История развития дискретных систем автоматического управления

Прежде чем обращаться к истории зарождения и развития дискретных систем автоматики, приведем пример технологической операции металлообработки. Пусть требуется обточить деталь на токарном станке-автомате (рис. 26). Для этого должна быть выполнена следующая последовательность технологических переходов:

1. Подача заготовки в зону обработки загрузочным устройством А;

2. Закрепление заготовки в зоне обработки зажимным устройством В;

3. Включение электродвигателя ЭД-2 вращения шпинделя с заготовкой D;

4. Проточка заготовки резцом, закрепленным на суппорте поперечной подачи С; приводимого в движение электродвигателем ЭД-1;

5. Отвод суппорта в исходное положение (путем реверса ЭД-1) и остановка шпинделя станка (путем отключения ЭД-2);

6. Разжим и удаление готовой детали.

Заданная последовательность работы исполнительных механизмов станка может быть описана так называемым графом функционирования:

Рис. 26. Схема циклового автомата с дискретной САУ

Приводы рабочих органов A, B, C, D станка можно перемещать в требуемой последовательности от механических кулачков, размещенных на вращающемся распределительном валу; по командам электромеханического командоаппарата, воздействующего своими упорами на кнопки управления; или от счетного электронного устройства (например на базе микро-ЭВМ), выдающего через определенные интервалы времени управляющие импульсы на соответствующие приводы. Перечисленные варианты управления относятся к централизованным системам автоматического управления (САУ) без обратной связи.

Чаще всего такие технологические операции и процессы проще и дешевле реализуются с помощью дискретных децентрализованных систем управления (ДСУ) с путевым контролем, т.е. систем, в которых выполнение каждого последующего перехода может быть начато только после окончания предыдущего, о чем в СУ поступает сигнал обратной связи (например, от путевого выключателя). Математической моделью подобных систем является конечный автомат – это автомат, у которого множество входных (Х), выходных (Y) сигналов, а так же множество внутренних состояний (Z), являются конечными множествами. Частным случаем конечного автомата является логическая (релейная) система управления – это система, в которой все сигналы (входные, выходные и внутренние) могут принимать только два фиксированных дискретных значения (логический «0» или логическую «1»). Широкое распространение в промышленности получил способ управления дискретными приводами станков-автоматов и автоматических линий с помощью ДСУ, построенных на различных логических элементах, проектируемых на основе теории конечных автоматов и математического аппарата алгебры логики (Булевой алгебры), получившей свое название по имени ее автора – английского математика Джорджа Буля (1815–1864).

Впервые необходимость в упорядоченной выработке управляющих выходных воздействий на объект управления в зависимости от его внутреннего состояния и меняющейся комбинации входов возникла при передаче информации на расстоянии.

Первый опыт передачи информации на расстоянии был реализован с помощью оптического телеграфа в 1794 году между Парижем и Лиллем. Он получил распространение по всей Европе, в том числе и в России. В 1839 году была проведена самая длинная линия оптического телеграфа длиной в 1200 км между Петербургом и Варшавой (100 сигналов передавались по этой линии за 35 минут). Однако громоздкость оптического телеграфа заставляла искать другие средства передачи информации.

В 1828 году русский ученый Павел Львович Шиллинг (1786–1837) – друг А.С. Пушкина, разработал стрелочный электромагнитный телеграф на базе сконструированного им электромагнитного реле (рис. 27). Недостатком его было то, что переданная информация никак не фиксировалась.

В 1839 году Б.С. Якоби – приемник П.Л. Шиллинга в телеграфном деле построил телеграф, где знаки фиксировались в виде ломаной линии, а затем расшифровывались. В 1843г. Б.С. Якоби предложил проект подземного проводного телеграфа между Петербургом и Царским Селом. В Германии самопечатающими телеграфами занимался К.А. Штейнгель, а в США – С.Ф. Морзе (автор азбуки Морзе). В практику вошел аппарат Морзе, предложенный в 1844 г. Он имел более экономную азбуку, чем азбуки, разработанные в Австрии и Германии. В 1850 году Б.С. Якоби предложил буквопечатающий телеграфный аппарат, но распространение получил, предложенный в 1855 г. аппарат англо-американца Д.З. Юза. Все телеграфные аппараты были проводными. Даже в научно-фантастических романах того времени не высказывалась идея передачи информации на расстоянии без проводов. В России телеграф строился с 1853 по 1858 годы.

Рис. 27. Принцип действия и схема электромагнитного реле:

1-катушка, 2-сердечник, 3-магнитопровод, 4-якорь,

5-немагнитный штифт, 6-контакты, 7-упор, 8-внешняя цепь

Телеграфная связь поставила вопрос кодирования и декодирования информации (букв, цифр, и других символов). Проблема построения экономичных релейно-контактных схем (переключательных схем) привела к необходимости применения при их разработке алгебры логики или иначе алгебры высказываний.

Первый, кто занялся созданием теории высказываний и формальной логики, был Аристотель (384–322 гг. до н.э.) – установивший, что человеческое мышление подчиняется определенным логическим закономерностям, при отклонении от которых возникает бессмыслица. Логика Аристотеля дошла практически без изменений до середины XIX века и преподавалась во всех университетах Европы. Задача математизации формальной логики была поставлена и частично осуществлена Готфридом-Вильгельмом Лейбницем (1646–1716). Но лишь в 1847 году формальная логика Аристотеля была окончательно переведена на строго научный уровень и трансформирована в математическую логику. Это сделал Джордж Буль, опубликовавший работы: «Математический анализ логики», «Логические исчисления» (1848) и «Исследование законов мышления» (1854).

