Машина управляет

11

Машина управляет
Р. С. Гутер,
Ю. Л. Полунов

Недавно сотрудники американского журнала «Компьютер энд аутомейшн» подсчитали, что из шестисот «профессии» электронных вычислительных машин около стала пятидесети приходится на долю так называемых «управляющих» машин — машин, которые управляют быстротекущими техническими и экспериментальными процесами. Мы хотим здесь расссказать о том, как машины управляют и почему для этого понадобились вычисления.

Как управляет человек

По шоссе мчится автоматиль. Шофер управляет движением машин. Обгоняя попутный транспорт и разъезжаясь со встречными машинами, водитель непрерывно следит за дорогой. Он намечет траекторию и скорость движения и изменяет положение pedalей и руля машины так, чтобы фактические траектория и скорость как можно меньше отличались от намеченных. Мозг — руки — машина — глаза — мозг — вот система управления автоматием.

В электронской печи существует формы для отливок. Температура в печи не должна выходить за определенные пределы. Работий следит за стрелкой прибора, связанного с электронским термометром внутри печи. Если стрелка приближается к заданным границам, то рабочий увеличивает или уменьшает ток в нагревателном элементе, передвигая движок реостата, чтобы стрелка возвращалась в нужное положение.

На плите варится борщ. Повар пробует борщ и добавляет те или иные

12

продукты или изменяет силу огня до тех пор, пока содержимое кастрюли не придет в соответствии с его представлениями о готовом и вкусном блюда. Легко видеть, что приципы его действий те же, что и шофера, и рабочого у сушильной печи. Различие в действиях определяется лишь особенностями технологических процессов.

Алгоритмы управления

Во всех наших примерах фигурировал человек. Однако его можно исключить из системы управления. Если закон управления каким-либо объектом точно сформирован в виде последовательности правил действий (алгоритма), то, в принципе, можно создать устройство и составить программу, осуществляющую этот алгоритм без участия человека. Такие системы принято называть системи автоматического управления.

Например, для управления сущнымной печью достаточно выходной сигнал электрического термометра подать в устройство управления двигателя, связанного с движком реостата. Алгоритм управления ясен: если температура в печи начала падать, то двигатель должен повернуть в одну сторону, увеличивая ток в печи; если же температура растет, то двигатель должен уменьшить ток, повернуть в противоположную сторону.

Отвлекаясь от физической системы процессов, протекающих в системе управления, мы можем выделить блоки, общее для этих систем: объект управления, управляющая система, исполнительные органы и органы (устройства), передающие в управляющую систему информацию о целях и результатах управления. Графическое изображение такой системы (блок-схема) приведено на рисунке 1. Советуем читателю определить, что именно играет роль или иного блока в каждом из приведенных примеров.

Описанные системы управления замкнутыми системами

или системами с обратной связи. На принципие обратной связи — передаче информации с выхода системы на ее вход — основано регулирование процессов в живых организмах, технических устройств, экономических и общественных систем.

Чтобы понять роль обратной связи, надо познакомиться с разомкнутыми системами, в которых такая связь отсутствует. Примером может служить автомат по продаже газированной воды.

Как работает этот автомат? Опущенная в ответе монета проверяется по весу и, падая затем дальше, замыкает электрическую цепь. Включенный его электромагнит принятывает рычаг, открывающий клапан (кран) на время, достаточно для наполнения стакана воды.

Бывают случаи, когда автомат «не доливает». Он делает это, разумется не по «злому умыслу», просто за время эксплуатации изменились свойства электромагнита или рычага, и он открывает клапан на более короткий срок.

Попробуем видизнить автомат так, чтобы возникла обратная связь. Для этого нужно иметь устройство, изменяющее уровень жидкости в стакане. Выходной сигнал этого устройства надо подать в обмотку электромагнита так, чтобы клапан оставался открытым до тех пор, пока не придет сигнал «стакан полон». Такая система будет более гибкой,ей не страшны изменения.

Замкнутые системы автоматического управления появились за

14

Управление с обратной связи

Замкнуть системы управления, используемые вычислительные машины, получили наиболее широкое распространение в химической и металлургической промышленности, в тепловой иatomной энергетике. В замкнутых системах управления воздействие вырабатывается с учетом информации о ходе процесса. Устройства, собирающие эту информацию, называют датчиками.

Выходной сигнал таких датчиков, как правило, представляет собой неокторную физическую величины, имеющую непрерывный характер. Чтобы цифровая вычислительная машина восприняла информацию датчиков, непрерывная (часто говоря — аналоговая) величина должна быть преобразована в цифровую форму в двойной системе численения. Поэтому важной составной частью управления машины является аналого-цифровой преобразователь.

Входной величиной аналого-цифрового преобразователя является напряжение или ток, угловое или линейное перемещение или положение какого-либо устройства. Значую аналоговая величина превращается из своей исходной формы в другую, более удобную для преобразования, например, давление преобразуется в перемещение.

Рассмотрим в качестве примера одну из возможных схем преобразования напряжения в число импульсов. Пусть на входе преобразователь подается напряжение $U_{bx}$ (рис. 2, а). Преобразователь работает дискретно, то есть изменяет напряжение через определенные промежутки времени (такты), в течение которых входное напряжение можно считать приближительно постоянным.

