Автор: Радунская И.
Теги: биотехнология робототехника технический прогресс современные технологии
Год: 1986
Текст
>• V••• V ИРадунская ЛЮДИ и РОБОТЫ Ч
V
/
И.Радунская
МОСКВА
«СОВЕТСКАЯ РОССИЯ»
1986
Scan AAW
601
Р;15
Рецензенты:
Академик В. П. Маслов;
доктор технических наук, профессор А. Н. Выставкин
Художник Б. А. Валит
Радунская И. Л.
Р15 Люди и роботы.—М.: Сов. Россия, 1986.—272 с.
Научно-художественная книга, представляющая собой увлекатель-
ное повествование о прогрессе человечества, в результате которого
стало возможным создание автоматов, облегчающих физический и
умственный труд людей. Автор прослеживает путь от простых автома-
тов и манипуляторов до роботов, управляемых встроенными в них
электронно-вычислительными машинами в соответствии с определенной
программой и показаниями датчиков, выполняющих роль органов
чувств человека. Особое внимание обращается на то, что робот — йе
самоцель научно-технического прогресса, а лишь один из компонентов
современных высокопроизводительных предприятий, способных рабо-
тать при минимальном количестве людей.
2404000000—069
---------------оО—оо
М-Г05(03)86
601
ОТ АВТОРА
Из толпы раздался голос: «Сыграйте, пожалуйста, вальс
Шопена номер пять...»
Тот, кто сидел за клавиатурой электронного органа,
чуть подался вперед, перелистал ноты, положил руки на
клавиши... Раздались звуки бессмертной музыки.
С момента создания этого вальса он исполнялся бес-
счетное число раз. И тем не менее я присутствовала при
первом исполнении. Играл не человек. То был робот...
Его пальцы бегло и четко ударяли по клавишам, ноги
в нужное время нажимали на педали. Я вглядывалась в
небывалого исполнителя. Я знаю эту музыку, играла этот
вальс сама. И давнее ощущение, вернее, память, автомати-
ческая память, которая складывается у человека, когда он
разучивает музыкальное произведение, создавало во мне
состояние соучастия. Я ясно вспоминала, где нужно сде-
лать легато, где надо убыстрить темп, где должна быть
нажата педаль — левая или правая. И все это из недр мо-
ей памяти, моей глубинной памяти перекликалось с тем,
что я видела в действиях робота. Пальцы его безошибочно
находят нужные ноты, локти двигаются ровно столько,
сколько требуют правила пианистической школы, ноги в
нужные моменты тонируют звук при помощи педалей...
Странное ощущение владеет мною — я не вижу в исполни-
теле неодушевленный механизм. Скорее он похож на сред-
невекового рыцаря, закованного в латы с ног до головы.
Да, до головы, потому что телевизионная камера для чте-
ния нот заключена в подобие шлема с забралом. Робот —
словно рыцарь, закончивший бой и севший за орган, чтобы
сыграть для дамы сердца серенаду...
Я думаю, создатели робота-музыканта вовсе не добива-
лись этого сходства. Просто боевые доспехи для воинов
конструировались так, чтобы закрыть уязвимые места те-
ла, но не помешать подвижности суставов. Та же задача,
в сущности, стояла перед конструкторами «музыканта»:
надо было прикрыть приводы, тяги, но не лишить свободы
действия колени, голеностопные суставы, локти, суставы
1* 3
пальцев (здесь полное подобие человеческих по числу и
месту расположения).
Он изящен, этот робот-музыкант, и движения его об-
манчиво полны чувства! Его электронный глаз читает но-
ты, его рука поднимается и переворачивает нотные стра-
ницы. Он делает все, что доступно музыканту, за исключе-
нием глубоких нюансов, не записанных нотными знаками,
тех нюансов, которые порождены самим человеком, его
трактовкой, его темпераментом.
Чтобы не впасть в мистическую восторженность, вспо-
минаю несколько сухих технических данных этого уникаль-
ного творения человеческих рук. Робот весит 12 кг, его вы-
сота 1 м 80 см. Для того чтобы действовал подобно чело-
реку-музыканту, он «скроен» из полсотни узлов, воспроиз-
водящих движения человеческого тела. Его пальцы могут
нажимать на клавиши электронного органа, по крайней ме-
ре, 50 раз в секунду. Он может исполнять любое произве-
дение — от Баха до музыки битлзов. Все, что ему для это-
го нужно — ноты, обычные ноты без каких-либо специаль-
ных добавлений.
Создатели робота-музыканта рассказывали, что боль-
шую проблему составила разработка его управляющей си-
стемы. Так как он имеет 50 суставов в обоих руках и но-
гах, то нуждается в 50 отдельных приводах. Это много
сложнее, чем то, что делалось до сих пор для других робо-
тов. Для того чтобы система справилась со столь сложной
задачей, была тщательно продумана иерархическая систе-
ма управляющих компьютеров. Одна часть вырабатывает
команды движения пальцев рук и ног на основании дан-
ных, вводимых посредством музыкальных знаков. Они пе-
редаются пятидесяти микрокомпьютерам (по одному на
каждый сустав), которые управляют соответствующими
•приводами. Это однокристальные микрокомпьютеры. Элек-
троника каждого из них сосредоточена на отдельном не-
большом кристалле — чипе, изготовленном специальным
роботом без непосредственного участия человека. Другая
часть управляющей системы ведает согласованием движе-
ний левой и правой половин тела робота. Они соединены с
главным компьютером с помощью волоконных световодов.
Робот снабжен звуковой подсистемой — она реализует об-
щение между роботом и человеком: воспринимает че-
ловеческую речь, используя систему распознавания слов,
и отвечает осмысленными фразами, создаваемыми компью-
тером, управляющим синтезатором речи.
4
То, о чем я рассказала, я увидела на Международной
выставке ЭКСПО-85, которая проводилась в 1985 году в
Японии на территории города Цукуба. Выставка включала
экспозиции 47 стран, 37 международных организаций. Это
была впечатляющая панорама научных и технических до-
стижений современного мира, и в особенности достижений
передовых стран. Можно смело сказать — героем выставки
был робот. Роботы. Роботы самых разных внешних очер-
таний, разнообразных назначений, большие и маленькие,
силачи и виртуозы, делающие тонкую работу, которую мог
выполнить только легендарный Левша. Но на Междуна-
родной выставке демонстрировались не герои сказок. Там
царила реальность, уходящая в будущее, выросшая из кор-
ней прошлого. Трудились роботы, которые воплощают в
себе самые смелые мечты человека о машинах — помощни-
ках сильных, ловких, умных, которые заменят нас на
самых трудных, опасных и трудоемких рабочих местах.
Слушая и наблюдая игру робота-музыканта, размыш-
ляя над увиденным, понимаешь, что цель этого экспери-
мента, конечно же, не в том, чтобы подарить людям XX ве-
ка новую игрушку. Перед нами демонстрация возможно-
стей роботики. Подобное устройство способно управлять
сложнейшими системами, воспринимая печатные инструк-
ции и сигналы, информирующие о ходе управляемого про-
цесса. Робот-музыкант, как и шахматная программа, яв-
ляется для ученых лишь поводом для разработки все бо-
лее совершенных программ, конструкций и деталей. Идеи,
возникшие при создании таких демонстрационных систем,
затем воплощаются в решениях многообразных задач нау-
ки и техники.
Отрабатывая сложную программу для робота-шахма-
тиста и устраивая международные матчи шахматных про-
грамм, кибернетики вовсе не стремятся свергнуть с трон^
чемпионов мира. Итог таких соревнований — очередное со-
вершенствование программ, умеющих не только играть в
шахматы, но (и это главное) управлять гибкими автома-
тическими системами, способными самостоятельно прини-
мать решение в сложных ситуациях, например при полом-
ке инструмента, при выявлении скрытого дефекта в заго-
товке, и самостоятельно осуществлять принятое решение.
Только такие автоматические помощники смогут заменить
человека там, где требуется большое физическое и интел-
лектуальное напряжение, избавят людей от опасной и вре-
дной работы.
