История и методология науки и производства в области автоматизации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова" (СПбГЛТУ)

Факультет механической технологии древесины

Учебное пособие

История и методология науки и производства в области автоматизации

Составитель:

кандидат технических наук,

профессор, В.А. Втюрин

Ответственный редактор

кандидат технических наук,

профессор, В.А. Втюрин

Санкт-Петербург 2011

В учебном пособии рассмотрены следующие вопросы:

формирование теории управления как точной научной дисциплины, имеющей свои базовые понятия и законы; основные этапы в истории науки об управлении: автоматика, теория автоматического регулирования, кибернетика, общая теория систем, современная теория управления; интегративный характер теории управления, как науки об общности принципов и процессов управления в объектах различной физической природы; проблема целостного понимания окружающего мира, как единого эволюционного процесса; роль вычислительной техники и информатики в теории и технике управления; физическая теория управления; управление как организация целенаправленного взаимодействия энергии, вещества и информации

Оглавление

Введение

1. Формирование теории управления как точной научной дисциплины. Базовые понятия и законы

1.1 Базовые понятия теории управления

1.2 Задача автоматизации

2. Основные этапы в истории науки об управлении: автоматика, теория автоматического регулирования

3. Основные этапы в истории науки об управлении: кибернетика, общая теория систем, современная теория управления

4. Современная теория управления

5. Интегративный характер теории управления, как науки об общности принципов и процессов управления в объектах различной физической природы

5.1 Управление как наука и искусство

5.2 Особая сложность и актуальность теории и практики управления

5.3 Управление как система

6. Проблема целостного понимания окружающего мира как единого эволюционного процесса

7. Роль вычислительной техники и информатики в теории и технике управления

7.1 История развития вычислительной техники и информатики

7.2 Тенденции развития вычислительных систем

7.3 Тенденции развития информатики

8. Физическая теория управления

9. Управление как организация целенаправленного взаимодействия энергии, вещества и информации

10. Методология разработки систем автоматического регулирования и управления. Модели. Анализ. Управление

10.1 Теоретические и методологические аспекты теории управления

10.1.1 Понятие и сущность теории управления

10.1.2 Методология теории управления

10.1.3 Комплексная модель человека в системе управления

10.2 Особенности систем автоматизации и управления. Модель. Моделирование

10.2.1 Построение математических моделей

10.2.2 Описание автоматизированного процесса

10.2.3 Виды моделей процесса

10.2.4 Переменные систем управления

11. Проектирование нелинейных систем в пакете MATLAB

11.1 Обзор нелинейных блоков

11.1.1 Виртуальный осциллограф

11.2 Нелинейные блоки

11.2.1 Блок ограничения Saturation

11.2.3 Релейный блок Relay

11.2.4 Блок с ограничением скорости Rate Limiter

11.2.5 Блок квантования Quantizer

11.2.6 Блок фрикционных эффектов Coulombic and Viscous Friction

11.2.7 Блок люфта Backlash

11.2.8 Детектор пересечения заданного уровня Hit Crossing

11.3 Назначение пакета Simulink Response Optimization Blockset

Введение

Автоматизация производственных процессов - основное и наиболее прогрессивное направление современного технического развития. При автоматизации достигается максимальный рост производительности, значительно улучшаются условия труда рабочих, и повышается качество продукции.

В первую очередь автоматизация распространяется на производства с массовым выпуском продукции и сравнительно трудоемкими технологическими процессами, где она дает наибольший экономический эффект. Важным условием автоматизации является внедрение новой прогрессивной технологии, обеспечивающей при хорошем качестве продукции высокую производительность в производстве.

Внедрение систем автоматизированного управления технологическими процессами (АСУТП), гибких автоматизированных производств различных видов лесопродукции дает возможность существенно повысить эффективность, глубину оптимизации переработки древесины и получить увеличение выхода продукции.

Для управления технологическими процессами, начиная со времени зарождения этой области техники в древности и до начала 60-х годов XX столетия, применялись в основном простейшие механические, пневматические или электрические регуляторы, расчет которых основывался на линейных одномерных моделях.

Более сложные системы управления практически отсутствовали из-за ограниченных возможностей технических средств, высокой стоимости, отсутствия соответствующей теоретической базы. Однако даже простейшие контуры регулирования хорошо зарекомендовали себя там, где для объектов управления характерны большие или малые постоянные времени, устойчивость в разомкнутом состоянии. В настоящее время развитие производства привело к преобладанию непрерывных технологических процессов большой мощности со сложными комплексами энергетических и материальных потоков и с жесткими требованиями к качеству продукции, безопасности персонала, сохранности оборудования и к воздействию на окружающую среду, что потребовало создания более совершенных систем управления. Совершенствование и создание более надежной техники ЭВМ, снижение ее стоимости оправдывает встраивание ЭВМ в системы управления. Такие ЭВМ работают в реальном масштабе времени, причем устройства ввода-вывода информации занимают в среднем 5-10% времени центрального процессора, оставляя остальное время для непосредственной реализации сложных алгоритмов управления.

Следует отметить, что получила развитие современная теория управления, методы которой успешно применяются в авиационно-космической технике. В нее включаются теория оптимального управления, методы идентификации и оценивания состояния процессов, методы построения адаптивных систем, теория дискретных и дискретно-непрерывных систем с цифровыми ЭВМ в контуре управления.

1. Формирование теории управления как точной научной дисциплины. Базовые понятия и законы

1.1 Базовые понятия теории управления

Основными базовыми понятиями теории управления являются:

· Системы автоматического управления;

· Функциональные принципы управления (принцип разомкнутого управления, принцип компенсации, принцип обратной связи);

· Устойчивость и стабилизация автоматических систем;

· Характер процессов управления.

