7. История развития дискретных систем автоматического управления
Прежде чем обращаться к истории зарождения и развития дискретных систем автоматики, приведем пример технологической операции металлообработки. Пусть требуется обточить деталь на токарном станке-автомате (рис. 26). Для этого должна быть выполнена следующая последовательность технологических переходов:
1. Подача заготовки в зону обработки загрузочным устройством А;
2. Закрепление заготовки в зоне обработки зажимным устройством В;
3. Включение электродвигателя ЭД-2 вращения шпинделя с заготовкой D;
4. Проточка заготовки резцом, закрепленным на суппорте поперечной подачи С; приводимого в движение электродвигателем ЭД-1;
5. Отвод суппорта в исходное положение (путем реверса ЭД-1) и остановка шпинделя станка (путем отключения ЭД-2);
6. Разжим и удаление готовой детали.
Заданная последовательность работы исполнительных механизмов станка может быть описана так называемым графом функционирования:
Рис. 26. Схема циклового автомата с дискретной САУ
Приводы рабочих органов A, B, C, D станка можно перемещать в требуемой последовательности от механических кулачков, размещенных на вращающемся распределительном валу; по командам электромеханического командоаппарата, воздействующего своими упорами на кнопки управления; или от счетного электронного устройства (например на базе микро-ЭВМ), выдающего через определенные интервалы времени управляющие импульсы на соответствующие приводы. Перечисленные варианты управления относятся к централизованным системам автоматического управления (САУ) без обратной связи.
Чаще всего такие технологические операции и процессы проще и дешевле реализуются с помощью дискретных децентрализованных систем управления (ДСУ) с путевым контролем, т.е. систем, в которых выполнение каждого последующего перехода может быть начато только после окончания предыдущего, о чем в СУ поступает сигнал обратной связи (например, от путевого выключателя). Математической моделью подобных систем является конечный автомат – это автомат, у которого множество входных (Х), выходных (Y) сигналов, а так же множество внутренних состояний (Z), являются конечными множествами. Частным случаем конечного автомата является логическая (релейная) система управления – это система, в которой все сигналы (входные, выходные и внутренние) могут принимать только два фиксированных дискретных значения (логический «0» или логическую «1»). Широкое распространение в промышленности получил способ управления дискретными приводами станков-автоматов и автоматических линий с помощью ДСУ, построенных на различных логических элементах, проектируемых на основе теории конечных автоматов и математического аппарата алгебры логики (Булевой алгебры), получившей свое название по имени ее автора – английского математика Джорджа Буля (1815–1864).
Впервые необходимость в упорядоченной выработке управляющих выходных воздействий на объект управления в зависимости от его внутреннего состояния и меняющейся комбинации входов возникла при передаче информации на расстоянии.
Первый опыт передачи информации на расстоянии был реализован с помощью оптического телеграфа в 1794 году между Парижем и Лиллем. Он получил распространение по всей Европе, в том числе и в России. В 1839 году была проведена самая длинная линия оптического телеграфа длиной в 1200 км между Петербургом и Варшавой (100 сигналов передавались по этой линии за 35 минут). Однако громоздкость оптического телеграфа заставляла искать другие средства передачи информации.
В 1828 году русский ученый Павел Львович Шиллинг (1786–1837) – друг А.С. Пушкина, разработал стрелочный электромагнитный телеграф на базе сконструированного им электромагнитного реле (рис. 27). Недостатком его было то, что переданная информация никак не фиксировалась.
В 1839 году Б.С. Якоби – приемник П.Л. Шиллинга в телеграфном деле построил телеграф, где знаки фиксировались в виде ломаной линии, а затем расшифровывались. В 1843г. Б.С. Якоби предложил проект подземного проводного телеграфа между Петербургом и Царским Селом. В Германии самопечатающими телеграфами занимался К.А. Штейнгель, а в США – С.Ф. Морзе (автор азбуки Морзе). В практику вошел аппарат Морзе, предложенный в 1844 г. Он имел более экономную азбуку, чем азбуки, разработанные в Австрии и Германии. В 1850 году Б.С. Якоби предложил буквопечатающий телеграфный аппарат, но распространение получил, предложенный в 1855 г. аппарат англо-американца Д.З. Юза. Все телеграфные аппараты были проводными. Даже в научно-фантастических романах того времени не высказывалась идея передачи информации на расстоянии без проводов. В России телеграф строился с 1853 по 1858 годы.
Рис. 27. Принцип действия и схема электромагнитного реле:
1-катушка, 2-сердечник, 3-магнитопровод, 4-якорь,
5-немагнитный штифт, 6-контакты, 7-упор, 8-внешняя цепь
Телеграфная связь поставила вопрос кодирования и декодирования информации (букв, цифр, и других символов). Проблема построения экономичных релейно-контактных схем (переключательных схем) привела к необходимости применения при их разработке алгебры логики или иначе алгебры высказываний.
Первый, кто занялся созданием теории высказываний и формальной логики, был Аристотель (384–322 гг. до н.э.) – установивший, что человеческое мышление подчиняется определенным логическим закономерностям, при отклонении от которых возникает бессмыслица. Логика Аристотеля дошла практически без изменений до середины XIX века и преподавалась во всех университетах Европы. Задача математизации формальной логики была поставлена и частично осуществлена Готфридом-Вильгельмом Лейбницем (1646–1716). Но лишь в 1847 году формальная логика Аристотеля была окончательно переведена на строго научный уровень и трансформирована в математическую логику. Это сделал Джордж Буль, опубликовавший работы: «Математический анализ логики», «Логические исчисления» (1848) и «Исследование законов мышления» (1854).
В своих трудах Джордж Буль показал, что все логические функции могут быть выражены через три основные «базисные»:
1) конъюнкция – логическое умножение (И);
2) дизъюнкция – логическое сложение (ИЛИ);
3) инверсия – логическое отрицание (НЕ).
