Кибернетика и техника

ЛЕКЦИЯ 2. 1.2 Кибернетика и техника. 1.2.1 Предварительная характеристика кибернетики. Идея построения первых автоматических устройств управления уходит в далекое прошлое. Большая часть таких устройств имела своей целью стабилизацию той или иной величины. Так, И.И. Ползунов в 1760 году изобрел регулятор, поддерживающий постоянный уровень воды в паровом котле, дающим пар для изобретенной им паровой машины. Большое значение для развития техники имело изобретение Дж. Уаттом (1779 г.) центробежного регулятора скорости вращения вала паровых машин. Во всех этих автоматических устройствах управления использовался один и тот же принцип действия – компенсационный принцип регулирования по отклонению регулируемой величины. Основным признаком компенсационных систем по отклонению является наличие в системе, по крайней мере, одного замкнутого контура передачи воздействий (контура обратной связи), включающего следующие элементы: измерительный элемент – усилитель – исполнительный элемент – объект регулирования. Поэтому системы регулирования по отклонению регулируемой величины называют системами замкнутого контура или системами с обратной связью. Наряду с рассмотренными существуют системы управления, реализующие принцип регулирования по возмущению: Суть этого принципа состоит в том, что для уменьшения влияния изменения нагрузки на объект регулирования в системе предусматривается устройство (компаундирующая связь по нагрузке), изменяющее подачу регулирующего воздействия (топлива, пара, тока возбуждения и пр.) пропорционально изменению нагрузки. Системы, использующие принцип регулирования по возмущению, работают по разомкнутому контуру, т.е. не имеют обратной связи. Со времени изобретения первых регуляторов теория и техника автоматического управления (регулирования) развивалась как в направлении расширения области их применения, так и в направлении повышения точности решения разнообразных задач регулирования. Среди этих задач можно выделить три следующих, типовых: • задачи, в которых значение регулируемой величины должно поддерживаться постоянным, т.е. задачи стабилизации; • задачи, в которых значение регулируемой величины должно изменяться по заранее заданному из тех или иных соображений закону, т.е. задачи программного регулирования; • задачи, в которых значение регулируемой величины должно изменяться в соответствии со значением некоторой заданной величины, способной изменяться в широких пределах по заранее неизвестному закону, т.е. задачи следящих и копирующих систем. Решение перечисленных задач, получаемое в период до 50х годов, основывалось на относительно бедной элементарной базе и характеризовалось тем, что системы стабилизации имели постоянную установку; системы программного регулирования – постоянную программу действия; следящие системы – постоянный закон следования, т.е. все параметры систем устанавливались человеком при наладке до пуска их в действие. Такие системы регулирования позволяли решать локальные задачи автоматизации, но с их помощью нельзя было обеспечить решение задач комплексной автоматизации сложных технических объектов. Для этих задач должны быть созданы системы управления, которые сами находят оптимальную настройку, программу действия, закон следования и т.п. Общим в них является использование элементов логического действия с целью наилучшего приспособления системы к изменению внешних условий и внутреннего состояния системы. Такие системы управления называют кибернетическими. Греческое слово "кибернетес" в переводе означает "рулевой". В классификации наук, выполненной Ампером более ста лет тому назад "кибернетика" означала науку об административном управлении. Современная кибернетика – наука о логическом управлении, а также передаче и обработке информации в технических и нетехнических системах. Она возникла недавно, почти одновременно с появлением больших вычислительных машин и, особенно в первое время была тесно связана с ними. Во время второй мировой войны известный американский ученый Норберт Винер работал в области военной автоматики, вследствие чего у него возникла мысль о сходстве целеустремленного действия многих автоматических установок и человека. Наличие такой общности свойств позволило провести известную аналогию между машинами и живыми существами. Наиболее значительное сходство можно установить между умственной деятельностью человека и действием сложных автоматических многоконтурных систем, способных к приспособлению. В связи с отмеченным возник и получил развитие комплекс научных дисциплин, который, невзирая на физическую сущность сложной системы, изучает вопрос о возможных формах ее поведения. Заслугой Н.