Історичні відомості та перспективи розвитку систем автоматизації.

Автоматичні пристрої були відомі ще в глибокій старовині. Проте ні в стародавні часи, ні в середні століття вони не відігравали особливої ролі у виробництві і таким чином цей період відноситься до передісторії АТП.

Окремі елементи і автоматичні пристрої починають застосовуватися для вдосконалення виробничих процесів тоді, коли людська сила або сила приручених тварин починає замінюватися силами природи, рутинні емпіричні заходи – свідомим застосуванням досягнень природознавства. Тому справжня історія автоматики починається з останньої чверті вісімнадцятого століття.

Вже з самого початку застосування автоматичних пристроїв для технологічних цілей почали розвиватися два основних їх типи, що використовуються і до нині: з розімкненим ланцюгом дій на об'єкт управління і з замкнутим ланцюгом зворотного зв'язку (ЗЗ). На першому принципі були засновані винайдені в середині XVIII століття копіювальні станки. Другий принцип був вперше застосований французьким фізиком Д. Паленом у винайденій ним каструлі-скороварці в 1680 р., покладений в основу винаходу І. Ползуновим автоматичного регулятора живлення казана (1765) Дж. Уаттом — автоматичного регулятора швидкості парової машини (1784), якому і дісталася слава винахідника відцентрового регулятора. Проте перший відцентровий регулятор був створений ще в XVІІ столітті величним голландським фізиком і інженером X. Гюйгенсом для управління вітряними і водяними млинами (генії часто випереджають свій час і їх досягнення забуваються). Тоді ж з'явився пристрій оперення крил вітряних млинів, що регулювало швидкість їх обертання.

У перший період розвитку автоматичного управління розвиваються принципи механічного регулювання. Крім автоматичних регуляторів Уатта, що діяли за принципом відхилення, з'являються регулятори, засновані на безпосередньому обліку зміни навантаження (1830 р.) (принцип Понселе регулювання по збуренню), а також по принципу управління по похідним (принцип Сіменса - 1845р.), названому інерційним принципом.

В перших автоматичних регуляторах для переміщення виконавчого механізму використовувалось зусилля, що розвивалось чутливим елементом. Із збільшенням потужності парових машин цього зусилля виявилося недостатньо. У 70-х рр. XIX століття був винайдений підсилювач — сервомотор, який істотно збільшив потужність, що подається на виконавчий механізм. Ускладнення систем автоматичного регулювання і необхідність точного вибору їх параметрів привели до розвитку теорії автоматичного регулювання. Засновником теорії регулювання як науки став Джеймс Клерк Максвелл. У роботах Максвелла (1867 р.) і І. Вишнеградського (1872 — 1878 рр.) були вперше розглянуті проблеми, що виникають при автоматичному регулюванні парових машин, і закладені основи теорії лінійних автоматичних систем. У 1877 р. Раус, математик з Кембріджського університету, під впливом Максвела розробив і опублікував перший критерій стійкості розв’язань диференціальних рівнянь будь-якого порядку, поклавши початок роботам в цьому ключовому напрямку. А. Стодола, на основі робіт Вишнеградського, розглянув співвідношення в складній системі регулювання турбін, що включає розподілену ланку у вигляді трубопроводу. На його прохання А. Гурвіц в 1893 р. вирішив задачу про стійкість систем автоматичного регулювання, сформулювавши умови, яким повинні задовольняти коефіцієнти характеристичного рівняння системи (критерій стійкості Гурвіца), і побудувавши критерій стійкості, схожий з результатами Рауса (критерій Рауса-Гурвіца).

У 1899 р. А. Стодола розробив теорію інерційних регуляторів, що здійснюють управління не тільки залежно від зміни регульованої величини, але також і по похідним цієї зміни (стосовно автоматичних регуляторів парових машин — по кутовій швидкості і кутовому прискоренню).

Перераховані роботи заклали основи класичної лінійної теорії автоматичного регулювання. Одночасно були виконані перші роботи також і в області нелінійних завдань автоматичного регулювання, початок яким було покладено в роботах Вишнеградського (1878 р.). Значний внесок в розвиток теорії стійкості нелінійних систем був внесений до 80 – 90-х рр. XIX століття роботами А. Леоте, а також видатною роботою А. М. Ляпунова (1892). Значення цієї роботи було оцінене пізніше, коли в центрі уваги теорії автоматичного управління позначилися складні нелінійні системи. А. М. Ляпунов дав перше в історії науки строге визначення поняття стійкості руху і розробив загальні методи дослідження цього завдання.

