Пилот и повар

Помните наш пример с такси, подъезжающим к перекрестку? Вернемся к нему еще раз. С тех пор машина проехала уже все перекрестки и теперь мчится по шоссе. Сейчас задача управления намного упростилась, но все же…

Вот мы обгоняем попутный автомобиль; благополучно разъезжаемся со встречным транспортом; шоссе петляет направо, налево; чередуются спуски и подъемы. Почему дело обходится без несчастного случая?

Потому, что водитель непрерывно следит за той ситуацией, которая складывается в пути; потому, что в соответствии с этой непрерывно меняющейся ситуацией мысленно намечает наилучшую траекторию и скорость движения; потому, что управляет машиной он так, чтобы ее фактические траектория и скорость минимально отклонялись от намеченных. И чем выше квалификация водителя, тем правильнее и быстрее он оценивает ситуацию, тем уверенней управляет машиной. Его маневры не создают опасности для пешеходов, попутных и встречных машин и телеграфных столбов.

Мозг человека — руки — машина — глаза — мозг — вот система управления автомобилем, образующая замкнутое кольцо. Половинку этого кольца составляют: мозг — руки — машина.

Может быть, вам кажется, что этой половинки достаточно, чтобы успешно справиться с задачей управления? Тогда предложите самому опытному водителю проехать 200–300 метров по пустынному и прямому как стрела шоссе с завязанными глазами. Скорее всего он откажется. Каждый водитель знает, что даже при движении прямо всегда приходится непрерывно поворачивать руль то в одну, то в другую сторону, пусть на самую малую величину. Это необходимо, чтобы устранить влияние на движение машины небольших неровностей шоссе, неравномерности нагружения левых и правых колес, различной изношенности покрышек, колебаний машины на рессорах и многих других, подчас совершенно случайных обстоятельств, которые возникают буквально в любой момент и оказывают влияние на движение машины.

Сознательно или автоматически (рефлекторно) водитель непрерывно сравнивает желаемое и фактическое движение автомобиля и вносит соответствующие поправки, устраняя непрерывно возникающие рассогласования.

Нет, без второй половины кольца, которую образуют машина — глаза — мозг, обойтись нельзя!

По каждому из полуколец в течение всего времени движения машины текут потоки информации. Один из них начинает свой путь из памяти — из того отдела мозга, где хранится «программа» движения и конечным адрес маршрута.

Оттуда информация поступает в другой отдел, который условно назовем отделом сравнения (к нему мы еще вернемся). Затем потоки информации поступают в отдел мозга, управляющий мышцами рук; руки движутся, поворачивая рулевое колесо; машина выполняет маневр.

И одновременно течет поток информации по второму полукольцу в обратном направлении. Машина выполняет маневр или совершает случайные движения, водитель следит за всеми изменениями ситуации. Информация об этих изменениях по зрительному каналу поступает в зрительный отдел мозга, а оттуда в отдел сравнения.

В этом отделе встречаются два потока информации, сравнивается намеченная программа движения с фактически осуществляемой, определяются необходимые поправки и начинает свое движение новый поток управляющих сигналов, текущих к мышцам рук, а оттуда к рулевому управлению машиной.

Может показаться странным, что мы так уверенно делим мозг на отделы и приписываем каждому из них различные функции. Но мы на это имеем право. Физиологи уже хорошо знают, в какой из отделов мозга поступает информация через органы чувств, какие из отделов мозга управляют теми или иными мышцами. Правда, гораздо хуже известны «адреса» тех отделов мозга, в которых производится запоминание, сравнение, выработка решений. И пока совсем неизвестно, как человек запоминает, решает, думает. Но так или иначе все эти действия выполняет мозг. Значит, наша схема, хотя бы в первом приближении, правильно отражает общую картину управления, картину движения потоков информации.

Завязав водителю глаза, вы прервете обратный поток информации, нарушите замкнутую систему управления на участке обратного полукольца, нарушите, как говорят, обратную связь.

