Т1 Предисловие и история

сложения движений; открыл изохронность колебания маятника, первым дал строгие понятия скорости и ускорения движения (таким образом, история динамики систем начинается с Галилея). Построил телескоп с 32-кратным увеличением и открыл горы на Луне, 4 спутника Юпитера, фазы у Венеры, пятна на Солнце. Активно защищал гелиоцентрическую систему мира, за что был подвергнут суду инквизиции (1633), вынудившей его отречься от учения Коперника. Существует легенда, что сначала Галилей был вынужден «отречься от ереси», но потом, топнув ногой, произнес знаменитые слова: «E pur si muove! – А все-

таки, она движется!» Эта фраза стала символом непоколебимой уверенности, убежденности в научной правоте. Существуют картины и художественные описания этой сцены, изображающие смятение прелатов, услышавших внезапный возврат к осужденной идее. До конца жизни Галилей считался «узником инквизиции» и принужден был жить на своей вилле Арчетри близ Флоренции. Лишь в 1992 г. (!) папа Иоанн Павел II объявил решение суда инквизиции ошибочным и реабилитировал Галилея.

Г. Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисление. Таким образом, Ньютоном был разработан современный математический аппарат, на основе которого осуществляется анализ процессов, как в динамических системах, так и в системах более общего класса. Открыл дисперсию света, хроматическую аберрацию, исследовал интерференцию и дифракцию, развивал корпускулярную теорию света, высказал гипотезу, сочетавшую корпускулярные и волновые представления. Построил зеркальный телескоп. Сформировал законы классической механики. Открыл закон всемирного тяготения, дал теорию движения небесных тел, создав основы небесной механики. Пространство и время считал абсолютными. Работы Ньютона намного опередили общий научный уровень его времени и считались малопонятными его современникам. Был директором монетного двора, наладил монетное дело в Англии. Занимался также алхимией и толкованием библейских пророчеств.

_____________________________________________

Принципиально новый этап развития автоматических систем связан с промышленной революцией, которая началась в XVII веке в Англии и охватила в течение XVII–XVIII веков ведущие страны Европы и Америки. Промышленная революция вызвала потребность в системах автоматического регулирования, без которых невозможно промышленное производство, основанное на сложной технике.

К первым примерам промышленного применения регуляторов, использующих принцип обратной связи, относятся регулятор уровня котла паровой машины И.И. Ползунова12 (1765), регулятор скорости паровой

12 Ползунов, Иван Иванович (1728–1766), российский теплотехник. В 1763 году разработал проект универсального парового двигателя – первой в мире двухцилиндровой машины непрерывного действия, осуществить который ему не удалось. В 1765 г. построил по другому проекту первую в России паросиловую установку для заводских нужд, которая проработала 43 дня; за неделю до ее пробного пуска Ползунов скончался.

11

машины Уатта13 (1784). Первым примером устройства программного управления является устройство управления с помощью перфоленты ткацким станком Жаккара14 (1804–1808) и др.

Следует отметить, что основная заслуга И.И. Ползунова, Дж. Уатта и др. состоит в промышленном применении регуляторов. Сами же автоматические устройства, работающие с использованием принципа обратной связи, были известны давно и следы их применения уходят в глубокую древность. Так, как уже отмечалось, с начала нашей эры использовалась схема поплавкового регулятора уровня водяных часов, которая просуществовала вплоть до XVII века, когда водяные часы были заменены механическими.

13Уатт (Watt), Джеймс (1736–1819), английский изобретатель, создатель универсального теплового двигателя. Изобрел (1774–1784) паровую машину с цилиндром двойного действия, в которой применил центробежный регулятор, передачу от штока цилиндра к балансиру с параллелограммом и др. (патент 1784 г.). Машина Уатта сыграла большую роль в переходе к машинному производству.

14Жаккар (Jacquard), Жозеф Мари (1752–1834), французский изобретатель. Создал (1804-1808) для ткацкого станка особое автоматическое устройство для выработки крупноузорчатых тканей (декоративные ткани, ковры, скатерти и т.п.). Это устройство дало возможность раздельно управлять каждой нитью основы или небольшой их группой. Управление осуществлялось программно от перфоленты. Данный станок (машина Жаккарда) является прообразом современных станков с программным управлением.