Принципове значення для удосконалення методів автоматичного управління мало розвиток електротехніки, який дозволив використовувати нові технічні засоби і розширив межі дії пристроїв автоматичного управління. Винахід електричного реле П. Шиллінгом (1832 р.) поклав початок розвитку складних релейних систем автоматики. Перші електричні регулятори були винайдені В. Чиколевим і П. Яблочковим в 70-х рр. ХІХ століття у зв'язку з появою електричного дугового освітлення. Тоді ж А. Давидов запропонував автоматичну систему управління стріляниною, яка застосовувалася на бойових кораблях російського флоту в 70 – 80-х рр. ХІХ століття. Істотними етапами розвитку релейних систем автоматичного управління вважається період коли було винайдено в США системи автоматичного блокування на залізничному транспорті (У. Робінзон, 1872); розроблена в 90-х рр. ХІХ століття автоматична телефонна станція; відбувся запуск в США автоматичної тягової підстанції (1914 р.), автоматизованої ГЕС (1917) і автоматизованого заводу автомобільних рам (1920 р.), що був першою системою машин, охопленою електричною автоматизацією.

До цього ж періоду відноситься поява перших систем телемеханіки як засобів автоматичного управління на відстані. Вони вперше були застосовані в 1921 р. в США для централізації управління тяговими підстанціями, а надалі набули широкого поширення для централізованого управління енергосистемами, диспетчерського управління на залізничному транспорті і т. ін.

Автоматика як самостійна область техніки вперше отримала визнання на 2-ій міжнародній енергетичній конференції в 1930 р. На цій конференції була створена секція по питаннях автоматичного і телемеханічного управління і захисту.

30-і роки XX століття ознаменувалися початком бурхливого розвитку радіоелектроніки. Електронні лампи як новий технічний засіб, що забезпечує швидкодію, високу чутливість, точність і надійність, швидко починають знаходити застосування в техніці автоматичного управління. Створюються електронні автоматичні регулятори, пристрої релейного управління, що використовують електронні лампи, і так далі. Величезну роль відіграла поява і початок масового застосування під час другої світової війни лампових операційних підсилювачів. На їх базі створюються лампові аналогові обчислювальні машини, що дозволили вперше вести попереднє імітаційне моделювання систем регулювання. Застосування операційних підсилювачів здійснило переворот в побудові аналогових регуляторів і призвело до створення перших автоматичних систем управління з прогнозуванням, таких як системи управління зенітним вогнем і бомбометанням. До цього часу операційні підсилювачі у вигляді інтегральних схем стали основним засобом обробки аналогових сигналів.

У 1944 р. з'явилися перші цифрові електронні обчислювальні машини, що дали початок новому напрямку — автоматизації в області обчислень. З того часу розвиток автоматичного управління і обчислювальної техніки стали нерозривно зв'язані. Одночасно значно розширилось коло об'єктів автоматичного регулювання і управління. Теорія регулювання механічних і теплових процесів почала розповсюджуватися на електричні процеси. Викристалізувалася загальна теорія автоматичних систем. Роботи Г. Найквіста (1932 р.) і А. Михайлова (1938 р.) сприяли впровадженню в теорію автоматичного управління нової могутньої зброї — операційного обчислення і частотних методів аналізу і синтезу автоматичних регулюючих систем. У математичних витоків цих методів стоять великі математики — Жан Батист Фур’є і П'єр Симон Лаплас. Останній, відкривши своє перетворення диференційних рівнянь в алгебру, не вважав це відкриття важливим (так само як Х. Гюйгенс — винахід регулятора). На межі XIX і XX століть, зіткнувшись з проблемою розрахунку передачі електричних сигналів по довгих лініях, О. Хевісайд «перевідкрив» перетворення Лапласа в дещо іншій формі. З тих пір воно стало основним апаратом аналізу і розробки електронних підсилювачів, перехідних процесів в електричних ланцюгах і систем регулювання. О. Андронов та його учні збагатили теоретичні основи автоматики методами фазового простору і точкового перетворення поверхонь, що дало можливість точного вирішення завдань автоматичного регулювання, поставлених ще Вишнєградським, але які залишались не вирішеними, продовж 70 років. Були зроблені важливі кроки в розвитку теорії інваріантних автоматичних систем. Серйозний розвиток отримала теорія імпульсних і дискретних систем автоматичного регулювання.

