Текст книги "Люди и кибернетика"

Некоторые предварительные итоги

Итак, мы узнали, как возникла кибернетика – эта методологическая дисциплина, которая в соответствии с марксистской диалектикой дает нам возможность анализировать процессы в том общественном организме, которым мы собираемся управлять, дисциплина, утверждающая, что управляющий достигнет своих целей тем успешнее, чем глубже он познает интересы элементов (отдельных частей) своего объекта (гиберно) и лучше сумеет учесть их в своей деятельности. Изучение этой дисциплины приучает управляющего к мысли, что «его объект управления – это клубок противоречивых тенденций и стремлений. От того, как кибернет их сумеет использовать в интересах своего гиберно, и зависит его судьба. Кибернетика учит, что любая прямолинейность, действие одними приказами мало чего может достичь.

Вот почему классическая кибернетика – это важнейший элемент воспитания управляющего.

Затем познакомились с понятием организации (структура) и увидели, что существуют некоторые общие законы, определяющие развитие любой организации – физической, биологической или общественной природы.

Знание этих законов вооружает управляющего в деле совершенствования структуры – одного из основных факторов управления народнохозяйственным, политическим и общественным организмом. Теория организации учит, что никакие самые удачные организационные формы не могут быть вечными. Об этом со всей определенностью говорили еще классики марксизма, развивая идеи единства формы и содержания. Итак, теория требует, чтобы управляющий следил за развитием организации и не давал ей закостенеть. И что самое главное, он должен следить за тем, чтобы организация не превращалась в самостоятельный организм, начинающий сам управлять управляющим.

Мы увидели, что классическая кибернетика, в том смысле, как ее понимали в XIX веке, и «Теория организации», включающая в себя «Общую теорию систем», для управления важны, но их недостаточно при решении многих практических задач. Сами по себе они лишь подсказывают, какие обстоятельства надо принять во внимание в тех или иных ситуациях. И это уже немало.

Знакомство с такими науками расширяет кругозор управляющего, открывает ему новые перспективы, помогает ему отыскивать наилучшие решения. Но этого одновременно и очень мало. В современных условиях структура производственной деятельности (связи внутри предприятий, их связи между собой), как и структура всего общества, непрерывно усложняется и неизбежным становится количественное ее описание и оценка результатов управляющей деятельности. Необходимыми становятся такие научные подходы и математические методы, которые позволяют сопоставлять и оценивать результаты различных вариантов управленческих решений и дают возможность прогнозировать развитие событий!

Оказалось, что и эти проблемы уже более ста лет были предметом исследований ученых. Они создали специальную научную дисциплину «Техническую теорию управления» (ТТУ). Эта дисциплина, как мы увидим ниже, сыграла определенную роль в формировании современной технологии управления организмами общественной природы.

Глава III. Управление техническими системами теория автоматического регулирования возникновение и основные задачи

До сих пор мы говорили о двух направлениях гуманитарной мысли, которые сегодня оказывают непосредственное влияние на формирование представлений о том, что такое управление и какова его «технология», то есть каковы правила, которыми должен руководствоваться управляющий.

Долгое время руководители-практики и не нуждались в другом. Они управляли человеческими коллективами и их производственной деятельностью на основании своего опыта или давно устоявшихся методов.

Но, начиная с какого-то определенного уровня, сложности объекта управления традиционных подходов становилось уже недостаточно. Чтобы сопоставлять варианты возможных управленческих решений, кибернет должен уже уметь оценивать их последствия количественно. Давайте вдумаемся в смысл управленческого процесса.

Перед каждым управляющим (менеджером, кибернетом, военачальником и т. д.) всегда стоит определенная цель. Это может быть обеспечение выполнения плана, получение максимального дохода, передислокация армии и т. д. Для достижения ее ему предоставляется определенный ресурс: деньги, машины, люди… Без этих двух факторов: целей и средств для их достижения говорить об управлении смысла не имеет.

Итак, цели и средства. Предположим, что и то и другое у управляющего есть. Его задача – так использовать средства, чтобы как можно ближе подойти к цели или с наименьшими затратами, достигнуть ее наиболее безболезненно. А мешать этому будут самые различные обстоятельства, с которыми управляющему предстоит еще справиться: на рынке могут оказаться не те цены и не тот спрос, на которые он рассчитывал, поставщики не смогут своевременно обеспечить его производство кондиционным сырьем, транспортники – транспортными средствами и т. д., в общем, не та конъюнктура.

И, распределяя свой ресурс, управляющий непрерывно прогнозирует результат своих действий. Он анализирует, сопоставляет: «Если я сделаю так, получится то-то, если иначе, то и результат будет иной».

Он все время ведет своеобразный мысленный диалог. И в этом смысле управляющий во многом похож на исследователя.

