СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Два примера использования обратной связи

Принцип обратной связи используется для создания замкнутых систем управления, обла­дающих заданными характеристиками. Конфигурация системы с обратной связью пред­ставлена на рис. 1.7. Как ясно из рисунка, в системе вычисляется разность (иначе -— ошиб­ка) между желаемым значением выходной переменной и ее достаточно точно измеренным действительным значением. Приводимые ниже два примера показывают, как с помощью обратной связи можно улучшить свойства системы.

Гарольд С. Блэк в 1921 г. окончил Вустерский политехнический институт и поступил на работу в фирму «Белл лабораториз» корпорации AT&T. В то время главной задачей, над которой работала фирма, было улучшение качества телефонной связи и используе­мых при этом усилителей сигналов. Блэку было поручено заняться линеаризацией и ста­билизацией усилителей, устанавливаемых в тракте передачи голосовых сообщений на расстояния в тысячи миль.

Блэк вспоминает:

Было утро вторника 2 августа 1927 г., когда во время переправы на пароме через Гудзон по до­роге на работу мне внезапно в голову пришла мысль об использовании в усилителе отрицательной обратной связи. Более 50 лет я размышлял, как и почему возникла эта идея, но даже и теперь я не могу сказать, как всё произошло. Я знаю только то, что после нескольких лет работы над проблемой я неожиданно понял, что если подать сигнал с выхода усилителя на его вход, иричем в обратной фазе, и воспрепятствовать самовозбуждению усилителя (свисту, как мы позже назвали этот эф­фект), то я получу именно то, что хотел — способ устранения искажений выходного сигнала. Я рас­крыл утреннюю газету Нью-Йорк Таймс и на полях набросал соответствующую схему, дополнив ее формулой для коэффициента усиления с учетом обратной связи. Я подписался под этой схемой, а 20 минут спустя, когда я прибыл в лабораторию на Уэст-стрит, 463, ее также заверил своей подпи­сью ныне покойный Эрл К. Блессинг.

Я представил себе, что это решение может привести к разработке усилителей с высокой степе­нью линейности (при отрицательной обратной связи от 40 до 50 дБ), но оставался один важный во­прос: как я узнал, что смогу избежать самовозбуждения подобной схемы в широком частотном диа­пазоне, хотя многие вообще сомневались в ее устойчивости? Моя уверенность основывалась на ра­ботах, которые я проделал два года назад, занимаясь исследованием оригинальных осцилляторов, и три года назад, когда проектировал оконечные каскады и разрабатывал математические основы те­лефонной системы для междугородных переговоров.

Другим примером инженерного решения проблемы управления является создание системы наведения орудия, выполненное Дэвидом Б. Паркинсоном из «Белл Телефон Ла­бораториз». Весной 1940 г. 29-летний инженер Паркинсон занимался модернизацией ав­томатического самопишущего прибора, предназначенного для регистрации на диаграм­мной бумажной ленте изменяющегося напряжения. Самым капризным элементом в при­боре был маленький потенциометр, с помощью которого через исполнительный меха­низм производилось управление перемещением пера самописца.

В мыслях у Паркинсона было орудие, которое чувствовало бы приближение самоле­та и уничтожало его. Вот что описывает Паркинсон:

После трех или четырех выстрелов один из членов орудийного расчета улыбнулся и попросил меня подойти поближе. Когда я это сделал, он указал мне на левую цапфу орудийной турели, и я увидел, что там установлен такой же потенциометр, что и в моём самописце!

На следующее утро Паркинсон воплотил свои мечты в реальность:

Если мой потенциометр был способен управлять перемещением пера самописца, то нечто по­хожее могло бы, с соответствующими техническими изменениями, управлять наводкой зенитного орудия.

После напряженной работы в этом направлении вооруженным силам США 1 декабря 1941 г. была предложена инженерная модель соответствующего устройства. В начале 1943 г. было налажено промышленное производство подобных систем, и на вооружение было принято около 3000 систем орудийной наводки. На вход регулятора поступал сиг­нал от радиолокатора о текущем положении самолета, а в системе управления вычисля­лось его будущее положение.