Поява і швидкий прогрес обчислювальної техніки в другій половині XX століття стали базою для подальшого розвитку САУ. Почали розвиватися оптимальне управління, самоналагоджувальні системи і методи ідентифікації об’єктів управління. Особливу роль почала відігравати теорія випадкових процесів і засновані на ній досягнення. Спочатку ці методи виникли під час другої світової війни у зв'язку з проблемою автоматичного управління зенітним вогнем за наслідками аналізу даних, що поступають від радіолокаторів. Фундаментальну роль в постановці і вирішенні цих завдань, названих завданнями фільтрації і попередженням, зіграли здобутки А.М.Колмогорова, засновника кібернетики Н. Вінера і Дж. фон Неймана.

Найважливішим досягненням прикладної математики середини XX ст. позначилося встановлення Н. Вінером, Г. Хокфом і О.Я.Хінчиним зв'язків між кореляційними функціями шумів в системах і перехідними функціями систем (їх частотними характеристиками), а також роботи по оптимальній фільтрації випадкових процесів Р. Калмана. Визначення цих співвідношень по суті поклало підставу сучасним методам ідентифікації систем, що виросли в цілу самостійну галузь науки про управління.

Іншим найважливішим досягненням став розвиток методів оптимального управління динамічними системами і нестаціонарними об'єктами. Спочатку ці завдання придбали гостроту у зв'язку з початком освоєння космосу і необхідністю оптимізації управління космічними апаратами.

Найважливішими досягненнями в цьому напрямку стала розробка в 1959 році Л.С.Понтрягіним і його учнями принципу максимуму і Р.Беллманом методу динамічного програмування - методу рішення задач з оптимальною підструктурою і підзадачами, що перекриваються, шляхом оптимальної послідовності дій (1953р.). Оптимальна підструктура в динамічному програмуванні означає, що оптимальне рішення підзадач меншого розміру може бути використане для рішення початкової задачі. Ці методи негайно знайшли найширше застосування в розробці алгоритмів управління нестаціонарними технологічними процесами.

Сучасний стан автоматики характеризується широким, хоча і нерівномірним для окремих галузей застосуванням автоматичних пристроїв, що управляють, з переходом до більш складних автоматичних систем, а в промисловості — переходом від автоматизації окремих агрегатів до комплексної автоматизації цехів і заводів. Використання все більшої кількості сучасних виробництв виявляється принципово неможливо без використання САУ.

Істотною межею розвитку автоматичного управління в наш час являється охоплення єдиними системами територіально розмежованих об'єктів з утворенням автоматичних систем, що тягнуться на великі відстані. При цьому для зв'язку між окремими підсистемами застосовуються засоби телемеханіки, які набувають форми комп'ютерних мереж.

Створення і масове розповсюдження дешевих і надійних комп'ютерів розкриває в області САУ технічні можливості, які важко було передбачити ще 10 – 15 років тому. Багато завдань і проблем, що не піддавалися вирішенню в повному об'ємі із-за обчислювальних труднощів, виявляються вирішуваними досить просто за рахунок швидкодії сучасних процесорів.

Швидше за все, слід чекати розвитку принципово нових підходів до автоматизації технологічних процесів, заснованих на величезних досягненнях обчислювальної техніки.

У зв'язку з цим виключно як приклад можливостей, що відкриваються, згадаємо проблему побудови самоорганізуючих систем. У 60-і роки XX століття А. Фельдбаумом був висунутий принцип дуального управління. Ідея його полягала в тому, щоб проводити статистичний аналіз шумів об'єкту і по його результатах покращувати алгоритм управління.

Як відомо, жива природа пішла по іншому шляху, здійснюючи не направлений статистичний аналіз, а випадковий пошук з пробами і помилками, тобто те, що ми називаємо процесом еволюційного природного відбору.