Если ситуация относительно проста, то ему не очень трудно проследить всю игпочку следствий и легко оценить то, что получится из замысла, во что выльется его способ действия. Для этого ему достаточно общих стандартных рецептов. Вот почему до поры до времени практика управления довольствовалась тем уровнем анализа, который обеспечьвал вербальный, то есть словесный, анализ.

Но по мере развития техники и технологии, усложнения хозяйственных связей, да и всего жизненного уклада управляющему уже трудно проследить действия всех логических цепочек, предусмотреть последствия своих собственных действий. Да и требования к точности оценок результатов управленческих решений сегодня совершенно иные, чем были еще полстолетия назад. Современное производство отличается высокой синхронизацией операций. На заводах типа ВАЗ, например, потоки конвейерных линий должны быть согласованы до долей секунды. Все поставки смежников прямо с колес идут в цех. И подобный ритм во всем. К такому режиму подстраиваются и остальные службы завода, каждый сбой которых влечет многомиллионные потери.

И так во всем: в проектировании народнохозяйственных комплексов, при составлении производственных планов, всюду при современных масштабах производства необходима удивительная, я бы сказал, филигранная притертость хозяйственных звеньев.

Но высокая точность, разумеется, не может быть получена дедовскими методами. Управляющему приходится искать способы, позволяющие более ясно увидеть результат своих решений, и эти способы предоставляет ему математика, особенно сейчас, когда она располагает могучими средствами вычислительной техники, позволяющими не только обрабатывать информацию, но и на моделях, имитирующих функционирование того или иного народнохозяйственного организма, предсказывать его будущее, его эволюцию в зависимости от тех решений, которые управляющий сочтет нужным принять. Значит, уже недостаточно словесной характеристики предполагаемых действий, мало бухгалтерских расчетов, проводимых вручную; нужны расчеты, основанные на использовании математических моделей изучаемых процессов, нужны математические методы их анализа.

Поэтому правомерно, что специалисты, занимающиеся использованием ЭВМ в управлении экономикой, однажды начали изучать приемы и методы «Теории технического управления» (ТТУ). При этом оказалось, что в ТТУ уже развиты разнообразные идеи и методы, которые подошли и для управления процессами, протекающими в экономической сфере.

Возникла «Теория технического управления» еще в 40-х годах прошлого века. Она развилась в обширную дисциплину по изучению работы различных регуляторов и созданию основ их проектирования. Важнейшее достоинство ТТУ – это разработка количественных методов оценки качества управляющих устройств. Конечно, сама ТТУ еще довольно бедна для того, чтобы стать основой науки управления процессами общественной природы. Но она является одним из важных элементов современной теории управления производственной деятельностью, и без ее инструментария количественного анализа сегодня вряд ли возможно представить себе хорошо функционирующую систему хозяйственного управления.

«Теория технического управления» долгое время именовалась «Теорией автоматического регулирования» – название, которое сейчас постепенно забывается. Она оформилась в связи с исследованиями центробежного регулятора Уатта, предназначенного для регулирования числа оборотов вала паровой машины. Правда, этим исследованиям предшествовал еще целый ряд работ, которым по тем или иным причинам не суждено было стать родоначальниками новой теории (исследования регулятора Сименса, работы астронома Эри по управлению телескопом и др.). Тем не менее считается, что изобретение регулятора Уатта – событие эпохальное.

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 с помощью приводных ремней заставляла работать токарные, сверлильные и прочие станки.

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 00. Эти массы стягиваются пружиной, старающейся уменьшить угол а – 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.

И И. Вышнеградский и Дж. Максвелл в качестве такого критерия выбирают условия асимптотической устойчивости работы регулятора. Оно означает, что любое отклонение от заданного установившегося режима вращения с течением времени должно затухнуть, исчезнуть. Другими словами, при любом сбое в нагрузке режим вращения со временем должен восстановиться.

Заметим, что при такой конструкции регулятора число оборотов вала всегда будет немного отличаться от заданного. Но ведь инженеру не требуется абсолютное их совпадение. Важно, чтобы регулятор обеспечивал достаточно малое отклонение от расчетного режима.

А это требование может быть проверено лишь на практике.

Забегая вперед, скажем, что требование устойчивости оказалось не просто приемлемым – в течение целого столетия оно помогало проектантам создавать конструкции, вполне удовлетворяющие практику. Так удачное представление критерия на языке математики оказывается ключом при создании управляющих систем.

Последний, заключительный, этап исследования регулятора должен состоять в том, чтобы выбранное условие устойчивости записать в такой форме, в какой представлены требования к регулятору. Потом уже дело инженера так выбрать параметры регулятора, чтобы они удовлетворяли выбранным условиям. Этот этап требует математического анализа модели. В модели регулятора Уатта все оказалось более или менее просто. Теория И. Вышнеградского точно указывала границы допустимых значений параметров регулятора. Она позволяла подобрать «хороший регулятор» для любой системы «станок – паровая машина».