12

В начальный период развития
автоматического			регулирования
основные	принципы		регулирования
еще не были ясно осознаны. Ясное
понимание принципов регулирования
вырабатывалось		постепенно		в
процессе	развития		теоретических
исследований и		расширения области
практического			применения
автоматического регулирования. Здесь
необходимо			отметить
основополагающий			принцип
регулирования		по	отклонению, Максвелл (Maxwell), Джеймс Клерк

который связывают с именем Уатта,

(1831–1879), английский физик, создатель

принцип регулирования

по

нагрузке

классической

электродинамики,

один

их

основоположников

статистической

Понселе15, развившийся впоследствии

в

концепцию

компенсации

физики,

организатор и первый

директор

Кэвендишской лаборатории.

Развивая

возмущений

в

автоматических

идеи М. Фарадея, создал теорию

системах, теорию инвариантности к

электромагнитного

поля (уравнения

возмущениям; метод регулирования с

Максвелла),

предсказал

существование

использованием

производной

по

электромагнитных

волн,

выдвинул идею

электромагнитной природы света. Труды

отклонению

братьев

Сименсов16,

развившийся впоследствии

в теорию

по

вязкости,

диффузии

и

теплопроводности газов, оптике, теории

корректирующих и

прогнозирующих

упругости, термодинамике, статистике,

цепей в системах регулирования.

истории физики и др. Автор первой

В

это

время

теория

работы

о

регуляторах

систем

регулирования

еще

не

существовала

автоматического регулирования.

15 Понселé (Poncelet), Жан Виктор (1788–1867), французский математик и инженер, иностранный член Петербургской академии наук (1857). Заложил основы проективной геометрии. Труды по механике и гидравлике. Основополагающий принцип компенсации возмущений был изложен в работе:

Poncelet, I.V. Des principaux moyens de régulariser l’action des forces qui s’agissent sur les machines, et d’assurer l’uniformité du mouvement / I.V. Poncelet // Cours de mechanique appliqué et machines. – Paris: 1830.

16 Сименс (Siemens), Эрнст Вернер (1816–1892), немецкий электротехник и промышленник, иностранный член Петербургской академии наук (1882). Основатель и главный владелец электротехнических концернов «Сименс и Гальске», «Сименс и Шуккерт» и др. Создал электромашинный генератор с самовозбуждением (1867) и др. В настоящее время компания «Сименс» является крупнейшим мировым производителем электронного, электросилового, электротехнического, медицинского и военного оборудования. Основополагающий принцип коррекции процессов регулирования был изложен в работе: Siemens, Werner und Wilhelm. Beschreibung des Differenz-Regulators der Gebrüder Werner und Wilhelm Siemens zu Berlin / Werner und Wilhelm Siemens // Dinglers Polytechn. Journ: Bd. 98. – H. 20.

13

сама по себе и рассматривалась как

раздел прикладной механики. Но уже

в первой половине XIX века

появляются

теоретические

работы,

посвященные

исследованиям

процессов регулирования машин.

Среди первых работ, которые

начали

рассматривать

процессы

регулирования

систематически,

следует выделить работу Д.К.

Максвелла «О регуляторах»17 (1868) и

работу И.А. Вышнеградского «О

регуляторах

прямого

действия»

Ляпунов, Александр Михайлович (1857–

(1876).

Эти

работы

имеют

1918), математик и механик,

академик

принципиальное

значение

для

Петербургской

академии наук (1901),

развития

науки

об

управлении.

До

академик

Российской академии наук

этих

работ

исследователи

изучали

(1917). Создал современную теорию

регулятор

отдельно

от

машины.

устойчивости

динамических

систем.

Максвелл

и

Вышнеградский

Труды

по

дифференциальным

уравнениям,

гидродинамике,

теории

исследовали регулятор и машину как

вероятностей.

единую динамическую систему. Так

как

методы

исследования

сложных

динамических систем в то время были еще не развиты, для решения поставленной задачи они предложили метод линеаризации. Применение линеаризации сложных дифференциальных уравнений упростило решение нелинейных задач, что позволило дать общие методы исследования динамики систем регулирования. Этими работами было положено начало теории автоматического регулирования. Особенно важную роль сыграла работа Вышнеградского, в которой можно найти истоки многих инженерных методов исследования устойчивости и качества регулирования.

Первой теоретической проблемой, с которой столкнулись исследователи процессов автоматического регулирования, была проблема устойчивости. Первыми алгебраическими критериями устойчивости были критерий устойчивости Рауса18 (1874) и Гурвица19 (1895).

17 Maxwell, J.C. On Governors / J.C. Махwell // Proc. of the Royal Society of London: 1868, v. 16.

Максвелл, Д.К. О регуляторах / Д.К. Максвелл // Д.К. Максвелл, И.А. Вышнеградский, А. Стодола. Теория автоматического регулирования / под ред. А.А. Андронова и И.И. Вознесенского: монография. – М.: Изд-ство АН СССР, 1949.