В своих трудах Джордж Буль показал, что все логические функции могут быть выражены через три основные «базисные»:

1) конъюнкция – логическое умножение (И);

2) дизъюнкция – логическое сложение (ИЛИ);

3) инверсия – логическое отрицание (НЕ).

На рис.28 приведены реализации этих трех основных логических функций (конъюнкция, дизъюнкция и инверсия) как в виде релейно-контактных схем (РКС), так и в виде бесконтактных логических схем (БЛС).

Рис.28. Реализация основных логических (Булевых) функций:

Х, Х1, Х2 – входы (логические переменные); Y – выход (логическая функция)

Релейно-контактные схемы при передаче информации строились чисто эмпирическим путем. Получаемые в результате аппаратные решения были громоздки и избыточны, они потребляли много электроэнергии и отличались низкой надежностью. Создание релейно-контактных схем было настоящим искусством, так же как создание и настройка регуляторов для паровых машин до теоретических разработок И.А. Вышнеградского и А.М. Ляпунова. Теория Джорджа Буля была достаточно академична и непонятна инженерам-практикам (так же как в свое время математический аппарат, изложенный в статье Джеймса Максвелла «О регуляторах»).

Впервые на возможность применения законов логики к рассмотрению «…схемы проводов автоматической телефонной станции» указал русский физик П.С. Эренфест в рецензии на книгу Л. Кутюра «Алгебра логики».

Предложение о возможности создания алгебры релейно-контактных схем и строгие доказательства применимости булевой алгебры к анализу этих схем высказывал в 1935 г. советский физик В. И. Шестаков. В 1936–1938 гг. такие же предложения и доказательства были приведены американским математиком и инженером К.Э. Шенноном и японским ученым Накашима. В 1938 г. К.Э. Шеннон опубликовал статью «Символический анализ релейных и переключательных цепей», в котором впервые дал способ описания релейных и переключательных схем с помощью логических уравнений. Он доказал, что исчисление, лежащее в основе этих уравнений, аналогично исчислению высказываний в символической логике. Значения «истинно» и «ложно» соответствуют открытому или закрытому состоянию контакта. В нашей стране теорию релейно-контактных схем развил в 1945–1949 г. член-корреспондент АН СССР М.А. Гаврилов.

Существенное влияние на развитие теории конечных автоматов оказало необходимость создания цифровых ЭВМ. Практика их проектирования ставила задачи разработки теории алгоритмов и теории информации. Это привело к тому, что теория конечных автоматов превратилась в раздел технической кибернетики. Большой вклад в эту теорию внесли наши отечественные математики В.Г. Лазарев и А.Д. Закревский.

Одновременно с теорией конечных автоматов развивались и технические средства их практической реализации в виде элементной базы устройств передачи информации, вычислительной и управляющей техники.

В 1889 г. русский инженер А.С. Попов указал на возможность практического применения электромагнитных волн, а в 1895 г. построил первый в мире радиоприемник. В 1904 г. английский ученый Я. Флеминг предложил двух- электродный электровакуумный прибор – диод и применил его в качестве детектора в радиоприемных устройствах. В 1907 г. в США Ли де Форест предложил трехэлектродную лампу-триод, позволяющий усиливать и генерировать электрические колебания. Эти два изобретения произвели революцию в радиотехнике.

В России в начале ХХ века сформировалась большая группа ученых и инженеров, работающих в области радиоэлектроники. В России первые электронные лампы были изготовлены под руководством Н. Д. Папалекси и М.А. Бонч-Бруевича еще в 1914 г. Декретом от 2 декабря 1918 г. была создана Нижегородская радиолаборатория, где было налажено изготовление мощных генераторных ламп под руководством М.А. Бонч-Бруевича. В 1922 г. там была построена самая мощная в мире (на 400 КВт) радиостанция.

В 20–30-е годы ХХ века было предложено большое число типов электровакуумных приборов, что обусловило быстрое развитие радиосвязи, телевидения, радиолокации, измерительной техники и промышленной электроники.

В 30–40-е годы в технике стали применять радиолампы в массовом количестве. Выяснилось, что они имеют малый срок службы, большие габариты и потребляют много энергии. Например, в электронном устройстве с 2000 ламп при сроке службы в 500 часов поломка устройства наблюдалась каждые 15 минут.

Промышленностью была поставлена задача найти электронные приборы другого принципа действия. В 20-х годах прошлого столетия советским инженером О.В. Лосевым был предложен полупроводниковый кристаллический детектор. Основополагающим вкладом в полупроводниковую технику в нашей стране явились работы А.Ф. Иоффе.

В 1948 г. в США был создан полупроводниковый триод-транзистор на основе германия. Его создатели Д. Бардин, У. Браттейн, У. Шокли были удостоены Нобелевской премии. В 1949 г. А.В. Краснов и С.Г. Мадоян создали транзистор в нашей стране. Полупроводниковые приборы с их высоким коэффициентом полезного действия, долговечностью, надежностью, небольшими габаритами и массой совершили революцию в вычислительной технике и в автоматике.

Первые интегральные схемы были созданы в США Д. Килби и Р. Нойсон в 1958 г., а с 1962 г. начался их промышленный выпуск. В дальнейшем были созданы большие интегральные схемы (БИС), где количество элементов на одном кристалле достигает несколько сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2–3 мкм. Быстродействие БИС измеряется миллиардными долями секунды. Создание БИС повлекло появление в 1978 г. микропроцессоров и микро-ЭВМ, а в 80-е годы они стали выполняться на одном кристалле. Дальнейшее совершенствование технологии позволило достичь еще большей миниатюризации и создать сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС), которые являются основной элементной базой современных вычислительных машин и управляющих систем автоматизации.