Теория управления (ТУ) - точная наука, она оперирует количественными характеристиками. Поэтому за качественным описанием системы следует - количественное описание системы.

Математическая модель (ММ) - это приближенное описание изучаемого явления или объекта, выраженное с помощью математической символики. ММ - мощный метод познания явлений и объектов. Важным этапом построения ММ является формирование законов, определяющих процессы, протекающие в объектах. Этот этап требует широкого знания фактов, относящихся к изучаемым явлениям и глубокого проникновения в их взаимосвязи.

Переход от физической к ММ позволяет проводить изучение объекта с использованием количественной информации, абстрактных представлений об объекте. Такая количественная формализация обычно задается оператором объекта, причем понятием оператора объединяются любые математические операции: все алгебраические действия, дифференцирование, интегрирование, сдвиг во времени, решение дифференциальных, интегральных, алгебраических и любых других функциональных уравнений, а также любые логические действия.

Задать оператор объекта - это означает задать совокупность действий, которые надо осуществить над входной функцией, чтобы получить выходной процесс.

Очень многие ММ, лишившись физической или технической оболочки, приобретают универсальность, т. е. способность количествен- ного описания различных по своей природе процессов или по техническому назначению объектов.

В этом проявляется одно из важнейших свойств математической формализации предмета исследования, благодаря которому при постановке и решении новых прикладных задач в большинстве случаев требуется создавать новый математический аппарат, а можно воспользоваться существующим.

Таким образом, одна ММ может быть использована для решения большого числа частных, конкретных задач, и в этом смысле она выражает одно из главных практических назначений теории.

ММ объекта характеризуется следующими переменными:

y(t), Y(t) - входные функции (скалярные или векторные);

x(t), X(t) - выходные процессы;

X(t) - процессы, характеризующие внутреннее состояние объекта.

Зависимость выходных процессов от входных сигналов и состояния определяет алгоритм функционирования (поведение, эволюцию) системы.

Математическая формализация этой зависимости, т.е. установление соответствия (функционального, операторного) между указанными процессами представляет ключевую линию теории систем управления.

В теории систем важное место занимает такое понятие, как геометрическая модель, которая позволяет непосредственно связать теорию динамических систем с топологией. Она особенно наглядна для систем небольшой размерности, где ее образ - фазовый портрет - доступен прямому геометрическому анализу. Фазовый портрет позволяет достаточно просто делать вывод о динамике системы, логике и обусловленности ее поведения. Многие колебательные явления нашли в фазовом портрете свое наглядное и адекватное отражение.

Функциональные же ММ не есть портрет динамичесго поведения: он отражает только функциональные связи, что является основополагающим положением при решении задач синтеза регуляторов, оптимизации, включая и статистическую.

Изучение таких свойств ММ объектов управления и систем в целом, как:

· Автономность;

· Грубость ММ;

· Инвариантность;

· Прямые показатели качества переходных процессов;

· Поведение при наихудших внешних воздействиях;

· Приводимость;

· Точность;

· Управляемость;

· Устойчивость,

тесно связано с содержанием указанных выше составных элементов теории управления:

1. ММ систем.

2. Исследования систем на основе их ММ.

3. Синтез систем на основе их ММ, предполагающий определение состава, структуры САУ и параметров всех ее устройств из условия удовлетворения заданному комплексу технических требований, а также оптимизации систем, направленную на решение задач расчета таких законов управления, которые оптимизируют процессы по тому или иному заданному критерию.

1.2 Задача автоматизации

Практическая деятельность человека сопровождается познанием и использованием законов природы для целенаправленной организации процессов, происходящих в природе, технике и в обществе, то есть для управления.

В технике и технологии можно выделить две принципиально различные по своей природе задачи, которые можно назвать задачами производственной и информационной технологий.

В производственной технологии для выполнения процессов по физическим, химическим и другим законам выполняются так называемые рабочие операции. Примерами производственной технологии могут служить химическая и энергетическая технологии, технология машиностроения, технологии деревообрабатывающих производств и т.д.

Задачей информационной технологии (технологии связи) является передача информации от человека к человеку, обмен информацией между человеком и машиной или обмен информацией между различными устройствами.

Принцип информационной технологии иллюстрирует рис. 1.1. Схема включает в себя процессы сбора информации, ее передачи и обработки, а также дальнейшего использования информации. Все они должны осуществляться без искажений, несмотря на внешние возмущения.

В процессе управления происходит переплетение производственной и информационной технологий. Оно заключается в том, что на основе информации, получаемой в результате измерения и обрабатываемой нужным образом, оказывается воздействие на поток энергии и вещества так, чтобы целенаправленно изменять определенные физические параметры этого потока. Такое целенаправленное изменение параметров или поведения отдельных систем (объектов) называется управлением.

Управляемый процесс - это процесс, который развивается под влиянием управляющих воздействий, изменяющих условия протекания процесса в зависимости от цели управления и критериев оценки степени достижения этой цели.

Рис. 1.1. Принцип информационной технологии

Совокупность всех устройств, служащих для управления объектом, называют системой управления. Часто система управления включает и сам объект.

В зависимости от степени автоматизации управление бывает ручное, автоматизированное и автоматическое. В автоматизированных системах часть функций выполняет человек-оператор, автоматические системы функционируют без участия человека.