Новая теория позволила И. Вышнеградскому сделать ряд важных заключений:

а) не надо стремиться делать слишком малым трение о валик регулятора; б) не следует делать грузики слишком массивными; в) нужно стараться увеличивать степень неравномерности величины, характеризующей зависимость угловой скорости вала машины от величины внешней нагрузки («без неравномерности нет регулятора» – основной тезис И. Вышнеградского).

Эти правила были совсем не очевидными. Более того, они противоречили тем тенденциям, которые возникали в инженерной практике тех времен, например, считалось, что чем меньше трение в регуляторе, тем он лучше. Так теоретическим путем были устранены трудности проектирования регуляторов Уатта, а рекомендации науки, казалось, противоречившие интуиции инженеров, не только утвердили престиж новой теории, но и сыграли немаловажную роль в утверждении математических методов в инженерных дисциплинах.

Итак, задача о регуляторе Уатта оказалась решенной полностью. Более того, было установлено, что как бы ни был устроен регулятор Уатта, он будет обеспечивать устойчивую работу трансмиссии, если только его параметры удовлетворяют перечисленным выше условиям. Заметим, что теория не дает однозначных рекомендаций. И эта неоднозначность очень удобна, поскольку она предоставляет инженеру, проектирующему регулятор, возможность варьировать в определенных границах параметры так, как ему удобно, и дает простор для творчества.

Теория регулятора Уатта дала начало целому потоку исследований. Оказалось, что принципы автоматического управления, систематизированные Дж. Максвеллом и И. Вышнеградским, довольно универсальны. Они дают возможность проектировать механизмы, управляющие работой ректификационных колонн нефтехимии, поддерживающие заданную температуру в химических реакторах, обеспечивать заданный режим полета самолета и т. д.

Выяснилось также, что математические методы, предложенные И. Вышнеградским и Дж. Максвеллом, при соответствующем развитии годятся и для задач, возникающих в практике управления. В XIX и первых десятилетиях XX века этот факт послужил источником многочисленных исследований чисто математического характера. Усилиями Рауса в Англии, Д. Стодолы в Чехии, Н. Жуковского в России и ряда других крупных ученых и инженеров «Теория регулирования» превратилась постепенно в самостоятельную науку.

Вместе с «Теорией регулирования» развивались также другие технические дисциплины, определявшие правила инженерного проектирования регуляторов. Оказалось, что, несмотря на различие условий, в которых работают, скажем, автопилот и регулятор температуры в химическом реакторе, у них много общего – я бы сказал, общие принципы, общая организация, единая структура.

Так, всякая система регулирования должна иметь некоторый чувствительный регистрирующий орган, позволяющий оценивать состояние системы и показывать, насколько она отклоняется от предписанного ей режима.

В автопилоте таким чувствительным органом является гироскоп: благодаря способности его оси сохранять положение в пространстве он позволяет обнаруживать непредусмотренный крен самолета, отклонение его курса и т. д. В реакторах, где важно сохранять постоянство температуры, чувствительным элементом является термометр либо иное устройство, измеряющее температуру.

В регуляторе Уатта это угол отклонения центробежных грузиков от их расчетного положения. Назовем условно этот элемент системы регулирования информационной системой, поскольку он поставляет нам данные о ее состоянии.

Далее, любая система регулирования имеет блок, который именуется блоком выработки сигнала, или, имея в виду последующие разговоры, назовем его блоком принятия решения. В автопилоте это гироскоп, по сигналу которого вырабатывается команда поворота рулей или элеронов, компенсирующая отклонения. В ректификационных колоннах это устройство, обеспечивающее регулирование температуры процесса. В паровых двигателях это система, регулирующая соотношение длины хода заслонок, открывающих доступ пара в паровую машину, и угол отклонения грузиков от его расчетного положения. В современных сложных системах регулирования в этом блоке может присутствовать и электронная вычислительная машина.

Наконец, в любой системе регулирования должны быть управляющие органы и силовой агрегат, который их приводит в действие. В автопилоте управляющие органы – это рули высоты и поворота и элероны. Силовой агрегат – рулевая машинка. В системе регулирования паровой машины управляющий орган – это заслонка, пропускающая пар в цилиндры паровой машины. Силовой агрегат сам центробежный механизм (регулятор прямого действия).

Общим признаком всех систем регулирования является реализация принципа обратной связи: управляющие воздействия на управляющую систему оказываются функциями и следствиями отклонения системы от предписанного ей режима работы. Эти функции могут быть самой разной природы, самого разного уровня сложности. Если обратные связи в системе достаточно просты, то такие системы называются рефлексными. Система, снабженная регулятором Уатта, является рефлексной: увеличилось число оборотов трансмиссии на 10 процентов – на столько же процентов уменьшается подача пара; уменьшилось число оборотов – увеличивается подача пара.

