ВВЕДЕНИЕ

Кибернетика как общая наука о целеустремленном управлении находится в стадии интенсивного развития и формирования.

Общей чертой процессов управления вне зависимости от того, к какой категории явлений они относятся: технической, биологической или любой другой, является их информационный характер. Действительно, всякий процесс управления для достижения поставленной цели требует сбора, передачи, переработки и использования информации о внешних и внутренних условиях для приспособления к ним и эффективного воздействия на них.

Основным методом изучения информационных процессов управления, принятым в кибернетике, является метод их алгоритмизации. Этот метод заключается в том, что любой информационный процесс управления представляется в виде некоторой последовательности, связанных друг с другом и причинно обусловленных математических и логических операций, представляющих собою так называемый алгоритм рассматриваемого процесса.

Ставя себе задачей изучить общие принципы и законы эффективного управления объектами различной природы, кибернетика стремится установить алгоритмический изоморфизм, т. е. структурное, количественное и логическое сходство между процессами управления, протекающими в различных системах управления. С этой точки зрения можно сказать, что предмет кибернетики состоит в анализе, синтезе и реализации алгоритмов управления как уже имеющихся в природе, так и необходимых для приспособления к ней и эффективного воздействия на нее при достижении определенных целей.

Кибернетика не делает упора на физическую, биологическую, физиологическую или какую-либо другую природу процессов управления. Она стремится использовать результаты различных наук, специально посвященных изучению различных классов систем управления для того, чтобы обобщить эти результаты в области, касающейся вопросов управления, выявить общие принципы и законы управления различными объектами на основе понятия информации.

Такое абстрагирование позволяет кибернетике на основе точного количественного определения понятия информации применять для

исследования информационных процессов управления методы точных наук и современный математический аппарат вне зависимости от того, к какой категории явлений они относятся.

Но с другой стороны, это абстрагирование ограничивает рамки кибернетики границами применимости алгоритмического и информационного подхода к изучению процессов управления, а также аналогий, которые можно провести в рамках этих понятий.

В зависимости от того, к какой области знаний применяется информационный и алгоритмический подход к изучению процессов управления, можно говорить о технической кибернетике, биологической кибернетике, экономической кибернетике и т. д.

Наряду с подразделением кибернетики по областям знаний, в ней целесообразно выделить два основных направления. Первое из этих направлений занимается изучением и анализом уже существующих в живой природе процессов управления, например процессов управления в человеческом организме, информационных процессов, управляющих наследственностью, и т. д. Это направление кибернетики естественно назвать «аналитической» кибернетикой.

Основная задача второго направления состоит в разработке принципов и методов реализации алгоритмов управления объектами различной природы в соответствии с целями, которые ставятся человеком. В противоположность первому направлению это — «активная» кибернетика, служащая цели покорения человеком сил природы путем его активного вмешательства в окружающие процессы и явления. В свое время было предложено этот раздел кибернетики называть регнетикой (от латинского слова regnare, что значит управлять).

Под технической кибернетикой, как уже отмечалось выше, условимся понимать применение идей и методов кибернетики в области техники. Итак, предметом технической кибернетики является анализ информационных процессов управления техническими объектами, синтез алгоритмов управления ими и создание систем управления, реализующих эти алгоритмы.

Всякий процесс управления предполагает наличие одного или нескольких управляемых объектов и управляющей ими системы, которые в совокупности образуют систему управления.

Основными вопросами, входящими в предмет технической кибернетики, являются следующие:

1) формулировка и выбор критериев эффективности управления на основе заданной цели управления;

2) анализ внешних по отношению к системе управления условий или окружающей ее обстановки;

3) анализ внутренних условий, т. е. свойств системы управления (в частности, математическое описание объектов управления, моделирование систем управления и т. д.);

4) разработка принципов управления и синтез алгоритмов управления, обеспечивающих требуемую эффективность управления;

5) сбор и передача информации, требуемой для управления при наличии помех;

6) переработка информации в соответствии с алгоритмом управления с целью выработки управляющих сигналов;

7) использование переработанной информации, т. е. отработка управляющих сигналов с целью усиления их мощности до уровня, достаточного для воздействия на объекты;

8) анализ динамической точности реализации алгоритмов управления;

9) разработка методов обеспечения надежности систем управления;

10) исследование взаимодействия оператора (человека) и технических средств в системах управления.

Очевидно, что техническая кибернетика и автоматика имеют тесную связь друг с другом. Для того чтобы уточнить этот вопрос, определим понятие автоматики.