Даже при автоматическом управлении человек задает цель и контролирует работу системы. Целевые величины для устройства управления являются задающими величинами, или заданиями на управляемую величину. Задания могут быть постоянными, (такие задания называются уставками) или изменяться во времени. В последнем случае за ними должно осуществляться слежение.

Основным направлением развития всей современной техники является автоматизация процессов управления. Автоматизация производства - это этап машинного производства, характеризуемый освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций автоматическим устройствам. Таким образом, автоматизация - это применение автоматических устройств для выполнения функций управления. Она ведется на базе последних достижений в областях электроники, вычислительной техники, теории управления.

Задачей автоматизации является автоматическое управление, то есть самостоятельное целенаправленное воздействие на поведение интересующих нас объектов.

Автоматизация обеспечивает:

Освобождение человека от физически тяжелой, опасной для здоровья, а также от повторяющейся физической или умственной работы.

Расширение границ возможностей человека, которые часто не соответствуют требуемым режимам обработки, скорости и точности протекания процессов.

Освобождение человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами. Эти функции передаются специальным устройствам - системам автоматического управления.

Благодаря средствам автоматизации происходит интенсификация и рационализация общественного производства. Этот процесс преследует несколько целей

Во-первых, это совершенствование культуры труда из-за, например, устранения пространственной и временной привязанности человека к производственному процессу.

Во-вторых, это повышение производительности труда и увеличение его эффективности за счет:

оптимального хода процесса при наименьшем заданном расходе сырья и энергии,

стабильного и непрерывного режима ведения процессов в агрегатах и аппаратах при оптимальном использовании основных фондов,

по возможности небольшого времени перехода или перестройки на выпуск другой продукции, сокращения времени выпуска и наладки оборудования,

малого числа ремонтов и аварий оборудования. Последняя цель - это обеспечение качества.

Неотложным требованием для достижения указанных целей является применение управляющих вычислительных машин, поскольку часто уже нельзя добиться улучшения хода того или иного процесса, используя традиционные средстве автоматизации. При увеличении количества перерабатываемого сырья и энергии даже незначительное увеличение коэффициента полезного действия сказывается на экономической эффективности технического процесса.

Понятие технического процесса является расширением понятия объекта. Под техническим процессом понимается временная последовательность в системе, при которой происходят преобразования и (или) передача вещества, энергии и информации.

В период частичной автоматизации, когда технические средства автоматики осуществляют лишь простые функции управления, связанные с измерением, анализом, контролем различных величин и отработкой решений, принятых оператором в виде уставок, программ или других сигналов управления, автоматическое регулирование представляет собой наиболее совершенный принцип автоматики.

При комплексной автоматизации осуществляются более сложные функции управления, включающие, кроме вышеперечисленных, выработку требуемых сигналов управления, автоматическое определение требуемого режима, принятие решений, исходя из цели управления, автоматическую координацию действий отдельных систем управления и т.д.

Вопросы для самопроверки

1. Базовые понятия теории управления.

2. Математическая модель и ее назначение. Примеры.

3. Оператор объекта. Примеры.

4. Что такое алгоритм функционирования?

5. Назвать свойств ММ.

6. Назвать две технологии, применяемые в технике и производстве. Привести их примеры для отрасли.

7. Дать определение процесса управления. Привести пример.

8. Что такое автоматизация и ее цели?

2. Основные этапы в истории науки об управлении: автоматика, теория автоматического регулирования

Автоматическое управление и регулирование относят к одному из важнейших корней, к существенной составной части кибернетики.

Потребности развития техники, требования к поддержанию в заданных пределах различных величин, характеризующих функционирование технических устройств, привели к изобретению и последующему развитию разнообразных регуляторов.

Первым, технически применявшимся прибором такого рода, в котором использовался несформулированный еще принцип управления по отклонению (обратная связь), был регулятор Уатта - он служил для регулирования скорости паровой машины путем воздействия на количество поступающего в нее пара. В дальнейшем появились и другие виды подобного рода устройств (машина Уатта была построена английским изобретателем в 1784 г.).

Распространение регуляторов, потребность в повышении точности их работы, в устранении явления неустойчивости (автоколебаний) привели к теоретическому осмыслению принципов их работы, к выработке математического описания их функционирования и созданию методов соответствующих инженерных расчетов. Первые теоретические исследования систем автоматического регулирования с обратной связью проведены Дж.К. Максвеллом, И.А. Вышнеградским, А. Стодолой.

В работе "О регуляторах" (1868 г.) Дж.К. Максвелл предложил первое в науке функциональное определение регулятора, не зависящее от его конкретных воплощений - конструкции и способа действия. Английский ученый разработал математический аппарат для выражения критерия устойчивости систем регулирования.

Идеи Максвелла получили продолжение в России, когда И.А. Вышнеградский (1831-1895) опубликовал работу "О регуляторах прямого действия" (1876). Ученый выдвинул систему теоретических положений, охватившую важный класс регуляторов, и сформулировал условие устойчивости системы регулирования. известное как "критерий Вышнеградского". Разработка средств математического выражения критериев устойчивости регулирования позволяла предсказывать поведение системы "машина-регулятор" в условиях влияния на нее помех и их компенсации в конкретных ситуациях. Так были заложены основы теории автоматического регулирования (ТАР).

Работы Максвелла и Вышнеградского были развиты далее рядом исследователей, в том числе А. Стодолой, который распространил проблематику и аппарат ТАР на управление режимом работы турбин.

Дальнейшим результатам ТАР во многом обязана отечественной науке. Они были получены А.М. Ляпуновым (1875-1918), Я.И. Грдиной (1871-1931) и Н.Е. Жуковским (1847-1921). Последний наряду с глубокими специальными исследованиями дал в 1909 г. систематическое изложение теории.