Понятие «рефлексные системы» идет из физиологии, и возникло оно в школе академика И. Павлова. Реакция организма на раздражитель называется рефлексом, если она связана с возбуждением простой функциональной связью. Позднее мы убедимся, что далеко не все обратные связи рефлексные и описываются достаточно простой зависимостью.

Есть еще одно общее у этих задач, что послужило поводом называть эту дисциплину «Теорией регулирования». Все перечисленные системы имели своей целью регулирование установившихся стационарных режимов.

Автопилот призван обеспечить равномерный и прямолинейный полет самолета независимо от силы воздушных течений, неравномерности работы двигателя или других причин, не предусмотренных заранее расчетами.

Терморегулятор в химическом реакторе должен держать постоянной заданную температуру в зоне реакции. Регулятор Уатта должен обеспечивать равномерное вращение вала трансмиссии. Решения именно этих технических проблем породили определенные классы математических задач, составивших содержание исследований в данной области в течение почти ста лет.

И наконец, еще одно немаловажное обстоятельство.

Основным требованием, которому должны были удовлетворять все регуляторы, – была устойчивость. Но условие устойчивости не выделяет единственного решения: обеспечить устойчивость можно многими способами. Поэтому конструктор получал определенную свободу выбора. Создавая тот или иной механизм, он всегда сталкивается с необходимостью удовлетворить различным и подчас противоречивым требованиям. Требование повышения качества трудно согласуется, например, с требованием снижения себестоимости. Увеличение прочности и надежности приводит к увеличению веса конструкции самолета, то есть к ухудшению его летных характеристик, и т. д. Поэтому та свобода выбора параметров, которую допускает «Теория регулирования», позволяла конструктору выполнять и другие требования, которые перед ним возникают, находить разумные между ними соотношения. Это обстоятельство породило целый ряд новых проблем, которые подготовили следующий этап развития теории. Поясним это на одном примере.

Пусть речь идет все о том же автопилоте пассажирского самолета. Его задача – обеспечить равномерный установившийся полет самолета. Для этого он должен быть способен парировать, например, любые случайные порывы ветра. Сделать это можно, как мы выяснили, бесчисленным числом способов, Но это означает, что среди них можно найти и такой, который лучше других, однако уже по какому-либо другому критерию. Таким критерием может быть, например, удобство пассажиров – оно определяется величиной перегрузок. Мы все знаем, как неприятны случайные ускорения, воспринимаемые нами как толчки. И всегда очень ценим умение шофера не только соблюдать правила уличного движения, но и вести машину так плавно, чтобы пассажиры не замечали ускорений, замедлений и резких поворотов.

Значит, и от автопилота мы можем потребовать нечто подобное. Потребовать, чтобы он не только обеспечивал устойчивость полета, но и старался компенсировать случайные помехи так, чтобы перегрузки были по возможности малыми.

Вот каковой была постановка задач регулирования, в которой впервые появилось понятие качества регулирования. Инженеры начали ею заниматься еще в довоенное время. Именно в те годы впервые появилась идея оптимизации применительно к управлению. Эта идея требовала не просто обеспечения достижения цели управления, а достижения ее наилучшим образом.

К концу 30-х годов развитие «Теории регулирования» казалось, закончилось: проблемы, которые вызвали ее появление и оформление как самостоятельной дисциплины, оказались решенными. Методы, развитые ею к этому времени, позволяли решать практически все задачи, возникающие в инженерной практике, и вполне удовлетворяли запросы практики. «Теория регулирования» стала постепенно превращаться в стандартную дисциплину, подобную «Деталям машин» или «Сопромату» с их строго канонизированными постановками задач и методами решения.

Но человеческая практика, научно-технический прогресс непрерывно усложняют жизнь и ставят новые задачи. Исследователь всегда подобен путнику, идущему через перевалы. Перед каждым новым ему кажется, что он последний. Но, поднявшись на него, он видит, что перед ним новый, еще более высокий, поднявшись на него, он опять видит перед собой новый перевал и т. д.

Но если у него достаточно сил, то он знает, что однажды доберется до самого высокого и увидит то, что скрывается за ним. То же случилось и с «Теорией регулирования». Преодолев трудности решения задач, которые наука унаследовала от И. Вышнеградского и Дж. Максвелла, ученые увидели задачи, которые оказались не только естественным развитием старых, но и требовали нового видения проблем управления и нового математического аппарата.

Я не сомневаюсь, что крупные ученые еще раньше видели эти новые задачи и имели принципиальные соображения, как их решать, еще в довоенное время.

Но только после войны бурное развитие техники потребовало практического решения этих новых задач науки и техники.