Люди и кибернетика
Шрифт:
Дело даже не в том, что был изобретен еще один механизм для управления паровой машины, — регулятор Уатта впервые реализовал автоматическое управление, управление без вмешательства субъекта, без вмешательства людей. Раньше к паровой машине приставлялся человек, который менял направление и количество подаваемого в цилиндр пара, регулировал ее работу. Теперь все делалось само по себе. Появилось не просто техническое изобретение — родился новый взгляд на принцип управления. Расскажем все по порядку. Сначала — что такое регулятор Уатта, как он работает и каковы проблемы его проектирования и использования.
Представим себе вал трансмиссии, которая в стародавние времена
Даже при самой ритмичной работе каждый рабочий-станочник по-своему нагружал трансмиссию. Он то менял заготовки деталей, то менял инструмент, то производил операции, требующие разных затрат мощности, и т. д. Нагрузка на трансмиссию в силу этого все время менялась, и при одной и той же мощности паровой машины, при одной и той же величине вращающего момента вала трансмиссии число оборотов вала менялось. Следовательно, менялись условия работы станков. А это уже недопустимо! Надо было стабилизировать количество оборотов трансмиссии, для чего надо было изменить количество пара, подаваемого в цилиндры. Эту задачу и решал регулятор Уатта. Делал он это так.
Когда нагрузка на вал увеличивалась, он автоматически увеличивал отверстие, через которое пар поступал в цилиндры машины из парового котла, увеличивая тем самым подачу пара. И прикрывал заслонку, когда нагрузка на вал падала, уменьшая подачу пара.
Так появилась первая техническая конструкция, автоматически реализующая обратную связь. Конечно, это утверждение не совсем точное. Технические системы с обратной связью придумывались еще в античную эпоху Героном и Филоном. И регулятор Уатта лишний раз доказывает справедливость утверждения, что «все новое — это хорошо забытое старое»! Но если идеи античных ученых были опытами, опередившими на тысячелетия потребности общества, то регулятор Уатта отвечал жизненной необходимости развивающейся техники и положил начало современному машиностроению. Идея его конструкции была удивительно проста.
Представим себе две симметричные массы (центробежные кулачки), связанные с вращающимся валом OO' (см. рисунок). Эти массы стягиваются пружиной, старающейся уменьшить угол α — угол, на который массы отклоняются от оси при вращении вала. Чем больше число его оборотов, тем больше центробежная сила, действующая на массы m1 и m2) и тем больше будет угол а.
И обратно, с уменьшением числа оборотов вала угол отклонения а уменьшается. Следовательно, нам достаточно связать этот угол с ходом заслонки, регулирующей подачу пара из котла в цилиндр, чтобы реализовать процесс управления числом оборотов трансмиссии с целью обеспечения постоянства этой величины.
Таким образом, регулятор Уатта «чувствует» (фиксирует, автоматически измеряет) изменение нагрузки на вал, «следит» за изменением числа его оборотов и соответственно этому изменению меняет количество пара, поступающего в цилиндр. Так регулятор Уатта способен совершенно автоматически сохранять необходимое число оборотов вала трансмиссии независимо от нагрузки.
На основе этой идеи были построены первые регуляторы паровых машин. Никакой специальной теории тогда инженерам не требовалось — уж очень просты были первые регуляторы. Но техника развивалась, росли скорости работы станков, повышалась мощность паровых машин, за счет лучшей обработки деталей уменьшалось трение в регуляторах, совершенствовалось многое другое. Однако вместе с усложнением всей системы «станки трансмиссия — паровая машина — регулятор» регулятор все чаще и чаще переставал выполнять свои обязанности; число оборотов вала колебалось, появлялись вибрации, системы все чаще и чаще стали выходить на аварийные режимы. Инженеры поняли, что для хорошей работы регулятора необходимо правильно рассчитать его параметры, и прежде всего соотношение между углом, на который расходятся центробежные кулачки, и ходом заслонки, регулирующей подачу пара.
Кроме того, надо было понять роль трения в регуляторе (как показал опыт, уменьшение трения часто не улучшало качества регулирования, а ухудшало его).
Одним словом, практика управления производством на предприятиях, оснащенных паровыми машинами, потребовала создания теории, способной рассчитывать параметры регулятора, обеспечивающие устойчивый режим его работы. Это значит, что жизнь поставила задачу создания математической модели регулятора Уатта и методов ее анализа. Эту задачу практически одновременно и независимо друг от друга решали английский физик Дж. Максвелл и русский инженер И. Вышнеградский. Они положили начало новой дисциплине, которую стали называть «Теорией регулирования».
От «Теории регулирования» к «Теории технического управления»
Задача проектирования регулятора Уатта несла в себе уже все основные идеи будущей теории технического управления системами.
Исследования Д. Максвелла и И. Вышнеградского дали в руки инженерам такую схему проектирования регулятора, которая обеспечивала его устойчивую работу.
Они не только показали возможность построения математических моделей процессов регулирования работы сложных технических систем, но и доказали, что именно с построения такой модели и должно начинаться проектирование каждого регулирующего устройства.
Любое моделирование — неисчерпаемо сложно.
Но при создании модели для исследования практических задач не следует переусложнять ее и строить, так сказать, минимальную модель. А это всегда искусство, это талант исследователя: надо, чтобы она, с одной стороны, достаточно точно (с позиций практики) описывала процесс, а с другой — не была бы перегружена второстепенными деталями.
Первая модель, которую строил И. Вышнеградский, была, с точки зрения математика, совсем простая — она описывалась линейным дифференциальным уравнением третьего порядка с постоянными коэффициентами. Это значит, что сколько бы ни было параметров у регулирующего механизма, его поведение определяется только тремя величинами.
Следующий шаг — формулировка цели. Он также ответствен и труден, ибо надо на математическом языке сказать, что значит хороший регулятор. И впервые в работах Дж. Максвелла и И. Вышнеградского была найдена та формулировка цели управления, которая на протяжении целого столетия определяла развитие дисциплины.
С точки зрения инженера, требования к регулятору достаточно просты при любом изменении нагрузки он должен обеспечивать постоянство числа оборотов вала. Это требование можно перевести на язык математика очень большим числом способов. Но из них надо выбрать такую формулировку критерия, определяющего качество работы регулятора, чтобы выполнение требований критерия удовлетворяло требование практики.