Никита Моисеев - Люди и кибернетика
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.
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.