Железнодорожному машинисту не приходится беспокоиться о траектории движения состава. Поезд движется по рельсам, и, значит, траектория его движения заранее полностью определена. Однако и здесь человек выполняет сложные функции управления, связанные с обеспечением заданной программы движения. Машинист всегда управляет локомотивом так, чтобы средняя скорость состава на перегонах была равна заданной и обеспечивала прибытие на очередную станцию точно по расписанию. Он стремится достичь этого самым безопасным и экономичным способом, что требует непрерывного управления фактической скоростью состава в соответствии с его весом, с профилем, кривизной и состоянием пути, длинами перегонов и другими факторами.

Значит, и в этом случае идея, лежащая в основе метода управления, состоит в том, чтобы фактическое движение поезда непрерывно сравнивалось с намеченным программой, обнаруживались и устранялись возникающие рассогласования.

Примерно так же обстоит дело, когда идет речь о пилоте или о рулевом корабля. Ведь и их задача в конечном счете сводится к тому, чтобы устранять рассогласования между фактическими и желаемыми траекториями и скоростями движения самолета или корабля. Только для оценки ситуации, складывающейся в процессе движения, им больше приходится пользоваться приборами, чем естественными ориентирами.

В наших примерах уже фигурировали люди, управляющие машинами, и автоматы, обходящиеся без непосредственного вмешательства людей. Но вот пара примеров, в которых люди действуют без вмешательства и соучастия машин.

Повар, добавив в приготовляемую пищу сахар, соль, перец, снимает пробу, оценивая результат. Затем вновь добавляет эти продукты до тех пор, пока не добьется желаемого эффекта, то есть пока не устранит рассогласования между своим представлением о вкусно приготовленном блюде и своими фактическими вкусовыми ощущениями.

Как видите, он действует примерно по тому же принципу, что и шофер, пилот, машинист. Конечно, в соответствии с тем процессом, которым он управляет, обратная связь устанавливается теперь не по перемещению или скорости, а по вкусу пищи.

Человек берет стакан воды. «Стакан — глаза — мозг» образуют полукольцо обратной связи в живой системе управления движением руки. И мозг управляет многочисленными мышцами руки так, чтобы фактическое движение стакана мало отличалось от расчетного.

Конечно, даже в этом сравнительно простом движении очень много непонятного. Как умудряется человек не пролить ни капли воды? Как он выбирает скорость и ускорение, с которыми нужно переносить стакан с места на место? Как он выбирает силу схвата, чтобы стакан не выскользнул из руки, и непринужденно меняет положение кисти, в то время как стакан совершает сложную пространственную траекторию?

Но, несмотря на то, что мы еще далеки от исчерпывающего познания сложнейших биологических механизмов переработки информации и выработки программ, можно для описания этого движения применить все ту же схему замкнутой в кольцо системы управления.

Можно ли разоблачить человека, который притворяется глухим? Оказывается, можно! Для этого нужно надеть на него наушники и заставить говорить в соединенный с наушниками микрофон через специальное устройство так, чтобы звук поступал в наушники без искажений, но с запаздыванием. Многочисленные опыты показали, что человек, слышащий свою речь со сколько-нибудь большим запаздыванием, сбивается и не может говорить.

Все дело в том, что управление речью, так же как и управление движениями, строится все по той же замкнутой схеме. Начиная говорить, человек слышит свой голос и немедленно определяет рассогласование между фактической и необходимой высотами звука; далее вступают в действие механизмы, регулирующие натяжение голосовых связок. И в течение всего процесса речи, будь то монолог артиста, лекция ученого или оживленный диалог в трамвае, говорящий, слыша себя, управляет своей речью, непрерывно устраняя рассогласование между желаемым и фактическим ее звучанием. Он не может говорить, слыша себя с задержкой, превышающей некоторую определенную величину.

Примерно так же действует пианист, согласовывая фактическое и желаемое звучания инструмента. Он не может ни от кого получить точные указания о том, каково должно быть это желаемое звучание, и вынужден в конечном счете выбирать его сам. Техника и работоспособность помогают ему добиться того, чтобы он мог исполнить музыкальное произведение так, как задумал. И в зависимости от ряда таинственных факторов, от степени совершенства замкнутой системы управления, свойственной этому пианисту, он становится гениальным музыкантом, лауреатом всемирных конкурсов, рядовым артистом или простым любителем.

Во всех случаях, о которых мы сейчас рассказали, управляющая часть системы, воздействуя на управляемую ее часть, одновременно сама «чувствует» и учитывает результат этого воздействия. Обе части системы — управляющая и управляемая — связаны двойной связью: прямой и обратной.

