книги из ГПНТБ / Солодовников В.В. Статистическая динамика линейных систем автоматического управления

10 ПРЕДИСЛОВИЕ

все содержание книги. Поэтому вспомогательные понятия и матема­

десятая и одиннадцатая главы, и Л. Т. Кузин, написавший почти

/

ВВЕДЕНИЕ

В развитии автоматизации можно указать две стадии.

Первая стадия, которая достигла довольно высокого уровня развития уже сейчас, характеризуется осуществлением частичной автоматизации, когда без участия человека осуществляются лишь отдельные операции управления, необходимые для ведения производ­ ственного процесса, например управление отдельным станком, двига­ телем и т. д. Функции же управления всем производственным про­ цессом в целом остаются за человеком.

Вторая стадия автоматизации, которая еще только начинает развиваться, характерйзуется осуществлением комплексной автомати­ зации, когда управление не только отдельными агрегатами, но и всем производственным процессом в масштабе цеха, завода или даже нескольких заводов поручается автоматически действующим упра­ вляющим машинам.

Причины, обусловившие указанный выше второй этап развития, автоматизации, заключаются:

1) в непрерывном усложнении производственных процессов и невозможности решения задачи управления ими не только одним человеком, но и несколькими людьми ввиду трудности согласования их действий;

2) в ограниченности физиологических способностей человека,

3)в стремлении к дальнейшему увеличению производительности труда и технико-экономических показателей производства;

4)во вредности или невозможности осуществления управления некоторыми процессами при помощи человека.

При механизации основная задача заключается в замене машинами мускульной силы человека. При автоматизации и, особенно, при комплексной автоматизации задача заключается в переложении на машину все более сложных функций управления.

Если для открытия принципов и законов, позволяющих получать большие количества энергии, необходимо было иметь дело с физи­ ческими процессами, с неживой природой, то для отыскания прин­ ципов и законов, позволяющих создавать машины, расширяющие возможности человеческого мозга, естественно обратиться к живой

12 ВВЕДЕНИЕ

природе и, прежде всего, к самому человеческому мозгу, являющемуся наиболее высоко организованной формой существования материи, в которой заложены наиболее совершенные принципы и законы управления.

Большие успехи в изучении высшей нервной деятельности человека и животных были достигнуты И. П. Павловым, который придавал исключительное значение применению точных количественных мето­ дов для изучения физиологических явлений.

Но обратной тенденции, тенденции воплощения в машины прин­ ципов управления, имеющихся в живых организмах, значительное внимание стало уделяться лишь совсем недавно, со времени появления нового научного направления, называемого кибернетикой. Основа­ телем этого научного направления является Н. Винер ’). Кибернетика — это, по существу, общая теория управления. Поэтому, ставя себе задачу рассмотреть некоторые вопросы теории автоматического

в частности на системы автоматического управления, осуществляется через их чувствительные органы, которые выбирают требуемую информацию об окружающей обстановке. Информация преобразуется, передается, накапливается и затем используется для обратного воз­ действия на внешний мир.

Как в живых организмах, так и в машинах, в которых имеют место информационные процессы, должны быть чувствительные

об окружающей среде, необходимой для работы машины или индивидуума.

Как в тех, так и в других первоначальная информация, принятая чувствительными органами, преобразуется внутри организма или

страции выполнения или невыполнения ими их собственных задач, участвуя в осуществлении функций обратной связи.

Как в тех, так и в других имеется центральный орган управления (мозг — у человека, вычислительный прибор — у машины), опреде­ ляющий, что должна делать система на основе информации, накапли­ ваемой ею в памяти или запоминающем устройстве.

Как в тех, так и в других должны существовать исполнительные, органы, выполняющие те или иные целеустремленные действия на основе принятой и переработанной информации.)*

*) Wi e n e r N., Cybernetics, J. Wiley, N. Y., 1949.

от одной системы к другой. Процессу передачи информации обычно мешают помехи или шумы.

О передаче информации между двумя системами можно говори лишь в том случае, если:

Сигнал

Рис. 1.

1)система, передающая информацию (передатчик), производит сообщения, которые заранее не могут быть предсказаны системой, принимающей информацию (т. е. приемником);

2)приемник обладает способностью реагировать на эти сигналы или способностью производить их селекцию, отбор среди всех других воздействующих на него факторов;

3)между передающей и -принимающей системой имеется код или

Таким образом, если выражение «система А является источником информации для системы В» имеет смысл, то выражение «система А является источником информации», вообще без указания приемника, смысла не имеет.

Заметим, что в основе понятия информации лежит предположение о неполном знании (непредсказуемость сообщений или сигналов).

