книги из ГПНТБ / Обухов В.И. Человек и автоматика рассказ о больших системах

триваемого не уменьшается, а, напротив, все возрастает. Например, в области транспорта будут все больше увеличиваться скорости, а также количество наземных и воздушных средств сообщения, что потребует еще больше­ го их упорядочения. К 1980 году будет, вероят­ но, предпринята попытка посадки космических кораблей на другие планеты, что, естественно, после 2000 года выдвинет вопрос о заселении планет. Таким образом, к сложной единой транспортной системе Земли прибавится кос­ мическая система транспорта, которая по сложности регулирования и управления будет, видимо, в таком же сравнении, в каком нахо­ дятся телега и самолет.

Наземный транспорт к тому времени, когда станут обычными космические полеты, будет, видимо, представлять не только единую, в мас­ штабе нескольких государств, но и скоростную транспортную систему, где большое место зай­ мет монорельсовый транспорт, а также различ­ ные средства передвижения на воздушной по­ душке, электромобили и т. д. Уже сегодня существуют отдельные опытные образцы транс­ порта на воздушной подушке, которые пока­ зали прекрасные характеристики. Между тем бесколесный поезд на воздушной подушке мо­ жет развивать скорости порядка 400—640 ки­ лометров в час и на небольших расстояниях успешно конкурировать с воздушным транс­ портом. Можно предполагать также, что до 2000 года появятся в значительном количестве машины-переводчики, «искусственный мозг», глобальный информационный центр, мировая телевизионная система и человечество к этому

39

ОТ МЕСТНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ К БОЛЬШИМ СИСТЕМАМ

Из истории автоматики

втоматизация производства, так бурно развивающегося в наше время, не появилась внезапно на пустом месте, она глубоки­ ми корнями уходит в далекое

прошлое развития технической мысли.

Даже само слово автоматизация, означаю­ щее в переводе с греческого внедрение само­ движущихся механизмов, относится к прош­ лому. Это еще раз подчеркивает, что разнооб­ разные самодвижущиеся механизмы люди пытались создавать уже в глубокой древности. Однако в каждую эпоху автоматика имела определенные цели, средства, условия, свою историю. Вместе с развитием общества она не­ прерывно совершенствовалась и изменялась.

Первые письменные сообщения об исполь­ зовании человеком примитивных устройств ав­ томатического регулирования были выявлены в Вавилонии, где около 2100 лет до нашей эры это государство, имея наиболее развитую куль­ туру, располагало многими разнообразными оригинальными приспособлениями, в том числе и первыми устройствами автоматики. Вавилон-

41

цы использовали систему регулирования в ир­ ригации земель, поддерживали нужную влаж­ ность земли. В своей автоматической системе они впервые применили принцип обратной свя­ зи, который уже несколько десятков веков яв­ ляется доминирующим в современных автома­ тических устройствах. Примечательным в ис­ пользовании автоматики того времени явилось то, что законами царя Кинга Хаммараби пре­ дусматривалось наказание людей за непра­ вильное действие в системе регулирования.

Среди наиболее интересных устройств ре­ гулирования древности можно отметить водя­ ные часы «Клепсидра», появившиеся, по пред­ положению, уже в начале нашего века у ара­ бов. «Клепсидра» была сравнительно точным и надежным устройством того времени и про­ существовала она в силу своих преимуществ вплоть до XVII века.

Начальный период в развитии автоматиче­ ских устройств в древние века был настолько насыщенным, что уже в I веке Герои Алексан­ дрийский, один из выдающихся древнегрече­ ских ученых и инженеров, обобщая развитие науки и техники, смог в своих сочинениях опи­ сать много всевозможных автоматов, в частно­ сти автомат для продажи «священной воды», автомат для открывания дверей храма, когда загорался жертвенный огонь, и, наконец, театр кукол, в котором механические фигурки авто­ матически разыгрывали представление. Впо­ следствии подобные автоматические фигуркиавтоматы, точно копирующие движения че­ ловека, так называемые андроиды, были в те­ чение долгого времени предметом внимания

42

Один из первых автоматов древности— во­ дяные часы «Клепсидра»

многих ученых, инженеров и механиков, не­ смотря на то, что в основном они предназнача­ лись для забавы и развлечения царей и бога­

тых людей.