Мы подошли к одному из самых важных в современной технике (да и не только в технике) понятий — к понятию обратной связи. И пожалуй, самое удивительное, что это понятие стало отчетливо складываться всего лишь лет двадцать — двадцать пять назад.

Журден — персонаж комедии Мольера «Мещанин во дворянстве» — страшно удивился, когда узнал, что он всю жизнь говорит прозой.

Не меньше были удивлены ученые и инженеры, когда выяснилось, что, сами того не зная, они давно и успешно используют идею обратной связи при создании самых различных машин. Использовали ее задолго до того, как она была окончательно сформулирована, подобно тому как средневековые инженеры и изобретатели интуитивно применяли законы механики задолго до того, как они были открыты Ньютоном.

Никем не высказанная, она вела людей, работающих в совершенно различных отраслях техники. Они искали решения частных технических задач и зачастую находили их, интуитивно применив идею обратной связи.

На протяжении многих лет машины и автоматы рассматривались с самых различных точек зрения, хуже или лучше оценивающих, насколько эффективно они работают. И никто не догадывался, что возможна еще одна новая и необычная точка зрения, рассматривающая, как организованы в этих системах процессы управления. А затем события начали развиваться по схеме, типичной для решения многих научных и технических проблем. Кто-то (сейчас невозможно сказать, кто именно) сумел по-новому взглянуть на ставшую уже привычной и обыденной картину действия одной из машин, сумел вдуматься в принципы ее действия, увидеть ту особенность ее устройства, которая потом, будучи понятой и изученной, стала казаться такой очевидной, что было даже странно, как раньше эту особенность могли не замечать.

Кто-то другой сумел оценить это, пусть даже единичное, наблюдение, понять важность замечательного явления, придумать для него выразительное название.

Потом это явление заинтересовывает многих других ученых и инженеров, начинаются поиски аналогичных явлений; и скоро выясняется, что они весьма многочисленны и распространены, только их почему-то (даже непонятно почему!) до сих пор не замечали.

Так развилась идея и теория обратной связи в технических системах, в теории управления.

Одновременно аналогичную идею стали выявлять физиологи и биологи, изучая процессы, протекающие в живых организмах, и процессы взаимодействия живых организмов с окружающей средой.

Вспомним сказку о Гемфри Поттере

С понятием обратной связи необходимо свыкнуться, пытаясь разобраться, как действуют многие современные автоматы.

Легче всего это сделать на примерах, начиная с тех, что попроще, даже если они относятся к технике прошлого. И нам не миновать вновь вернуться к паровому двигателю и вспомнить еще об одном изобретении.

Помните, как сказочный мальчик Поттер догадался механизировать процессы впуска и выпуска пара и благодаря этому попал в историю?

Но полностью механизировать процесс управления ему не удалось, и эту работу пришлось завершить Уатту.

Дело в том, что паровой двигатель, даже механизированный Поттером, требовал непрерывного наблюдения. До тех пор пока развиваемая им мощность полностью отбиралась присоединенной к нему рабочей машиной, все обстояло благополучно. Но как только такой энергетический баланс нарушался, тотчас согласованное действие сбивалось, обороты двигателя резко убывали при возрастании нагрузки и, наоборот, при падении нагрузки быстро увеличивались. Чтобы поддерживать их постоянными, машинисту приходилось систематически регулировать подачу пара в цилиндр двигателя. Нетрудно сообразить, что он должен был уменьшать количество впускаемого пара при увеличении оборотов и увеличивать его — при уменьшении.

Уатт избавил машиниста от этой утомительной работы. Он изобрел специальный регулятор, автоматически поддерживающий определенное число оборотов при изменениях нагрузки. И если раньше изменение режима работы двигателя машинист улавливал на слух или, пользуясь приборами и перемещая заслонку, регулировал доступ пара в цилиндр, то теперь это делал автомат. Центробежный регулятор, вал которого приводится во вращение двигателем, «улавливает» изменения оборотов последнего с помощью грузов. Под действием центробежных сил грузы расходятся, когда обороты вала растут, и опадают, когда обороты уменьшаются. При этом они с помощью механической передачи приводят в движение заслонку, соответственно уменьшая или увеличивая подачу пара в цилиндр.