На рис.28 приведены реализации этих трех основных логических функций (конъюнкция, дизъюнкция и инверсия) как в виде релейно-контактных схем (РКС), так и в виде бесконтактных логических схем (БЛС).
Реализация логической функции «И»
Таблица состояний «И»
Таблица состояний «ИЛИ»
Реализация логической функции «ИЛИ»
Таблица состояний «НЕ»
Реализация логической функции «НЕ»
Рис.28. Реализация основных логических (Булевых) функций:
Х, Х1, Х2 – входы (логические переменные); Y – выход (логическая функция)
Релейно-контактные схемы при передаче информации строились чисто эмпирическим путем. Получаемые в результате аппаратные решения были громоздки и избыточны, они потребляли много электроэнергии и отличались низкой надежностью. Создание релейно-контактных схем было настоящим искусством, так же как создание и настройка регуляторов для паровых машин до теоретических разработок И.А. Вышнеградского и А.М. Ляпунова. Теория Джорджа Буля была достаточно академична и непонятна инженерам-практикам (так же как в свое время математический аппарат, изложенный в статье Джеймса Максвелла «О регуляторах»).
Впервые на возможность применения законов логики к рассмотрению «…схемы проводов автоматической телефонной станции» указал русский физик П.С. Эренфест в рецензии на книгу Л. Кутюра «Алгебра логики».
Предложение о возможности создания алгебры релейно-контактных схем и строгие доказательства применимости булевой алгебры к анализу этих схем высказывал в 1935 г. советский физик В. И. Шестаков. В 1936–1938 гг. такие же предложения и доказательства были приведены американским математиком и инженером К.Э. Шенноном и японским ученым Накашима. В 1938 г. К.Э. Шеннон опубликовал статью «Символический анализ релейных и переключательных цепей», в котором впервые дал способ описания релейных и переключательных схем с помощью логических уравнений. Он доказал, что исчисление, лежащее в основе этих уравнений, аналогично исчислению высказываний в символической логике. Значения «истинно» и «ложно» соответствуют открытому или закрытому состоянию контакта. В нашей стране теорию релейно-контактных схем развил в 1945–1949 г. член-корреспондент АН СССР М.А. Гаврилов.
Существенное влияние на развитие теории конечных автоматов оказало необходимость создания цифровых ЭВМ. Практика их проектирования ставила задачи разработки теории алгоритмов и теории информации. Это привело к тому, что теория конечных автоматов превратилась в раздел технической кибернетики. Большой вклад в эту теорию внесли наши отечественные математики В.Г. Лазарев и А.Д. Закревский.
Одновременно с теорией конечных автоматов развивались и технические средства их практической реализации в виде элементной базы устройств передачи информации, вычислительной и управляющей техники.
В 1889 г. русский инженер А.С. Попов указал на возможность практического применения электромагнитных волн, а в 1895 г. построил первый в мире радиоприемник. В 1904 г. английский ученый Я. Флеминг предложил двух- электродный электровакуумный прибор – диод и применил его в качестве детектора в радиоприемных устройствах. В 1907 г. в США Ли де Форест предложил трехэлектродную лампу-триод, позволяющий усиливать и генерировать электрические колебания. Эти два изобретения произвели революцию в радиотехнике.
В России в начале ХХ века сформировалась большая группа ученых и инженеров, работающих в области радиоэлектроники. В России первые электронные лампы были изготовлены под руководством Н. Д. Папалекси и М.А. Бонч-Бруевича еще в 1914 г. Декретом от 2 декабря 1918 г. была создана Нижегородская радиолаборатория, где было налажено изготовление мощных генераторных ламп под руководством М.А. Бонч-Бруевича. В 1922 г. там была построена самая мощная в мире (на 400 КВт) радиостанция.
В 20–30-е годы ХХ века было предложено большое число типов электровакуумных приборов, что обусловило быстрое развитие радиосвязи, телевидения, радиолокации, измерительной техники и промышленной электроники.
В 30–40-е годы в технике стали применять радиолампы в массовом количестве. Выяснилось, что они имеют малый срок службы, большие габариты и потребляют много энергии. Например, в электронном устройстве с 2000 ламп при сроке службы в 500 часов поломка устройства наблюдалась каждые 15 минут.
Промышленностью была поставлена задача найти электронные приборы другого принципа действия. В 20-х годах прошлого столетия советским инженером О.В. Лосевым был предложен полупроводниковый кристаллический детектор. Основополагающим вкладом в полупроводниковую технику в нашей стране явились работы А.Ф. Иоффе.
В 1948 г. в США был создан полупроводниковый триод-транзистор на основе германия. Его создатели Д. Бардин, У. Браттейн, У. Шокли были удостоены Нобелевской премии. В 1949 г. А.В. Краснов и С.Г. Мадоян создали транзистор в нашей стране. Полупроводниковые приборы с их высоким коэффициентом полезного действия, долговечностью, надежностью, небольшими габаритами и массой совершили революцию в вычислительной технике и в автоматике.
Первые интегральные схемы были созданы в США Д. Килби и Р. Нойсон в 1958 г., а с 1962 г. начался их промышленный выпуск. В дальнейшем были созданы большие интегральные схемы (БИС), где количество элементов на одном кристалле достигает несколько сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2–3 мкм. Быстродействие БИС измеряется миллиардными долями секунды. Создание БИС повлекло появление в 1978 г. микропроцессоров и микро-ЭВМ, а в 80-е годы они стали выполняться на одном кристалле. Дальнейшее совершенствование технологии позволило достичь еще большей миниатюризации и создать сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС), которые являются основной элементной базой современных вычислительных машин и управляющих систем автоматизации.