Примерно до середины 30-х годов двадцатого века теория регулирования развивалась в рамках отдельных технических дисциплин, таких, как "регулирование машин", "регулирование электродвигателей", "гидравлические регуляторы", электропривод" и т.п. Даже одна из основополагающих работ - работа Найквиста по частотным методам исследования устойчивости систем с обратной связью (1932) - была написана применительно к электронным усилителям. Само понятие "обратная связь", пронизывающее всю теорию автоматического регулирования, вошло в нее лишь после появления электрических и электронных элементов и построенных на их базе разнообразных следящих систем, которые до этого назывались сервосистемами или сервомеханизмами.

В 1938 г. А.В. Михайлов, развивая частотный метод, предложенный Найквистом для проектирования следящих систем, разработал свой критерий устойчивости, реализованный в так называемом годографе Михайлова.

С конца 30-х годов XX века началось интенсивное проникновение следящих систем во все отрасли техники, включая радиотехнику, электронику и счетно-решающие устройства. Стали выпускаться журналы по этой тематике, сформировались соответствующие коллективы специалистов.

Сложившаяся к этому времени общая теория автоматического регулирования связана с именами А.В. Михайлова, Г. Найквиста, А.А. Андронова, Б.Н. Петрова, М.А. Айзермана, А.А. Фельдбаума и многих других советских и зарубежных ученых.

В распространении идей и методов теории автоматического регулирования важное значение имел семинар, проводившийся в конце 40-х годов XX века в Институте автоматики и телемеханики АН СССР (ныне Институт проблем управления) под руководством М.А. Айзермана, а затем Б.Н. Петрова. На этом семинаре докладывались и обсуждались важнейшие работы отечественных ученых в этой области.

Существенную роль в дальнейшем продвижении ТАР и, что особенно важно, в ее перерастании в теорию автоматического управления, произошедшем в 30-х-40-х годах XX века, сыграли такие научные достижения, как разработка метода автономности (он позволял осуществлять ввод в систему такого рода связей между регуляторами, который исключал влияние одних регулируемых параметров на другие), основы которого были заложены в работе И.Н. Вознесенского (1938); создание теории инвариантных систем (обеспечение независимости регулируемой величины от внешних возмущающих воздействий), возникновение которой связано с именами Г.В. Щипачева (1939), Н.Н. Лузина (1940) и В.Е Кулебакина (1948); и, наконец, становление топологических методов изучения нелинейных систем, связанное с деятельностью А.А. Андронова и его школы. Нужно также отметить выполненные в 40-е годы пионерские работы по экстремальному регулированию (Ю.Г. Хлебцевич, 1940; В.В. Казакевич, 1943).

Дальнейший прогресс в ТАР связан с быстрым развитием техники связи. Потребности создания систем передачи информации по проводам и без проводов вызывают изменение стиля мышления: для регуляторов в промышленной машинной технике информационный аспект процесса имел подчиненное значение - в технике связи он вышел на первый план. Так, в случае усилителей, основанных на обратной связи, главное заключалось в том, чтобы как можно более точно воспроизвести на выходе постоянно изменяющийся входной сигнал.

Все это означало, что регуляционно-техническое мышление поднялось на уровень, позволяющий выйти за пределы отдельных случаев и классов систем управления. Был достигнут новый, более высокий, уровень абстракции - последняя ступень "предкибернетического" стиля мышления в концептуальных рамках теории регулирования и управления техническими объектами и процессами. Создалась база для перехода от классической теории и методологии автоматического регулирования, как она представлена в инженерных дисциплинах машиноведения и электротехники, к теории замкнутых контуров управления, сфера применений которой простирается далеко за рамки названных дисциплин - в экономику, социологию, культуру, политику и т.п.

Выявление закономерностей регулирования (управления) и разработка адекватного математического аппарата для его теоретического осмысления (открывающего затем дорогу инженерным приложениям) явились одной из неотъемлемых предпосылок усмотрения аналогий между техническими, биологическими, а затем и социальными структурами. Началось формирование единой парадигмы повального математического описания и изучения этих структур, что означало возникновение кибернетического стиля мышления. Теория автоматического управления и регулирования вошла в кибернетику в качестве относительно самостоятельного раздела, прогрессируя в тесном взаимодействии с теорией автоматов, теорией информации, биокибернетическим подходом к регуляционно-информационным феноменам живого и социального. Стала применяться все более мощная вычислительная техника. На данной стадии происходит выработка новых, во многом объединяющих концептуальных средств и соответствующего терминологического аппарата.

Теории автоматического регулирования суждено было более чем семидесятилетнее самостоятельное развитие, прежде чем она вошла в более общий кибернетический контекст.

Классическое понимание управления, сложившееся после известных работ Н. Винера, предполагает, что общие принципы управления распространяются на любые системы, к которым применима квалификация "кибернетические". К таким системам относят как технические, так и биологические, экономические и социальные структуры.

Кибернетика - интегральное научное направление, и как таковое в значительной степени базируется на знаниях и идеях, зародившихся в рамках большого числа различных дисциплин, развивавшихся первое время независимо друг от друга.

Можно считать, что корни кибернетики в основном относятся ко второй половине XIX века, и существовали они сравнительно самостоятельно до конца первой половины XX века. Корни эти представляют собой как элементы чисто технического знания, так и некоторые локальные обобщения - результат развития теоретического знания в отдельных естественнонаучных и научно-технических дисциплинах.

