Техника - молодёжи 1973-11, страница 24

центробежный регулятор скорости (рис. 1), появившийся на паровой машине Джеймса Уатта в конце XVIII столетия. Угловая скорость машины контролируется регулятором — пара рычагов с грузами подвижно прикреплена к стержню, вращаемому от машины.

Чем выше скорость вращения, тем больше центробежная сила, действующая на грузы, тем значительнее приподнимаются рычаги. Последние связаны с заслонками, изменяющими подвод пара к машине. Превысила угловая скорость заданную величину, регулятор переместит заслонку так, чтобы уменьшился подвод пара и чтобы не в меру «ретивая» машина замедлила свое вращение. Тут обратная связь будет отрицательной, ибо она стремится «стереть» рассогласование между заданной и действительной скоростями машины.

А что, если обратную связь сделать положительной? Этому случаю соответствует центробежный регулятор с несколько иным расположением заслонки (на рис. 1 изображено "пунктиром). Тогда при возрастании скорости вращения заслонка откроется еще больше, увеличивая тем самым подвод энергии. Это еще более «подстегнет» машину, что, в свою очередь, приведет к дальнейшему открыванию заслонки и т. д. Мы видим, что такая система будет неустойчива.

Даже начинающий радиолюбитель имеет представление об электронных усилителях с отрицательной обратной связью (рис. 2). Входное напряжение поступает на сетку лампы, усиливается и «снижается» с ее анода. Обычно для увеличения устойчивости усилителя и для защиты от помех часть выходного напряжения «возвращают» на сетку. Сигналы на сетке и аноде противоположны по знаку, поэтому обратная связь в таком одноламповом усилителе будет отрицательной.

На примере центробежного регулятора мы видели, что положительная обратная связь может быть вредной. Однако она способна сослужить и хорошую службу. В электронных генераторах используются именно положительные обратные связи, которые позволяют «раскачивать» выходной сигнал и поддерживать в схеме незатухающие колебания.

При управлении сложными производственными процессами приходится решать ряд комплексных задач (рис. 3). Информация о ходе процесса поступает к оператору, который согласно показаниям

приборов принимает решения и подает определенные команды — управляющие воздействия. Словом, здесь цепь обратной связи' «замыкается» через человека-оператора. Однако в сложных ситуациях человек может и не успеть переработать всю поступающую информацию. Допустим, включилось сразу несколько аварийных сигналов. Что делать? Какие действия предпринять вначале, а какие потом? Оператор должен проанализировать ситуацию, на это уходят драгоценные секунды, минуты, и решение может быть принято слишком поздно.

На выручку йриходят современные быстродействующие ЭВМ. Специализированная ЭВМ, установленная в цепи обратной связи, самостоятельно управляет процессом по предварительно разработанным алгоритмам и программам.

Множество систем с обратной связью насчитывается в организме человека. Нервные окончания — «датчики» непрерывно информируют об окружающей среде. Нервная система, прежде всего головной мозг, «обрабатывает» полученные данные и намечает обеспечивающую нормальную деятельность организма «программу» действий, которая затем осознанно или неосознанно воплощается в жизнь. Вот как «работает», например, система поддержания постоянного содержания кислорода в крови (рис. 4). Чем выше взбирается альпинист, тем чаще он дышит (в спокойном СОСТОЯНИИ1). Отчего это происходит? На большой высоте воздух разрежен, и содержание кислорода в крови альпиниста падает. «Кислородное го лодание» немедленно дает о себе знать — по цепи обратной связи в мозг передается сигнал, который заставляет человека дышать чаще. Содержание кислорода в крови достигает необходимого уровня.

На заре атомной энергетики одной из труднейших задач было «обуздание» цепной реакции. А решили ее с помощью системы регулирования мощности ядерного реактора (рис. 5). Превысила мощность реактора предусмотренный предел — как следствие, сверх меры увеличивается нейтронный поток. Чувствительные датчики отметят это увеличение, а появившийся сигнал рассогласования между заданной и действительной мощностью заставит регулятор глубже «вдвинуть» свои стержни в реактор. А сами стержни непростые, они сделаны из материала, усиленно поглощающего нейтроны. Нейтронный поток уменьшится, и мощность реактора снизится до заданной величины.

Человек сравнительно недавно осмыслил обратную связь и возвел ее в ранг принципа, в то время как природа с незапамятных времен имеет его в своем арсенале. То, что мы говорили о роли обратных связей в организме человека, можно отнести и к любому другому существу. Собственно, все развитие живой природы происходит при широком использовании обратных связей. Ярким тому примером может служить процесс естественного отбора. В соответствии с учением Дарвина преимущественным правом на выживание пользуются лишь особи, сумевшие быстро приспособиться к изменяющимся условиям. По существу, открытый Менделем механизм наследственности представляет собой не что иное, как цепь обратной связи, по которой происходит преобразование вида в ответ на изменение условий окружающей среды.

В той или иной степени обратная связь присутствует практически во всех процессах и явлениях. Она может быть ничтожной и очень ощутимой. Астроном наблюдает за развитием далекой галактики, но не имеет возможности «замкнуть» цепь обратной связи и повлиять на это развитие. В то же время физик-ядерщик никак не может избавиться от присутствия паразитных обратных связей за счет влияния на исследуемые микрообъекты пусть даже самых тонких инструментов.

Значение принципа обратной связи для нашего благополучного существования очень велико. Мир, в котором не действовал бы этот принцип, был бы миром хаоса и нестабильных явлений. Возьмем простой пример. В джунглях возник пожар (рис. 6). Казалось бы нет силы, могущей противостоят столь грозной стихии. Но вот над районом пожара создается зона разрежения, и туда стекаются массы холодного и влажного воздуха. Образуются тучи, которые и выполняют роль «пожарных».

Вскрывать и использовать обратные связи в природных и общественных явлениях, создавать новые автоматические системы с обратными связями — такова первоочередная задача, стоящая перед специалистами в области управления.

НА НАШЕМ СТЕНДЕ -

примеры систем управления с обратной связью

22