5
Помню робот, который поднимал штангу. Она весит
200 килограммов! У него две руки, и это позволяет ему
сохранять баланс при такой нагрузке, превосходя этим од-
норуких роботов — те пока могут поднять 80 кг. При этом
он способен удивительно ловко собирать из разложенных
перед ним деталей свои миниатюрные копии. Мне подума-
лось — не такие ли роботы будут одними из первых пред-
ставителей машинной цивилизации, которых люди пошлют
на незнакомые планеты и те построят там первые поселе-
ния для людей?
Все понимают, на современном этапе НТР есть произ-
водства— химические, энергетические и другие, где работа
человека может быть очень утомительной, вредной и даже
опасной. Именно здесь в первую очередь требуется приме-
нение роботов.
Не пересядет ли робот-музыкант, потешив многомил-
лионную армию посетителей ЭКСПО-85, за пульт, управ-
ляющий сложным технологическим процессом?
Главное найдено — робот понимает человеческую речь
и умеет опознавать символы. Его телевизонная камера,
соединенная с ЭВМ, способна читать нотную запись. Это
одна из сложных систем распознавания образов, в данном
случае нот. Робот прочитывает нотную запись, разделяя
записанную информацию на 3000X2000 точек, заносит ее
в свою память. В то же самое время программа распозна-
вания анализирует содержание нотной записи, блок памя-
ти фиксирует ее содержание, ее особенности — ключ про-
изведения, тональность, усиление и ослабление звука и
многое другое. Затем вступает в действие программа, пере-
рабатывающая полученную информацию в последователь-
ность команд, на основе которых все 50 микрокомпьютеров
управляют соответствующими сочленениями, образующими
руки робота и его пальцы, а также ноги. Компьютер
контролирует, соответствуют ли результаты анализа той
нотной записи, которую «прочитал» робот. Если он обнару-
живает ошибки, они немедленно подвергаются исправле-
нию.
Читатель вправе сказать, что робот-музыкант, как вся-
кий специалист, не может выполнять другие задачи. Это
так. Он не способен поднимать тяжести, но стоит сменить
программу, заложенную в памяти его компьютера, и гиб-
кие пальцы робота готовы выполнять любую сложную и
точную работу, руководствуясь чертежом или печатной ин-
6
струкцией. Заложенная в него программа конкретна, но
его конструкция весьма универсальна.
За спиной у робота-концертанта прогуливались два не
менее интересных творения современной техники — двуно-
гий и четвероногий роботы. Второй напоминал гигантское
насекомое, которое, походив по неровной, уставленной пре-
пятствиями площадке, решило взобраться по лестнице и
сделало это осторожно и безошибочно. Двуногий робот
чем-то похож на странного человека. Он идет очень мед-
ленно и, наблюдая его, понимаешь, как счастлив человек,
которого природа одарила способностью к бездумному
движению. Как легко мы ходим, бегаем, перескакиваем
через препятствия, играем в волейбол, не боясь потерять
равновесие, не думая о том, какие мышцы напрячь, какие
расслабить, как сохранить центр тяжести в пределах ус-
тойчивого равновесия. Природа снабдила нас вестибуляр-
ным аппаратом, угадывающим направление силы тяжести.
Эти сигналы поступают в мозг. В мозг поступают и сигна-
лы от мышц, информирующие, сколь напряжена та или иная
мышца. Но мы не знаем, какие процессы происходят в на-
шем мозгу, когда мы ходим. Наблюдая, как осторожно, по-
своему удерживая равновесие, ставит ноги робот, опера-
тивно выравнивая свое положение так, чтобы его центр тя-
жести не вышел за пределы площади опоры, понимаешь,
насколько сложна эта проблема. Робот снабжен подоби-
ем вестибулярного аппарата, определяющим направление
силы тяжести. В нем имеются датчики, указывающие, в
каком направлении начал наклоняться его корпус. Мы не
знаем, что происходит в нашем мозгу, когда мы падаем.
Но создатель робота точно знает, что следует предпринять,
чтобы наклон не перешел в падение. Это знание воплощено
в программе, заложенной в главном компьютере.
Если робот получил задание поднять тяжелый предмет
и перенести его в определенное место, то такое задание
должно быть дано в голосовой форме или через клавиату-
ру, которой снабжен робот. Этим ограничивается задача
оператора. Далее робот, без его помощи и без специальных
дополнительных команд, приступит к действию. По мере
того как он будет поднимать груз, программа поддержания
равновесия, введенная в него при его изготовлении, за-
ставит его корпус отклоняться в противоположную сторо-
ну так, чтобы центр тяжести системы «робот плюс груз» не
выходил за пределы площади его опоры. Эта же програм-
ма будет обеспечивать равновесие во время ходьбы, когда
7
робот переносит свой вес (и вес груза) с одной ноги на
другую.
Задача поддержания равновесия сильно упрощается в
случае четырехногого робота, который во время ходьбы по-
стоянно опирается на три ноги из четырех.
Эти роботы — не игрушки прошлого, не куклы, движу-
щие руками в то время, когда скрытый внутри рояля меха-
низм порождает заранее запрограммированную музыку, не
шагающие роботы с выставок технического творчества де-
тей.
Это шедевры современной техники. Им не нужен внеш-
ний облик человека. Вся их механика на виду: шарниры —
суставы, приводы — мышцы. Но их электронный интеллект
скрыт внутри микросхем, подобно тому как наш интеллект
скрыт в глубинах мозга.
Следя за движениями четвероногого робота, я вспом-
нила о любопытном роботе, описание которого встретила в
одном из журналов. Это собака-робот. Его назначение
быть поводырем слепых. Собака уже «съела» значитель-
ную сумму денег, многому научилась, но еще не способна
•взбираться по лестнице. Впрочем, любители собак знают,
сколь не просто научить ходьбе по лестнице собаку, вы-
росшую на первом этаже, хотя щенки овладевают этим
умением без усилий, если им приходится делать это с ран’
него возраста.
На выставке я видела и роботов — помощников в до-
машнем хозяйстве, и роботов — нянек для детей, и целое
театрализованное представление роботов-актеров. Помню
веселую, красочную инсценировку — «Фантазия 2001 года».
Посетителей доброжелательно приветствует робот —
гид в стране роботов. Он беседует с ними и рассказывает
о том, как складывается день семейства роботов. А вот и
они — плывут по комнате, словно танцоры ансамбля «Бе-
резка». Матрешки, гномы, странные зверюшки. Суетясь, но
не сталкиваясь друг с другом, огибая углы и препятствия,
они тщательно готовят помещение для приема гостей —
подметают пол, стирают пыль и время от времени подсое-
диняются к электрической розетке—набираются сил.
Наконец, помещение убрано, приведено в порядок, по-
является самый большой в семействе робот (и самый боль-
шой в мире из подобного класса роботов). Он приглашает
всех на театральное представление. Посетители переходят
•в другой зал. Здесь огромная эстрада. Звучит музыка. За-
навес раскрывается. Двое роботов исполняют любовный
8
дуэт — они рассказывают, как встретились впервые и как
полюбили друг друга. Потом темпераментно и бескомпро-
миссно «режутся» в футбол. Время от времени один из ро-
ботов подходит к детям-посетителям и оживленно беседует
с ними. Огромный крылатый робот готовится к полету в
космос.
В финале представления — парад: роботы прощаются
со зрителями и назначают им встречу в 2001 году.
Театральное представление длилось 25 минут. В нем
участвовало полсотни роботов.
Так Международная выставка продемонстрировала воз-
можности будущих помощников человека. Посетители уви-
дели, как могут быть полезны такие помощники в повсе-
дневной жизни. Ведь они способны выполнять команды, по-
даваемые голосом, могут бережно и «весело» играть с деть-
ми, могут даже защитить их.
