1. Історія автоматики

• причини, через які, в ряді випадків людина повинна бути заміщена автоматом. По-перше, функціонування об’єкту управління може характери-зуватися такими великими швидкостями, що людина через фізіологічні об-меження швидкості своїх реакції не може достатньо швидко в реальному масштабі часу здійснювати необхідні керівні дії. Наприклад - керування літаками, космічними кораблями, ракетами, атомни-ми і хімічними реакціями.

По-друге, управляючий автомат є необхідним, коли управління здійс-нюється в тих місцях, де присутність людини неможлива (космічні апарати, інші планети, небезпечні і шкідливі виробничі приміщення).

По-третє, у ряді виробничих процесів автоматичне управління може забезпечити вищі показники точності виготовлення виробів і покращення якісних показників.

По-четверте, застосування управляючих автоматів може дати значний економічний ефект за рахунок зниження трудових витрат.

Попередницею кібернетики була автоматика. Слово "автомат" у пере-кладі з грецького означає "самодіючий". У середні віки були створені перші автомати, які використовувалися в основному для забави гостей. Це були ме-ханічні копії птахів, звірів, людиноподібні пристрої, які моделювали поведі-нку своїх живих аналогів. Першим автоматичним пристроєм, створеним для практичних цілей був годинник.

Ще у древній Греції за 300 р. до н.е. вперше був застосований принцип зворотного зв'язку для автоматичного регулювання рівня води у водяному годиннику. Цей годинник вимірював час за допомогою крапель води, які па-дали з постійною швидкістю через сопло резервуара. Щоб забезпечити пос-тійну швидкість витікання води, необхідно було підтримувати постійний рі-вень води у резервуарі. Для цього був використаний автоматичний регулятор у формі поплавка (рис.1).

Інтенсивний розвиток автоматики почався в XVIII - XIX столітті у зв язку з промисловим переворотом в Європі, пов язаним з використанням енергії пари. Російський винахідник Ілля Ползунов запропонував використа-ти поплавковий регулятор для автоматичного підтримання рівня води у па-ровому котлі. За схожим принципом зараз працює зливний бачок у туалеті.

Рис. 1. Автоматичний поплавковий регулятор рівня води у резервуарі

Першою системою із зворотним зв'язком у Європі став регулятор тем-ператури Корнеліуса Дреббеля (1572 – 1633), який використовувався в інку-баторах для виведення курчат. Цей регулятор дозволяв випускати нагріте по-вітря після досягнення потрібної температури. Американець Уільям Генрі (1729 – 1786) винайшов регулятор температури, в якому використовувалась заслінка, яка автоматично управляла згорянням палива і, відповідно, темпе-ратурою.

• 1769 році Джеймс Уатт розробив парову машину з автоматичним ре-гулятором. Цей рік вважається початком Промислової революції в Великоб-ританії. В 1784 році він побудував відцентровий "регулятор" швидкості па-рової машини. Джеймс Уатт використав принцип зміни керованих техно-логічних параметрів залежно від їх відхилення відносно заданого значення. При збільшенні швидкості обертання машини кульки за рахунок дії відцент-рової сили розходились і це приводило до зміщення втулок вгору по осі ма-шини (рис. 2). При цьому з допомогою клапана, який управлявся важільним механізмом, зменшувалась подача пари і швидкість обертання. Принцип ке-рування Уатта дістав значне поширення в сучасній техніці.

• 1800 році Елі Уітні запропонував концепцію взаємозамінності дета-лей при виробництві мушкетів. Це стало початком епохи масового виробниц-тва.

Рис. 2. Відцентровий регулятор швидкості Дж. Уатта

• 1830 році Шиллінг у розробленому ним телеграфі запропонував перше електромагнітне реле, яке дістало практичне застосування в різних сферах промисловості.

• 1868 році Дж. Максвелл, використовуючи диференціальне рівняння як модель регулятора, заклав математичні основи теорії управління. Щоб усунути нестійкість технічних пристроїв виникла необхідність у математич-ному моделюванні технічних пристроїв, тобто у побудові диференціальних рівнянь, розв'язок яких описував би поведінку механізмів.

Велике значення для розвитку теорії автоматичного керування мали дослідження академіка О.М. Ляпунова, який в 1892 році у своїй праці "Загальна задача про стійкість руху" заклав основи теорії стійкості нелінійних ди-намічних систем, а також обґрунтував основні положення лінійної теорії ав-томатичного керування.