Наряду с рассмотренными выше автоматическим регулированием и управлением, истоками кибернетики, многие из которых включаются в методологию автоматизации и управления, являются:

элементы моделирования и локальные теории моделей для различных областей техники;

счетно-решающие приборы и математические инструменты;

цифровые вычислительные машины;

элементы программирования для ЭВМ;

релейно-контактные схемы управления и защиты, элементы теории релейно-контактных схем;

средства связи и вопросы теории связи;

биомедицинские исследования - биомеханика, общая физиология, физиология высшей нервной деятельности;

вопросы административного и производственного управления, элементы общей теории систем;

элементы психологии труда и инженерной психологии; математическая логика как часть математики.

Отметим роль моделирования при автоматизации. Вначале речь шла о построении уменьшенных действующих моделей различных технических систем и устройств до воплощения их в натуральных размерах. Такое моделирование называют натурным моделированием. В науке была создана теория подобия.

Важным этапом в истории моделирования явилось установление изоморфизма функционирования различных систем, главным образом колебательных. Многие из подобных систем, несмотря на разную природу (механические, гидравлические, акустические, электрические и др.), описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, что позволяет изучать функционирование одной системы, не решая соответствующие уравнения (или системы уравнений), а непосредственно изучая функционирование изоморфной системы другой природы, более удобной для изучения, чем оригинал.

Моделирование является одним из основных методов кибернетики и широко используется при проектировании систем автоматизации и управления. Универсализация "электронных" моделей позволила использовать их для решения дифференциальных уравнений. Было положено начало развитию аналоговых вычислительных машин и так называемому математическому моделированию.

Развитие современных ЦВМ и программирования для ЦВМ явилось мощным инструментом информационного - и даже не обязательно математического - моделирования разнообразных объектов, систем, процессов и явлений, для решение задач собственно кибернетического плана. ЭВМ входят в качестве ведущей компоненты в сложные управляющие и информационные системы.

Это стало возможным благодаря революционной идее Дж. фон Неймана относительно "единства" информации, используемой на всех этапах работы ЦВМ (конец 40-х годов XX в.), и, в частности, о хранении в памяти машины помимо текущей информации, связанной с решаемой задачей, также и информации программной. Эта идея привела к возможности оперировать с командами программ так же, как и с числами: осуществлять в машине их преобразования, выполнять над ними логические и арифметические операции. В концепции фон Неймана автоматический цифровой вычислитель выступил как устройство для переработки информации любой природы, не обязательно числовой.

Коснемся математического фундамента кибернетики и автоматизации. Важным и необходимым инструментом кибернетических исследований является теория обыкновенных дифференциальных уравнений и особенно вопросы их устойчивости (А.М. Ляпунов). Следует отметить проблематику оптимизации сложных динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями и их системами.

Более характерным для кибернетики явилось использование таких экзотических в свое время разделов математики, как математическая логика и теория алгоритмов. Возникшие в рамках "чистой" математики, эти разделы традиционно связывались лишь с общими вопросами обоснования математики; долгое время считалось, что они не имеют прикладного значения. И только появление теории релейно-контактных схем, использование в ЦВМ двоичной системы счисления (удобной для технических реализаций), тесно связанной же с двоичной алгеброй логики (булевой алгеброй), потребности в разработке и оптимизации логических и вычислительных элементов и узлов ЦВМ сделали математическую логику, а в известной степени и всю дискретную математику одним из эффективных инструментов кибернетических исследований. То же можно сказать и о теории алгоритмов и рекурсивных функций, появившихся в рамках математической логики в связи с проблемами вычислимости и доказуемости, но по мере развития программирования превратившихся в его теоретическую основу и инструмент дальнейшего развития.

Существенным является также и то, что развитие кибернетики, в свою очередь, оказало стимулирующее влияние на исследования в области математической логики, теории алгоритмов и всей дискретной математики. Достаточно указать на модальные и псевдофизические логики, теорию логического вывода и теорию принятия решений, теорию графов и ряд других разделов современной алгебры. Прогресс в этих областях не в последнюю очередь был вызван потребностями возникшей кибернетики. Здесь следует упомянуть идеи и результаты А.М. Тьюринга (1912-1954), Э. Поста (1897-1954), А.А. Маркова-младшего (1903-1979), С.А. Яновской (1896-1966) и других советских и зарубежных математиков и логиков, работы которых сформировали математический фундамент кибернетики.

К началу 30-х годов XX века в Советском Союзе остро стоял вопрос о создании новой технологической базы промышленности. Уже тогда решение задачи поднятия индустрии на уровень крупного машинного производства виделось на путях повышения электровооруженности предприятий, механизации производственных процессов, внедрения непрерывных технологий, облегчающих возможность их автоматизации.

Характерно, что уже на рубеже 20-30-х годов XX века автоматика понималась многими отечественными специалистами как отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления, действующих без непосредственного участия человека. Авторы первого в истории осуществленного плана развития народного хозяйства, плана Государственной комиссии по электрификации России (ГОЭЛРО), возглавлявшейся Г.М. Кржижановским, уже в ту пору четко представляли себе значение автоматизации. Электрификация явилась одной из важнейших предпосылок автоматизации, которая, в свою очередь, является важнейшим фактором развития электрификации народного хозяйства страны.

Наряду с электрификацией, базой становления автоматической техники стало создание специализированных предприятий, наладивших серийный выпуск регуляторов и КИП, организация сети НИИ и проектно-конструкторских организации, имевших целью разработку новой техники и развития исследований по теории автоматического регулирования.