При этом они обладают высоким машинным интеллек-
том. Выполняя задание, полученное от человека, самостоя-
тельно избегают препятствий. Исполняют многие рутинные
обязанности домохозяйки, без подсказки идут к электриче-
ским розеткам, когда иссякают их аккумуляторы. Некото-
рые из роботов приводятся в действие двигателями, рабо-
тающими на спирте и практически не загрязняющими воз-
дух.
Как тут не вспомнить предков этих сегодняшних робо-
тов, которые так поражали нас на заре кибернетики!
Теперь мир роботов стал реальностью. И мы от мечты,
от фантазий переходим к проблемам. И одна из самых
важных — проблема создания умных, «интеллигентных» ро-
ботов, проблема передачи им самых трудных физических
и умственных задач, проблема проникновения роботов в
мир человека и человека в мир роботов. В мир, где роботы
выполняют рутинную работу, а люди — творческую.
...Час научно-технической революции XX века пробил.
Пошел новый отсчет времени. Идут первые секунды исто-
рического периода, который знаменует начало прогресса
человеческой цивилизации. Эта цивилизация тесно связа-
на с рождением роботов. Все достижения человечества,
усилия ученых и инженеров, успехи самых разных наук —
физики, математики, химии, гидравлики, пневматики, меха-
ники, оптики, теории автоматического регулирования,пси-
хологии, бионики и т. д., встретились в одной точке прило-
жения своих сил, умений, прозрений — в создании роботов.
Роботы-одиночки, роботизированные комплексы, безлюд-
9
яые заводы, обслуживаемые роботами. Это и наше буду-
щее и уже настоящее.
Тут нужно подчеркнуть — огромный импульс научно-
технический прогресс получил от взрывного, революцион-
ного скачка в электронике. Именно он привел к созданию
электронно-вычислительных машин новейших поколений,
обладающих огромным быстродействием и практически не
ограниченной памятью. Не меньшую роль в обеспечении
все ускоряющегося научно-технического прогресса играют
дешевые, но достаточно мощные микро-ЭВМ и микропро-
цессоры. Именно они сделали возможным переход от мани-
пуляторов, управляемых человеком, и от отдельных про-
мышленных автоматов к роботам, работающим в комплек-
се со станками, снабженными легко перестраиваемыми
системами числового управления. Такие комплексы
превратились в гибкие обрабатывающие центры, гибкие
производственные линии и, наконец, в гибкие «безлюдные»
предприятия.
В нашей стране идет мощная мобилизация творческих
и промышленных сил. Апрельский (1985 г.) Пленум
ЦК КПСС выдвинул программу ускорения социально-эко-
номического развития нашей страны. Последовавшее за
тем совещание в ЦК КПСС по вопросам научно-техниче-
ского прогресса определило главные направления и конк-
ретные пути реконструкции народного хозяйства, дальней-
шего развития и использования научно-технического потен-
циала, перестройки системы планирования и управления
народным хозяйством.
Эти решения основаны на углубленной работе, прове-
денной плановыми органами, промышленностью и научно-
исследовательскими организациями в ходе выполнения за-
дач, поставленных Коммунистической партией по интенси-
фикации народного хозяйства на базе передовой техники
и технологии.
XXVII съезд КПСС подчеркнул важное значение ма-
шиностроения в ускорении научно-технического про-
гресса.
В Политическом докладе ЦК КПСС XXVII съезду ска-
зано: «Ясно, что эффективность реконструкции, темпы эко-
номического роста в решающей мере зависят от машино-
строения. Именно в нем материализуются основополагаю-
щие научно-технические идеи, создаются новые орудия
труда, системы машин, определяющие прогресс в других от-
раслях народного хозяйства».
10
Этот доклад определил всю работу съезда. В новой ре-
дакции Программы КПСС мы читаем: «Первостепенное
значение имеет быстрое обновление производственного ап-
парата путем широкого внедрения передовой техники,
наиболее прогрессивных технологических процессов и гиб-
ких производств, позволяющих оперативно перестраиваться
на выпуск новой продукции и дающих наибольший эко-
номический и социальный эффект».
Утвержденные съездом Основные направления экономи-
ческого и социального развития СССР на 1986—1990 годы
и на период до 2000 года среди других первоочередных за-
дач развития тяжелой промышленности содержат прямое
указание: «Широко внедрять гибкие переналаживаемые
производства и системы автоматизированного проектирова-
ния, автоматические линии, машины и оборудование со
встроенными средствами микропроцессорной техники, мно-
гооперационные станки с числовым программным управле-
нием, робототехнические, роторные и роторно-конвейерные
комплексы».
И далее: «Обеспечить опережающий выпуск металлоре-
жущих станков с числовым программным управлением,
станков типа «обрабатывающий центр»...
Увеличить производство автоматизированных и роботи-
зированных комплексов и линий, гибких производственных
систем металлообработки...»
Сейчас все советские люди активно включились в пере-
вооружение народного хозяйства. Роботы и гибкие произ-
водственные системы уже действуют во многих предприя-
тиях. Телевидение показывает их за работой. Мы читаем
о них в газетах и журналах.
Телевидение позволяет наблюдать за роботами на их
рабочих местах, следить за их четкими, размеренными дви-
жениями, кажущимися чрезмерно медлительными. Пригля-
дываясь к неспешным движениям роботов, можно усом-
ниться в том, что они способны выполнять порученную им
работу быстрее, чем человек, квалифицированный мастер
своего дела.
Телевидение рассеяло эти сомнения, воспользовавшись
своей несравненной способностью делать нас свидетелями
самых удивительных событий. Корреспонденты программы
«Мир и молодежь» перенесли нас на Тираспольский завод
литейных машин, где мы увидели производственный уча-
сток, обслуживаемый роботами. Затем они сделали нас
«судьями» в необычайном соревновании. Бригадир, возглав-
11
ляхощий комсомольско-молодежную бригаду, работающую
на одном из роботизированных участков, предложил про-
вести соревнование между ним и его подшефным роботом.
Каждый из них выполнял одинаковые операции. Хрономет-
раж показал, что победил робот.
Читатель может сказать: так и должно быть. Робот не
был бы нужен, если бы он не работал быстрее человека.
Читатель прав, но право и телевидение. Лучше один раз
увидеть, чем много раз услышать или прочитать.
Робот повышает производительность труда не только
за счет того, что он работает быстрее человека. Следует
учесть еще два обстоятельства. Первое из них таково: че-
ловек может управлять работой нескольких роботов, по-
добно тому как ткачиха работает на нескольких станках.
Второе состоит в том, что робот не устает. Он может дли-
тельное время работать по 24 часа в сутки.
Роботизированный участок, цех или роботизированный
завод нуждаются лишь в небольшой бригаде наладчиков,
осуществляющих наблюдение за работой роботов и обра-
батывающих комплексов. На долю людей остается техни-
ческий надзор, текущий ремонт и подача команд, если тре-
буется прекратить выпуск одних и начать производство
других изделий.
Радио, телевидение и пресса регулярно сообщают об эф-
фективном применении роботизированных комплексов на
таких гигантах, как Волжский и Минский автомобильные
Заводы, Минский тракторный завод, на таких крупносерий-
ных предприятиях, как часовые, кузнечно-прессовые и куз-
нечно-штамповочные заводы, литейные цехи и многие дру-
гие предприятия. При этом все больше людей освобожда-
ется от монотонной утомительной работы, при которой че-
ловек выступает в роли помощника машин, для более ква-
лифицированного труда.
При помощи роботов человек становится истинным вла-
стелином машин и может полностью раскрыть свои твор-
ческие способности.
Роботы и гибкие производственные комплексы стали
одним из решающих компонентов научно-технического про-
гресса.
Стоит только пожалеть, что книга не может соревнова-
ться с газетами и журналами в оперативности. Жизнь и
прогресс развиваются такими темпами, что к потоку опера-
тивной информации можно отнести высказывание великого
древнегреческого философа Гераклита — нельзя дважды
12
войти в один поток. Информация, как и вода в потоке, не-
прерывно обновляется.