Эти автоматические устройства в качестве источника энергии использовали энергию во­ ды, пара, сжатого воздуха и в общей сложно­ сти представляли интересную совокупность взаимодействующих в работе колес, рычагов, противовесов и винтов, создание которых тре­

43

бовало большого инженерного мастерства и та­ ланта.

Именно поэтому многие ученые, инженеры и механики занимались созданием автомати­ ческих человекоподобных устройств на протя­ жении многих столетий. По поводу отдельных подобных автоматов сложены легенды. Так, в одной из них рассказывается, что в XIII веке немецкий философ и алхимик Альберт Великий сделал «железного человека». Согласно преда­ нию, ученый создавал его 30 лет. Этот «желез­ ный человек» был его привратником и произно­ сил, когда нужно, несколько слов. С годами механический человек разладился и часто, даже когда не нужно, стал говорить. Это будто бы и послужило причиной раздражения учени­ ка Альберта Фомы Аквинского, который в при­ падке гнева молотом разбил «железного чело­ века».

В период XV—XVII веков подобные меха­ нические игрушки: барабанщики, музыканты, танцовщицы были сделаны в Италии, Герма­ нии и других странах. В тот же период появи­ лись часы, которые сыграли важную роль в развитии автоматизации.

В этой связи К- Маркс писал, что «если оставить в стороне изобретение пороха, компа­ са и книгопечатания, то за время с XVI до се­ редины XVIII века, т. е. за период мануфакту­ ры, развивающейся из ремесла до собственно крупной промышленности, имелись две матери­ альные основы, на которых внутри мануфакту­ ры строилась подготовительная работа для пе­ рехода к машинной индустрии,— это часы и мельница...

44

Часы — это первый автомат, употреблен­ ный для практических целей» '.

Не находя в силу отсталости производства приложения своих сил, мастера-механики поч­ ти во всех развитых странах на основе часово­ го механизма снова начинают создавать уди­ вительные автоматы-игрушки.

Русский механик И. П. Кулибин (1735— 1818) сделал, например, такие уникальные ча­ сы размером с гусиное яйцо, в которых одно­ временно с боем часов на исходе каждого часа раздвигались створчатые дверцы, начинала иг­ рать музыка и разыгрывалось целое представ­ ление кукол.

Подобные часы только больших размеров создал в 1640 году в Праге для ратуши мастер Гануш, поплатившись за них зрением, так как «отцы» Праги, боясь, как бы он кому-нибудь не сделал еще подобных часов, ослепили его.

Со временем автоматические устройства — игрушки-автоматы становились все совершен­ нее и представляли порой настоящее искусст­ во. Именно таких автоматов появилось много в

XVIII веке.

Швейцарские часовщики отец и сын Дро сконструировали писца, способного написать целую фразу, рисовальщика, девушку, играю­ щую на музыкальном инструменте, и т. д.

Француз Жан Вокансон (1709—1782) сде­ лал флейтиста в рост человека, исполняющего 11 различных музыкальных пьес.

Но продолжавшийся несколько столетий

45

период этой предыстории автоматизаций, ха­ рактерным для которого были в основном ав­ томаты-игрушки, заканчивается к началу XVIII века. Отдельные автоматические производст­ венные устройства того периода терялись сре­ ди механизмов ручного труда. Наступающий XVIII век меняет картину в области автома­ тизации.

Во многих странах произошла промышлен­ ная революция. Пришедший на смену феода­ лизму капитализм быстро начал создавать бо­ лее совершенные производства и машины.