Машинист, как и регулятор, действует так, чтобы устранить рассогласования между заданными и фактическими оборотами. Двигатель — слуховые или зрительные ощущения машиниста — мозг — вот полукольцо обратной связи, построенное по уже знакомой нам схеме, когда управление машиной осуществляет человек.

В паровой машине с регулятором в кольцо управления вместо машиниста включены механизм грузов и механизм привода заслонки. Эти механизмы в обычных условиях работают надежнее машиниста: они не устают, не отвлекаются, они не размышляют о посторонних предметах и не подвержены настроениям. Их только нужно периодически смазывать и проверять. И один из них будет исправно собирать и передавать информацию о самых малых изменениях оборотов второму механизму, который эту информацию использует для выработки сигнала, управляющего заслонкой.

Есть очевидная аналогия между тем, что делают машинист и регулятор. Но, конечно, нет никакой аналогии между тем, как они это делают. Можно совершенно точно рассчитать все действия регулятора, количественно оценить все его характеристики. Что касается действий машиниста, то они никакому прямому математическому расчету не поддаются, а в характеристиках, которые в случае необходимости выдаются машинисту, приводятся, безусловно, очень важные, но все-таки чисто качественные оценки: «хороший», «знающий», «умелый».

Регулируя обороты двигателя, машинист одновременно выполняет ряд других обязанностей, связанных с обслуживанием двигателя и управлением им.

Механизмы регулятора выполняют единственную функцию — поддержание оборотов двигателя на одном и том же уровне.

Образно говоря, «на глазах регулятора» может начинаться авария, требующая немедленной остановки двигателя, а он будет тупо вести двигатель к неминуемой катастрофе, до последнего мгновения стремясь поддерживать постоянную скорость вращения.

По-разному действуют машинист и регулятор, выполняя задачу регулирования оборотов. И вместе с тем они реализуют один и тот же принцип управления, в основе которого лежит идея обратной связи.

Сердце машиностроения

Мельчайшие части часов и приборов, гигантские роторы турбин, множество деталей всех машин обрабатывают на металлорежущих станках. И детали самих станков также обрабатывают на станках.

Станкостроение — сердце машиностроения. И нет, пожалуй, ни одной отрасли техники, которая бы могла похвалиться таким многообразием типов, конструкций и размеров машин.

Устройство простого токарного станка известно почти каждому. Обрабатываемое изделие вращается, резец вместе с суппортом продольной подачи движется вдоль оси станка, а вместе с суппортом поперечной подачи — в поперечном направлении. Движением суппортов можно управлять вручную, вращая маховички, соединенные с винтами подач. А если включить автоматическую подачу суппортов, то они будут равномерно двигаться вдоль или поперек оси станка, резец — обрабатывать различные гладкие и ступенчатые валики, втулки, цилиндры.

Остановив обрабатываемое изделие и заменив резец на вращающуюся фрезу, превратим токарный станок в фрезерный. Перемещая стол станка вручную или включая автоматическую подачу в одном, двух, трех направлениях, на нем можно обработать квадрат и куб, косые и наклонные грани.

Заменив резец или фрезу на шлифовальный круг, получим шлифовальный станок; заменив их на сверло — сверлильный станок. Так выглядят четыре основных типа металлорежущих станков, составляющих основную массу станочного парка, обрабатывающего подавляющую часть изделий машиностроения.

Когда эти изделия просты по форме, их обработка никаких трудностей не представляет.

Ну, а как быть, если нужно, например, обработать цилиндрическое изделие с криволинейным профилем? Для решения этой задачи больше всего подходит токарный станок. В нем равномерное движение резца вдоль оси изделия должно сочетаться с переменным движением в поперечном направлении.

Попытка вручную передвигать продольный и поперечный суппорты заранее обречена на провал. Никакому самому квалифицированному токарю не удастся так плавно и точно поворачивать рукоятки, как это необходимо для изготовления качественного изделия. И тем более не удастся от раза к разу повторять эти движения, если надо обработать несколько одинаковых изделий.

Существуют два способа решения этой задачи. Первый — связать движения обоих суппортов специальным механизмом, например шарнирным. При движении продольного суппорта придет в движение поперечный, перемещая резец относительно обрабатываемого изделия.