Глобальний підхід, проголошений М. Уолшем, А. Оуенсом і Л. Фогелем, був названий авторами «еволюційним програмуванням» почав розвиватися в різних формах. Суть його полягає в тому, щоб моделювати не окремі елементи і структури біологічних інформаційних систем, вводячи з метою адаптації зворотні зв'язки через середовище, в яке вони занурені, а моделювати сам процес еволюції живих організмів. Для систем управління та ідентифікації промислових процесів такий підхід може бути досить важливим. Дійсно, інформаційні структури живих організмів пристосовані для вирішення визначеного кола задач, виникаючих перед ними в процесі еволюції за Дарвіном, і навряд чи можна безапеляційно стверджувати, що саме ці структури є оптимальними для вирішення завдань управління.

При використанні еволюційного програмування функції дослідження об'єкту управління і самого управління, так само як і у разі системи, що адаптується шляхом аналізу, поєднуються в одній системі, що постійно адаптується (пристосовується) до нових умов.

Еволюційний підхід різко спрощує процедуру адаптації. Він припускає, що структура управляючего автомата може випадковим чином змінюватися, і при цьому автомат відтворює «нащадків». Виживають ті з них, які в якомусь сенсі найкращим чином реагують на зовнішні збурення. Цим нащадкам надається право ухвалення рішень в поточній ситуації, а також у свою чергу породжувати потомство для подальшої еволюції.

Спочатку в систему закладається автомат, що виробляє управляючі дії, відповідно до своїх можливостей. Відмітимо, що цей автомат зазвичай є просто програма в ЕОМ з певною структурою і набором коефіцієнтів. Не слід думати, що мова йде тут про матеріальне втілення природного відбору. Далі структури цього автомата і його «нащадків» міняються за допомогою випадкових «мутацій». Отримані таким шляхом «особи» перевіряються по їх реакції на ситуації, що вже були в процесі управління, інформація про які зберігається в пам'яті, і використовується для подальшого управління і еволюції, якщо вони перевершують «нащадків» за якістю управління.

Автори еволюційного програмування моделювали дарвінівський природний відбір серед автоматів на великих ЕОМ. При цьому показником життєздатності автомата була точність прогнозу ним символів деякої цифрової послідовності.

Для систем управління важливим є передбачати не число, а функцію або їх набір — вирішення системи диференційних рівнянь, що описує поведінку системи. Якщо є програма, здатна моделювати (вирішувати) цю систему рівнянь, то найважливішим завданням ідентифікації і управління є визначення вигляду функцій в правих частинах рівнянь. Ці функції показують залежності тенденцій процесу від поточного стану.

Висока швидкодія і великі об'єми пам'яті дають можливість конструювати динамічні моделі об'єктів з керованою структурою і коефіцієнтами, які визначають вид функцій правих частин. Самі структури при цьому зберігаються (як окремі особі — в термінах біології) в пам'яті комп'ютера. У подібній системі може бути використаний еволюційний підхід для побудови і уточнення моделі динамічного об'єкту по критерію порівняння з раніше зафіксованими перехідними процесами в об'єкті, викликаними певним набором управляючих дій за певних початкових умов — вихідних даних про початок процесу. Швидкість генерації поколінь нащадків при цьому може бути дуже високою.

Тим самим така програма вирішує два завдання — управління (настільки добре, наскільки просунулася еволюція) і ідентифікації, тобто визначення виду системи диференційних рівнянь, що описують об'єкт.

Збільшення ступеня інтеграції мікросхем призводить до корінної ломки самих понять елемент, вузол, ЕОМ. Те, що 20 років тому вважалося великою ЕОМ, тепер відноситься до класу мікро-ЕОМ. Мабуть, найбільш ефективним шляхом подальшого розвитку виявиться шлях створення мереж порогових або нейроподібних елементів, в яких еволюція буде відбуватися шляхом зміни структури і складу мережі. Фактично багато досліджень і крокують в такому напрямку.

Системи, побудовані на багатьох інтегральних схемах, отримують здатність міняти свою структуру і підключати до вирішення задачі необхідні вузли залежно від виникаючої ситуації. Можливо, саме це і є шляхи, за котрими техніка просуватиметься до створення суцільних еволюціонуючих і обчислювальних адаптивних середовищ, які здатні управляти складними технологічними процесами.

 

Питання та завдання для самоконтролю.

 

1. Що на вашу думку підштовхнуло людство до створення АСУ?

2. З яких елементів може складатися АСУ?

3. Яку роль відіграють АСУ в промисловості?

4. Чи потрібне автоматизоване управління взагалі?

5. Що таке ЕОМ? Назвіть функції, можливості ЕОМ.