Германия
Апрель 21, 2020
Так как ошибка регулирования может становиться как угодно малой (но не тождественно нулевой), то и регулятор в соответствующей системе автоматического управления должен обладать, так сказать, согласованными с подобной ошибкой, подходящими свойствами, т.е. быть в надлежащем диапазоне параметров достаточно чувствительным, эффективным и высококачественным. Мы знаем, что обычный автоматический регулятор всегда имеет некоторый порог чувствительности. Если ошибка регулирования меньше этого порога, то автоматический регулятор её не воспринимает (не наблюдает) и, следовательно, на объект регулирования никаким образом не воздействует. Чем, однако, чувствительнее автоматический регулятор, тем на меньшую ошибку он реагирует. Эволюция, создавая в живых организмах свои регуляторы, достигла в некоторых своих творениях естественного "потолка". Так, некоторые виды бабочек обнаруживают по запаху наличие определенного вещества в воздухе, если в их сенсорный аппарат попадает всего одна молекула этого вещества. Человеческий глаз, как показали опыты С.И.Вавилова, способен в определенных условиях воспринимать всего один фотон света. Примеры высочайшей, поражающей воображение, избирательной чувствительности у различных представителей живой природы можно продолжить. Но, тем самым, живая природа демонстрирует существование регуляторов высочайшей и уже неперекрываемой для неё - живой природы - чувствительности. Но, оказывается, и это не предел. Неживая природа, как обнаруживается, создаёт и использует регуляторы ещё большей чувствительности.
В 1939 году выдающимся ученым Георгием Владимировичем Щипановым выдвинут принцип, так называемого, идеального регулятора.
Но непонимание тогда некоторыми, даже крупнейшими, учеными сути основной идеи Г.В.Щипанова имело столь драматические последствия, что на событиях тех лет поучительно остановиться особо.
В ключевой работе [1] руководителем лаборатории автоматического регулирования Института автоматики и телемеханики АН СССР, профессором Г.В.Щипановым впервые в мире была поставлена задача синтеза регулятора из "условий компенсаций" внешних возмущений. Эта работа положила начало теории инвариантности. Выдвинутый Г.В.Щипановым принцип идеального регулирования и идеального регулятора обратной связи, использующего ошибку, т.е. расхождение между получаемым и желаемым значениями регулируемой величины, вызвал десятилетиями незатухающую жестокую (не жесткую, а именно жестокую!) дискуссию. Теоретические результаты Г.В.Щипанова обвинялись в "физической неосуществимости" с навешиванием таких ярлыков как "идеализм", "мистика", "лженаука" и др. Суть же непонимания состояла в следующем [2,3]. По Г.В.Щипанову, как это в ту пору воспринималось и толковалось его оппонентами, упомянутая ошибка регулирования равнялась нулю тождественно (!), т.е. с математической стороны ошибка понималась как непрерывная функция Δ(t) непрерывного аргумента - времени t , удовлетворяющая тождеству Δ(t) ≡ 0 . Получалось, что именно такую "ошибку" воспринимает регулятор и на основе этой "информации" вырабатывает управление, компенсирующее заранее неизвестные (!) внешние возмущения, поддерживая Δ(t) ≡ 0. Но тогда вход регулятора, на который поступает эта "ошибка", может быть и вовсе отключен от объекта, а регулятор, не получая уже никакой информации о состоянии объекта регулирования, будет, тем не менее, идеально справляться со своей задачей - в точности парировать произвольные внешние помехи. Это противоречило "здравому смыслу". В печати появилась позорная (!) работа [4], написанная, к сожалению, крупным и известным ученым! Постановлением Президиума АН СССР была создана комиссия по оценке работы Г.В.Щипанова под председательством академика О.Ю.Шмидта, которая признала, что идеи Г.В.Щипанова приводят к абсурдным выводам и не соответствуют реально осуществимым регуляторам. И, несмотря на мнение других крупнейших ученых, призывающих продолжать исследования в этом направлении, теория Г.В.Щипанова была в Стране, подобно генетике, резко осуждена [2]. Работы по теории инвариантности были в институте прекращены. Профессор Г.В.Щипанов был из института уволен.
Конечно, сегодня, оглядываясь на те события, можно сказать, что тогда, в конце тридцатых - начале сороковых годов, теория управления только зарождалась. А надлежащий опыт и настоящее понимание гениальной для того времени догадки Г.В.Щипанова, к сожалению, пришли позже.
