Вопрос 1. Основные этапы развития теории автоматизированных систем управления

Первые сведения об автоматах появились в начале нашей эры в работах Герона Александрийского, который описал механические и пневматические автоматы (пневмоавтомат для открывания дверей храма при зажигании жертвенного огня, автомат для продажи священной воды — прообраз наших автоматов для отпуска жидкостей, механических театр марионеток и др.).

Древнегреческое слово «аутоматос» (и производное от него — «автомат») означает — самодействующий аппарат.

В середине века получила развитие «андроидная» автоматика. Изобретатели создавали автоматические устройства, которые по внешнему виду и некоторым действиям напоминали человека. Поэтому их называли «андроидами», то есть человекоподобными.

В эпоху промышленного переворота в Европе (конец XVIII — начало XIX вв.) появляется практический интерес к автоматике, связанный с ее внедрением в промышленность.

Крупной вехой на пути практического применения автоматики явилось изобретение в 1765 г. И. И. Ползуновым автоматического регулятора питания парового котла и в 1784 г. Уаттом автоматического регулятора скорости паровой машины.

Первыми автоматическими устройствами в электротехнике были регулятор напряжения Э. Х. Ленца и Б. С. Якоби и дифференциальный регулятор для дуговых ламп В. Н. Чиколева, предложенные в середине XIX в.

С разработкой автоматических регуляторов начинает развиваться и теория автоматического регулирования. Первые фундаментальные работы по теории автоматического регулирования опубликованы академиком П. Л. Чебышевым и профессором Петербургского технологического института И. А. Вышнеградским. В статье «О регуляторах прямого действия» (1876 г.) И. А. Вышнеградский рассматривает регулятор и машину как единую динамическую систему. Это позволило для исследования динамики систем регулирования установить общие методы, которые используются и в настоящее время.

В связи с запросами теории регулирования Раусом (1874 г.) по предложению Максвелла и Гурвицем (1895 г.) по просьбе видного чешского ученого Стодолы, исследовавшего вопросы теории регулирования паровых и гидравлических турбин, были разработаны алгебраические критерии устойчивости. Большой вклад в теорию регулирования сделан Н. Е. Жуковским, автором первого русского учебника «Теория регулирования хода машин».

Общая теория устойчивости динамических систем была разработана А. М. Ляпуновым в труде «Общая задача об устойчивости движения» (1892г.).

В 1932 г. американский ученый Найквист предложил частотный критерий устойчивой работы электронных усилителей, который был обобщен и развит применительно к теории регулирования в работах А. В. Михайлова (1936 г.), давших ряд инженерных методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования.

В послевоенный период теория автоматического регулирования и автоматика в целом получают новое качественное развитие, связанное с колоссальным техническим прогрессом всех отраслей промышленности, а также с разработкой современных технических средств и методов автоматизации.

Если 40-х годов в автоматике разрабатывались вопросы устойчивости, то в последующий период исследуется качество регулирования. Я. З. Цыпкин и И. Н. Вознесенский предложили метод анализа качества по степени устойчивости (1945 г.), В. В. Солодовников предложил метод оценки качества по частотным характеристикам и разработал метод построения переходных процессов с помощью трапецеидальных характеристик (1949 г.).

По теперешним представлениям автоматика — это отрасль науки и техники, охватывающая теорию автоматического управления, а также принципы построения автоматических систем и образующих их технических средств. Автоматическое управление предполагает управление производственным процессом без непосредственного участия человека. В то время в ряде работ отечественных и зарубежных ученых осуществляется развитие теории и систем со многими регулируемыми параметрами и запаздыванием, систем экстремального регулирования и автоматической оптимизации. Эти исследования были вызваны современными тенденциями развития техники, которые были связаны распространением непрерывных поточных процессов, нарастанием скоростей их протекания и ускорением перехода от одного процесса к другому. Усиливались связи между отдельными процессами, соединенными в общий производственный поток. Выход из строя, какого — либо механизма вызывал нарушение всего производственного цикла. В соответствии с развитием техники повышаются требования к скорости, точности и объективности управления, которое может выполняться только автоматическими устройствами, не связанными с восприятием и реакцией человека.

В области автоматизации производственных процессов наблюдался переход от частичной автоматизации к комплексной, от комплексной к полной, а в конечном счете — к цехам — и заводам-автоматам, обеспечивающим наивысшую технико-экономическую эффективность производства. Для интенсивных и сложных производственных процессов при обеспечении высокого качества автоматического управления требуется большая математическая обработка результатов замера контролируемых параметров. В этом случае в систему автоматического управления внедрялись электронно-вычислительные машины. Происходила замена не только физического труда, но и умственного труда человека. В последующем специальные методы и технические средства автоматики позволили объединить в один технологический процесс работу большого количества машин и установок, расположенных друг от друга на значительных расстояниях. Такие системы автоматики стали называть телемеханическими.

Телемеханика — область науки и техники, охватывающая теорию и технические средства автоматической передачи на расстояние команд управления, а также информации о состоянии объекта. Для управления сложными развивающимися процессами начинают использовать методы кибернетики и кибернетические устройства. Термин «кибернетика» не нов в науке. Еще древнегреческий философ Платон назвал кибернетикой искусство управления кораблем. В переводе с древнегреческого слово «кибернетас» означает управляющий, рулевой, кормчий.

Американский математик Н. Винер придал новый смысл этому термину, назвав в 1947 г. кибернетикой науку, изучающую законы управления в живых организмах и машинах. Советский ученый академик А. И. Берг объединяет живые организмы и машины в одно общее понятие — система, подчеркивая ее динамический и сложный характер. Согласно современным представлениям, кибернетика — это наука о целенаправленном управлении сложными развивающимися системами и процессами, изучающая общие математические законы управления объектами различной природы.

Сфера действия кибернетики необычайно обширна. В круг ее интересов входят вопросы управления машинами и системами машин, производственными процессами и организованной деятельностью людей, физиологическими, биохимическими и биофизическими процессами, включая умственную деятельность человека.

Говоря об автоматизации, имеют в виду полное или частичное применение всего комплекса средств автоматики, телемеханики и вычислительной техники. Эти средства в настоящее время исключительно разнообразны; среди других технических средств здесь все более широкое применение получает, в частности, электроника, полупроводники, бесконтактные электромагниты, микромодульные, молекулярные и другие элементы. Однако сохраняют свою важную роль также электропневматические и электрогидравлические устройства, обладающие как силовые исполнительные устройства в ряде случаев большей надежностью и быстродействием, чем чисто электрические. Разнообразны также и общие принципы структурного построения автоматических, телемеханических и вычислительных систем. Они могут иметь любую физическую природу и включать в себя устройства любой конструкции и принципа действия, а также аппаратно — программные комплексы и людей.