В декабре 1931 г. создается Всесоюзное объединение точной индустрии, которому было поручено строительство в годы второй пятилетки (1933-1937) ряда заводов по выпуску регуляторов и приборов. Важное значение имела организация в 30-а годах Центрального котлотурбинного, Всесоюзного электротехнического и Всесоюзного теплотехнического институтов, Московского научно-технического института точной индустрии, центральной радиотехнической лаборатории в Нижнем Новгороде и т.д. В эти учреждения в 30-е годы перемещается центр деятельности в области теории автоматического регулирования (до этого ведущую роль в развитии теории играли кафедры и лаборатории крупнейших учебных институтов). И уже в эти годы выявилась необходимость создания ведущего научного центра по автоматике, координирующего исследования и разработки; регулярного проведения научных совещаний; ощущалась потребность в специализированном научно-техническом периодическом издании и т.п.

Вое это находило преломление и в объективном ходе исследований по теории автоматического регулирования. По мере углубления знаний в таких различных областях, как теплотехника, электротехника, радиотехника и др., все больше обнаруживалось сходство рассматриваемых в них процессов и общность подходов к их изучению.

Весной (апрель-май) 1934 г. на общественных началах был образован Комитет по автоматике, телемеханике и диспетчеризации при ВСНИТО (Всесоюзный институт научных и инженерно-технических обществ, учрежденный в ноябре 1931 г.). На его основе в системе АН СССР была создана соответствующая Временная комиссия по телемеханике и автоматике (10 июня 1934 г.). Сразу же были рассмотрены вопросы об организации кафедр по автоматике в двенадцати ведущих технических вузах и о выпусках периодического печатного издания.

На первых порах перед вновь созданной комиссией были поставлены следующие задачи:

- координация и методологическое руководство научно-исследовательскими работами по автоматике и телемеханике (как в области теории управления, так и в сфере практики автоматизации);

- изучение и обобщение опыта отдельных отраслей народного хозяйства, а также зарубежного опыта;

разработка конкретных задач по поручению наркоматов;

организация необходимых консультаций и экспертиз

Активная деятельность Временной комиссии способствовала тому, что уже через год (!), в июне 1935 г., она была переведена на положение постоянно действующего органа АН СССР и получила название Комиссии по телемеханике и автоматике (КТА). При этом предусматривалось создание при комиссии трех секций: приборостроения, диспетчеризации и теоретических разработок, а также редакции будущего журнала по автоматике. Председателем Комиссии по телемеханике и автоматике с самого начала был назначен директор Физико-технического института АН СССР (Ленинград) академик А.А. Чернышев (1882-1940), крупный ученый в области электротехники.

16-22 мая 1935 г. КТА организовала Первую Всесоюзную конференцию (НИИ, лабораторий, заводов) по телемеханике, диспетчеризации и автоматике. В результате конференции со всей очевидностью выявилась необходимость перехода к широкому внедрению средств телемеханики и автоматики во многие отрасли народного хозяйства. С 1936 г. начал выходить журнал "Автоматика и телемеханика".

В начале 1937 г. решением Президиума АН СССР КТА была реорганизована, разделена на два сектора: элементов автоматики и телемеханики и диспетчеризации и автоматизации народного хозяйства.

Масштабы работ КТА поставили вопрос об организации специального научно-исследовательского учреждения в национальном масштабе, и 16 апреля 1939 г. было принято постановление о создании Института автоматики и телемеханики. Первоочередными направлениями работы института были названы разработка теории процессов регулирования и управления, а также создание теории и методов точного расчета прецизионной аппаратуры и ее деталей для автоматических и телемеханических устройств.

Предусматривалось изыскание новых методов телемеханизации сложных систем, уплотнения линий связи и использования для телемеханических средств радио, телевидения и пр. Подлежали разработке принципы конструирования рабочих машин на основе новых видов электропривода и внедрения электроавтоматики для регулирования и управления.

В числе задач также стояли изыскание новых, более совершенных и рациональных методов автоматизации отдельных видов производственных процессов и технологических режимов и разработка новых принципов устройства автоматической и телемеханической аппаратуры. Планировались и технико-экономические исследования, связанные с внедрением автоматики в отдельные отрасли промышленности.

Таким образом, в нашей стране, во-первых, была осознана фундаментальность идеи автоматизации как качественно нового и, что особенно важно, неизбежного этапа развития технических средств и организации производства, требующего соответствующего научного обеспечения, как реальности сегодняшнего дня. Во-вторых, был создан (и последовательно расширялся) имеющий общенациональное значение научный центр по автоматизации.

Вопросы для самопроверки

1. Привести пример первого регулятора и его схему.

2. Назвать направления работ по ТАР (ТАУ) отечественных и иностранных ученых.

3. Этапы развития теории и методологии ТАУ.

4. Дать определение кибернетики и ее истоки.

5. Роль моделирования в кибернетике.

6. В чем суть идеи Дж. фон Неймана?

7. Объяснить смысл устойчивости по Ляпунову.

8. Причины, породившие развитие автоматики?

9. Роль и задачи Комиссии по телемеханике и автоматике.

10. Направления работ института автоматики и телемеханики.

3. Основные этапы в истории науки об управлении: кибернетика, общая теория систем, современная теория управления

Для суждения о том, насколько хорошо, точно и быстро выполняется задача управления, достаточно рассмотреть автоматизированный объект в кибернетическом аспекте.