18 Routh, E.J. A treatise on the stability of a given state of motion, particularly steady motion / E.J. Routh. – London: 1877, XII.

14

Интересно отметить, что Раус и Гурвиц, по профессии математики, выполнили свою работу, исходя из потребностей практики, Раус – по просьбе Максвелла, Гурвиц – по просьбе Стодолы20. На основе разработанного критерия Стодолой была исследована устойчивость ряда типичных схем регулирования для паровых и гидравлических турбин.

Основы общей теории устойчивости динамических систем были заложены трудами А.М. Ляпунова в работе «Общая задача об устойчивости движения» (1892). Он впервые дал точное определение устойчивости, обосновал допустимость исследования устойчивости «в малом» по первому приближению (линеаризованным уравнениям) и дал метод исследования устойчивости «в большом» с помощью функций Ляпунова.

Автором первого русского учебника в области автоматического регулирования «Теория регулирования хода машин» был Н.Е. Жуковский.

19Hurwitz, A. Über die Bedingungen, unter welchen eine Gleichung nur Würzeln mit negativen reelen Teilen besitzt / A. Hurwitz // Mathematishe Annalen. – 46. – 1895.

20Стодола (Stodola) Аурель (1859–1942), словацкий теплотехник. С 1982 г. жил

вШвейцарии. Труды по теории паровых и гидравлических турбин, теории автоматического регулирования. Работы Стодолы занимают видное место в теории регулирования.

15

Начиная с указанных пионерских работ, теория автоматического регулирования начала систематически развиваться. К началу XX века теория регулирования выходит за рамки прикладной механики. Выходят в

свет

работы

Стодолы

по

регулированию

турбин21,

Толле

«Регулирование силовых машин»22

(1905 г.), Тринкса «Регуляторы и

регулирование

первичных

двигателей»23 (1919 г.); отмеченный

выше учебник Н.Е. Жуковского; книга

Жюильяра

«Автоматические

регуляторы электрических машин»24

(1928 г.). Становится ясным, что

разнообразные

по

конструкции

системы регулирования базируются на

ряде общих законах. Эта мысль четко

формулируется

в

работах

И.Н. Вознесенского25

–

основателя

Жуковский,

Николай Егорович

(1847–

одной

из

крупных

школ в

области

1921),

основоположник

современной

теории регулирования.

аэродинамики, чл.-корр. Петербургской

Теория

автоматического

академии наук, чл.-корр. Российской

регулирования

начала

XX

века

академии наук. Труды по теории авиации,

главным

образом

базировалась

на

механике,

астрономии,

математике,

гидродинамике и

гидравлике,

теории

аппарате

аналитической

механики,

регулирования машин и механизмов и др.

основанном

на

использовании

Участник

создания

Аэродинамического

дифференциальных

уравнений

и

института в Кучино, под Москвой (1904),

алгебраических

критериях

и др. Организатор и первый руководитель

устойчивости,

связанных

с

(с 1918) ЦАГИ.

исследованием

корней

дифференциальных уравнений. Такой подход был оправдан при исследовании систем малого масштаба. Переход к исследованию

21 Stodola, A. Über die Regulierung von Turbinen / A. Stodola // Schweizerische Bauzeitung. – 1893. – V. XXII. – № 17–20, 1894. – V. XXIII. – № 17, 18.

22Tolle, M. Die Regulierung der Kraftmaschinen / M. Tolle. – Berlin: J. Springer, 1905.

23Trinks, W. Governors and the governing of prime movers / W. Trinks. – London: Van Nostrand, 1919.

24Juillard, E. Le régulateur automatique pour machines électriques pendant l’opération de réglage / E. Juillard. – Paris: 1928.

25Вознесенский Иван Николаевич (1887–1946), видный ученый, чл.-корр. АН СССР

(1939). Основные труды по гидромашиностроению (руководил проектированием и постройкой мощных турбин и насосов), автоматическому регулированию (паровые турбины и котлы). Гос. премия СССР (1947, посм.).

16

крупномасштабных систем требовал нового подхода. Этот подход дала теория связи.

К середине XX века широкое развитие получила проводная и радиотехническая связь. Передаточные свойства элементов связи описывались здесь на основе частотных методов, которые позволяли исследовать системы связи с помощью привычных для инженеров графоаналитических методов. Концепция связи с использованием понятий сигнала, передаточных функций и др. проникла в теорию автоматического регулирования, тем самым наполнила ее новым концептуальным содержанием, более адекватно отражающим сущность процессов регулирования.

