Краткая история развития автоматики. Фундаментальные проблемы современного производства

Развитие мировой техники шло в трех направлениях:

1) Создание машин двигателей (водяные, ветряные, паровые, дизельные и электрические), которые освободили человека от тяжелого физического труда;

2) Создание машин-орудий, т.е. станков и технологического оборудования различного назначения.

3) Создание машин для контроля и управления производственными процессами. Развитие этого направления было вызвано необходимостью надежно, точно и быстро управлять машинами-двигателями, машинами-орудиями и сложными технологическими процессами.

Идея создания машин и механизмов, которые бы работали без участия человека, возникла в древности. Первые автоматические действующие устройства, созданные людьми, создавались и использовались в религиозных или развлекательных целях. Практического значения автоматы древности и средневековья, за редким исключением, не имели.

С необходимостью построения управляющих устройств первыми столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь, часов. Даже очень небольшие, но действующие непрерывно, помехи, накапливаясь, приводили, в конечном итоге, к отклонениям от нормального хода, недопустимым по условиям точности. Противодействовать им чисто конструктивными методами, например, улучшая точность и чистоту обработки деталей, повышая их массу или увеличивая полезные усилия, не всегда удавалось. И для повышения точности, в состав часов стали вводить регуляторы. На рубеже нашей эры арабы снабдили поплавковым регулятором уровня водяные часы.

Первое автоматическое устройство практического назначения было изобретено Гюйгенсом в 1657г – автоматический регулятор маятникового типа для стабилизации скорости хода часового механизма.

Другой причиной, побудившей строить регуляторы, была необходимость управлять процессами, подверженными столь сильным помехам, что при этом утрачивалась не только точность, но зачастую и работоспособность системы вообще. Предшественниками регуляторов для таких условий можно считать применявшиеся еще в средних веках центробежные маятниковые уравнители скорости хода водяных мукомольных мельниц.

Первые автоматические устройства промышленного назначения появились в связи с изобретением и развитием паровых машин и турбин в 18 и 19 веках в эпоху промышленного переворота в Европе.

Началом развития автоматики как науки считают 1765 г., когда талантливый русский механик И. И. Ползунов создал первую в мире замкнутую автоматическую систему для регулирования уровня воды в паровом котле. Применение автоматов в промышленности сыграло важную роль в развитии техники. Этот период можно назвать периодом формирования принципов автоматики: в 1784 году английский механик Джеймс Уатт получил патент на центробежный регулятор скорости паровой машины, используемый для поддержания постоянства частоты вращения. Принцип работы этих регуляторов оказался одним и тем же: они поддерживают заданное значение физического параметра не точно, а в некотором заданном диапазоне, поэтому такой принцип регулирования, широко применяемый в настоящее время, ( принцип регулирования по отклонению (Ползунова - Уатта), принцип регулирования по нагрузке (Понселе), метод регулирования по производной (братьев Сименсов). Именно в это время появляются первые теоретические исследования, посвященные изучению процессов регулирования машин.

К первым промышленным регуляторам относят также первое программное устройство управления ткацким станком от перфокарты, построенное в 1808 году Жаккаром. Оно применялось для воспроизведения узоров на коврах.

Эти регуляторы как бы открыли путь потоку изобретений принципов регулирования и регуляторов, продолжающемуся вплоть до середины 20-го века.

Паровая машина не случайно стала первым объектом для применения техники и теории управления, т.к. она не обладала способностью работать сама по себе, не имела “самовыравнивания”. Ее неблагоприятные динамические свойства часто приводили к тому, что подключенный к ней регулятор действовал не так, как ожидал конструктор, “раскачивал” машину или вообще оказывался неспособным управлять ею. Все это, естественно, побуждало к проведению теоретических исследований.

Две фундаментальные работы внесли коренное изменение в подходе к проблеме и в методологии исследований и содержали, по существу, изложение начал новой науки об управлении.