• 1913 році Генрі Форд на своєму підприємстві впровадив автоматизо-ване збирання автомобіля (конвеєр).

• 1 932 році Гаррі Найквіст розробив метод аналізу стійкості систем на основі частотного аналізу.

Сучасна кібернетика почалася в 1940-х як міждисциплінарна галузь, що об'єднує системи управління, теорії електричних ланцюгів та еволюційну біологію. Системи електронного управління беруть початок з роботи інженера Bell Labs Гарольда Блека в 1927 році з використання негативного зворотного зв'язку, для управління підсилювачами. Гарольду Блеку було доручено пок-ращити якість далекого телефонного зв'язку. Для цього необхідно було вирі-шити задачу лінеаризації та стабілізації роботи підсилювачів голосу. Після декількох років роботи до нього прийшла ідея, яку він оформив на полях га-зети Нью-Йорк Таймс під час поїздки на роботу. Якщо подати сигнал з вихо-ду підсилювача на його вхід, але у зворотній фазі і при цьому запобігти само-збудженню підсилювача (ефект свисту мікрофона), то можна отримати образ спотворення сигналу, які сталися при проходженні через підсилювач.

Інший приклад. Девід Паркінсон з компанії "Белл Телефон Лаборато-різ" займався модернізацією самописця, який реєстрував графік зміни напру-ги на листку паперу. Найбільш капризним елементом пристрою був малень-кий потенціометр, який управляв переміщенням пера самописця. Іншою за-дачею, якою займався Паркінсон була проблема управління системою наве-дення зенітних гармат. Виявилося, що в цій системі був використаний схо-жий потенціометр. Стабілізувавши роботу потенціометра, Паркінсон допоміг вирішити задачу автоматичного наведення зенітних гармат.

1952 рік. В Массачусетському технологічному інституті розроблені станки з числовим програмним управлінням.

У 1960 році був створений перший робот.

1970 рік. Розроблена теорія оптимального управління.

У 1962 році англійська компанія Imperial Chemical Industries представила концепцію прямого цифрового управління. Ідея полягала в установці мікропроцесора який чисельно моделював роботу дорогих аналогових регу-ляторів. З того часу управляючі комп'ютери почали ставити на космічні ко-раблі та літаки (автопілот). З 1994 року системи управління із зворотнім зв'я-зком почали встановлювати на автомобілях. Широке поширення отримали системи автоматичного підтримання клімату у приміщеннях.

2. Поняття про кібернетику Кібернетика, в перекладі з грецького, - це наука про управління кораблем (Платон).

Норбет Вінер: кібернетика - це наука про управління, зв'язки та оброб-ку інформації в техніці, живих організмах та людському суспільстві.

Кібернетика - наука про процеси управління в складних динамічних системах. Кібернетика грунтується на теоретичному фундаменті математики і логіки, а також на застосуванні комп’ютерної техніки та комп'ютерних тех-нологій.

Основний метод кібернетики - метод моделювання систем і процесів управління.

Основами кібернетики є теорія інформації, теорія алгоритмів і теорія автоматів. Математичним апаратом кібернетики є: теорія ймовірності, теорія функцій, математична логіка.

Кібернетика вивчає загальні властивості систем управління. Ці власти-вості можуть виявлятися і в живій природі, і в органічному світі, і в колекти-вах людей. Процес управління зв′язаний з передачею, накопиченням, збері-ганням і переробкою інформації, що характеризує керований об’єкт, хід про-цесу, зовнішні умови.

Кібернетика вивчає мислення людини, щоб створювати алгоритми, які ефективно моделюють діяльність мозку.

Кібернетика розробляє принципи побудови автоматів і досліджує мож-ливості автоматизації процесів розумової праці.

Об'єктом кібернетики є керовані системи. Приклади кібернетичних си-стем - автоматичні регулятори в техніці, ЕОМ, людський мозок, біологічні популяції, людське суспільство. Кібернетика розробляє загальні принципи створення систем управління та систем для автоматизації розумової праці. Основним інструментом кібернетики є комп'ютер.

Сучасна кібернетика - це міждисциплінарна дисципліна, яка крім теорії управління включає також теорію передачі сигналів, теорію прийняття рішень, теорію алгоритмів та теорію розпізнавання образів. Крім засобів аналізу, в кібернетиці використовуються потужні інструменти синтезу (побу-дови моделей). Для цього використовують методи математичного аналізу, лінійної алгебри, математичної статистики, а також такі прикладні галузі ма-тематики як математичне програмування, економетрика, інформатика тощо.