Таким образом, как писал К. Маркс, «при­ обретая новые производительные силы, люди изменяют свой способ производства, а с изме­ нением способа производства, способа обеспе­ чения своей жизни,— они изменяют все свои общественные отношения. Ручная мельница да­ ет нам общество с сюзереном во главе, паро­ вая машина — общество с промышленным ка­ питалистом» '.

Паровой двигатель и многочисленные ма­ шины, явившиеся основой промышленной революции, настоятельно требовали автомати­ ческих регуляторов и устройств. Во многих слу­ чаях создаваемые машины уже просто не мог­ ли работать без таких регуляторов-автоматов. Большое значение для развития техники того времени имел изобретенный в 1763 году И. И. Ползуновым поплавковый регулятор для паровой машины, поддерживающий уровень воды в котле, и центробежный регулятор для паровых машин, построенный в 1784 году Джеймсом Уаттом. Регуляторы И. И. Ползуно-

1 К- М а р к с , Ф. Э н г е л ь с . Соч., т. 4, стр. 133.

46

ва и Д. Уатта были основаны на принципе от­ клонения величины или на принципе обратной связи.

В 1829 году французский механик Жан Понселе выдвинул еще один принцип в построении автоматических регуляторов, основанный на предварении или компенсации величины.

Идея Понселе состояла в том, чтобы возму­ щение подавать на регулятор мгновенно, а на машину — с запозданием. В этом случае регу­ лятор мог подавать машине воздействие, ком­ пенсирующее возмущение, вызванное случай­ ным изменением нагрузки.

Техническая реализация подобной идеи в тот период была затруднена, тем не менее нуж­ но отметить, что основные принципы современ­ ной автоматики, а именно принципы обратной связи и компенсации были уже заложены в мо­ мент зарождения промышленной автоматиза­ ции. Оценку систем управления с обратной связью и компенсационных систем дает в сво­ ей книге «Кибернетика» Н. Винер. «Системы управления с обратной связью,— пишет Ви­ нер,— и компенсационные системы... до некото­ рой степени конкурируют между собой. Какой из этих двух методов лучше, зависит от того, насколько постоянна характеристика приме­ няемого исполнительного органа. Естественно предположить, что могут быть случаи, когда выгодно сочетать два метода. При этом же уро­ вне обратной связи поведение системы опреде­ ленно улучшится. Если, например, исполни­ тельный орган действует с запаздыванием, то компенсатор должен быть учреждающим или предсказывающим устройством, рассчитанным

47

на статистический ансамбль входных сигна­ лов...

Информативная обратная связь и приведен­ ные выше примеры обратной связи с компен­ саторами представляют собой лишь частные случаи, теория которых еще недостаточно раз­ работана. Вся эта область очень быстро разви­ вается, и в ближайшем будущем на нее надо обратить гораздо больше внимания».

К этой характеристике различных принци­ пов построения систем следует добавить, что теория, о которой писал Н. Винер, усиленно развивается, а комбинированные машины на­ чинают строиться.

Всевозможные регуляторы в тот период по­ лучили большое распространение. Однако ма­ шины, имеющие автоматическое регулирова­ ние при работе на различных нагрузках и ско­ ростях, часто ломались, были неустойчивы, а иногда не давали желаемого результата. Нуж­ на была наука об автоматах-регуляторах, и по­ явление научных работ по автоматическому ре­ гулированию и было тем качественно новым, что отличало автоматизацию того периода от всего прошлого.

Обобщая практические разработки, русский ученый И. А. Вышнеградский (1831 —1895), ан­ глийский физик Клерк Максвелл (1831— 1879) и словацкий инженер и ученый Аурель Стодола (1859—1942) заложили основы теории автоматического регулирования.

В этих работах многие вопросы практики нашли совершенно неожиданное решение. Так, например, до работы И. А. Вышнеградского «О регуляторах прямого действия», опублико­

48