В 1868 г. была опубликована работа Максвелла «О регуляторах», а в 1876г. - работа И. А. Вышнеградского «О регуляторах прямого действия». Дальнейшее развитие автоматики шло как по пути создания автоматических устройств во всех отраслях техники, так и теоретических разработок основ автоматики. Большой вклад в развитие основ автоматики внесли русские и советские ученые: И.А. Вышнеградский, И.Н. Вознесенский, А.М. Ляпунов, Н.Е. Жуковский, А.В. Михайлов. В.В. Солодовников Я.3. Цыпкин и многие другие.

Максвелл и Вышнеградский впервые рассмотрели паровую машину и регулятор как единую динамическую систему, что позволило разработать методику исследования самых разнообразных по принципам действия и конструкции систем, заложить основы теории устойчивости и установить ряд важных общих закономерностей регулирования (по принципу обратной связи).

Особо важную роль в то время сыграла работа профессора Петербургского технологического института Вышнеградского “О регуляторах прямого действия” (1877 г.). В этой работе был проведен детальный анализ характеристик паровой машины и регулятора Уатта, раскрыта динамика работы машины и доказано, что во время работы регулятор и машина образуют единую систему. Эта работа отличалась глубоким инженерным подходом, рассмотрением важных для техники тех лет объектов и содержала кроме ценных практических рекомендаций истоки ряда современных методов исследования качества регулирования (диаграммы устойчивости и распределения корней, выделение областей устойчивости и монотонности и так далее).

Поэтому современники считали Вышнеградского основоположником теории автоматического управления (регулирования).

Работа Максвелла осталась в то время практически незамеченной, поскольку рассматривала малоинтересный для широкого круга инженеров объект (механизм ведения телескопа), явно полезных практических выводов не делала и рекомендовала регуляторы (астатические), практически непригодные для промышленных машин того времени. Ее роль была оценена значительно позже, когда теория автоматического управления (ТАУ) сформировалась в самостоятельную дисциплину.

Одна из первых теоретических работ, посвященных созданию теоретических основ работы и расчёта автоматических регуляторов, выполнена русским математиком П.Л. Чебышевым и посвящена теории работы астатического регулятора.

Помимо этих ученых большой вклад в развитие ТАУ внесли работы словацкого инженера и ученого Стодолы, рассматривавшего вопросы устойчивости регулирования паровых и гидравлических турбин, в учете влияния на процесс регулирования длинного трубопровода;

- Гурвица, разработавшего детерминантный критерий устойчивости по просьбе Стодолы (детерминантный – от лат.: “определитель” - определяющий);

- Рауса, разработавшего алгоритм для оценки расположения корней характеристического уравнения и устойчивости (по рекомендации Максвелла).

В 1892 году А.М. Ляпунов опубликовал работу “Общая задача устойчивости движения”, в которой доказал возможность решения вопросов устойчивости регулирования. Большой вклад в развитие автоматики внесли работы русских ученых Циолковского и Жуковского. Н.И. Жуковский является автором труда “О прочности движения” и первого русского учебника “Теория регулирования хода машин” (1909 г.), в которых дал описание процессов в длинных трубопроводах, рассмотрел влияние сухого трения в регуляторах, исследовал некоторые процессы импульсного регулирования посредством уравнений в конечных разностях.

Значительное развитие получили работы по теоретическим и прикладным вопросам автоматики в нашей стране. Фундаментальные работы выполнены И.Н. Вознесенским, А.А. Андроновым, И.М. Крыловым, А.Н. Колмогоровым, А.В. Михайловым, В.Н. Петровым, Л.С. Понтрягиным, А.А. Фельдбаумом, В.В. Солодовниковым, А.Г. Бутковским и многими другими. Эти работы способствовали установлению приоритета нашей науки в ряде ведущих областей теории управления.

Развитие науки позволило осуществить широкое внедрение автоматического управления в технике и промышленности, в том числе в металлургии и химической промышленности.

