§ 1. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ В ТЕХНИКЕ

Для пояснения того, на чем основывается процесс автоматического регулирования, и схематического представления действия этого процесса приведем вначале ряд примеров автоматического регулирования, применяемого в технике.

регулирования одинакова в любой области, где функционируют системы взаимосвязанных действий, это даст нам возможность по аналогии развернуть общую теорию регулирования и' формализовать ее в виде моделей и математических выражений.

19

2*

Одним из простейших регулирующих устройств, применяемых в технике, является так называемый автоматический термостат. Это устройство, схема которого изображена на рис. 1 и 2, служит для поддержания постоянной температуры, например, в квартире,обогреваемой отопительными приборами, которые обозначены символом G. Вообще, если известна температура вне квартиры, можно рассчитать, какова будет температура в . помещении при поступлении определенного количества пара, регулируемого с помощью вентилей А. И наоборот, при данной внешней температуре можно определить, каким должно быть поступление пара, чтобы температура помещения поддерживалась на желаемом уровне. Как температуру в жилище, так и подачу пара в отопительные приборы можно измерить, а следовательно, выразить количественно.

Если внешняя температура изменится, например снизится, то при поступлении заданного количества пара на обогрев снизится и температура в помещении. Чтобы поддерживать температуру в квартире на определенном заданном уровне (в пределах так называемой нормы), следует увеличить поступление пара в отопительные устройства. Это можно делать по-разному, Простейший, но примитивный способ состоит в том, что вентиль, регулирующий поступление пара и находящийся внутри или вне данного помещения, обслуживается специальным работником, который, основываясь на показаниях термометра, измеряющего внешнюю температуру или температуру в помещении, соответственно изменяет положение вентиля и таким образом увеличивает или уменьшает поступление пара.

Анализ примера регулирования внутренней температуры помещений позволяет сделать следующие выводы:

1. Регулирование может осуществляться путем выравнивания отклонений действительного значения эффекта от заданного значения (нормы); это так называемый принцип выравнивания отклонений. Устройства, служащие для этой цели, носят название регуляторов.
2. Регулирование может также осуществляться посредством компенсации возмущений (помех). В рассмотренном примере это означало бы, что выравнивание отклонений температуры жилища от нормы осуществляется соответственно изменениям внешней температуры. Устройства, компенсирующие возмущения, носят общее название компенсаторов.
3. Наконец, регулирование может осуществляться посредством устранения воздействия возмущений. Для описываемого случая это означает такую изоляцию помещения, чтобы изменение окружающей температуры не влияло на внутреннюю температуру в помещении.

Может показаться, что наиболее легким и простым способом регулирования является устранение воздействия возмущений. И в самом деле, устройства такого рода применяются достаточно часто. Они называются по-разному: амортизаторы, буферы, щиты, изоляторы и т. п. Такого рода приспособления существуют и в живых организмах, например панцирь черепахи предохраняет ее от воздействия окружающей среды и, таким образом, ограждает от возмущений, которые могли бы вызвать неблагоприятные явления в организме черепахи.

Однако применение таких устройств не всегда возможно; в таких случаях регулирование должно осуществляться методами выравнивания отклонений или компенсации возмущений.

На рис. 1 представлена схема автоматического регулирования температуры помещения, основанная на принципе компенсации возмущений, а на рис. 2 — схема автоматического регулирования, построенная по методу выравнивания отклонений. В обоих случаях устройство автоматического регулирования состоит из датчика С (рецептора), которым служит сосуд, наполненный газом. Датчик соединен соответствующими проводниками с собственно регулирующим устройством. Если окружающая температура повышается, то газ в датчике (сосуде) расширяется и давит на поршень, который, в свою очередь, приводит в действие соответствующую пружину, рычаг и вентиль, вызывая уменьшение подачи пара. И наоборот, если температура понижается, то таким же способом увеличивается подача пара в отопительные приборы.

Аналогичным образом сконструировано устройство автоматического регулирования по методу выравнивания отклонений (см.

х

Регулирование, основанное на выравнивании отклонений, включает так называемую обратную связь, характеризующуюся тем, что цепь связей элементов данной системы является замкнутой. Иначе можно сказать, что в данном случае реализована замкнутая цепь воздействий (closed loop control). В регулировании, основанном на компенсации возмущений, обратной связи нет, ибо цепь связей незамкнута. Можно также сказать, что здесь регулирование осуществляется по незамкнутой (открытой) цепи (open loop control).