Автоматика — это прикладная дисциплина, изучающая общие принципы и методы построения автоматических систем, т. е. автоматических машин агрегатов, цехов, заводов, выполняющих поставленные перед ними цели без непосредственного участия человека.

Автоматические системы можно подразделить на два основных класса:

Циклические (или детерминированные), автоматические системы, осуществляющие заданную им цель без всякой свободы выбора, выходящей за пределы установленной для них жесткой программы; в них не происходит информационных процессов или они играют вспомогательную роль (станки-автоматы, автоматические линии и т. д.).

Ациклические (или информационные) автоматические системы, т. е. системы, осуществляющие заданную им цель с большей или меньшей свободой выбора, определяемой происходящими в них информационными процессами.

В задачи технической кибернетики входит изучение лишь ациклических, или информационных, систем и уже этим она отличается от автоматики.

Другим отличием технической кибернетики от автоматики является то, что первая, будучи разделом кибернетики, ставит себе задачей техническую реализацию открытых в живой природе новых принципов управления, что непосредственно не входит в задачи автоматики.

Наконец, третье отличие технической кибернетики от автоматики состоит в том, что в задачи первой дисциплины входит

изучение оператора, как сложной кибернетической системы со всеми особенностями, имеющими значение для ее функционирования как звена систем управления, что также выходит за рамки автоматики.

Теория автоматического регулирования сыграла большую роль в развитии технической кибернетики. Автоматическое регулирование представляет собою наиболее совершенный принцип автоматики в период частичной автоматизации, когда технические средства автоматики осуществляют лишь простые функции управления, связанные с измерением, анализом, контролем различных величин и отработкой решений, принятых оператором в виде уставок, программ или других сигналов управления.

В настоящее время на смену частичной приходит комплексная автоматизация, когда осуществляется автоматизация не только простых функций управления, связанных с отработкой сигналов управления, но и значительно более сложных, связанных с самой выработкой этих сигналов или с принятием решений, исходя из цели управления.

Сложность автоматических систем значительно возрасла. Если в период частичной автоматизации они обычно состояли из отдельных систем автоматического регулирования, взаимная координация действия которых осуществлялась человеком, то теперь возникла необходимость в автоматической координации их действий и, следовательно, в создании сложных взаимосвязанных систем автоматического управления. В основе их построения лежит принцип, который заключается в том, что сложные системы управления образуются из ряда ступеней. Причем на первой ступени исследуются и автоматизируются сравнительно простые локальные информационные процессы управления. На второй ступени автоматизируются процессы управления, имеющие более общий и сложный характер и т. д.

С этой точки зрения, теория автоматического регулирования представляет собою основы построения первой ступени, а теория автоматического управления — основы построения всей иерархической лестницы информационных процессов управления, необходимых для комплексной автоматизации сложных объектов.

Таким образом теорию автоматического управления можно рассматривать, как обобщение и дальнейшее развитие теории автоматического регулирования, требующее, в частности, широкого использования понятия информации, которое в теории регулирования играет сравнительно небольшую роль.

Принцип действия всякой системы автоматического регулирования заключается в том, чтобы обнаруживать отклонения регулируемых величин, характеризующих работу машины или протекание процесса от требуемого режима и при этом воздействовать на машину или процесс так, чтобы устранять эти отклонения. Автоматическое определение требуемого режима в виде законов изменения

или некоторых постоянных значений регулируемых величин, исходя из цели управления, не входит в задачи системы автоматического регулирования и производится на стадии частичной автоматизации оператором, а на стадии комплексной автоматизации следующими ступенями системы автоматического управления, для которых системы регулирования играют роль исполнительных устройств и усилителей мощности.

Системы автоматического регулирования можно рассматривать, как класс динамических систем, отличительной особенностью которых является наличие обратной связи.

В теории автоматического регулирования основными являются проблемы: устойчивости, качества и переходных процессов, динамической точности, автоколебаний, оптимизации, синтеза и отождествления (идентификации).

Задачи общей теории автоматического регулирования заключаются в решении перечисленных проблем и в разработке на этой основе:

1) методов синтеза систем автоматического регулирования, позволяющих выбрать схему взаимодействия их элементов, а также параметры и характеристики этих элементов таким образом, чтобы система в целом удовлетворяла заданным требованиям к ее поведению в статике и в динамике;

2) методов анализа систем автоматического регулирования, позволяющих определить, удовлетворяют ли они предъявляемым к ним требованиям, и показывающих пути улучшения их динамических свойств;

3) методов количественной характеристики статических и динамических характеристик объектов регулирования, не имеющих математического описания («черный ящик») при помощи экспериментального исследования входных и выходных сигналов (проблема отождествления, или идентификации, которую можно рассматривать как частный случай проблемы распознавания образов);

4) принципов построения и методов коррекции динамических свойств.

