Автоматическое управление и кибернетика

Автоматическое управление — это совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с заданной целью без непосредственного участия человека.

История техники насчитывает много ранних примеров конструкций, обладающих всеми отличительными чертами систем автоматического управления (САУ), Например, регулирование потока зерна на мельнице, уровня воды в паровом котле машины И. И. Ползунова^[1] (см. рис. 1.22,"). Первой замкнутой САУ, получившей широкое техническое применение, была система автоматического регулирования с центробежным регулятором (см. рис. 1.22,6) в паровой машине Дж. Уатта^[2].

Рис. 1.22. Эскизы автоматических регуляторов:

а — уровня воды в котле И. И. Ползунова, б — скорости вращения Дж. Уатта По мере совершенствования паровых машин, турбин и двигателей внутреннего сгорания всё более широко использовались различные механические регулирующие системы и устройства, достигшие значительного развития в конце XIX века.

В конце 30-х гг. XX века в связи с бурным прогрессом техники проблема автоматического управления различными объектами, а также проблема передачи команд на объект и получение данных с него, приобретают большое значение. Это новый этап в САУ характеризуется внедрением в системы регулирования и управления электронных элементов, устройств автоматики и телемеханики. Именно в эти годы в САУ начинают широко использовать радиоканал для передачи команд и получение телеметрической информации. Все это привело к появлению высокоточных систем слежения и наведения, телеуправления и телеизмерения, автоматического контроля и коррекции. Середина XX в. ознаменовалась внедрением в производственные процессы и промышленные комплексы сложных САУ на базе электронных управляющих вычислительных машин.

Фундаментальные основы науки об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе заложил Н. Винер^[3]. Именно он наделил термин — «кибернетика» (от греч. куЬегпеНке — «искусство управления», от греч. куЬегпао — «правлю рулём, управляю», от греч. КиРсруцтцд — «кормчий») его современным смыслом.

Однако впервые термин кибернетика использовал еще А. М. Ампер^[4] в своей работе «Опыт о философии наук, или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний», первая часть, которой вышла в 1834 году. Он назвал кибернетикой «науку о текущем управлении государством, которая помогает правительству решать встающие перед ним конкретные задачи с учетом разнообразных обстоятельств с целью принести в страну мир и процветание». Однако вскоре термин кибернетика был забыт.

Во время второй мировой войны Н. Винер работал над математическим аппаратом для систем зенитного огня. В результате он разработал новую эффективную вероятностную модель управления силами ПВО США.

В 1948 г. увидела свет книга Н. Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном мире и машине». Таким образом Н. Винер стал отцом-основатслсм кибернетики, как отдельной самостоятельной науки. Основные положения этой науки были позже использованы при создании первых ЭВМ, которые по своей сути являются автоматами для операций над числами.

Поскольку любые процессы управления связаны с принятием решений на основе получаемой информации, то теперь кибернетику часто определяют еще и как науку об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах.

Развитие кибернетики как науки было подготовлено многочисленными работами ученых в области математики, механики, автоматического управления, физиологии высшей нервной деятельности. Заметный вклад внесли отечественные ученые. Основы теории автоматического регулирования и теории устойчивости систем регулирования содержались в грудах И. А. Вышнсградского^[5], обобщившего опыт эксплуатации и разработавшего теорию и методы расчета автоматических регуляторов паровых машин. Общие задачи устойчивости движения, являющиеся фундаментом современной теории автоматического управления, были решены А. М. Ляпуновым^[6], многочисленные труды которого сыграли огромную роль в разработке теоретических вопросов технической кибернетики. Работы А. М. Ляпунова по теории устойчивости движения и сегодня являются научным фундаментом теории разнообразных автоматических устройств, в частности, систем управления полётом самолётов и ракет.

Работы по теории колебаний, выполненные коллективом ученых под руководством А. А. Андронова^[7], послужили основой для решения впоследствии ряда нелинейных задач теории автоматического регулирования. А. А. Андронов ввел в теорию автоматического управления понятия и методы фазового пространства, сыгравшие важную роль в решении задач оптимального управления Значительный вклад в теорию вероятностных схем, теорию автоматов и теорию систем управления — областей наук, входящих в понятие кибернетика, внес К. Шеннон. Его мышка «Тесей» стала прообразом современных кибернетических систем. На рис. 1.23 К. Шеннон демонстрирует эту забавную игрушку, обладающую элементами разума.

Рис. 1.23. К. Шеннон с кибернетической мышкой «Тисей»

В отечественном сознании продолжает существовать мнение о жестоких гонениях сторонников новой науки. На самом деле идеологический пресс касался только той части работ Н. Винера и его последователей, которая распространяла идеи кибернетики на живой мир и, в особенности, на человеческое общество. Н. Винер изложил свои взгляды на вопросы управления в социальных системах в книге «Кибернетика и общество», опубликованной в 1954 году.

В СССР работы по автоматическому управлению продолжались и вскоре проявились достижениями в космической технике. Никаких задержек работ по созданию отечественных ЭВМ также не было. Уже в 1947 г. в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика С. А. Лебедева были начаты работы по созданию первой отечественной универсальной ЭВМ. Результатом этих работ стало создание первой в Европе ЭВМ, а в 1965 г. в стенах этого института был создан первый в мире персональный компьютер.

Современный уровень развития радиоэлектроники позволяет создавать устройства, которые могут непосредственно управлять производственным процессом, освободив человека от необходимости следить за ним. Появился новый класс машин — управляющие машины, которые могут выполнять самые разнообразные и часто весьма сложные задачи управления производственными процессами, движением транспорта и т. д. Создание управляющих машин позволило перейти от автоматизации отдельных станков и агрегатов к комплексной автоматизации целых заводов. Вычислительная техника уже используется не только для управления технологическими процессами, но и в сфере управления производством в масштабах государства, сферах экономики и планирования.

• [1] Иван Иванович Ползунов (1728−1766) — русский изобретатель, создательпервой в России паровой машины и первого в мире двухцилиндрового паровогодвигателя.
• [2] 1 Джеймс Уатт (англ. James Watt; 1736−1819) — шотландский инженер, изобретатель-механик. Член Лондонского королевского общества (1785), Парижскойакадемии наук (1814). Его именем названа единица мощности — Ватт. Усовершенствовал паровую машину. Работы Уатта положили начало промышленнойреволюции вначале в Великобритании, а затем и во всем мире.
• [3] Норберт Винер (англ. Norbert Wiener:; 1894−1964) — американский учёный, выдающийся математик и философ, основоположник кибернетики и теории искусственного интеллекта. В его честь, назван кратер на обратной стороне Луны.
• [4] Андрэ-Мари Ампер (фр. Andre-Marie Ampere; 1775−1836) — знаменитый французский физик, математик и естествоиспытатель, член Парижской Академии наук, иностранный почётный член Петербургской Академии наук (1830).
• [5] Иван Алексеевич Вышнеградский (1832−1895) — русский учёный-механик игосударственный деятель. Основоположник теории автоматического регулирования, почётный член Петербургской Академии наук (1888). В 1887—1892 гг. -министр финансов России.
• [6] Александр Михайлович Ляпунов (1857−1918) — русский математик и механик, академик Петербургской Академии наук (1901) и ряда иностранных академий наук и научных обществ.
• [7] Александр Александрович Андронов (1901;1952) советский физик, механик и математик. Специалист в области электротехники, радиофизики и прикладной механики, создатель нового направления в теории колебаний и динамике систем, талантливый деятель высшей школы. Академик АН СССР (1946).