Первые промышленные автоматы

В первых машинах, действовавших при помощи пара, он, по существу, не совершал непосредственной работы. Пар лишь поднимал поршень в цилиндре. Затем в цилиндр впрыскивали воду. Пар, до того заполнявший его, конденсировался в капельки воды. Давление в цилиндре уменьшалось, а давление внешнего воздуха заставляло поршень опускаться. При этом поршень посредством системы тяг и рычага – балансира - приводил в движение поршень водяного насоса, выкачивавшего воду из шахты. Такова была паровая, а вернее, пароатмосферная машина, созданная английским изобретателем – слесарем и кузнецом Т. Ньюкоменом. Он первым нашел способ использования энергии горящего топлива для совершения механической работы.

История не хранит имен тысяч неудачников, но помнит имя мальчика Поттера, соединившего заслонку в паропроводе и водяной кран в паровоздушной машине Ньюкомена с ее коромыслом и заставившего ее работать без своего участия. История помнит и другого изобретателя, научившего машину самостоятельно добавлять воду в котел по мере того, как горячий пар пожирался ее ненасытной пастью.

Существенный вклад в реконструкцию паровых машин внес И.И.Ползунов. Его машина имела два поочередно работающих цилиндра, так что их рабочие ходы следовали один за другим, и машина действовала непрерывно. Балансир-рычаг управлял положением кранов, поочередно пропускавших в цилиндры пар из котла или холодную воду для его конденсации. Специальный регулятор автоматически поддерживал уровень воды в котле. Однако, дело, начатое Ползуновым, не нашло продолжателей.

Следующий шаг сделал Дж. Уатт – механик университета в Глазго (1763 г.). В результате бесконечных усовершенствований появился первый промышленный автомат , способный самостоятельно, без участия человека, превращать тепловую энергию топлива в механическую работу.

Так паровая машина стала двигателем, сыгравшим большую роль в превращении мануфактурного производства в промышленное с последующей за этим социальной перестройкой общества. Оценивая значение паровой машины и роль ее изобретателя, К. Маркс писал: «Великий гений Уатта в том, что патент, взятый им в апреле 1784 г., давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности». Это замечание Маркса заставляет нас проследить труды Уатта за 21 год, прошедший между его первым знакомством с моделью машины Ньюкомена и созданием универсального двигателя, снабженного регулятором – первым автоматом- предком современных автоматов и роботов.

Несмотря на автоматизацию отдельных элементов, паровая машина еще не стала настоящим автоматом. Она требовала постоянного присмотра и управления человеком – изменение внешней нагрузки или давления пара в котле могло привести к ее остановке или нарастанию скорости вращения вплоть до разрушения машины.

На самом деле, нельзя считать автоматом механизм, способный действовать только при точно определенных условиях.

В 1868 году в Англии примерно 75000 паровых машин были снабжены регуляторами Уатта. Причем большинство из них работало ненадежно. Машины, оборудованные регуляторами других типов, свободными от недостатков, присущих регуляторам Уатта, отличались еще меньшей надежностью.

В 1868 году появилась статья знаменитого английского физика Д. Максвелла « О регуляторах», ставшая одной из основ современной теории автоматических систем управления.

Максвелл широко известен как создатель электродинамики и автор выдающихся исследований в области статистической физики. Пожалуй, в Англии после Ньютона не было ученых, вклад которых в развитие физики по своему значению приближался к тому, что сделано Максвеллом. Способности Максвелла стали очевидными, когда в 15-летнем возрасте, еще обучаясь в школе, он выполнил свою первую научную работу «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами». Это не была ученическая работа. Она дала толчок развитию того раздела геометрии, который пребывал в застое более двадцати веков, прошедших после того, как знаменитый друг Архимеда, геометр Эратофен нашел способ построения эллипса. Максвелл продолжал заниматься геометрией и механикой и во время дальнейшей учебы с 1847 по 1850 год в Эдинбургском университете, а затем в Тринити-колледже в Кембридже, где ранее учился и работал великий Ньютон. В Кембридже Максвелл начал свои исследования по теории электричества, обессмертившие его имя. Тогда же он увлекся загадкой механизма разгадывания цветов и значительно продвинулся в столь запутанной проблеме, проявив при этом выдающиеся способности к экспериментальной физике. Так случилось, что гениальная, опережающая свое время работа Максвелла не принесла пользы современникам и прошла мимо них совершенно незамеченной. Зато теперь в наши дни, она – неотъемлемая часть расчетов при создании современных автоматических систем.

Второе десятилетие ХХ века характеризуется быстрым расцветом автоматических систем. Повсеместно появляются регуляторы, чувствительные элементы которых реагируют как на значение регулируемой величины, так и на ее изменение.

Мандельштам положил начало новой научной дисциплине – общей теории колебаний. Она сыграла огромную роль в приближении эры электронных автоматических устройств и кибернетики.

Мандельштам поставил перед своим аспирантом А.А.Андроновым задачу: найти в работах математиков методы, пригодные для построения будущей теории; методы, подходящие для анализа более сложных моделей, полнее отображающих реальные явления и процессы. Андронов, который впоследствии стал одним из создателей нелинейной теории колебаний и современной теории автоматических систем, действительно обнаружил среди статей знаменитого французского математика А.Пуанкаре обнадеживающие теории и методы.

Первой научной работой, опубликованной Андроновым в 1926 году совместно с другим выдающимся учеником Мандельштама – М.А.Леонтовичем, было теоретическое исследование, относящееся к проблеме рассеивания света. Уже следующая работа, тоже совместно с Леонтовичем, явилась новым математическим продвижением в области, которая привела к важнейшим достижениям в интересующей нас сфере, пограничной между наукой и техникой, – в современной электронике, автоматике, кибернетике, роботике. Но затем он сосредоточился на создании и развитии нелинейной теории колебаний.

С началом второй мировой войны Андронов радикально изменил круг задач, привлекавших его внимание и силы. Он перестал публиковать результаты своих новых работ. Из его последующих статей ясно, что он и его сотрудники перешли к исследованиям, непосредственно связанным с обороной страны. Это были задачи автоматического регулирования. По своей идее и применяемому математическому арсеналу эта область тесно примыкает к теории нелинейных колебаний. Правильнее сказать, что теория автоматического регулирования составляет часть нелинейной теории колебаний. Однако специфичность целей и методов четко выделяет ее, а большое прикладное значение позволяет считать науку о системах автоматического регулирования особой областью. Это стало особенно ясно в наши дни, когда автоматизированные и роботизированные системы машин стали основой научно-технического прогресса.