В 1932 г. американский ученый Найквист26 предлагает критерий устойчивости регенеративных радиотехнических усилителей с обратной связью, основанный на свойствах частотной характеристики системы в разомкнутом состоянии.

Роль глубокой отрицательной обратной связи в стабилизации процессов в радиотехнических усилителях была раскрыта в работе американского ученого Блэка27 (1934).

Боде28 и МакКолл29 в 1945 г. разработали метод исследования устойчивости по логарифмическим частотным характеристикам. В книге коллектива американских авторов под редакцией Джеймса, Николса и Филипса «Теория следящих систем»30, выпущенной в 1947 г., даны методы построения следящих систем на базе заданного показателя колебательности, а также на основе критерия среднеквадратической ошибки. Следует отметить также фундаментальную работу по теории линейных следящих систем Д.К. Ньютона, Л.А. Гулда и Д.Ф. Кайзера31.

________________________________

26Nyquist, H. Regeneration theory / H. Nyquist // Bell System Techn. Journ. –1932. – V. 11. – № 1.

27Black, H.S. Stabilized feedback amplifiers / H.S. Black // Bell System Technical Journal. – 1934. – V. 14. – №1.

28Bode, H.W. Network analysis and feedback amplifier design / H.W. Bode. – N.Y.: Van Nostrand, 1945.

Рус. пер.: Боде, Х.В. Анализ цепей и расчет усилителей с обратной связью / Х.В. Боде. – М.: Изд-ство иностр. лит., 1948.

29MacColl, L.O. Fundamental theory of servomechanisms / L.O. МасColl. – N.Y.: Van Nostrand, 1945.

Рус. пер.: МакКолл, Л.О. Основы теории следящих систем / Л.О. МакКолл. – М.: Изд-ство иностр. лит., 1947.

30Теория следящих систем / под ред. Х. Джеймса, Н. Николса, Р. Филипса. – М.: Изд-ство иностр. лит, 1951.

31Теория линейных следящих систем / Д.К. Ньютон, Л.А. Гулд, Д.Ф. Кайзер – М.: Физматгиз, 1961.

17

Остановимся здесь более подробно на истоках развития технических научно-образовательных направлений в области автоматизации и управления в нашей стране.

Исходным пунктом здесь следует считать организацию в 1935 г. образовательной специальности «Автоматика и телемеханика» как самостоятельной, одновременно с организацией в это же время академиком В.А. Трапезниковым Института автоматики и телемеханики (ИАТ) при Академии наук СССР и академического журнала «Автоматика и телемеханика». В 1935 г. они были первыми и единственными в области автоматизации и управления. Подготовка инженеров по автоматике и телемеханике в нашей стране началась в начале 30-ых годов в трех вузах: Ленинградском политехническом институте (ЛПИ), Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) и Московском энергетическом институте (МЭИ).

Книг по основам теории автоматического регулирования в то время было еще мало. Одной из базовых являлась монография Е.П. Попова заведующего кафедрой автоматики и телемеханики Ленинградской академии им. А.Ф. Можайского: «Динамика систем автоматического регулирования. – М.: Гостехиздат, 1954». В ней рассматривался метод гармонического баланса расчета нелинейных систем. В отличие от литературы того времени по теории автоматического регулирования она была посвящена нелинейным системам. Книга сразу была переведена на иностранные языки и вышла в Англии, Германии и США.

Отметим также следующие издания: книгу А.А. Воронова «Элементы теории систем автоматического регулирования. – М.: Воениздат, 1954» и «Основы теории автоматического регулирования», написанную коллективом московских авторов под редакцией В.В. Солодовникова, вышедшей в издательстве «Машгиз» в 1954 г. Она явилась одной из первых в стране и в мире фундаментальных монографий объемом 50 п.л. Из вышедших в переводе с английского языка базовыми являлись уже указанные выше книги Л. Маккола «Основы теории сервомеханизмов» (1947) и Хьюберта М. Джеймса, Натаниела Б. Никольса, Ральфа С. Филипса «Теория следящих систем» (1951).

В50-60-ые годы в нашей стране сформировались следующие основные научные школы по автоматизации и управлению.