Начало каждого такта отмещается максимальным импульсом, который испускается генератор максимых импульсов (рис. 2, б). Таковый импульс запускает генератор счетных импульсов (рис. 2, с), генератор пилообразного напряжения (рис. 2, e) и включает счетчик.

Пилообразное напряжение и входное напряжение $U_{bx}$ подаются на два входа схемы совпадения, которая в момент их совпадения (рис. 2, д) выдает импульс (рис. 2, e), запирающий счетчик. Число счетных им-

Рис. 2.

пульсов (рис. 2, ж), попавших в счетчик, будет пропорционально промежутку времени между тактовым и запирающим импульсами, а этот промежуток пропорционален величине входного напряжения $U_{bx}$.

Таким образом, в этом analogо-цифровом преобразователь осуществляется следующая цепь преобразования: аналоговая величина $\rightarrow$ напряжение $\rightarrow$ временной интервал $\rightarrow$ цифровая форма. Блок-схема такого преобразования показана на рисунке 3.

Кроме преобразования analogов в цифровую форму, передко требуется и обратное преобразование. Дело в том, что вычислительная машина

15

шина выработывает сигнал в цифровой форме. Если исполнительным органом системы автоматического управления является шаговый дигитель, который управляет цифровым сигналом, то никаких дополнительных преобразований не требуется. Если же в качестве исполнительного органа применяется общий дигитель (засlonка, регулятор), требующий непрерывного входного сигнала, то нужен цифро-аналоговый преобразователь. Такие преобразования основаны на тех же принципах, что и рассмотренные выше аналогичными объектом.

Блок-схема замкнутой системы управления техническим процессом с использованием электронной вычислительной машины изобранена на рисунке 4. Видно, что, кроме вычислительной машины, система управления содержит довольно много дополнительного оборудования, необходимого для связи машин с управляемым объектом.

Прежде всего, необходимы датчики величины, характеризующих управляемый процесс. К ним относятся:

a) входные параметры процессов (давление, температура, расход сырья, потребление тепловой и электрической энергии и т. д.). Эти величины могут быть управляемыми (если мы можем их изменить с помощью урра в ля ю щ и х сигналов) или неуправляемыми (если мы не можем их изменить);

b) возмущения, нарушающие нормы ход процессов (колебания температуры окружающей среды, сетевого напряжения и т. д.);

b) выходные параметры процессов (колебания и качество основного и побочного продуктов, их температура, состав и т. д.).

Все информация должна быть преобразована в цифровой вид и введена в вычислительной машину. Кроме информации, в машину необходимо ввести алгоритм управления, переведенный на машинный язык (прорамму управления). Именно благодаря программе машина может расчитать, какие управляющие воздействия нужны в данной ситуации, чтобы регулируемый процесс шел навыгоднойшим образом.

Как составляется алгоритм

Составление алгоритма управления для каждой системы или, точнее, для каждой управляемого процесса, представляет собой сложную задачу. Очень часто не удается получить строгое математическое описание сложных процессов и выразить зависимости между характеристиками их величины в аналогичной форме. Тогда приходит прибегать к экспериментальным методам установления таких зависимости.

Полученные сведения и описания используют для построения математического модели объекта, которая представляет собой сложную задачу. Кроме того, необходимо также точный критерий оптимального процесса, определяющий цель управления *). Чаще всего

*) Насоклько важна четкая формулировка целей управления, читатель может судить по рассказу американского писателя-фантаста P. Шекл и, Страж-птица, М., «Молодая гвардия», 1968 (Библиотека научной фантастики. Т. 16).

16

целью управления является достижение максимального экономического эффективта. Однако, иногда приходит именно дело и с другими критериями, например максимальной производительностью, минимальными затратами или кратчайшим сроком.

В ряде случаев управления алгоритм удается сначала «способностью самообучения». Это означает, что программа будет иметь возможность анализировать результаты управления воздействий и соответствие выбранной математической модели процесса его реализации течение и внесить требуемые коррективы в математическую модель.

Система «СТАРТ»
Все читатели, наверное, видели автоматический светофор — простейшую незамкнутую систему. В нем свет переключается в определенном порядке через определенные промежутки времени без учета фактической ситуации на перекрестке. Летом 1972 года на площади Серпуховской заставы в Москве (с довольно сложной схемой движения, см. рис. 5) была включена система автоматического управления транспортным потоком. От датчиков, расположенных под проездей частью улиц, выходящих на площадь, в системе подаются сведения о числе машин, движущихся по каждой возможного положения светофоров вычислительной машина подчиться число движущихся и простаявших автоматин и определяет среднее время простоя в расчете на одну машину, после чего выбирает положение светофоров так, чтобы время простоя было минимальным.

В 1974 году в Москве должа быть введена в эксперименто системе автоматического регулирования транспортных потоков «СТАРТ», которая будет «заведовать» всем светофорами внутри Садового колца столицы. Для каждой внутреннего узла схемы можно будет расчитать число машин, подходящих к этому узлу по различным направлениям.

Алгоритм управления для такой системы включает в себя расчет среднего времени простоя машин; критерий оптимального протекания процесса) — минимальное этого времени простоя.