Здесь нелишне отметить, что среди основных понятий кибернетики до сих пор существует большая путаница. Иногда, например, для определения процесса регулирования безотносительно к способу его реализации применяется термин управление (kiero- wanie!), который обозначает воздействие на результат работы системы для достижения намеченной цели. Термин «регулирование» используется в более узком смысле — для обозначения типа управления, основанного на методе выравнивания отклонений от нормы. Для характеристики регулирования методом устранения воздействия или компенсации возмущений используются такие термины, как элиминирование, компенсация, стабилизация условий и т. п.

Приведем еще один пример устройства, служащего для регулирования технологических процессов, — пер- вого подобного устройства, которое начали производить в промышленных масштабах. Это автоматический регулятор подачи пара в паровую машину, изобретенный Уаттом и запатентованный в 1769 г. Регулятор состоит из двух тяжелых шаров, укрепленных на плечах рычага, которые вращаются вокруг вертикального стержня со скоростью, зависящей от скорости главного вала машины. Если скорость вращения главного вала превышает установленную норму, центробежная сила поднимает шары. Связанная с ними система рычагов частично перекрывает вентиль в трубе, по которой пар поступает к цилиндрам машины.

На подобном же принципе основано автоматическое регулирование скорости вращения и иных механизмов, например гидравлических турбин. Очевидно, что регулирование механизмов может осуществляться двумя или тремя описанными выше способами. Укрепляя машину на амортизаторах и на соответствующем фундаменте, можно устранить воздействие некоторых видов возмущений на ход машины; одновременно другие устройства могут компенсировать возмущения, воздействия которых не удалось устранить, и, наконец, регуляторы выравнивают отклонения от нормы, возникающие при работе машины. В таких случаях говорят, что применены комплексные методы управления или регулирования .

Приведем теперь пример аналогичных способов регулирования экономических процессов. Предположим, что необходимо стабилизировать доходы крестьян (единоличников или членов производственных кооперативов), которые подвержены значительным колебаниям в отдельные годы в зависимости от урожая, то есть от сбора сельскохозяйственных культур. Эта цель может быть достигнута тремя способами. Во-первых, можно осуществить такие мероприятия, чтобы ни в одном году сборы не были существенно ниже некоторого среднего уровня. Это есть метод устранения возмущений. Применить его в данном случае практически невозможно, ибо это потребовало бы умения воздействовать на погодные условия. Однако частично такая задача становится осуществимой с прогрессом агротехники, которая уменьшает зависимость урожая от погоды. Во-вторых, возможны методы компенсации возмущений; в данном случае это искусственное орошение или осушение (в зависимости от погодных условий) и т. п. В-третьих, можно создать соответствующий стабилизационный (страховой) фонд, образуемый из соответствующих взносов крестьян в годы, когда сборы культур превышают средний уровень, и из которого в свою очередь выплачиваются пособия крестьянам тогда, когда сборы оказываются ниже среднего уровня.

На практике и здесь можно применить все три способа регулирования уровня доходов, то есть использовать комплексные методы регулирования. В Польше и во многих других странах инструментам известного регулирования доходов крестьян является страховой фонд, формирующийся из взносов всех крестьян и предназначенный для компенсации различных потерь от стихийных бедствий (наводнений, ураганов, градобития, пожаров), поражающих отдельные хозяйства. В практике страхования применяются все три метода регулирования. По терминологии страхового дела метод регулирования путем устранения возмущений называется предупреждением (предупредительными ме- рбприятиями), метод выравнивания отклонений называется погашением, а метод компенсации — выплатой страховых сумм. Органы государственного страхования Польши осуществляют все три вида такой деятельности, то есть применяют комплексные методы регулирования.

Следует подчеркнуть, что выбор соотношения (интенсивности использования) каждого из трех указанных методов является экономическим решением, определяется экономическими соображениями. Нецелесообразно было бы, например, во что бы. то ни стало применять метод компенсации возмущений, если его использование окажется чрезмерно дорогостоящим. В этом случае с экономической точки зрения лучше применить, например, метод выравнивания отклонений. Этим принципом чаще всего и руководствуются при регулировании в технике.