Люди и кибернетика - Никита Моисеев

Ракета так же, как самолет или химический реактор, является управляемой системой. Но задачи управления, здесь возникающие, совершенно непохожи на самолетные. Поясним содержание этих новых задач на хорошо известном примере вывода космических аппаратов на орбиту.

Перед конструктором обычно ставится вполне определенная цель: обеспечить вывод космического аппарата на заданную орбиту, например орбиту спутника Земли.

Для ее достижения он располагает целым рядом возможностей. Прежде всего это варьирование величиной тяги; другими словами, он может распоряжаться подачей в камеру сгорания того или иного количества горючего и окислителя. Кроме того, он может менять положение газовых рулей, направляющих газовый поток ракетного двигателя. Как распорядиться этими возможностями, как обеспечить достижение цели, причем наилучшим образом?

Проблема выбора этих управленческих воздействий, или, как иногда говорят, управляющих функций, оказалась весьма сложной и потребовала создания не только специальных методов расчета, но и выявила ряд других трудностей.

Чтобы провести расчеты, которые позволили бы определить управляющие функции, обеспечивающие достижение цели управления, необходимо знать плотность воздуха, скорость и направление ветра, особенности работы двигателя и многое другое, что никогда вполне точно заранее знать невозможно.

Значит, конструктор должен задаться каким-то определенным сценарием внешней неконтролируемой обстановки (так мы будем называть предполагаемый комплекс значений величин, определяющих внешние условия). Не сделав подобного предположения, просто невозможно провести необходимые вычисления. Следовательно, этот предварительный расчет достижения орбиты, который даст нам возможность определить потребный ресурс (запас горючего в первую очередь) и способ его использования, мы проводим для некоторой идеальной, абстрактной обстановки, так как заранее знать, какова будет реальная, нам, увы, не дано.

Выбор управляющих воздействий имеет одну очень важную особенность: если задача вообще имеет решение, то есть если ресурса достаточно для достижения цели, то вывод аппарата на орбиту может быть осуществлен бесчисленным множеством способов. Поэтому одновременно с заданием цели управления ставится вопрос о том критерии, по которому мы будем отбирать необходимые нам управляющие воздействия из тех, которые обеспечивают достижение цели.

Поскольку, как говорят, «грамм в космосе стоит тонну на земле», то таким критерием (принципом отбора) у нас будет количество затрачиваемого горючего, необходимого для достижения орбиты. Поэтому из множества вариантов управления мы выберем тот, где минимальная затрата топлива.

Для решения подобных задач сейчас развиты относительно простые и надежные методы. Однако в то время их еще не существовало, и потребовались немалые усилия ученых и математиков, чтобы их найти. Сейчас создана специальная теория, которая получила название «Теория оптимального управления». Главным результатом ее является так называемый принцип максимума, открытий академиком Л. Понтрягиным в начале 50-х годов. Он позволяет свести большинство практических задач определения оптимального управления, по которым можно рассчитывать оптимальную траекторию, к известным уже математике задачам с хорошо разработанным методом решения.

Воспользовавшись этим методом расчета, мы сможем найти траекторию, которая, будет оптимальной по выбранному критерию. Эту траекторию называют программной или просто «оптимальной программой».

В свою очередь, управление, обеспечивающее движение по этой траектории, называется оптимальным или программным.

Оптимальная траектория в задаче о полете космического аппарата играет ту же роль, что и заданное число оборотов вала в теории регулятора Уатта или заданный курс при расчете параметров автопилота.

На последнем остановимся подробнее. Предположим, что мы решим воспользоваться автопилотом при полете, скажем, из Москвы в Новосибирск. Прежде чем передать ему управление, мы должны определить курс, то есть указать направление полета, высоту полета (так называемый эшелон), пункты поворота, иными словами, должны составить для него программу полета, рассчитать программную траекторию. Но поскольку эта задача довольно проста (так же как и определение скорости вращения вала трансмиссии) и требует применения лишь четырех действий арифметики, то для ее решения определенной теории не требовалось. В задачах же космической техники выбор программной траектории превратился в трудную проблему, потребовавшую создания специальной теории! Необходимость расчета программной траектории управляемого объекта и была тем новым, что вошло в «Теорию технического управления» в послевоенный период.