Задача предлагаемой книги —облегчить читателю взаи-
модействие со сложной техникой сегодняшнего и завтраш-
него дня. При этом автор не избрал путь описания конст-
рукций действующих машин, ибо при современных темпах
научно-технического прогресса они начинают очень быстро
морально устаревать. В то время как головные образцы
новой техники делают первые шаги из цехов, где они роди-
лись, в цехи, где им предстоит работать, в исследователь-
ских институтах и конструкторских бюро рождается новая,
еще более совершенная техника.
Путь, избранный автором,— ознакомление с идеями,
лежащими в основе роботики. С развитием идей, привед-
ших к созданию первых автоматов. Идей, обеспечивающих
достижение современного уровня автоматизации, основан-
ной на микропроцессорах и роботах. Идей, которые стиму-
лируют дальнейшее развитие производительных сил и мо-
гущества нашего общества.
Конечно, в такой конкретной области, как роботика и
создание гибких перестраиваемых производств, невозмож-
но ограничиться знакомством с идеями. Не менее важны-
ми являются пути материализации идей, их воплощение в
конкретных эффективных устройствах. Поэтому в книге
постоянно прослеживаются воздействие науки на технику
и обратное влияние техники на науку. Читатель получает
возможность оценить принципиальное различие между ав-
томатами с жесткой программой (например, ткацкими и
копировальными станками), не способными без помощи че-
ловека справляться с неизбежными отклонениями от задан-
ного режима (обрыв нити, деформация резца), и истинны-
ми автоматами, подобными часам и паровым машинам, са-
мостоятельно реагирующим на внешние воздействия и на
то, что происходит внутри них самих. Так в книгу неизбеж-
но вошли информационные системы, кибернетика и инфор-
матика, без которых невозможны ни роботы, ни современ-
ное производство.
Автор надеется: приобщение к этим идеям и путям их
реализации поможет читателю творчески подойти к самой
современной технике и технологии, принять активное уча-
стие в ускорении научно-технического прогресса нашей
Родины.
13
ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ
ДА - НЕТ, СВОЙ - ЧУЖОЙ
7 декабря 1941 года эскадрилья японских торпедонос-
цев и бомбардировщиков совершенно беспрепятственно по-
дошла к американской военно-морской базе Перл-Харбор
iHa Гавайских островах, атаковала ее и нанесла тяжелые
потери Тихоокеанскому флоту США.
Как же это могло случиться, если база охранялась ра-
диолокаторами? Однако радиолокаторы не были винова-
ты в оплошности. Операторы видели на экране локаторов
сигналы, вызванные приближающейся эскадрильей. Но в
то время еще не существовало возможности отличать на
экране локатора свой самолет от вражеского, и операторы
решили, что видят американские самолеты, проводящие
тренировочные полеты. Этот случай сделал совершенно оче-
видной необходимость создания такого прибора, который
мог бы отличить свой самолет от чужого.
Не аналогичную ли задачу решает обыкновенный двер-
ной замок? Все ваши знакомые, которым вы дадите ключ,
могут беспрепятственно войти в ваш дом. Чужой, не имею-
щий соответствующего ключа, замок не откроет. Так про-
стой механизм, замок, решает логическую задачу: «да»
или «нет», «свой» или «чужой». Для этого замок нуждает-
ся лишь в соответствующем ключе.
Воспользовались «ключом» и создатели локационного
опознавателя «свой — чужой». Локатор-запросчик посыла-
ет специальный сигнал-запрос. На самолете устанавливает-
ся передатчик-ответчик, который излучает условный си-
гнал-ответ. Этот сигнал образует на экране локатора зна-
чок, показывающий, что данный самолет свой. Чужие же
самолеты вызывают на экране локатора сигнал без этого
значка.
«Да — нет», «свой — чужой» — это простейшие логичес-
кие задачи, решение которых человек поручил механизму,
машине. Но перед нами возникают и гораздо более сло-
жные задачи. Их решение люди также стараются поручить
машинам.
Перелистаем книгу истории науки и техники. На стра-
ницы последних лет вторглись развернутым фронтом це-
лые армии разнообразнейших машин, решающих различ-
14
ные задачи, ранее доступные лишь человеку. Самые важ-
ные из них — это быстродействующие электронные матема-
тические машины — крупнейшее достижение современной
науки и техники. Они способны не только решать матема-
тические задачи, но могут совершать и чисто логические
операции: анализ, синтез, выбор и многие другие.
1949 год... Нефтеперерабатывающий завод полностью
управляется электронной машиной...
1950 год. Электронная машина управляет металлоре-
жущим станком, изготавливающим сложные детали без
чертежей прямо по результатам расчета, который выполня-
ет она же сама...
1953 год... Электронная машина пилотирует самолет по
сложной траектории, представляющей собой неправильный
четырехугольник. Машина управляет полетом более плав-
но и точно, чем летчик...
1954 год... Нью-Йорк. Машина переводит отдельные,
специально составленные фразы с русского языка на анг-
лийский...
1955 год... Москва. Электронная машина переводит с
английского на русский отрывки из книги по математике...
1956 год... Милан. Электронная машина виртуозно иг-
рает в «крестики — нолики». Машина обязательно выигры-
вает, если ей принадлежит первый ход...
1956 год... Иллинойс. Электронная машина универси-
тета сочинила классическую сюиту в трех частях для струн-
ного квартета.
1956 год... Париж. Кибернетический автомат, заменяю-
щий и стенографистку и машинистку, выдает напечатан-
ный текст речи оратора.
1961 год... Новосибирск. Машина расшифровала пись-
мена исчезнувшего племени майя...
Перечень можно продолжить. Мы уже знаем о более
поздних успехах «умных» машин, играющих в шахматы,
исполняющих музыкальные произведения, управляющих
технологическими процессами, умеющих переводить,
оперируя четырьмя иностранными языками, и многих дру-
гих. Собственно, и наш рассказ начат с описания роботов,
демонстрировавшихся на ЭКСПО-85, что иллюстрирует
уровень техники в области новой науки роботики в наши
дни.
ЭВМ построены в различных странах, разными конст-
рукторами, они разнообразны по своему устройству. Но все
они объединены общей чертой: они содержат множество
15
элементарных ячеек, каждую из которых легко сравнить с
обыкновенным замком. Так же, как замок, такая ячейка
либо открыта, либо закрыта; каждая из ячеек находится
лишь в одном из двух взаимоисключающих состояний, ко-
торые можно уподобить двум значениям: «да» и «нет». С
помощью различного соединения таких ячеек получают и
сложные логические комбинации, например «и — и». (Ком-
бинации «и — и», можно, конечно, получить и без электрон-
ной машины. Например, такую задачу решают замки бан-
ковских сейфов. Банковский сейф обычно снабжается
двумя замками. Ключ от одного из них хранится у касси-
ра, от другого — у контролера. Ни один из них не может
Самостоятельно открыть сейф. Если дверь сейфа открыта,
Это значит, что осуществлена схема логической комбина-
ции «и — и»: сейф открыт и контролером и кассиром).
Электронная счетная машина может выполнять еще
более сложные логические комбинации, например «если —
то», «ни—ни», «или — или» и другие. Но это достигается
не специальным хитроумным выбором схем и устройств
для решения каждой логической задачи в отдельности, а
тем, что элементарные ячейки соединяются в различных
комбинациях, каждая из таких комбинаций реализует ка-
кую-нибудь одну связь: «если и только если», «ни», «или»,
«не», «и» и т. д.
Конечно, на первый взгляд кажется, что на решении
таких простеньких задач далеко не уедешь. Но человек
разглядел сквозь эту ограниченность машины путь к рас-
ширению ее возможностей. Для этого следует использовать
главное преимущество электронной машины — быстроту
работы. Пусть каждый элемент машины отвечает только
«да» и «нет», но надо суметь так расчленить сложные зада-
чи на ряд простейших, доступных машине, что из элемен-
тарных логических комбинаций в результате складывается
Решение даже самых сложных математических проблем.
a-к поступаем и мы. Встречаясь со сложной проблемой,
стараемся решать ее по частям, свести сложный вопрос к
ряду простейших. Разница, конечно, в том, что мы делаем
Это сознательно, а машина — совершенно бессознательно:
она только слепо выполняет программу, которую ей зада-
ет человек, использовавший не только достижения радио-
техники, но и законы логики.
