4. ЭВМ помогают внедрять кибернетику в жизнь

4.1. Современные методы регулирования

С кибернетической точки зрения проанализировано множество регулируемых систем, существующих в природе. Результаты этих исследований надо обобщить и применить в технике.

Но тут возникает следующая проблема: простейшие регуляторы, с которыми мы до сих пор имели дело, не могут выполнять сложные функции, рассмотренные нами в предыдущих разделах. Такие регуляторы просто недостаточно для этого умны.

В то же время практика постоянно требует создания более совершенных современных регулирующих устройств.

Во многих случаях регулирование должно быть очень точным. Например, в некоторых химических процессах выход продукта увеличивается при максимальных температуре. и давлении. Эти процессы должны, следовательно, протекать в экстремальных условиях, которые могут выдержать стенки реактора. Чтобы обеспечить безопасность, система управления процессом должна следить за тем, чтобы необходимые параметры находились точно на заданном уровне. Обычные регулирующие устройства не всегда могут решить эту задачу с необходимой степенью надежности.

Непросто обеспечить и необходимый контроль над процессом. Для того чтобы производить большие партии продукции высокого качества, требуется множество контрольных и измерительных приборов. Эти приборы вместе с датчиками аварийных сигналов, самописцами и устройствами, которые в случае аварии обеспечивают дистанционное управление, размещены на специальном щите. Контрольные функции в современном производстве многочисленны и сложны, они требуют большого количества соответствующих приборов. Заглянем на контрольно-измерительный пункт: приборы расположены вплотную друг к другу, то и дело вспыхивают сигнальные лампочки. Пункт обслуживается сравнительно малочисленным коллективом операторов, которые должны выполнять все необходимые контрольные функций и согласованными действиями устранять возникающие отклонения от нормального режима работы. Множество выполняемых при этом операций иногда может вызвать у операторов физические и нервное перенапряжение. Чтобы обеспечить надежность процесса, нужны новые формы контроля.

К регулированию предъявляются сегодня и другие требования: например, желательно, чтобы считываемые значения параметров автоматически фиксировались органами производственного учета и использовались для вычисления показателей производительности и качества. Кроме того, как мы уже установили, производству требуются регулирующие устройства с наилучшими кибернетическими свойствами. Такие устройства должны непрерывно вычислять показатель качества и доводить его до оптимального уровня. Но для этого им нужна память.

Итак, задача состоит в том, чтобы существенно усовершенствовать процессы управления, обеспечить надежную защиту от аварии и передачу информации на ЭВМ.

Для нужд автоматического управления были созданы специальные ЭВМ - управляющие вычислительные машины, отвечающие требованиям современного автоматизированного производства. Они рассчитывают оптимальный вариант процесса и определяют, как надо при этом изменять управляющие величины. Кроме того, они выполняют функцию централизованного управления в сложнейшей автоматизированной системе производства.

В качестве примера можно привести производимые в ГДР системы станков "Призма" и "Рота". В этих системах ЭВМ на основе заранее введенной в нее информации управляет всем производственным процессом. Она осуществляет отдельные операции в логической последовательности: заготовка берется со склада, доставляется к нужной машине; отбирается нужный инструмент; происходит процесс обработки, после чего ЭВМ проверяет, соблюдена ли заданная точность и отправляет полуфабрикат на следующую стадию обработки. Кроме того, ЭВМ сообщает о том, как происходит процесс, и предоставляет данные, нужные для учета. Надо отметить, что эти системы станков предназначены для мелкосерийного производства. Каждая следующая заготовка может, в принципе, подвергаться иной обработке; исходя из производственной необходимости, можно произвольно увеличивать выпуск того или иного вида продукции.

Все эти вопросы организации производства ЭВМ решает автоматически, следуя составленной для нее программе.

Чтобы осуществлять управление процессом, ЭВМ выполняет следующие функции:

1. Она собирает важную для хода процесса информацию. Эта информация (данные) представляет собой последовательность цифр и других условных знаков, понятных ЭВМ. Поскольку ЭВМ работает с цифрами, все сигналы должны быть преобразованы в последовательность цифр. Эта операция показана на рис. 74. Измеренный аналоговый (непрерывный) сигнал преобразовывается в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
   
   Рис. 74. Значения аналогового сигнала (а) регулярно считываютcя и путем квантования преобразуются в цифровой сигнал (б), который поступает на ЭВМ в виде числовой последовательности (в) или последовательности импульсов (г)
   
   
   Аналоговым называется сигнал, информационные параметры которого могут в определенных пределах принимать любые значения. Дискретным называется сигнал, информационные параметры которого могут принимать только некоторые из конечной совокупности значений. Цифровым называется дискретный сигнал, в котором значениям параметра соответствуют определенные кодовые слова, образующие последовательность знаков.
2. ЭВМ накапливает данные и хранит их для последующей обработки. Снимая характеристики процесса и регистрируя структурные параметры установки, она может построить математическую модель процесса.
3. ЭВМ может производить расчеты, используя введенные в нее или накопленные данные, например рассчитывать оптимальное значение управляющей величины. Эти расчеты должны не отставать от реального процесса, т. е. ЭВМ должна работать в реальном масштабе времени.
4. ЭВМ может выдавать некоторые данные, например оптимальное значение управляющей величины. Эти данные должны быть преобразованы опять в аналоговый сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП), чтобы их можно было использовать непосредственно в процессе управления.

Управляющая вычислительная машина - это ЭВМ, которая в реальном масштабе времени собирает данные о процессе, перерабатывает их, а также выдает информацию. Рассчитывая значения управляющей величины, она или предоставляет их для дальнейшего использования или непосредственно воздействует на процесс.

Но управляющая ЭВМ не может производить вычисление по собственной инициативе. Для этого она должна получить команду от своего устройства управления. Поскольку же устройство управления не знает, что и как машина должна считать, человек вводит в нее программу вычислений, составленную на понятном машине языке.

Программа вычислений (или просто программа) - это упорядоченная последовательность указаний, по которым производятся вычисления.

В программе, например, может быть предписано рассчитать оптимум по указанному методу. Такое предписание называется алгоритмом (к этому термину мы еще вернемся).

Функциональная схема цифровой ЭВМ показана на рис. 75, На рисунке не показано множество приборов, расположенных вокруг центрального устройства (периферийные устройства). К ним относятся индикаторы, размещенные на контрольно-измерительных щитах, а также обслуживающие ЭВМ печатающие устройства, и приборы, вычерчивающие графики. Эти устройства автоматически заполняют эксплуатационный журнал (например, данными о выпуске продукции и расходе материалов) и облегчают этим производительный учет.

ЭВМ может быть использована в управлении промышленными предприятиями. Кроме помощи в учете, машина способствует принятию правильных решений (она мгновенно может проанализировать любую возникшую ситуацию) и выполняет также функцию по организации и управлению производством, которое поддается автоматизации. Например, ЭВМ может координировать в процессе производства материальные потоки, потоки энергии и информации.

Система автоматизированного управления промышленным предприятием с использованием ЭВМ, но с непосредственным участием человека получила название АСУ (автоматизированная система управления).

Устройства, изображенные на рис. 75, специалисты называют техническими средствами, а программное обеспечение (например, вычислительные программы) - математическим обеспечением машины.

Рис. 75. Функциональная схема управляющей ЭВМ

Вычислительные программы наносятся на соответствующие носители информации (перфоленты, перфокарты, магнитные ленты к т. д.). В программах точно указано, какие вычисления следует произвести, какие данные использовать и какие ячейки памяти при этом занять. Именно эти управляющие команды часто делают программу сложной и громоздкой.