16 ВВЕДЕНИЕ

Процесс образования сообщения рассматривается в теории инфор­

щих выборов. Чем выше степень неопределенности, чем больше свобода выбора при образовании сообщения, тем большее количество информации оно содержит. Это можно понимать в том смысле, что чем большее количество информации содержит сообщение, тем более неопределенное положение превращается в определенное в результате передачи сообщения получателю.

Таким образом, можно сказать, что количество информации характеризует скорее то, что можно сказать в данных условиях, чем то, что сказано в действительности. Вот почему говорят, что количество информации определяет свободу выбора при выборе сообщения.

Понятие количества, численной меры информации не следует ото­ ждествлять с житейским пониманием этого термина, связывающего его скорее со смыслом, значением, точно так же как нельзя смеши­ вать, скажем, количественную меру электричества — кулон с сущ­ ностью электричества как физического явления.

С рассматриваемой точки зрения два сообщения, одно из которых имеет глубокое содержание, а другое представляет собой полнейшую бессмыслицу, могут быть по количеству содержащейся в них инфор­ мации совершенно эквивалентны.

Причина, по которой понятию количества информации придается в технике указанный выше смысл, характеризующий не отдельное сообщение, а всю статистическую природу передатчика информации, заключается в следующем.

Инженер, проектирующий систему связи или систему автомати­ ческого управления, должен рассчитать ее так, чтобы она была при­ годна для передачи любого сигнала, который может быть подан на ее вход. При этом, если невозможно или невыгодно спроектировать систему так, чтобы она имела одинаково хорошие характеристики во всех случаях, то ее во всяком случае нужно рассчитать так, чтобы она обладала наилучшими характеристиками в наиболее вероятных условиях работы и была бы менее эффективна в более редких слу­ чаях. Такого рода соображения сразу же ведут к необходимости изучения всей совокупности или всего ансамбля сигналов, который может быть подан на вход системы.

Перейдем теперь к рассмотрению предмета и задач статистической динамики систем автоматического управления, которой посвящена настоящая книга.

Выше мы видели, что для развития кибернетики как общей теории управления, вообще говоря, недостаточно использования результатов лишь точных и технических наук.

Кроме того, говорилось о том, что кибернетика может быть под­ разделена на аналитическую и техническую кибернетику, причем

на «полезные», или управляющие, и «-вредные», или возмущающие. Рассмотрим, например, радиоприемник, который может являться эле­ ментом системы автоматического управления. Здесь управляющим воздействием является сигнал на его входе, получаемый от соответ­ ствующей станции или передатчика, если предположить отсутствие помех, играющих в данном случае роль возмущающих воздействий.

Причины образования помех и шумов могут быть самые различ­ ные. Хорошо известно, что даже тогда, когда на входе радиоприем­ ника нет никакого полезного сигнала, напряжение на его выходе колеблется или флуктуирует относительно некоторого среднего зна­ чения. Эти флуктуации создаются различными факторами, к числу которых можно отнести, например, следующие:

1) тепловые шумы, вызываемые беспорядочным движением электро­ нов в проводниках;

2)дробовой эффект, связанный с тем, что число электронов, излучаемых катодом лампы в единицу времени, колеблется относи­ тельно некоторого среднего значения;

3)шумы, вызываемые работой контактов;

4)шумы (или, как иногда говорят, фон), создаваемые источниками питания;

5)шумы из-за генерации автоколебаний в местных паразитных цепях обратной связи и т. д.

Кроме того, если на вход радиоприемника попадает сигнал от какой-либо станции, то обычно на него накладываются помехи от станций, работающих приблизительно на той же волне, а также атмосферные помехи, вызываемые целым рядом факторов, и т. д.

Работу системы автоматического регулирования, находящейся под влиянием управляющего (или задающего) и возмущающего воздей­ ствий, какой бы характер они не имели, можно сравнить с работой радиоприемника, на вход которого попадают не только полезные сигналы от передающей станции, но и помехи.

Рассмотрим, например, систему регулирования скорости турбо­ генератора. В ней задающим воздействием является постоянный сиг­ нал, соответствующий номинальному значению скорости, а возмущаю­ щим воздействием — непрерывные колебания нагрузки, которую со­ здает подключенная к генератору внешняя цепь. Очевидно, что эти

лирования: самолет — автопилот. В ней задающим воздействием могут служить сигналы, поступающие на вход автопилота и определяющие требуемый закон движения самолета, а возмущающими воздействиями являются непрерывные, и притом случайные, изменения лобового сопротивления и подъемной силы самолета вследствие хаотического движения масс воздуха, колебаний плотности атмосферы и других причин,