Нужно отметить, что при создании электронных вычис-
лительных машин оказалось недостаточным объединить в
них многочисленные быстродействующие счетные ячейки.
16
В машину пришлось ввести специальные запоминающие
блоки — блоки памяти.
Такие сложные логические действия, как перевод с од-
ного языка на другой или выбор наилучшего пути решения
сложной математической задачи, возможны только благо-
даря способности электронных машин запоминать програм-
му и результаты вычислений.
Способность электронных математических машин срав-
нивать результаты вычислений, выбирать наиболее пра-
вильное решение, запоминать его дала возможность приме-
нить электронные машины для управления и регулирова-
ния. Это может быть управление металлорежущим стан-
ком, роботом, самолетом, ракетой, уличным автотранспор-
том, огнем артиллерии. Это может быть регулирование
сложных технологических процессов (варки стали, чугуна,
переработки нефти); процессов атомного и химического
производства, вредных и опасных для здоровья людей. На-
конец, это может быть управление работой цеха, завода,
всей огромной системой энергоснабжения страны и т. д..
Как же действуют электронные математические маши-
ны? Получая от измерительных приборов сведения о со-
стоянии управляемого объекта, электронная машина все
время сравнивает эти сведения с результатами вычислений,
осуществляемых ею на основании исходных данных и про-
граммы. В случае несовпадения сравниваемых величин
машина дает команду исполнительным органам, которые
непосредственно управляют объектом.
Программой! действий машины может быть предусмот-
рена даже оценка будущего поведения управляемого объ-
екта. Для этого машина должна просчитать несколько ва-
риантов поведения объекта при различных возможных из-
менениях внутри системы и во внешней среде. Получив
различные результаты и оценив их с точки зрения заранее
заданного критерия (например, по минимуму расхода го-
рючего или по качеству продукции), управляющая маши-
на выбирает наилучший вариант. Такая машина как бы
приспособляется к изменениям условий, к управляемому
объекту. Она «запоминает» лучший вариант управления,
применимый в различных случаях, как бы «обучается» в
процессе работы, накапливает опыт. Такие системы управ-
ления получили название «самонастраивающихся», «само-
организующихся» систем. Им принадлежит большое буду-
щее.
Электронная математическая машина может быть лег-
17
ко использована для целей управления в том случае, если
поведение управляемого объекта подчиняется определен-
ным правилам, если оно может быть описано математиче-
ским языком и задано машине в виде программы четких,
однозначных действий. Однако некоторые процессы произ-
водства пока еще не могут быть выражены на языке мате-
матики, что затрудняет применение электронных матема-
тических машин.
До сих пор математические машины применялись для
регулирования сложных процессов таким же образом, как
и обычные системы управления. Это значит, что они под-
держивали процесс на заданном уровне или изменяли его
по заранее заданному закону. Однако во многих случаях
наиболее выгодный закон изменения процесса неизвестен.
Поэтому регуляторы старого типа даже в сочетании с вы-
числительными машинами не могут применяться для регу-
лирования этих процессов.
Для ЭВМ были созданы такие программы регулирова-
ния, которые смогли преодолеть эти препятствия. В мате-
матическую машину вводится приближенная программа,
учитывающая лишь основные, в достаточной мере изучен-
ные законы, которым должна следовать машина при уп-
равлении процессом. Но в то время, как к машине присое-
диняются все измерительные приборы, контролирующие
ход регулирующего органа, исполнительные системы, уп-
равляющие положением регулирующих органов, не присое-
диняются к машине. Естественно, возникает вопрос: как же
управляет такая машина, если она не связана непосредст-
венно с регулирующими органами? Машина действительно
первое время не управляет. Она начинает проходить, так
сказать, курс обучения.
Вот как это происходит. В период обучения регулирую-
щими органами управляет не машина, а оператор. На ос-
новании своего многолетнего опыта он делает это, зачастую
даже не зная всех законов, которым подчиняется процесс,
или зная их приближенно. Но хороший оператор компенси-
рует это теми знаниями, которые он приобрел раньше, на-
блюдая и осмысливая ход процесса.
Машина же в это время, получая от измерительных
приборов данные о ходе регулируемого процесса, выполня-
ет необходимые расчеты по заданной ей программе. Она
сравнивает результаты своих вычислений, цель которых —
определить положение регулирующих органов с тем поло-
жением, которое устанавливает оператор. На основании
18
такого сравнения в программу вводятся необходимые изме-
нения, а в некоторых случаях машина сама видоизменяет
заданную ей программу едем, чтобы свести к минимуму
разницу между вычисленным^ положением регулирующих
органов и тем, которое устанавливает оператор.
Постепенно уточняя и дополняя программу, устраняя
имеющиеся в ней дефекты, удается добиться полного сов-
падения результатов вычисления и того положения регу-
лирующих органов, которые устанавливает специалист.
Таким образом, машина обучается у опытного оператора.
После курса обучения машина сможет полностью заменить
его и в дальнейшем вести работу самостоятельно.
Составляя такие программы, способные видоизменять-
ся, человек добивается применения управляющих машин
даже в тех случаях, когда регулируемый процесс недоста-
точно изучен и когда наметить исчерпывающую программу
действий машины невозможно.
Особенно наглядным представляется действие машин с
гибкими программами, предназначенных для решения раз-
личных стратегических и тактических задач, например шах-
матных, шашечных.
Допустим, в начале игры в шахматы машина обладает
лишь самыми элементарными стратегическими навыками
и очень неполными сведениями об особенностях игры. Ска-
жем, в нее заложены лишь основные правила игры, неко-
торые тактические закономерности, методы оценки сло-
жившейся ситуации и критерии, определяющие силу того
или иного хода, и главное — методы улучшения этой такти-
ки, составляющие основу ее «обучения» в процессе игры.
А затем машина начинает совершенствоваться и попол-
нять свои «знания» одним из следующих способов. Она ли-
бо делает пробные ходы и запоминает благоприятные и
устраняет неблагоприятные результаты, либо подражает
более успешно играющему противнику, либо получает
нужную информацию со стороны, от внешнего наблюдате-
ля— «учителя», который в течение некоторого времени
сам вносит в программу машины команды каждого следую-
щего хода и, таким образом, передает машине свой опыт.
Либо, наконец, сама машина во время игры и после ее
окончания производит анализ допущенных ошибок с целью
корректировки тактики.
Для того чтобы машина могла производить этот анализ,
совершенствовать свою «стратегию», менять «стиль» игры,
«ужно, чтобы в программе ее была обусловлена возмож-
19
ность учета «опыта» предыдущих игр и восприятия внеш-
них указаний.
Применение электронных машин для игры в шахматы,
шашки, кости, карты и другие игры, создание программ
совершенствующейся стратегии игры — это, конечно, не
самоцель.
Создавая «обучаемые» машины и программы для них,
предусматривающие возможность самоорганизации маши-
ны, человек расширяет возможности математических ма-
шин, выводя их за рамки формальной логики.
Такие машины будут иметь в будущем огромное эконо-
мическое значение.
НЕБЫВАЛЫЕ МОДЕЛИ
Рамками формальной логики ограничены пока еще и
возможности машин-переводчиков. Предпосылки для авто-
матизации процесса перевода заключаются в том, что язык
подчиняется определенным правилам лексики и граммати-
ки. Машина осуществляет перевод с одного языка на дру-
гой в соответствии с определенными правилами, которые
могут быть положены в основу программы. Степень совер-
шенства программы, количество и характер закономерно-
стей, использованных при ее составлении, объем словаря,
введенного в «память» машины, определяют возможность
машины-переводчика.
