии.

Развитие автоматического регулирования в XX веке имело не меньшее влияние на человеческое благосостояние, чем механическая энергия. Автоматический контроль – это система, выполняющая автоматическое саморегулирование, обеспечивая при необходимости перенастройку процесса и контроль выхода. Пожалуй, самым знакомым прибором автоматического регулирования является домашний термостат. Он отключает обогрев, когда температура в доме повышается выше установленного значения, и вновь запускает его, когда температура становится слишком низкой. Информация термометра о температуре в комнате подается на обогреватель, который, в свою очередь, контролирует температуру. Основа автоматического регулирования – принцип обратной связи. В нем один или больше системных сигналов, сформированных в управляющий сигнал, оказывают регулирующее воздействие на объект.

Хотя автоматическое регулирование не являлось важным фактором в социальной истории до XX века, оно появилось в XVIII веке. Один из первых приборов автоматического регулирования был на первом паровом двигателе Ньюкомена в 1712 году. Поскольку полный цилиндр пара вызывает временное понижение давления в маленьком бойлере, Ньюкомен соорудил устройство автоматического контроля, которое регулировало операцию таким образом, чтобы двигатель совершал один полный цикл, только когда в бойлере было достаточно для этого пара. После того как цилиндр наполнялся паром, истощая бойлер, двигатель останавливался. Когда бойлер производил достаточно пара, чтобы вновь наполнить цилиндр, поплавковое устройство открывало впускной клапан, допуская воду в цилиндр, чтобы конденсировался пар. Атмосферное давление двигало поршень вниз, и шток, закрепленный на балансире, сначала закрывал впускной клапан, а потом, когда поршень опускался, открывал паровой клапан, нарушая вакуум и позволяя поршню вновь подняться к верху цилиндра.

Рис. 15.3. Приспособление для удержания главных парусов по ветру

В середине XVIII века некоторые изобретатели добавили автоматическое управление к ветряным мельницам. В 1750 году Эндрю Мейкл (1719–1811) изобрел «веерообразный хвост» – он же муха. Прибор Мейкла – это небольшая вертушка, установленная под прямым углом к главным парусам на диаметрально противоположном им конце поворотной башни (рис. 15.3). Если главные паруса установлены неправильно, ветер будет вращать вертушку, поворачивающую башню, пока главные паруса не установятся по ветру. Еще до 1787 года, когда Томас Мид получил соответствующий патент, для регулировки жерновов мельниц использовались центробежные регуляторы. После этого стали производиться разные модификации жалюзийных крыльев, и Уильям Кьюбитт запатентовал крыло, автоматически управляющее скоростью мельницы. Когда сила ветра возрастала, жалюзи приоткрывались, пропуская часть его, и скорость вращения крыльев оставалась постоянной.

Это автоматическое регулирование, включая адаптацию Уаттом центробежных регуляторов для дроссельного клапана, чтобы стабилизировать скорости двигателей, имело тенденцию к осцилляции. В XIX веке инженеры придумали демпферы – устройства для гашения колебаний в регуляторе. В тот же период математики и физики разработали теорию регулирования и вывели дифференциальные уравнения, описывающие осцилляцию и демпфирование. Но только в 1920-х годах инженеры начали активно использовать эту теорию для создания надежных и быстродействующих сервомеханизмов. Инновации минимизировали тенденцию к колебаниям и повысили возможности использования автоматического регулирования. Результат – быстрый рост использования инструментов, приборов и аппаратуры в промышленности Соединенных Штатов. Например, промышленность в 1951 году приобрела вдвое больше приборов и аппаратуры для точного регулирования, чем в 1946 году.

Социальная значимость внедрения приборов автоматического управления и регулирования аналогична значению энергетической революции в Средние века. Если развитие механической энергии освободило людей от роли главного источника энергии для осуществления тех или иных процессов, то применение приборов автоматического регулирования избавило людей от контроля за этими процессами. Однако нет оснований полагать, что человек со временем окажется полностью устранен из системы производства. Как и в случае с механической энергией, автоматическое управление стало не просто устройствами, а способом сэкономить трудозатраты. Многие современные процессы могут функционировать только под автоматическим управлением.

Управление ими человеком сделало бы их замедленными и дорогостоящими.

Если 50 000 контрольных приборов на нефтеперерабатывающих заводах США перестанут работать, произойдет национальная катастрофа. Заводы станут безжизненными грудами металла. Если же мы решим заменить их старыми, управляемыми вручную заводами, их придется построить в четыре или даже пять раз больше, чтобы удовлетворить наши современные потребности в топливе. Некоторые современные химические процессы придется прекратить, выход моторного топлива из сырой нефти снизится на три четверти, стоимость взлетит до небес, а качество упадет. Надо будет переделать автомобильные двигатели, чтобы они могли работать на топливе низкого качества. Из-за низкого выхода топлива придется добывать быстрее и больше сырой нефти.

Управление процессом сгорания в котле современной электрической установки – другой пример развития автоматического управления. Сигнал о производительности генераторов поступает по обратной связи на котельную установку, и любой рост расхода энергии приводит в действие автоматический механизм, управляющий насосами питательной воды, вытяжными вентиляторами и подачей топлива, так что в котельной не нужен персонал – надо только следить за записями и быть наготове на случай непредвиденной ситуации.

История автоматического управления содержит социальные аспекты, к которым одни относятся с тревогой, другие – с безразличием. Автоматическое управление, как и механизация, могут нести определенную угрозу обществу, поскольку следствием их внедрения является технологическая безработица. Эта проблема существовала с первых этапов промышленной революции. Широкое распространение паровых двигателей привело в начале XIX века к бунтам рабочих, опасавшихся, что паровые машины лишат их работы. На самом деле появление новых механизмов и машин создало новые отрасли деятельности с новыми рабочими местами, требовавшими больше опыта и образования. В середине века одним из тезисов, на котором Карл Маркс основал свою теорию эксплуатации труда капиталом, была неизбежность технологической безработицы. История показала, что, хотя такое явление возможно, оно вовсе не является неизбежным. Более того, недолгая история автоматического управления доказала, что она не вызовет ничего, кроме временной технологической безработицы, по крайней мере в развитом промышленном обществе. Дело в том, что капиталовложения на каждую произведенную единицу продукции, как и затраты труда на нее, уменьшаются. Автоматическое управление и дальше будет способствовать уменьшению капиталовложений на единицу продукции благодаря увеличению общего выпуска.