Разработка и проектирование систем автоматического регулирования является сложной задачей, которая обычно состоит из следующих этапов:

а) изучения объекта регулирования, определения его характеристик и параметров, условий его работы и воздействий, которые он испытывает;

б) формулирования требований к системе регулирования;

в) выбора первоначальной схемы регулирования;

г) выбора элементов схемы регулирования, исходя из требований к их мощности, надежности, имеющихся источников энергии, эксплуатационных требований и т. д.;

д) уточнения структурной схемы регулирования, выбора и расчета элементов и параметров системы регулирования на

основе требований к статическим и динамическим свойствам системы;

е) экспериментального исследования системы регулирования (или отдельных ее частей) в лабораторных условиях и внесения соответствующих исправлений в схему регулирования;

ж) проектирования, изготовления и монтажа системы регулирования;

з) наладки системы регулирования в реальных условиях ее работы;

и) опытной эксплуатации системы регулирования.

Теория автоматического регулирования, имеющая целью решение прикладных инженерных задач, в то же время вынуждена использовать весьма сложный математический аппарат. Это объясняется тем, что системы автоматического регулирования представляют собою динамические системы со многими степенями свободы, содержащие не только постоянные, но и переменные, нелинейные, а порой и распределенные параметры. Поэтому необходимо иметь в виду, что эффективное использование методов теории регулирования обычно требует: во-первых, надлежащей идеализации в математическом описании системы; во-вторых, учета того обстоятельства, что теория автоматического регулирования по указанным выше причинам часто дает возможность получить лишь приближенные результаты и, в-третьих, что для уточнения результатов и окончательного выбора параметров систем регулирования обычно необходимо использование средств математического моделирования и вычислительной техники с последующей окончательной доводкой и настройкой регуляторов в реальных условиях. Однако это не умаляет значения теории автоматического регулирования, дающей возможность получить приближенное решение задачи, выбрать рациональную схему регулирования и ориентировочные значения ее параметров, указать пути улучшения динамических свойств систем регулирования и, таким образом, постепенно превращающей разработку и проектирование систем автоматического регулирования в стройную инженерную дисциплину, покоющуюся на прочном основании, а не на одном лишь экспериментировании, результаты которого зависят от интуиции экспериментатора, а порой и от счастливой случайности.

Из сказанного выше очевидно, что математический аппарат играет в теории регулирования очень большую, но все же вспомогательную роль и приобретает значение лишь в том случае, когда он дает метод решения проблем теории автоматического регулирования в виде алгоритма, позволяющего довести решение до числовых значений. Разработка рабочего аппарата для анализа и расчета представляет собою порой не менее сложную задачу, чем разработка общего математического метода. В качестве примера можно сослаться на замечательную работу А. Н. Колмогорова, в которой поставлена и решена задача интерполяции и экстраполяции

стационарных случайных последовательностей. Даже после того, как Н. Винер дал решение той же проблемы в замкнутой форме для непрерывного случая, она еще, по существу, не вошла в арсенал средств теории автоматического регулирования. И лишь после того, как рядом авторов была показана специфика применения этих результатов для оптимизации систем с обратной связью, и разработана методика синтеза корректирующих устройств, метод Колмогорова — Винера получил надлежащее признание и применение для расчета и проектирования автоматических систем.

Все сказанное выше, конечно, относится и к теории автоматического управления, в которой сложность требуемого математического аппарата является еще более высокой, чем в теории автоматического регулирования.

Изложенные выше соображения, как нам кажется, могут служить своего рода критерием при решении вопроса о том, следует ли тот или иной математический результат или метод включать в арсенал средств теории автоматического управления (или автоматического регулирования). Этот критерий очень важен для того, чтобы предупредить излишнюю формализацию теории автоматического управления, затрудняющую ее использование для решения конкретных задач.

Теория автоматического регулирования представляет собою в настоящее время довольно развитую и в значительной мере сложившуюся дисциплину. Но практика ставит перед ней все более сложные задачи и поэтому перспективы ее дальнейшего развития несомненны.

Если решение перечисленных выше основных проблем теории регулирования линейных систем с постоянными параметрами имеет более или менее законченный характер, то теория систем с переменными и с нелинейными параметрами разработана еще недостаточно и именно в этом направлении будут сосредоточены усилия ученых в ближайшие годы.