1.2. Исторический обзор 35

сложения составляло 1 мс, а умножения - около 20 мс. Кроме того, она имела оче1н> невысокую надежность - среднее время между отказами (раздел 12.3.2) в лучшем случае составляю от нескольких часов до нескольких дней.

Вначале все факторы были против применения управляющих компьютеров. Чтобы оправдать стоимость системы управления в несколько миллионов долларов, капиталовложения в производство должны были быть по крайней мере на порядок больше. Это означало, что сам процесс должен был быть очень сложным, как, например, в случае химического завода. Другим ключевым фактором было - и остается - структурирование проблемы управления как необходимое предварительное условие внедрения компьютерного управлеш-ш.

Экономическая эффективность была не единственной проблемой. Надежность аппаратной части ЭВМ была низкой из-за испо.тьзования электронных ламп. I Грофа.ммы со-зда1!ались в машинном коде и использовали скромный объем памяти до последнего бита. И все же эти но1!аторские усилия бьиш по/и;ержаны миогами производителями компьютеров, которые увидели офомный потенциальный рынок для новых приложений.

Компьютерное управление - это область, в которой с самого начала существовало необычайно конструктивное взаимодействие между теорией и практикой. Как описано далее, компьютерное управление имеет свои специфические черты. Известные математические методы, базирующиеся на анализе непрерывных функций, напрямую не применимы для проектирования систем управления на базе цифровых компьютеров. По.этому потребова7Юсь создать специальную теорию дискретного управления. Счастливым совпадением стало развитие в 1960-е годы американской космической программы и особетго проекта "Аполлон", который послужил катализатором для теоретических и практических разработок в области компьютерного управления.

Важный шаг был сделан в 1962 году, когда английская компания ГСГ (Гшрег1а1 Chemical Industries) представила ко1щепцию прямого цифрового управления (раздел 12.4.3). Первоначально идея заключалась в замене нескольких аналоговых контуров управления центральным компьютером. Огромная и дорогостоящая панель управления с сотнями аналоговых ре17ляторов и самописцев заменялась нескольки-.N41 терминалами. Компьютер численно моделировал аналоговые регуляторы спосо-бо.м, который мало отличался от сегодняшних решений.

Принцип прямого цифрового управления применяется во многих современных про,%п.и11ленных компьютерных системах. Причина его успеха в том, что задачи управления уже были описаны и структурированы для аналоговой техники. Поэтому для таких приложений риск был меньше, че.м для итговациоиных разработок, где цели компьютерного управления не полностью осмыслены и не определены должным образом. Очевидный недостаток прямого цифрового управления - существенная зависимость надежности системы от це1ггралыюго компьютера. Однако за дополнительную плату .можно было установить второй компьютер, который обеспечивал работоспособность системы в случае отказа первого. Вьи1уще1П!ый в 1962 году управляющий компьютер Ferranli-Argus был гора.здо соверпгениее моделей 1959 года - время сложения и утюжения уметипилось в десятки раз, а показатель падеж1юсти возрос не .менее чем па порядок.

ЭВМ Ferranti-Argus была куплена в 1969 году объедпненне.м "Электросила" и эксплуатировалась на пепытательно.м стенде завода до 1989 года. Она до снх пор наход1Гтся в рабочем состоя 1Ш1Г.

Изобретение в 1960-х годах транзистора дало заметный толчок развитию компьютерных приложений. Стоимость единицы вычислительной мощности мини-компьютера на транзисторной элементной базе была на порядок меньше, чем у больших ЭВМ {mainframe), хотя стоимость самого мини-компьютера все еще превышала 100 ООО долларов. Так или иначе, компьютерное управление стало экономически целесообразным для небольших и не очень сложных производств. Появилась возможность разместить мини-компьютер поблизости от производственшлх помещет-ш, и поэтому такие ЭВМ стали популярными для автоматизации технологических процессов и испытательных установок. Согласованное влияние трех главных факторов - совершенствование технической базы компьютеров, экономическая целесообразность их применения в управлении относительно просты.%щ процессами и развитие теории управления - привело к широкому распространению компьютерного управления.

Практически каждое десятилетие появлялись новые технологии, которые приводили к значительному увеличению производительности и снижению цены компьютеров по сравнению с предшествующим поколением. Mouuibie одноплатные микрокомпьютеры появились на рынке в середине 1970-х годов, и сегодня даже нростейппгй регулятор экономически выгодно создавать па основе цифровых устройств. Современные персональные компьютеры намного превосходят мини-компьютеры 1960-х и 1970-х годов - типичная конфигурация, как правило, включает 1G-или 32-разрял1п.н1 центральный процессор (ЦП), несколько мегабайт оператив1ЮЙ памяти (оперативное запоминающее устройство - ОЗУ), гигабайты дисковой памяти, - а стоят несравнимо дешевле первых моделей ЭВМ.