Но, вместе с тем, вот какие замечательные слова принадлежат А.Г.Бутковскому [2]:
" ... в то время никому не приходило в голову, что в принципе - или по крайней мере для широкого класса "случаев" - тождество Δ(t) ≡ 0 может пониматься лишь как некоторый предел, возможно и недостижимый точно, но достижимый приближенно и со сколь угодно высокой, но не 100%-й точностью.
Принцип Г.В.Щипанова можно коротко сформулировать так:
"Для любого Ɛ ˃ 0, любого момента времени t0 и любой структуры, т.е. объекта регулирования, говоря на языке теории управления, и при любых помехах, действующих на этот объект, существует (!) регулятор (обратная связь), наблюдающий ошибку Δ(t), и такой, что |Δ(t)|˂ Ɛ для любых t ≥ t0".
Теперь можно сформулировать "образный" ответ критикам Щипанова тех времен и сказать им через несколько десятилетий: "Вы не правы, ибо на самом деле вместо идеального нуля ошибки Δ, который вы имели ввиду, критикуя Щипанова, на самом деле имеет место "шероховатый нуль" ошибки Δ, который в действительности есть предел и в этом смысле идеальный, абстрактный математический объект, который образно можно себе представить как "пилу", которая на каждом сколь угодно малом участке своей длины имеет бесконечное число зубцов, каждый из которых имеет малую высоту.
Таким образом, ненулевая ошибка регулирования всегда есть, но она "очень" маленькая, исчезающе маленькая. Именно она несёт информацию, столь необходимую для работы всей системы поддержания структуры в целом".
Но вернемся в те времена. Усилия В.С.Кулебакина, Н.Н.Лузина, Б.Н.Петрова, А.И.Кухтенко и других крупнейших ученых были направлены на реабилитацию теории Г.В.Щипанова и на восстановление его доброго имени как ученого. Эти усилия были не напрасными.
В шестидесятых годах начала развиваться теория "систем с переменной структурой", "вибрационных" и "скользящих режимов" [5]. Эта теория пролила новый свет на принцип, который выдвигал Г.В.Щипанов.
Наконец, в эти же годы теория Г.В.Щипанова получила фундаментальное обоснование и была целиком и полностью реабилитирована.
В 1966 году работы Г.В.Щипанова были признаны научным открытием с приоритетом от апреля 1939 года.
Но сам Г.В.Щипанов об этом не узнал. Он скончался в 1953 году в возрасте 50 лет.
А принципы инвариантности и сегодня себя всё ещё не исчерпали.
Нам остается, быть может, только добавить, что исключительная малость ошибки влечет необходимость иметь в регуляторе усилители с исключительно большими коэффициентами усиления. Но наличие таких усилителей порождает другую проблему, вызванную тем, что условие инвариантности может вступить в противоречие с условием устойчивости [6]. Построить в таких условиях качественную систему автоматического управления - дело очень непростое и часто требует большого искусства [2,7]. Вместе с тем, пути обеспечения устойчивости для широкого класса подобных случаев уже указаны в [7]. А в целом эта проблема представляется так или иначе разрешимой.
Но это уже никак не отражается на правильности самих идей Г.В.Щипанова.
Наконец, специально отметим, что приведенное выше утверждение о существовании идеального регулятора является чисто математическим. Следовательно, ему могут со сколь угодно большим приближением соответствовать реальные регуляторы в структурах любой (живой, искусственной и неживой) природы.
Примечания:
1. Г.В.Щипанов. Теория и методы проектирования автоматических регуляторов. - Автоматика и телемеханика, N 1, 1939
2. А.В.Бабичев, А.Г.Бутковский, Сеппо Похьолайнен. К единой геометрической теории управления. - М.: Наука, 2001
3. О.О.Фейгин, О.И.Золотов, Л.М.Пустыльников. Кибернетика физики. - СПб.: СПбГУТ, 2014
4. С.Л.Соболев, А.В.Винтер. Лженаучные работы Института автоматики и телемеханики Академии Наук СССР. - Большевик, N 9, 1941
5. В.И.Уткин. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. - М.: Наука, 1981
6. Словарь по кибернетике (под ред. В.С.Михалевича). - Киев: Главн. редакц. Украинской Советской Энциклопедии, 1989
7. А.А.Фельдбаум. Основы теории оптимальных автоматических систем. - М.: Физматгиз, 1963