Если бы каждому слову переводимого текста, скажем
английского, соответствовало бы на другом языке, например
русском, одно-единственное значение и порядок слов в
предложении был бы на обоих языках одинаков, то авто-
матический перевод осуществлялся просто. «Прочитав»
очередное слово на английском языке (при вводе в машину
каждое слово заменяется соответствующей комбинацией
цифр), машина сравнила бы это слово со всеми английс-
кими словами (с их числовыми значениями), хранящимися
в «памяти» в ее английском словаре. Затем нашла бы (выч-
тя из одного числа другое и получив нуль) нужное слово
и «запомнила» бы номер той ячейки «памяти», в которой
находится русский эквивалент этого слова. В результате
машина автоматически напечатала бы на выводном уст-
ройстве найденные таким образом русские слова, образую-
щие переведенную фразу.
Но на самом деле все обстоит гораздо сложнее. Поря-
док слов в предложении в большинстве языков оказывает-
20
ся существенно различным. Более того, смысл одного и то-
го же слова может изменяться в зависимости от его места
в предложении и от сочетания соседних слов. В живом че-
ловеческом языке часто для описания одного и того же по-
нятия используются'разлпчные слова, так же как и одному
слову приписывается иногда несколько значений. При пе-
реводе с одного языка на другой почти никогда нельзя пе-
реводить дословно: построение фразы в каждом языке
подчиняется определенным правилам. Часто некоторые
слова вообще не имеют самостоятельного значения и не
подлежат переводу. Поэтому машина обязана не просто
сравнивать одно слово с другим, а выполнять ряд опера-
ций более сложных. Например, если переводимому слову
на другом языке соответствует несколько эквивалентов,
она должна сделать верный выбор с учетом смысла фразы.
После того как слова одного языка заменены словами дру-
гого языка, машина должна грамотно согласовать их меж-
ду собой в предложении.
Так как машина не обладает разумом, то она не может
произвести анализ значения слова по смыслу предложения.
Ей доступен только формальный анализ с помощью фор-
мальных законов, которые должны быть предварительно
выявлены человеком и заложены в машину в виде програм-
мы анализа. Это усложняет программу перевода, так как
она содержит значительно большее число команд, чем
программы, составленные для решения многих математиче-
ских задач. Поэтому, если перевод научно-технических
текстов и газетных материалов принципиально возможен,
хотя пока что затруднителен из-за ограниченного объема
«памяти» современных машин, то задачи перевода художе-
ственной литературы гораздо сложнее.
Например, в современном немецком языке имеется око-
ло 400 тысяч слов, что потребовало бы применения колос-
сального объема памяти. Так, для записи содержания кни-
ги в 25 печатных листов, что составляет приблизительно
400 страниц, необходима аппаратура, по сложности равная
примерно 5 тысячам телевизоров.
В последнее время созданы принципиально новые виды
«памяти», обладающие возможностью быстро запоминать и
воспроизводить миллиарды знаков.
Современные запоминающие устройства обладают ог-
ромным быстродействием. Перелистывая автоматически
«запоминающую книгу», за один час можно просмотреть
миллиарды цифр, миллионы страниц обычного текста.
21
Эти новые запоминающие устройства разрабатывались
в помощь быстродействующим машинам, предназначенным
для анализа содержания мирового фонда научно-техничес-
кой литературы; для автоматических справочных машин,
чтобы хранить огромное количество сведений; для инфор-
мационных и статистических машин, необходимых в тех
случаях, когда надо обработать большой поток статисти-
ческих сведений о работе промышленности, сельского хо-
зяйства, транспорта, проанализировать их и выработать
данные для планирования и руководства.
Бесспорно, эти совершенные виды «памяти» уже смогли
сыграть важную роль и в решении проблемы перевода. Они
намного усовершенствовали технику автоматического пе-
ревода и расширили ее возможности.
Перевод художественного текста осложняется не толь-
ко необходимостью огромного объема словаря, но и тем, что
в художественной литературе встречаются особые обороты,
тесно связанные с жизнью и бытом народа, которые при
формальном переводе не будут поняты. В этом случае пе-
реводчику надо переводить текст не буквально, а созда-
вать новую форму, правильно передающую содержание.
Такой перевод автоматизировать, конечно, невозможно.
Сегодня уже создана переводная машина, владеющая
четырьмя языками: немецким, французским, английским,
японским. В ее словаре — 260 000 слов. По 100 000 япон-
ских и английских, по 30 000 немецких и французских. Она
успешно переводит деловые письма и технические доку-
менты.
Быстродействующие ЭВМ появились не более 40 лет
назад. Не только в упрощенном описании, но и при глубо-
ком изучении работы электронных машин создается пол-
ная иллюзия того, что они действуют как человек. Даже
при описании таких машин невольно приходится применять
слова, которые до сих пор употреблялись только по отно-
шению к человеку: например, машина «вычисляет», «пере-
водит», «анализирует», «запоминает» и т. д. Мы недаром
так подробно остановились на описании работы этих ма-
шин: их действия кажутся очень осмысленными. Как толь-
ко появились эти машины, на них особое внимание обра-
тили физиологи. А нельзя ли, подумали они, использовать
ЭВМ для изучения тех самых умственных действий челове-
ка, которые так блестяще имитируют машины, для изучения
процессов, происходящих в мозгу человека, в его нервной
системе?
22
Понять до конца законы жизнедеятельности организма,
процессы, протекающее в его органах, взаимосвязь их, чут-
кую и точную работу нервной системы, сложную и мудрую
деятельность мозга, природу чувств, разума, воли, темпе-
рамента, научиться управлять всеми сложными процесса-
ми в живом организме — вот одна из больших задач сов-
ременной науки.
Проникнуть в тайны живой природы — такое смелое
желание владело не одним поколением ученых. Пути к
этим тайнам люди искали и в далекой древности, ищут и в
наши дни. Конечно, опыт веков не прошел бесследно. Мно-
гое, очень многое доступно теперь исследователю, но дале-
ко еще не все. Немало белых пятен и в медицине, и в био-
логии, и в психологии.
Большую помощь оказали ученым модели. Сначала это
были только живые модели — животные и их органы, ко-
торые и ныне широко используются для наблюдений и изу-
чения организма. Потом обратили на себя внимание моде-
ли физические и физико-химические, как наиболее доступ-
ные и в некоторых случаях достаточно точно имитирующие
многие явления в живом организме. Так были созданы мо-
дели сердца, почек, легких. Почти сто лет назад Маттеуч-
чи построил физическую модель нервного возбуждения, а
Лилли смело делал выводы о принципах распространения
нервных импульсов по нервным стволам, наблюдая, как ве-
дет себя железная проволока в азотной кислоте! Смелая
аналогия, хотя на первый взгляд непонятная, но тем не ме-
нее очень полезная для науки, сыгравшая в свое время
большую роль в понимании процесса распространения
нервных импульсов в живом организме.
Особенно расширились возможности ученых, изучаю-
щих живую природу, после того как было установлено, что
изменяющиеся электрические потенциалы обнаруживаются
точными приборами при работе мозга. Мозг человека не-
прерывно, днем и ночью, генерирует электрические колеба-
ния. Врачи считают, что в мозге здорового человека воз-
буждаются колебания с частотой от 8 до 13 в секунду с на-
ложенными на них более частыми колебаниями — до
25 в секунду. При различных заболеваниях частота и амп-
литуда колебаний меняются, иногда даже возникают «эле-
ктрические бури».
Электрические процессы, происходящие в нервной сис-
теме и других органах, зачастую характеризуются теми же
особенностями и количественными соотношениями, что и
23
колебания в некоторых электрических системах. Это дало
возможность ученым применять электрические, а впослед-
ствии и электронные модели для изучения жизнедеятель-
ности живого организма. Одной из первых — в начале
двадцатых годов — была создана Ван-дер-Полем электрон-
ная модель сердца, на которой изучалась ритмическая дея-
тельность сердца. Модель Ван-дер-Поля представляла со-
бой простой ламповый генератор. Напряжение, даваемое
этим генератором, по периодичности совпадает с ритмом
работы сердца.