В настоящее время в промышленном управлении популярны компьютерные системы, использующие так называемую открытую шинную архитектуру, где акцент сделан не па конкретные аппаратные компоие1ггы, а на организацию интерфейса, который в этом случае позволяет подбирать их исходя из требований приложения и максимальной эффективности использования ресурсов компьютера (глава 8).

С другой стороны, производительность компьютера - это еще не все. Эффективность системы зависит не только от управляющего компьютера. Бортовая ЭВМ корабля первой лунной экспедиции "АроПо-И" (1969 год) имела только 64 Кбайт оперативной памяти, а о жестких дисках не могло быть и речи. Сегодня никто не воспримет такую машину всерьез, но если вспомтгть результат, достигнутый с по.мо-щью этой ЭВМ, то напрашивается очевидный вывод - основное внимание нужно уделять главной цели технического процесса, а не мощности компьютера. Высокая производительность ие может быть аргументом сама по себе, напротив, она должна рассматриваться в свете динамики и сложности контролируемого процесса. Медленный компьютер прекрасно справится с управлением медле1шым процессом, например химическим или биологическим.

В системах цифрового управления сравнительно легко вводятся новые стратегии, поскольку можно полностью изменить образ действий компьютера, заменив программу, без перепроектирования и переоснащеиия всей системы. Поэто.му системы цифрового управления представляют собой не просто новый способ при.менеиия отработанных принципов, но и совершенно новую технологию, обладаюгцую большой гибкостью и новыми возможностями. Понимание природы процесса, дина.мических свойств системы и теории управления - это необходимые слагае.%п>!е успеха компьютерного управления, но они представляют едва ли половину картины. Главная труд-

1.3. Понятие системы 37

ность - структурировать все решения в терминах аппаратного и программного обеспечения и обмена информацией.

Необходимо иметь в виду, что чрезмерное и одностороннее увлечение компьютерными технологиями может заслонить собой фундаментальные проблемы. Сегодня, после сорока лет применения компьютеров, существует достаточный опыт, чтобы задаться вопросом о реальных преимуществах, которые они принесли в про.мышленность и административное управление. В западных странах в 1950-60-х годах, еще до широкого распространения ЭВМ, один работающий мог содержать целую семью, включая выплату кредита за дом. В типичной совре-мешюй семье по крайней мере уже двое должны работать, чтобы поддержать стиль жизни, удовлетворяющий средним запросам, уровень которых продолжает повышаться. То, что два десятилетия назад представлялось золотым веком, обусловленным повсеместным внедрением компьютеров и автоматизации, сильно потускнело сегодня благодаря новым проблемам - от безработицы до загрязнения окружающей среды. То же самое может произойти с сегодняшней чрезмерно высокой оценкой Интернета и компаний, основной бизнес которых построен на интернет-технологиях (виртуальные магазины и т. д.). Нисколько не принижая их достоинства и преимущества, следует отметить, что они не дают надежных и эффективных способов решения реальных проблем. Чрезмерный упор на использо-Ham-ie компьютеров, особенно с причудливыми картинками и звуком, может отвлечь внимание от действительно серьезных задач.

1.3. Понятие системы

Производственные процессы и управляющие ими системы состоят из многочис-ле1щых и разнообразных элементов, сложным образом взаимодействующих друг с другом. Эти элементы связаны между собой так, чтобы обеспечить обмен материей, энергией и информацией для получения определенного конечного результата.

Tep.NU-iH "система" имеет много значений, однако в интересующем нас контексте под системой понимается любой объект, который рассматривается, с одной стороны, как единое целое, а с другой - как совокупность связанных между собой определенным образом составляющих. Это понятие можно охарактеризовать следующим образом.

• Понятие системы позволяет проще интерпретировать назначение любой сложной структуры, состоящей из взаимодействующих друг с другом частей.

• Описывая систему, ее .можно по-разному разбить на составные части. Каждая из частей в свою очередь может быть разбита на более мелкие составляющие. Важно выбрать правильный уровень детализации.

• Обычно нет необходимости знать внутретше меха1Н-13.%гы эле.меита для того, чтобы предвидеть поведе1п-1е системы в целом. Достаточно знать cooTHoniem-ie вход/выход - принцип "черного ящика".

Слово "система" происходит от греческого отЗстща ("составление"), через французское systeine и латинское systema (Фасмер М. Этимологический словарь русского языка. М., 1987).

Толковый словарь Ожегова среди прочих дает следующую интерпретащно: "Нечто целое, Представляющее собой единство законо.мерно расположенных п находящихся во взаи.мосвя-зи частей" (Ожегов С. И. Словарь русского языка. М., 1970). - Примеч. ред.