П ринципи кібернетики використовують в багатьох інших науках. Біо-логія вивчає та використовує методи передачі інформації у формі генів від покоління до покоління. Комп'ютерні науки використовують принципи кібе-рнетики для управління пристроями та аналізу інформації (робототехніка, системи підтримки прийняття рішень). Галузями використання кібернетики в економіці та управлінні є економічна кібернетика та дослідження операцій.

Вінер – творець кібернетики

Назва «кібернетика» походить від грецького «кюбернетес», що спочат-ку означало «керманич». Старогрецький філософ Платон в своїх творах в од-них випадках називає кібернетикою мистецтво управління кораблем або ко-лісницею, а в інших мистецтво правити людьми. Римлянами слово «кюбер-нетес» було перетворене в «губернатор».

Відомий французький фізик А.М. Ампер (1775-1836 рр.) в своїй роботі «Досвід про філософію наук» (1834 р.), назвав кібернетикою науку про управління державою (народом), яка допомагає уряду вирішувати конкретні завдання, що виникають перед ним.

У 1948 році вийшла книга Н. Вінера “Кібернетика або управління і зв’язок у тварин і машин”. Основна теза книги Вінера – подібність процесів управління і зв'язку в машинах, живих організмах і товариствах: угрупування тварин (мурашник) або людське угрупування. Процеси, які слід вивчати - це насамперед процеси передачі, зберігання і переробки інформації. Будь-яку інформацію можна розглядати як деякий вибір між двома або більше значен-нями (станами), кожному з яких відповідає деяка ймовірність. Такий підхід дає універсальний метод аналізу всіх процесів з використанням однакового статистичного апарату.

Норберт Вінер викладав у МТІ в період між першою і другою світовими війнами. Він став професором Гарвардського, Корнуельського, Колумбійського, Геттінгенського та інших університетів, отримав кафедру в Массачусетском те-хнологічному інституті, написав сотні статей з теорії ймовірностей і статистики, по узагальненому гармонічному аналізу тощо. Його тогочасні праці носили су-то академічний характер і не мали ніякого прикладного значення.

З початком другої світової війни акценти наукової роботи Вінера зміс-тилися. Тепер він приділяв основну увагу побудові детермінованих стохасти-чних моделей з організації та управління американськими силами протипові-тряної оборони. Вінер запропонував відмовитися від практики ведення вогню по окремих цілях (що було дуже неефективним в умовах бою батареї зеніт-них установок проти ескадрильї ворожих літаків). Він розробив нову імовір-нісну модель управління силами ППО. Завдання було дуже складним і вирі-шити його було неможливо без застосування комп'ютерної техніки та само-наведення ракет. В основі самонаведення лежить принцип зворотного зв’язку. Через короткі проміжки часу ракета випускає короткі імпульси в напрямку цілі. Кожного разу прийнявши відбитий сигнал та провівши математичну обробку часу проходження сигналу можна підкоректувати траєкто-рію руху ракети. Для цього на борту ракети повинен бути управлінсько-розрахунковий пристрій (мікропроцесор), який і виконує вказані функції. Та-ким чином, траєкторія руху ракети складається з послідовних відрізків, ко-жен з яких є відкоректованим у порівнянні з попереднім.

Опишемо ще одну задачу, яка стала першою кібернетичною задачею. За 5 років - із 1933 по 1938 - швидкість літака збільшилася від 300 км на го-дину до 700-750 км на годину. Ця швидкість уже практично дорівнювала швидкості зенітного снаряда, яким цей літак намагаються збити. Таким чи-ном, вперше в історії військової справи задача була поставлена не у вигляді "як одним снарядом уразити", а у вигляді "як найменшою кількістю снарядів домогтися найвищої ймовірності пораження" ворожого об'єкта - літака.

Таким чином, стало зрозумілим, що в управлінні зенітним вогнем необхідно переходити від алгоритму "прицільний постріл" до алгоритму "постановка зенітного загородження".

Для побудови "зенітного загородження" довелося зайнятися моделю-ванням. Для початку - змоделювати рух літака. Якщо відомо положення літа-ка і його швидкість, то можна спрогнозувати його положення в наступні мо-менти часу. Але літак управляється льотчиком! І він спробує відвести його убік непередбачуваним чином. Як же тут бути?!

От тому-то і доводиться ставити задачу в імовірнісному вигляді. Тобто розраховувати не одну траєкторію літака, а цілий їхній пучок! І деяким траєк-торіям - приписувати більшу ймовірність, ніж іншим.