Мысль об использовании электронных машин в качест-
ве модели пришла, конечно, не случайно. Физиологи хоро-
шо знали, что принцип действия замка и элементарной
счетной ячейки электронных машин сходен с принципом
деятельности нервных клеток. Нерв тоже может находить-
ся только в одном из двух взаимоисключающих состояний:
либо нерв возбужден, либо в покое. Значит, живой нерв
тоже действует по схеме «да» или «нет».
Но не только эта аналогия привлекла внимание физио-
логов. «Память» машины — вот что их чрезвычайно заин-
тересовало. Ведь память человека заключается в том, что
ни одно восприятие, раздражение не проходит для него
бесследно, оставляет «след» в его нервной системе.
«Память» машины в некотором отношении аналогична
памяти человека. Подобно тому как нервные клетки под
влиянием раздражения еще долго хранят «воспоминания»
о нем, запоминающие ячейки машины тоже сохраняют из-
менения, происшедшие в них в результате действия маши-
ны. Конечно, между «памятью» машины и памятью челове-
ка имеются и существенные различия. Например, память
человека, фиксируя событие, сопровождает его рядом субъ-
ективных впечатлений, дополнительных соображений и дру-
гих психологических факторов, а действие «памяти» ма-
шины основано на чисто физических процессах, обычно име-
ющих электрическую или магнитную природу и фиксирую-
щих некоторый набор сигналов, подлежащих запомина-
нию.
Ученых заинтересовали и общие принципы управления
и регулирования в живом организме и машинах.
Какие же аналогии могут быть в системах автоматиче-
ского управления и регулирования в живом и неживом ор-
ганизме? Живой организм можно рассматривать как сово-
купность самых различных систем автоматического регули-
рования и управления. Он стремится к нормальному, урав-
24
повешенному состоянию. Здоровый организм сам поддер-
живает свою температуру, давление крови, сахарный ба-
ланс на определенном уровне.
Как осуществляется это управление, или, точнее, само'
управление? С помощью сложных связей. С помощью си-
стем управления работой сердца, печени, дыхательного
центра, желез внутренней секреции и других органов. Эти
системы управления действуют сравнительно независимо
друг от друга, но они объединены центральной нервной си-
стемой. Задача этого управления — поддержать отдельные
органы и весь организм в целом в нормальном состоянии.
К тому же живой организм не есть нечто изолированное,
оторванное от внешней среды. Он тесно связан с окружаю-
щим его миром, постоянно взаимодействует с ним, реаги-
руя на все изменения внешней среды, стараясь сохранить
внутренний режим организма неизменным.
Вспомним некоторые примеры автоматического регули-
рования в живом организме. Например, дыхание. Меха-
низм саморегулирования его довольно сложен. Дыхатель-
ный аппарат снабжен целым рядом чувствительных нер-
вов, которые возбуждаются при прохождении воздуха по
воздухоносным путям, при сокращении легких, при обедне-
нии состава крови кислородом и обогащении его углекисло-
той. Так, при вдохе легкие расширяются, по воздухоносным
путям интенсивно проходит воздух, состав крови пополня-
ется кислородом, на что реагируют нервные окончания в
кровеносных сосудах. Этот комплекс возбуждения по нер-
вным волокнам передается в дыхательный центр мозга, и
оттуда поступают команды, тормозящие вдох и стимулиру-
ющие выдох. Потоки возбуждений, приносимых чувствите-
льными нервами в мозг, заставляют вдох сменять выдохом,
а выдох вдохом, регулируют глубину дыхания и его ско-
рость.
Еще пример — рефлекс кашля. Допустим, вы поперхну-
лись крошкой хлеба, и она попала «не в то горло». Тотчас
приступ кашля помогает вам избавиться от этой неприят-
ности. Как же это происходит? Крошка хлеба раздражает
нервные окончания в слизистой оболочке дыхательных пу-
тей. Эти датчики раздражения посылают сигнализирующие
импульсы в центр — в мозг. В ответ идут приказы мышцам.
Мышцы, сокращаясь, вызывают резкие выдохи (кашель),
которые и очищают гортань от постороннего предмета. Ког-
да крошка выбрасывается струей воздуха, сигналы «бед-
ствия» прекращаются, кашель утихает. Таким образом, ав-
25
томатический регулятор привел гортань в прежнее, нор-
мальное состояние.
Примеров автоматического регулирования в живом ор-
ганизме очень много. И в технике также можно найти бес-
численное множество примеров автоматического регулиро-
вания и управления. Сталеплавильная, стекловаренная,
доменная печи или другой какой-нибудь агрегат или объ-
ект— это тоже сложные «организмы», в которых с помо-
щью систем автоматического регулирования самоорганизу-
ется стабильный, нормальный процесс варки стекла, плав-
ки стали или чугуна. Для управления этими сложными
объектами человек искусственно охватил их сложной
«нервной системой», состоящей из отдельных приборов, свя-
занных в цепи автоматического регулирования. Своеобраз-
ные органы «чувств» системы — датчики — реагируют на
различные изменения внутри объекта и посылают сигналы
•в управляющий центр, в «мозг» системы. Здесь вся посту-
пившая информация о ходе процесса перерабатывается в
информацию управляющую, которая приводит в движение
«мышцы» системы, движущие заслонки, краны, шибера, из-
меняющие подачу в агрегат воздуха, топлива и сырья.
До сих пор для автоматического регулирования в основ-
ном использовались автоматы, которые были глухи к из-
менениям внешних условий. Они действуют по заранее за-
данной программе в соответствии с определенной настрой-
кой. С появлением электронных управляющих машин в
технике наступает новая эра — эра машин, которые, так
же как и человеческий организм, приспосабливаются к вне-
шним условиям. В таких системах особенно бросается в
глаза сходство с человеческим организмом в принципах
переработки информации, в работе цепей связи, по кото-
рым она передается.
Человеческий организм является сложной системой, пе-
рерабатывающей поступающую в него информацию. Все
раздражения окружающей нас среды воспринимаются ор-
ганами чувств. Различные воздействия трансформируются
органами зрения, слуха и осязания в нервные импульсы, ко-
торые направляются по бесчисленным нервным волокнам,
являющимся каналами связи, в мозг, названный Павловым
«центральной станцией». Кора головного мозга человека,
состоящая из огромного количества (до 10 миллиардов)
нервных клеток, сосредоточивает в себе центры всех от-
дельных систем связи. В коре головного мозга непрерыв-
но происходит переработка информации: сигнализирующих
26
импульсов в импульсы управления, которые по миллионам
нервных волокон проделывают обратный путь — от мозга
к мышцам.
Надо сказать, что связь различных органов и отдельных
участков коры головного мозга была обнаружена учены-
ми уже давно. Если электрическим током раздражать оп-
ределенные участки головного мозга, то приходят в дви-
жение определенные группы мышц тела.
Еще сто лет назад на это обстоятельство обращал вни-
мание И. М. Сеченов. В статье «Рефлексы головного моз-
га» он писал, что все внешние проявления мозговой дея-
тельности могут быть сведены к мышечному движению.
Воздействуя токами на определенные зоны коры головно-
го мозга, можно вызвать у человека ощущение холода,
света, звука и т. п.
Подобно тому как передается то или иное возбуждение
в живых организмах в виде серии отдельных импульсов,
так и в электронных машинах электрическое возбуждение
в виде серии электрических импульсов распространяется от
одних ячеек к другим, причем действие этих ячеек, как мы
знаем, подобно действию нервных клеток.
Аналогии, о которых мы говорим, конечно, очень грубы.
В той же статье Сеченов замечал, что мысль о машин-
ности мозга при каких бы то ни было условиях для всяко-
го натуралиста — клад. И тут же предупреждал, что не
следует слишком полагаться на наши силы, имея в виду
такую машину, как мозг; это самая причудливая машина
в мире.
Разумеется, никому и в голову не придет ставить знак
равенства между живым организмом и даже самым совер-
шенным механизмом. Но есть в них и сходство. Это сход-
ное — в сложной системе управления, в системе связей, за-
дачей которой является поддержание жизнедеятельности
одного, работоспособности другого.