ВМоскве:

– Институт автоматики и телемеханики (ныне Институт проблем управления – ИПУ) во главе с академиком В.А. Трапезниковым, в нем работали известные ученые Б.Н. Петров, В.С. Кулебакин, М.А. Айзерман, С.В. Емельянов, В.С. Пугачев, В.В. Солодовников, Б.С. Сотсков, А.А. Фельдбаум, Я.З. Цыпкин и др.;

18

-Московский государственный университет во главе с академиком Л.С. Понтрягиным;

-МВТУ им. Баумана - школа профессора В.В. Солодовникова;

-Московский авиационный институт им. С. Орджоникидзе - школа академика Б.Н. Петрова;

- Московский энергетический институт - школа профессора В.А. Нетушила (в последующем научную школу возглавил Г.К. Круг);

-Военно-воздушная академия имени Н.Е. Жуковского во главе с академиком В.С. Кулебакиным и его учениками членамикорреспондентами А.А. Красовским и Г.С. Поспеловым;

-Военно-артиллерийская академия им. Ф.Э. Дзержинского - школа профессора А.С. Шаталова.

В Ленинграде:

-Ленинградский политехнический институт - школы профессоров Б.И. Доманского, А.И. Лурье;

-Ленинградский университет - школы профессоров В.И. Зубова, В.А. Якубовича;

-Ленинградский электротехнический институт - школы профессоров А.В. Фатеева, Д.В. Васильева, А.В. Башарина, Б.И. Норневского;

Ленинградский филиал ИАТ АН СССР – школа профессора А.А. Воронова.

В Киеве:

Институт кибернетики АН УССР – школы профессоров А.И. Кухтенко, А.Г. Ивахненко.

Труды указанных научных школ обеспечили бурное развитие теории автоматического управления в нашей стране. Литература по данному вопросу чрезвычайно обширна. Особо следует отметить серию книг по автоматическому управлению, изданную в издательстве «Машиностроение» под ред. В.В. Солодовникова, в которой сделана попытка энциклопедически охватить основные результаты в области теории управления, полученные к середине 60-х годов прошлого столетия32. Следует обратить внимание также на справочник по теории автоматического управления33, изданный в 1987 году, в котором приводятся основные достигнутые к этому времени результаты. Исторические сведения о развитии образовательного направления в области автоматики и управления содержатся в работе В.Б. Яковлева34.

32Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования / под ред.

В. В. Солодовникова, в 3-х книгах. – М.: Машиностроение, 1967. – 2418 с.

33Справочник по теории автоматического управления / под ред. Красовского А.

А. – М.: Наука, 1987.

34Яковлев, В.Б. Мои воспоминания / В.Б. Яковлев. – Спб.: ЛЭТИ, 2005. – 353 с.

19

Созданные указанными научными школами методы анализа и синтеза систем автоматического управления продолжают оставаться одними из основных инструментов в инженерной практике. Развитие работ в этой области продолжается.

_________________________

				_______________________
				Возвращаясь в общем плане
				к ранней истории развития науки
				об управлении, подчеркнем, что
				принципиально	новый этап	ее
				развития начался с выхода в свет
				работы	Норберта Винера
				«Кибернетика или управление и
				связь в животном и машине»
				(1948). В книге Норберта Винера в
				ясном систематическом виде была
	Винер (Wiener), Норберт (1894–1964),			раскрыта идея о том, что
	американский ученый,		профессор	принципы управления и связи,
	математики	Массачусетского		присущие	автоматическим
	технологического		института.	системам, носят общий характер и
	В своем основополагающем труде
				применимы для систем широкого
	«Кибернетика»	сформулировал
				класса: в живых организмах,
	базовые положения новой науки –
	кибернетики.	Труды	по	медицине, экономике, социологии,
	математическому анализу, случайным			лингвистике и др. Этому новому
	процессам, электрическим сетям и			обобщающему	направлению
	вычислительной технике.			исследований	было дано	имя
				«кибернетика»35.
	Здесь необходимо отметить,			что многие идеи	кибернетики,	при

отсутствии самого названия новой науки, были предвосхищены еще ранее. Так, ряд передовых ученых в области инженерии, вычислительной техники, биологии, антропологии, философии начиная с 1942 г. провели ряд конференций, организованных фондом Джосайи Мейси.

Эти знаменитые конференции проводились ежегодно в 1942-1951 гг. На них присутствовал и Норберт Винер. Среди других участников были, например, Грегори Бейтсон, сделавший вклад в философию науки,

35 Это слово, как уже указывалось, является древнегреческим и обозначает искусство управлять кораблем, искусство кормчего, а в переносном смысле – также искусство управления людьми. В данном смысле оно используется, например, у Платона. В 1834 г. знаменитый французский физик А.М. Ампер, занимавшийся также вопросами классификации наук, назвал, по примеру древних, кибернетикой (cybernétique) науку об управлении государством.

20