Только следует так подобрать размеры звеньев механизма, чтобы хоть одна из их точек (конструктору надо знать, какая именно!) двигалась точно так, как надо, для обработки заданного профиля. Это очень неприятная задача. Достаточно сказать, что ею занимаются еще со времен Уатта, а исчерпывающего решения нет до сих пор. И самое неприятное то, что если профиль обрабатываемого изделия нужно изменить, то всю процедуру проектирования механизма и его изготовления нужно повторить в полном объеме с самого начала.

Задачу обработки криволинейного профиля решают и по-другому — примерно так, как это сделал около двухсот лет назад русский изобретатель Андрей Нартов, механизировав изготовление ряда одинаковых изделий путем копирования образца.

Как это выглядит, известно многим. Продольный суппорт движется, как обычно, вдоль заготовки. В это время ролик обкатывает образец, называемый копиром, и тянет за собой поперечный суппорт с резцом. Резец обтачивает заготовку так, что получается изделие, похожее на копир. Чтобы изготовить деталь другого профиля, нужно только заменить копир на новый. Но, конечно, этот новый копир нужно сначала изготовить — ведь без него обойтись совершенно невозможно. Невозможно ли? Подумайте, пожалуйста, сами. Позже нам придется вернуться к этому вопросу.

Методы копирования прижились, и в цехах можно встретить много копировальных станков: токарных, фрезерных и других — вплоть до гигантов, обрабатывающих изделия двадцатиметровой длины.

В предыдущей главе речь шла о руках машины — ее механизмах. Но вы, наверное, уже обратили внимание, что там ни словом не упомянулось об обратной связи, а в этой главе термин «обратная связь» встречается почти так же часто, как табачные киоски на пути человека, решившего бросить курить.

Это недоумение легко разъяснится, как только познакомимся с двумя механизмами, применяющимися в копировально-фрезерных станках.

Вот первый из них.

На столе станка, кроме заготовки, устанавливается копир — точная модель того изделия, какое должно быть изготовлено. Заготовка и копир приводятся во вращение с одинаковой скоростью. В постоянном соприкосновении с копиром находится ролик, который в процессе вращения копира катится по его профилю, в точности следуя очертаниям последнего. Движение ролика повторяет связанная с ним фреза. Она движется относительно заготовки, «перенося» на нее размеры и конфигурацию модели.

Копир содержит всю информацию, необходимую для обработки изделия. Ролик считывает эту информацию и через жесткую механическую передачу управляет фрезой.

Через эту же передачу течет поток энергии, обеспечивающий рабочие усилия. Потоки энергии и информации текут по одному «каналу». В этом случае цепь управления может быть разомкнутой, состоя только из одного полукольца, которое в случае копировального станка выглядит так: копир — жесткая передача — изделие.

По разомкнутой схеме работают наряду со многими другими все те машины, с которыми мы знакомились в предыдущей главе, и в их числе самая точная в мире делительная машина. Естественно, что там совершенно не понадобился термин «обратная связь».

Но «за спиной» у любого преимущества всегда скрывается какой-нибудь, недостаток. И у разомкнутой системы управления, построенной с использованием одних только жестких передач, есть, конечно, недостатки. Во многих случаях они делают нецелесообразным, а подчас и просто невозможным ее использование.

Представьте себе, что речь идет о системе управления большим кораблем. Мало того, что сила сопротивления воды, действующая на руль такого корабля, может достигать многих тонн и задача непосредственного управления им явно непосильна для человека. Конструктор корабля еще должен учитывать, что расстояние между рубкой рулевого и рулем может достигать нескольких десятков метров. Попытка связать штурвал и руль такого корабля жесткой передачей кончилась бы неудачей.

Конструкторы машин хорошо знают, что, когда необходимо передать энергию или информацию на сравнительно большое расстояние и в различных направлениях, жесткие механические передачи уступают электрическим, гидравлическим, пневматическим устройствам. Однако при использовании подобных устройств разомкнутую систему управления уже применять нельзя, поскольку нарушается жесткая передача между органом автомата, задающим программу действия, и исполнительным органом, выполняющим эту программу.

И тогда используется замкнутая система управления, цепь обратной связи. Итак, речь пойдет о втором механизме, применяемом в копировально-фрезерных станках.