В предыдущем разделе обращалось внимание на появление идей оптимизации в проблемах управления.

Но там шла речь лишь об использовании дополнительных возможностей: в области устойчивости надо было выбрать соотношение параметров регулятора так, чтобы была гарантирована не только устойчивость, но и обеспечивалась бы минимальная перегрузка. Теперь задача стала бесконечно более трудной.

Но выбор оптимальной программы — лишь первый шаг в той системе расчетов, которая необходима для достижения цели.

В самом деле, если, заложив программу управления в наш космический корабль, отправим его в путь, мы можем быть уверены, что он никогда до цели не долетит.

Дело в том, что реальная обстановка наверняка окажется отличной от той, какую мы предусмотрели в нашем сценарии. И ветер будет несколько отличен от расчетного, и температура воздуха будет не той, какую мы заложили в расчеты, и т. д. Одним словом, возникнет так много помех, что наше расчетное оптимальное управление будет вести аппарат совсем не по оптимальной траектории. Острословы говорят, что оптимальной траекторией называется та траектория, по которой ракета никогда не летает!

Есть ли выход из сложившейся ситуации? Да. На ракету надо поместить еще и автомат управления — специальный механизм, который, подобно автопилоту, будет реализовывать обратную связь. Он будет изменять нашу программу управления всякий раз, как только аппарат отклонится от программной расчетной траектории под действием не предусмотренных нами помех.

С проблемой организации обратной связи мы уже знакомились. На космическом аппарате такая связь должна состоять, во-первых, из программно-информационной системы, в память которой закладывается информация о программной расчетной траектории. Снабжена она должна быть устройствами, способными измерять положения ракеты в пространстве и сопоставлять их с программной траекторией.

Во-вторых, в ней должен быть блок собственно обратной связи — механизм, перерабатывающий эту информацию и вырабатывающий команды об изменении углов, на которые должны повернуться газовые рули, о количестве подаваемого горючего и о других управляющих воздействиях. Надо заметить, что здесь идет речь лишь о корректирующих (малых) изменениях управляющих величин, поскольку основные уже заложены в расчетную программу.

Ну и, в-третьих, последний блок — силовое устройство, изменяющее положение рулей, всевозможных рычагов, заслонок и т. п.

Может показаться, что все это было и в любой системе регулирования. Однако здесь есть одна принципиальная разница. Чем проще программная траектория, тем легче построить систему обратной связи — автомат стабилизации. В «Теории регулирования» это было движение с постоянными характеристиками. Самолет какое-то время летит по прямой, с постоянной скоростью, на постоянной высоте. А ракета? Ее скорость, например, за короткое время изменяется от нуля до 8 километров в секунду. Поэтому требования к автомату, который ведет ракету по такой траектории, совсем иные, чем к автопилоту. Надо было создать новые методы его расчета методы расчета «ракетных» автопилотов. И сегодня мы научились это делать! И это свидетельствует о том, каким могучим инструментом управления обладает сегодня человек и как это много даст, если мы научимся применять эти знания и умения в других областях человеческой деятельности, для управления производством, в частности.

Так «Теория технического управления», сформировавшаяся в 50-е годы и включившая в себя «Теорию регулирования» как важнейшую составную часть, завоевала себе «место под солнцем»! В ней возникло много новых разделов, таких, например, как «Теория оптимального управления», существенно расширивших область применения средств управления. Одним из важнейших ее разделов стал метод Оптимальных программ, или Программный метод, на котором мы и остановимся несколько подробнее.

Программный метод в теории технического управления системами