Начало работ по автоматизации процессов черной металлургии СССР следует отнести к концу тридцатых годов двадцатого века, когда были разработаны и внедрены системы регулирования теплового режима мартеновских печей на Магнитогорском и Кузнецком металлургических комбинатах.

В довоенные и первые послевоенные годы основные усилия были направлены на создание систем автоматического регулирования отдельных параметров теплового и технологического режимов металлургических агрегатов, таких как температура, давление, расход, уровень, влажность и других.

Широко развернулись работы по автоматизации процессов черной металлургии в пятидесятые годы. Созданы системы регулирования доменных и мартеновских печей, нагревательных и термических печей, прокатных станов, различных энергетических установок. Существенные результаты были получены в области автоматизации процессов электроплавки – разработаны системы управления тепловым и электрическим режимами дуговых печей. В эти же годы В.А. Сорокиным была осуществлена первая попытка применения ЭВМ для расчёта и управления теплового состояния доменной печи.

Со второй половины шестидесятых годов в связи с развитием ЭВМ и появлением достаточно дешёвых, надёжных и быстродействующих ЭВМ в мире появились первые автоматизированные системы управления (АСУ).

Это особенно стало необходимым в связи с появлением и развитием высокопроизводительных агрегатов большой единичной мощности и быстродействующих технологических процессов. В металлургии были созданы 350-ти тонные кислородные конвертеры, прокатные станы производительностью более 5 млн. тонн проката в год и др., поэтому существенно возросли требования к качеству продукции и экономичности производства.

АСУ построены на базе управляющих вычислительных комплексов (УВК), представляющих собой специализированную промышленную ЭВМ, предназначенную для вычислений и реализации функций автоматизированных систем управления. Именно разнообразие этих функций позволило поднять автоматизацию на качественно новый уровень. Автоматизированные системы управления развиваются в двух основных направлениях: автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) и автоматизированные системы управления производственными процессами (АСУП).

До АСУТП имели место так называемые “локальные” системы автоматического регулирования (САР), в которых за функционирование отдельно взятого контура регулирования определённого технологического параметра отвечал свой автоматический регулятор (лат.: “локальный”- местный, ограниченный по месту).

Согласованная работа контуров, число которых в технологическом процессе может быть большим, проводилась оперативным персоналом.

В АСУТП насчитываются десятки – тысячи отдельных локальных контуров регулирования, согласование которых также проводит оперативный персонал, но при использовании управляющего вычислительного комплекса. Таким образом, локальные САР входят в АСУТП, как составная часть.

Автоматизированные системы управления производственными процессами выполняет функции: маркетинга, календарного планирования, поставок сырья, сбыта готовой продукции, финансирования и т.д. Объектом управления для АСУП является трудовой процесс непосредственного производства товарной продукции и вся административно-хозяйственная деятельность предприятия, неизбежно сопровождающая основной процесс производства продукции

В настоящее время созданы принципиально новые системы управления – интеллектуальные АСУ, использующие принципы и методы искусственного интеллекта.

Развитие промышленного производства включает в себя три основные составляющие:

- наука;

- проектирование;

- производство (внедрение).

Автоматизация используется не только в промышленном производстве в виде АСУТП И АСУП. В науке создаются автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), которые позволяют на порядок увеличить производительность труда ученых.

В промышленности созданы системы автоматизированного проектирования (САПР), которые позволяют увеличить скорость проектирования, значительно уменьшая число ошибок в проекте.

Технический прогресс, осуществляемый на основе автоматизации, включает в себя три основные составляющие: АСНИ – САПР - АСУТП, что позволяет значительно повысить эффективность, как научных разработок, так и конечных производственных результатов.

Современное производство немыслимо без применения средств автоматики. Можно с уверенностью сказать, что степень автоматизации управления различными процессами во многом характеризует общий уровень и культуру производства, но и в тоже время создает фундаментальные проблемы.