В этом случае абстрагируются от конкретной реализации процесса (системы) и строят кибернетическую модель процесса, которая содержит только информацию, непосредственно характеризующую управление, а именно:

- информацию о структурном расположении отдельных звеньев, т.е. об их связи в общей системе

- информацию о преобразовании и обработке входных сигналов отдельных звеньев системы в соответствующие выходные сигналы.

Kак правило, кибернетические модели процессов реализуются на ЭВМ с использованием программных средств.

Под информацией понимают существенные и представительные характеристики объектов и процессов. Такое понимание информации позволило подойти к изучению взаимодействия в природе с единой точки зрения.

Принимая во внимание общий информационный характер процессов управления в технических системах, биологии, экономике и опираясь на теорию и технику регулирования, ЭВМ, связи (передачи информации), Н. Винер ввел в обиход слово "кибернетика" в 1948 г. в книге "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине".

Винер выделил новую категорию - "управление", описал несколько задач, типичных для кибернетики, привлек внимание к особой роли вычислительных машин. Введение категории управления позволило Винеру воспользоваться понятием информации, положив в основу кибернетики изучение законов передачи и преобразования информации.

Сущность принципа управления заключается в том, что движение и действие больших масс вещества или передача и преобразование больших количеств энергии направляется и контролируется при помощи малых количеств энергии, несущих информацию.

Итак, кибернетика - это наука об управлении, т.е. о целенаправленном воздействии на системы, а также о процессах передачи и обработки информации и их автоматизации в технических и нетехнических системах.

Основными методами изучения информационных процессов, принятыми в кибернетике, являются методы их алгоритмизации и моделирования. Информационный процесс управления представляется в виде последовательности связанных друг с другом и причинно обусловленных математических и логических операций, представляющих собой алгоритм процесса.

Кибернетика стремится установить структурное, количественное и логическое сходство между процессами управления, протекающими в различных системах. Таким образом, предмет кибернетики состоит в анализе, синтезе и реализации алгоритмов управления.

С точки зрения методологии управления, кибернетика является отраслью знаний (наукой), которая занимается установлением общих принципов и законов управления объектами различной природы для достижения определенных целей на основе получения, переработки и использования информации.

В зависимости от области знаний (например, техника, биология), к которым применяется алгоритмический и информационный подход, говорят о технической кибернетике, биологической кибернетике и т.д.

Кибернетическая система

Основу решения любой задачи автоматизации представляет описание и моделирование систем и процессов в них.

Системой обозначаются весьма различные понятия: органическая система живого существа, техническая система устройства автоматизации, программная система ЭВМ, система уравнений в математике, философские системы в истории философии. Любая система состоит из частей (элементов), между которыми существуют определенные связи или соотношения. Каждая система по-своему отвечает на входные воздействия, каждая имеет свои свойства и каждая система изменяет свое состояние.

В кибернетике отвлекаются от конкретных особенностей отдельных систем и выделяют общие для некоторого множества систем закономерности. Эти закономерности описывают изменение состояния системы при различных управляющих воздействиях. Таким образом, кибернетика рассматривает абстрактные системы.

Этот переход носит такой же характер, как переход от изучения действий над конкретными числами в арифметике к действиям с абстрактными числами в алгебре. На рис. 3.1. изображена кибернетическая система и ее связь со средой. Здесь - входные воздействия среды на объект, - выходные воздействия объекта на среду.

Рис. 3.1. Кибернетическая система

Применимость понятия "кибернетическая система" к определенной системе зависит не только от нее самой, но также и от точки зрения и целей исследователя, рассматривающего эту систему. Поэтому одна и та же система не всегда рассматривается как кибернетическая. Например, самолет может рассматриваться как кибернетическая система в процессе создания автопилота, а также как конструкция, обладающая определенной жесткостью, или как тело с определенными аэродинамическими свойствами.

Управляемость и организованность

Кибернетика как наука об управлении изучает не все системы, а только те, которые являются управляемыми. Управляемые (кибернетические) системы способны изменять свое состояние под влиянием управляющих воздействий. Кибернетическими системами являются, например, управляемый автомобиль, воинское соединение, выполняющее маневр, холодильный шкаф, поддерживающий заданную температуру.

Таким образом, термин "кибернетическая система" характеризует не только и даже не столько определенный класс систем, сколько подход к их рассмотрению, основанный на изучении свойств и особенностей системы как управляемой.

Свойством управляемости, очевидно, может обладать не любая система Необходимым условием управляемости является организованность системы, т.е. наличие определенной структуры.

Однако не все организованные системы являются кибернетическими (управляемыми), хотя все кибернетические системы обладают определенной организованностью. Так, живые организмы являются высокоорганизованными, а газ, со стоящий из молекул, имеет нулевую организованность. Рассмотрим структуру управления, представленную на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Структура управления

Объект управления (с технической точки зрения) - это часть установки, на которую оказывается управляющее воздействие. Другими словами, объект - это физическое устройство, представляющее интерес с точки зрения его применения. Цель воздействия - выполнение задачи управления. При этом непосредственное воздействие на объект оказывает исполнительный орган. Часто его не отделяют от объекта.

Объект обычно определяется постановкой задачи. Граница объекта начинается от точки воздействия управляющего сигнала на поток энергии или вещества и заканчивается в точке измерения управляемой величины.

Управляющее устройство, называемое также регулятором - это совокупность звеньев, служащих для воздействия на объект через исполнительный орган.

Устройство управления включает звенья сбора информации, ее обработки и передачи к исполнительному органу.

Звенья объекта и устройства управления называются элементарными звеньями. Информация передается звеньями с помощью входных и выходных сигналов. Управляющие входные сигналы называют исполнительными сигналами, а выходные сигналы - управляемыми сигналами. Если входной сигнал, воздействующий на объект, не является управляемым, то он называется сигналом помехи.