Винера является установление того факта, что совокупность этих дисциплин, в создании которых он принимал значительное участие, объединяется в новую науку – кибернетику. Для лучшего понимания ее сущности и возможности использования в технике следует рассмотреть некоторые аспекты истории техники. В технике прошлого можно выделить две принципиально различные по своей природе области: производственной и информационной техники. Рассмотрим их. 1.2.2 Производственная техника. К производственной технике относятся энергетическая техника, технология машиностроения и химическая технология. Рассмотрим в качестве примера паросиловую установку, с помощью которой человечество получает до 80% потребной ему энергии. В такой установке в результате сжигания топлива осуществляется нагрев воды, преобразование ее в пар, имеющий высокое давление и температуру. Это энергонасыщенное рабочее тело поступает на турбину, где отдает часть своей энергии в виде работы по вращению вала, с которым связан электрогенератор. Таким образом, химическая энергия топлива преобразуется во внутреннюю энергию продуктов сгорания, затем в механическую и электрическую. Сущность процессов, имеющих место в энергетической технике иллюстрирует рис.1.4 Производство Преобразование Отдача энергии энергии и распределение и потребление энергии Рисунок 1.4 Если в энергетической технике осуществляется превращение энергии в виды, пригодные для распределения или необходимые для потребителя, то в технологии машиностроения и химической технологии осуществляется обработка материалов. В технологии машиностроения речь идет об изготовлении предметов определенной геометрии, что является прерывистым процессом производства партий изделий. В химической технологии происходит превращение веществ без учета геометрической формы. Оно осуществляется преимущественно в виде непрерывного процесса. Оба вида технологии вследствие общего элемента превращения изменения формы веществ называется технологией материалов, принцип которой разъясняет рис.1.5 Ввод сырья Транспортировка, превращение Выдача или веществ и (или) изменение промежуточных промежуточных формы материалов или конечных продуктов продуктов Рисунок 1.5 Энергетическая техника и технология материалов имеют общую цель – дать потребителю в распоряжение виды энергии и вещества (продукты) в такой форме, чтобы их ценность (в нужном потребителю аспекте) была максимальной. Производственная техника направлена на освобождение человека от физического труда. 1.2.3 Информационная техника. Более ста лет наряду с производственной техникой существует информационная техника, в которой не происходит превращение вещества, а потребляемая и преобразуемая энергия количественно настолько мала, что энергетические аспекты работы этой техники не играют практически никакой роли. Основной задачей этой техники является передача информации между объектами, задействованными в каком-либо технологическом процессе. На рис.1.6 приведена структурная схема, иллюстрирующая процесс передачи информации в человеко – машинной системе. Человек 1 Человек 2 3 Машина 4 Машина Рисунок 1.6 Поясним ее конкретным примером. Так при отсчете показаний измерительного прибора поступает информация об измеряемом параметре (например, температура в печи) к оператору – путь 2. При программировании с использованием ЭВМ информация от потребителя (человека) поступает к машине через устройство ввода – путь 3. Может иметь место случай передачи информации, исключая как машину (путь 1), так и человека (путь 4). В последнем случае получаемая путем измерения информация в одной технической установке используется снова в этой установке или поступает в какую-либо другую. При этом использование информации происходит после ее предварительной обработки, которая включает в себя проведение алгебраических, аналитических и логических операций, выполняемых методами и средствами машинной вычислительной техники. Полная схема иллюстрирующая действие информационной техники, приведена на рис.1.7 Возмущение Возмущение Рисунок 1.7 В соответствии с приведенной схемой информационная техника предусматривает проведение операций по сбору, передаче, обработке и применению информации. Целью информационной техники является сбор, передача и обработка информации без искажений в условиях действия внешних возмущений.