В 1900 году итальянец Бонтемпи применил для копировального станка схему с гидромеханическим управлением, позволившую уменьшить мощность управляющего сигнала в сотни и тысячи раз по сравнению с рабочей мощностью.

Давайте разберемся, как она действует. Копир и заготовка, как и в первом случае, устанавливаются на одном столе и получают вращательное движение с одной и той же скоростью. И по-прежнему ролик движется вдоль по профилю копира, считывая с него информацию, необходимую для управления движением фрезы. Но теперь движение ролика не передается непосредственно фрезе. Он управляет маленьким поршеньком-золотником, открывающим доступ жидкости в ту или иную полость большого цилиндра.

Если подавать жидкость под давлением в левую полость цилиндра, а из правой полости ее выпускать, то весь стол вместе с роликом и фрезой будет двигаться влево. И наоборот, подача жидкости в правую полость заставляет стол двигаться вправо.

Таким образом, как только смещается золотник, так сразу начнет действовать прямая цепь передачи движения. Но одновременно со столом, несущим фрезу, начинает перемещаться цилиндр золотника.

Другими словами, одновременно с цепью прямой передачи начинает действовать цепь обратной связи, дополнительно связывающая ведущую и ведомую части системы — ролик и фрезу, и непрерывно сигнализирующая об исполнении управляющего сигнала. В тот момент, когда фреза в своем движении догонит ролик и, значит, займет правильное положение, золотник перекроет проход жидкости в силовой цилиндр. Как видим, это типичная система с обратной связью, действующая по тому же принципу, что и все другие механизмы, встретившиеся нам в этой главе. Отрабатывая программу, заданную копиром, она непрерывно определяет рассогласование между положениями фрезы и ролика и действует так, чтобы это рассогласование устранить.

Поток информации и поток энергии теперь движутся по разным каналам. Цепь управления передает только те усилия, которые необходимы для подачи команд, и эти командные сигналы управляют мощностями в тысячу крат большими, чем мощность самого сигнала. Сигнал управления оказывается усиленным в тысячи раз.

Итак, в системе с обратной связью управляющий сигнал вырабатывается путем сравнения заданного действия с выполняемым. Если речь идет об автомате, то должны сравниваться движения, которые он выполняет, с теми движениями, которые он должен выполнять в соответствии с заданной ему программой работы.

Процесс такого сравнения представляет собой процесс сравнения двух потоков информации. Источником одного из них служит подготовленная заранее программа, как, например, копир в копировальном станке. А второй — поток информации, возникающий непосредственно в процессе работы автомата.

В тех примерах, что мы с вами рассмотрели, источниками второго потока информации служили движения грузов в центробежном регуляторе, движение цилиндра золотника в гидрокопировальной системе. Так или иначе, но автомат, действующий по замкнутой схеме, должен быть «очувствлен». Он обязан обладать свойством собирать информацию в процессе своей работы; ему надо быть оснащенным для этой цели специальными устройствами, эти устройства должны действовать с такой быстротой и точностью, чтобы отклонения фактического процесса, выполняемого автоматом, от заданного не превосходили определенной наперед указанной величины.

И еще несколько слов о гидрокопировальном автомате.

Обратите внимание на то, что стол вместе с фрезой как бы «следит» за перемещением ролика. Ролик перемещается влево — и стол вместе с фрезой перемещается влево. Ролик двинулся вправо — стол с фрезой вправо. Эта система так и называется — следящая система.

Принцип слежения, сущность которого состоит в том, что исполнительный орган (в нашем случае фреза) повторяет движение управляющего органа (ролика), не будучи с ним жестко связан, нашел широкое применение в современных автоматах и системах управления.

Механизмы и устройства, реализующие одновременно принципы усиления и слежения, получили название сервомеханизмов, название незаслуженное, если вспомнить, что слово «серво» происходит от латинского слова «раб».

Разумеется, ни Бонтемпи, ни многих других изобретателей и инженеров, интуитивно использовавших идею обратной связи и принципы усилений и слежения, нельзя считать их прямыми изобретателями. Однако созданные ими оригинальные, простые и надежные конструкции становились прообразами современных машин. И по мере того как число их увеличивалось, становилось ясным выдающееся значение идей и принципов, лежащих в их основе.