В настоящее время, когда формируется постиндустриальное инфор­мационное общество, кардинальной проблемой становится существенное увеличение удельного веса искусственных регуляторов в единой целост­ной системе "общество - техносфера - природа". Основное внимание уче­ных, политиков и общественности все в большей мере концентрируется на фундаментальных проблемах управления, связанных с ресурсосберегаю­щими технологиями, новой организацией социально-экономических си­стем, экологической и ядерной безопасностью открытого общества. Суще­ственное отличие стратегий технологической деятельности в начале XXI века состоит в освоении принципиально новых типов объектов и процес­сов, представляющих собой весьма сложные саморазвивающиеся макроси­стемы. В таких открытых макросистемах возникают, как известно, коопе­ративные явления, базирующиеся в первую очередь не на силовых, а на информационных взаимодействиях. В результате проявления кооператив­ных эффектов, развивающиеся системы порождают новые структуры без каких-либо внешних силовых воздействий. Иначе говоря, в сложных мак­росистемах возникают процессы самоорганизации, изучаемые современ­ной нелинейной динамикой и синергетикой. Такого рода принципиально новые кооперативные явления в сложных макросистемах следует непре­менно учитывать при разработке эффективных стратегий технологической деятельности человека. Эти явления и стратегии естественным образом должны быть включены в познавательные процессы новой мировоззренче­ской ориентации.

Современные сложные системы разнообразной природы представ­ляют собой комплекс различных подсистем, выполняющих определенные технологические функции и связанных между собой процессами интен­сивного динамического взаимодействия и обмена энергией, веществом и информацией. Указанные суперсистемы являются нелинейными, много­мерными и многосвязными, в них протекают сложные переходные процес­сы и возникают критические и хаотические режимы. Проблемы автомати­ческого управления такого рода динамическими суперсистемами являются весьма актуальными, чрезвычайно сложными и практически недоступны­ми для существующей теории и методов управления. В качестве инстру­мента для решения этих проблем предлагается использовать принципы и методы новой синергетической теории управления (СТУ), базирующейся на идее направленной самоорганизации и управляемой динамической де­композиции нелинейных многомерных систем. Рассматривается новая си- нергетическая концепция в теории системного синтеза, опирающаяся на фундаментальное свойство направленной самоорганизации синтезируемых нелинейных систем.

Существующая теория управления весьма успешно освоила методы централизованного внешнего воздействия на различные объекты, однако, наступило время пересмотра силовых подходов в задачах управления и пе­рехода на идеи самоорганизации синергетики. Отсюда вытекает насущная потребность поиска путей целевого воздействия на процессы самооргани­зации в нелинейных динамических системах. Другими словами, возникла необходимость создания способов формирования и возбуждения внутрен­них сил взаимодействия, которые могли бы породить в фазовом простран­стве синтезируемых систем диссипативные структуры, адекватные физи­ческой (химической, биологической) сущности соответствующей системы. В этой связи возникает фундаментальная проблема поиска общих объек­тивных законов процессов управления, которая сводится к максимальному учету естественных свойств объекта соответствующей физической приро­ды. Эта принципиально новая проблема системного синтеза порождает крупные самостоятельные задачи в тех предметных областях, к которым принадлежит объект управления.

Подчеркнем два фундаментальных свойства синергетических си­стем: это, во-первых, обязательный обмен с внешней средой энергией, ве­ществом и информацией и, во-вторых, непременное взаимосодействие, т.е. когерентность поведения компонентов системы. Представляется весьма перспективным для развития теории системного синтеза осуществить пе­ренос свойств синергетических систем на конструируемые системы управ­ления нелинейными объектами. Разумеется, при этом возникает непростая проблема перехода от естественных синергетических принципов к количе­ственным соотношениям. Такой подход позволил построить новую СТУ, имеющую глубокое естественнонаучное обоснование как приложение принципов самоорганизации в проблемах управления. Основные особен­ности СТУ применительно к проблеме системного синтеза состоят, во- первых, в кардинальном изменении целей поведения синтезируемых си­стем; во-вторых, в непосредственном учете в процедурах синтеза есте­ственных свойств нелинейных объектов и, в-третьих, в формировании но­вого механизма генерации нелинейных обратных связей. Конкретно суть этих нововведений состоит в следующем:

• цель функционирования синтезируемых систем заключается в достижении целевых аттракторов — асимптотических пределов в их пространстве состояний, отражающих желаемые технологические режимы систем;

• целевые аттракторы и инвариантные многообразия отражают физическую сущность процессов, протекающих в соответствующем дина­мическом объекте; указанные многообразия формируются на основе жела­емых технологических (механических, энергетических и др.) инвариантов;

• введение в процедуру синтеза инвариантных многообразий позволяет построить регулярный механизм аналитической генерации есте­ственной совокупности отрицательных и положительных нелинейных об­ратных связей, которые формируют процессы направленной самооргани­зации в синтезируемых системах.

Таким образом, при синергетическом подходе к синтезу систем це­лью их функционирования, в отличие от классической теории автоматиче­ского регулирования и теории оптимального управления, является не толь­ко выполнение требований к характеру переходного процесса, но и, в первую очередь, обеспечение желаемого асимптотического поведения си­стемы на аттракторе или в его близкой окрестности. Это связано с тем об­стоятельством, что поведение любой нелинейной диссипативной системы может быть разделено на этап переходного движения, когда ее траектории устремляются к аттрактору, и этап асимптотического движения на желае­мом аттракторе — цели системы. Такой подход позволяет принципиально разрешить проблему аналитического синтеза объективных законов управ­ления нелинейными многомерными объектами — законов обратных свя­зей, синтезируемых на основе наиболее полных нелинейных моделей ди­намических объектов с непосредственным учетом их естественных зако­номерностей, физических (химических и др.) критериев и ограничений. Итак, целью синтезируемой системы является достижение соответствую­щего желаемого аттрактора, т. е. асимптотически устойчивого конечного состояния. Размерность аттрактора — цели исходной системы — обычно существенно меньше размерности ее исходного фазового пространства. Отсюда вытекает идеология процессов обработки информации и управле­ния в сложных нелинейных динамических системах: для этого необходи­мо, чтобы указанные процессы включали, по меньшей мере, две фазы — фазу расширения и фазу сжатия фазового пространства. Эти фазы реали­зуются с помощью соответствующей совокупности нелинейных положи­тельных и отрицательных обратных связей. При этом в фазе расширения в системе формируется подмножество различных альтернатив поведения для ее взаимодействия с внешней средой или другими системами. В фазе сжа­тия система сжимает область притяжения аттракторов, ранее построенных, в один из желаемых аттракторов — цель системы.

Существенное отличие развиваемой СТУ от классической киберне­тики состоит в том, что эта теория базируется на информационно- физических взаимосодействиях в управляемых системах различной приро­ды. При этом физическое (химическое, биологическое, экономическое и др.) начало выступает как одна из определяющих сущностей процессов управления, а сами эти процессы базируются на явлениях самоорганиза­ции, возникающих в системах конкретной природы. Именно та или иная природа системы и вводимые законы синергетического управления и определяют в конечном итоге процессы самоорганизации, т.е. самоуправ­ления в системах. Другими словами, в СТУ, в отличие от известной бинар­ной оппозиции физики и кибернетики, вещественно-энергетические и ин­формационные взаимодействия естественным образом согласуются друг с другом, что выражается в форме соответствующих физических инвариан­тов и аттракторов - целей функционирования систем. При этом информа­ционные взаимодействия отражаются в виде нового механизма генерации естественной совокупности нелинейных обратных связей и именно в этом проявляется кибернетическая сторона СТУ.