Ну і, нарешті, варто врахувати те, що зенітний вогонь повинен вестися "уперед", уздовж пучка ймовірних траєкторій літака. Найбільш часто й бага-то стріляти потрібно саме в ті місця, де будуть проходити найбільш ймовірні траєкторії. Крім того зенітний снаряд також має певну інерційністю, отже необхідно побудувати ще й модель польоту зенітного снаряду.

Таким чином, виникає потреба звести воєдино всі 3 моделі:

1) модель польоту літака; 2) модель польоту зенітного снаряду та 3) модель стрільби. Отримана модель переслідує мету: забезпечити максимальну кіль-кість збитих літаків ворога шляхом мінімальних власних витрат снарядів.

У середині 1980-х ця задача зненацька нагадала про себе знову. З'явилися так звані "крилаті ракети", що летять на висоті 20-30 метрів над землею. Опти-мальний засіб захисту - це автоматичні зенітні комплекси, які, без впливу лю-дини, здатні наводити гармати і збивати ракету артилерійським вогнем. І хоча пройшло багато років, і обчислювальні можливості за цей час істотно зросли, - ця задача й сьогодні лишається невирішеною у загальному вигляді!

Коли війна закінчилася, військовий термін "самонаведення" поступився мирному слову "самонавчання". Вінер брав участь у роботі групи біологів, які вивчали поведінку гризунів. Ця історія сьогодні стала хрестоматійною і називається вона: "Миша в лабіринті". Якщо гризун вперше потрапляє в но-вий лабіринт, то веде себе таким чином: тикається в усі нори, запам'ятовуючи невірні ходи і не повторюючи їх. Так, рано чи пізно, він добирається до мети (шматочок сиру). Якщо його пустити в цей лабіринт ще раз, він вже безпо-милково пройде весь шлях з пункту А в пункт В. Отже, миша в лабіринті - приклад самонавчальної системи. Залишається створити (або хоча б в дета-лях описати) таку собі штучну мишу. За що Вінер і взявся з притаманним йому запалом і теоретично обгрунтував штучну "мишу". Вінеру вдалося під-вести загальну концептуальну базу під схеми, що визначають поведінку жи-вих організмів, що вирішують конкретні завдання, і схеми, що характеризу-ють процеси управління в складних технічних системах. З точки зору кібер-нетики ці процеси виявилися практично ідентичними. Вінер довів, що одні й ті ж положення лежать в основі соціальних моделей управління і моделей управління в економіці.

Головна праця Вінера (Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине. — М.: Советское радио, 1968. — 328 с.) побачила світ у 1948 році. Це була тонка непоказна книжка в червоній палітурці з великою кількістю помилок, але саме вона увійшла в історію як перша книга про кібе-рнетику, а її автор вважається засновником цієї галузі знань. Саме він пер-шим окреслив нову науку і дав їй назву. Ідеї Вінера були настільки радикаль-ними, що кібернетику як науку остаточно визнали тільки через 10 років після виходу книги. Вінер визначає кібернетику як науку про управління, зв'язки та обробку інформації в техніці, живих організмах і людському суспільстві. Це наука, яка дозволяє творити штучний інтелект та управляти ним. Ядром кібе-рнетики є теорія інформації, теорії алгоритмів, теорія автоматів, розпізнаван-ня образів, оптимального управління. Вінер вважав очевидним, що концепту-альні схеми, які визначають поведінку живих організмів при вирішенні конк-ретних завдань, практично ідентичні до схем, які характеризують процеси управління в складних технічних системах. Вінер довів, що соціальні моделі управління і моделі управління в економіці можуть бути проаналізовані на основі тих же загальних положень, які розроблені в галузі управління системами, створеними людьми. Вінер популяризував соціальне значення кіберне-тики, провівши аналогії між автоматичними системами (такими як регульо-ваний паровий двигун) і людськими інститутами в його бестселері "Кібернетика і суспільство" (The Human Use of Human Beings: Cybernetics and Society Houghton-Mifflin, 1950). І хоча Вінер вважав соціальні науки "найгіршою об-ластю для підтвердження законів кібернетики", творці комуністичної ідеї на-довго замкнули його праці в спецхран, побоюючись "соціально-політичних наслідків" втілення його ідей у життя. Спільно з Клодом Шенноном Вінер за-клав основи сучасної ентропійної теорії інформації. Вони вперше запропону-вали слово "біт", що характеризує одиницю інформації.