Движение системы

Чтобы выполнялся достаточный признак управляемости системы, в ней должно существовать множество возможных "движений", из которого производится выбор предпочтительного движения. Управления не может быть там, где нет выбора.

В кибернетике под "движением" понимают всякое изменение объекта во времени. Например, изменение температуры тела, изменение заряда конденсатора, изменение объема или давления газа, изменение запасов сырья на складе, жизнь и мышление рассматриваются как весьма сложные формы движения. В механике термин "движение" применяется в узком смысле и означает изменение положения объекта в пространстве с течением времени.

С точки зрения управления в закономерностях движения разных объектом есть много общего. Для выделения и изучения этих закономерностей в кибернетике и теории управления используют различные способы описания движения.

Входные и выходные величины, сигналы состояния (координаты пространства состояний системы - фазового пространства) связываются через математические преобразования. В движении эта связь описывается уравнениями динамики. Изменение состояния системы происходит во времени, в результате так называемого переходного процесса. В таком случае система называется динамической.

Динамическая система может иметь три типа поведения, или три режима работы:

равновесный, когда состояние системы не изменяется во времени (в фазовом пространстве это изображающие точки);

переходный - режим движения из некоторого начального состояния к другому установившемуся состоянию (равновесному или периодическому) под действием изменения внешнего воздействия или изменения внутренних свойств системы (фазовая траектория в фазовом пространстве);

периодический, когда система через равные промежутки времени приходит в одни и те же состояния.

Описание систем

Графически система изображается двумя основными способами: структурной схемой и сигнальным графом.

Например, если элемент описывается уравнением

p2y(t) + apy(t) + by(t) = x(t), , (3. 1)

То его структурная схема и сигнальный граф примут следующий вид рис.3.3. и 3.4).



Рис. 3.3. Структурная схема

Рис. 3.4 Сигнальный граф

В структурной схеме (рис. 3.3) элементы являются передаточными звеньями элементов а связи изображают входные и выходные сигналы.

В сигнальном графе (рис. 3.4) элементы представляют собой сигналы (узлы), а линии передаточные звенья (направленные стрелки или ветви).

Элементы можно представить как во временном, так и частотном диапазоне.

Во временной области передаточное звено описывается оператором F{…}, который преобразует функцию входного сигнала Х(t) в функцию выходного сигнала Y(t):

Y(t) = F{X(t)}. (3.2)

К важнейшим операторам относятся оператор константы F = c, дифференциальный оператор , интегральный оператор F = ?dt.

В частотном диапазоне изображения входного и выходного сигналов связаны передаточной функцией:

W(s) = , s = ? + j? (3.3)

Основным разделом методологии автоматизации является расчет и создание систем автоматического управления (САУ).

Системы автоматического управления обычно делят на два класса:

- циклические автоматические системы (станки-автоматы, автоматические линии),

- ациклические системы, также называемые информационными системами.

В задачи технической кибернетики входит изучение информационных автоматических систем по двум направлениям:

- реализация принципов управления, открытых в живой природе,

- изучение человека как звена системы управления.

Прикладная дисциплина, изучающая общие принципы и методы построения автоматических систем, т.е. автоматических машин, агрегатов, цехов, заводов, выполняющих поставленные перед ними цели без непосредственного участия человека, называется автоматикой. Она включает в себя теорию элементов систем управления и теорию автоматического управления (ТАУ).

ТАУ является теоретической основой технической кибернетики. Вначале она создавалась для изучения статики и динамики процессов автоматического управления техническими объектами. В настоящее время результатами ТАУ пользуются для изучения систем управления экономическими, организационными, биологическими и другими объектами.

Теория автоматического управления имеет целью решение прикладных инженерных задач и поэтому вынуждена использовать весьма сложный математический аппарат. Однако надо помнить, что он играет вспомогательную роль и приобретает значение в том случае, когда дает метод решения проблем ТАУ в виде алгоритма (модели), позволяющего довести решение до числовых значений. Разработка рабочего аппарата для анализа и расчета представляет собой порой не менее сложную задачу, чем разработка общего математического метода.

Техническая кибернетика и теория автоматического управления составляют научную основу автоматизации и, в частности, автоматизации промышленных производственных процессов. Сюда относятся методы построения моделей объектов, решения задач управления на основе разработанных принципов и алгоритмов.

Вопросы для самопроверки

1. Понятие системы в кибернетике и ее свойства.

2. Что такое объект управления и управляющее устройство?

3. Понятие движения в кибернетике.

4. Динамическая система и ее режимы.

5. Как описывается кибернетическая система?

4. Современная теория управления

Теория управления получила в свое время значительный импульс в развитии, когда учеными и инженерами было осознано, что базовые принципы управления не зависят от конкретной природы объекта. Основные законы механики, электротехники, теплотехники, гидравлики, газовой динамики и химии, которыми описывается поведение подавляющего большинства современных подвижных и технологических объектов, могут быть представлены аналогичными и даже совпадающими закономерностями в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений. Более того, многие из этих законов могут переходить друг в друга в результате инвариантных математических преобразований. Для подтверждения этого важного положения достаточно лишь напомнить, например, о постулате Максвелла, согласно которому уравнения движения сложной электромеханической системы составляются на основе глубокой аналогии между механическими движениями и процессами, протекающими в электрических цепях. Нетрудно указать подобную аналогию и в системах другой природы, что во многих случаях связано с единством законов сохранения.