Изучая с помощью электронных моделей законы управ-
ления в живых организмах, человек сможет помочь орга-
низму справиться с различными расстройствами в системах
управления. Нарушения в органах управления живого ор-
ганизма могут привести к различным функциональным
расстройствам. Например, известны случаи, когда человек
теряет способность координировать свои движения. Пони-
мание механизма этого явления может помочь найти ме-
ры борьбы с ним.
Сделаны первые опыты изучения работы легких, щито-
27
видной железы с помощью электронных моделей. Уже соз-
дано электронное устройство, моделирующее работу серд-
ца и кровеносной системы. Это устройство может вычер-
тить графики (электрокардиограммы) работы сердца, нор-
мально функционирующего и тронутого заболеванием. Ес-
Ли действительная электрокардиограмма сердца больного
Совпадает с одним из графиков, вычерчиваемых электрон-
ной моделью, это может помочь врачу установить или под-
твердить диагноз. Подобный метод может быть применен
и для определения характера нервных и психических
заболеваний. На основе снятых у больного энцефалограмм
и сравнения их с кривыми, вычерчиваемыми моделирую-
Шим устройством, изучаются отклонения от нормы в ра-
боте мозга.
Но для науки важен не только частный диагноз, инте-
ресно изучить все особенности работы мозга и сердца.
Сердце может быть здоровым и больным, но должно
справляться со своей задачей, задачей поддержания жиз-
ни человека. А ведь она так многообразна! Вы побежали
или подняли камень — сердце забилось сильнее. Вами ов-
ладел испуг, радость, возмущение — и пульс участился. Че-
ловек во все «вкладывает сердце»! Как же оно справляет-
ся со своей задачей, как влияет на него работа других ор-
ганов? На эти вопросы помогает ответить одна из моде-
лей, модель математическая.
Возьмите свою руку и нащупайте пульс. Сколько? Обы-
чно число ударов колеблется от 50 до 100 в минуту. И вы
даже не подозреваете, что при вдохе и выдохе частота уда-
ров сердца резко меняется, так резко, как бывает при под-
нятии большой тяжести. Но это происходит кратковремен-
но и при нормальном счете пульса даже не замечается.
Это явление вполне обычно, оно происходит без участия
сознания и служит необходимым условием существования
организма. Ученые знают, что пульсом заведует небольшое
нервно-мышечное образование сердца. Его называют сину-
совым узлом. Этот синусовый узел через особый блуждаю-
щий нерв воспринимает влияние на сердце дыхания, физи-
ческой нагрузки, психических переживаний.
Изучая работу синусового узла, ученые попытались опи-
сать ее математическим путем. И вот, когда уравнение, ока-
завшееся довольно удачным математическим аналогом си-
нусового узла, было написано, оно поразило математиков
чтем, что в точности совпадало с уравнением, которое ха-
рактеризует обычный маятник. Это уравнение описывает
28
движение тяжелого шара, подвешенного на стержне. Каза-
лось бы, какое отношение имеет к сердцу шар на подвесе?
Только то, что и маятник и сердце аналогичны колебатель-
ным системам, что период колебания в одном зависит от
состояния блуждающего нерва, а в другохМ — от изменения
длины подвеса. Большего от подобной модели и не требу-
ется. Совсем не обязательно, чтобы модель и аналог были
подобны во всем. Важна общность законов, управляющих
работой обоих. И теперь, имея легкий доступ к модели,
можно изучать малодоступное сердце. Ведь легче изменить
длину подвеса маятника и этим количественно имитиро-
вать зависимость работы блуждающего нерва от дыхания,
возбуждения, нагрузки, чем вести умозрительные рассуж-
дения о том, что нельзя взять в руки.
Ученых заинтересовал и другой момент. Маятник помо-
гает изучать работу сердца при нормальном дыхании, но
ведь при плавании и некоторых спортивных упражнениях
необходима задержка дыхания после вдоха. Как это влия-
ет на работу сердца и жизнедеятельность организма? Урав-
нение маятника здесь уже помочь не могло. Нужно было
искать новую модель.
В промышленности часто применяются электронные си-
стемы, в которых искусственно производится задержка си-
гнала. Генератор вырабатывает электрический импульс, а
специальная схема его чуть попридержит, пока не понадо-
бится передать его в рабочий агрегат. Каково же было
удивление и радость ученых, когда они убедились, что эти
схемы задержки могут смоделировать влияние задержки
дыхания. Ученые исследовали сердечную деятельность
50 человек и убедились, что новая модель удивительно точ-
но отображает связь сокращения сердечной мышцы с про-
цессом дыхания. А так как схемы автоматической задержки
хорошо изучены, то удалось найти математическое уравне-
ние, достаточно полно описывающее сердце и его нервные
регуляторы. Это большая победа метода математических
моделей. Хоть эти методы и не новы — их история уходит
ко времени Декарта и даже Ламетри, которые пробовали
прилагать к изучению человеческого поведения те же ме-
тоды, что употреблялись в математической физике, — но
при современном уровне науки они дают богатые всходы.
Упомянутые модели и другие математические модели
одинаково хорошо описывают работу промышленных си-
стем автоматического регулирования и действие «искусст-
венного сердца», позволяющего хирургам в необходимых
29
математическим языком и станет возможным изучать их
с помощью точных наук.
Рукою музыканта вырываются из бездушного инстру-
мента звуки, полные жизни и страсти, а под рукой скульп-
тора оживает камень. И у музыканта и у скульптора рука,
творящая жизнь, способна делать лишь чисто механичес-
кие движения, которые, строго говоря, могут быть подверг-
нуты математическому анализу и выражены формулами.
Прогресс современной науки во всех ее разновидностях
определяется в значительной мере ее математизацией, и
это в большей степени относится и к биологии и к физиоло-
гии. Вот почему мысли Сеченова о «дружбе» биологии и
математики, которые в его время считались «безумными»,
так актуальны сегодня.
Сеченов был не только физиологом — он был и пре-
красным инженером, поэтому не удивительно, что ждал и
желал объединения этих наук.
В наше время ученые получили в свое распоряжение
замечательные модели для изучения умственной деятель-
ности человека — современные электронные математичес-
кие машины. При составлении программ для математичес-
ких машин ученые в ряде случаев сознательно предписыва-
ют машине порядок действий, свойственный человеку. Так,
программа перевода совпадает с действиями человека, не
знающего иностранного языка, но имеющего словарь и зна-
комого с основными правилами перевода. Программа ре-
шения сложнейших задач высшей математики, составлен-
ная для машин, в основных чертах похожа на программу
для того, кто не знает высшей математики, но умеет рабо-
тать с арифмометром.
Но вот при изучении электронной машины для слепых,
построенной для чтения печатного текста вслух, было обна-
ружено, что в действии ее блоков имеется много общего с
процессами образования связей в тех участках головного
мозга, которые управляют зрительными восприятиями. В
этом случае конструктор машины даже не стремился к по-
лучению такого сходства. Оно явилось неизбежным резуль-
татом общности ряда закономерностей работы электронной
счетной машины и мозга.
Интересно упомянуть еще о специальных моделях, ил-
люстрирующих выработку у животного условного рефлек-
са и процесс обучения. Как известно, Павлов добивался у
животных условных рефлексов, систематически повторяя
один и тот же урок: например, сопровождая кормление со-
32
случаях останавливать сердце больного, заменяя его авто-
матом. И даже работу известной кибернетической игруш-
ки — «черепахи».
В изучении работы мозга также наметился существен-
ный прогресс.
В 1962 году в лекционном зале Московского Политех-
нического музея выступал всемирно известный ученый,
один из создателей кибернетики Норберт Винер. Он рас-
сказывал о своей новой работе по изучению биопотенциа-
лов мозга.
Электроэнцефалограммы уже давно применяются для
изучения работы мозга, для диагностики опухолей мозга и
других заболеваний. Но крайне малая величина биопотен-
циалов не позволяла получать достаточно подробных све-
дений о работе нервной системы. Винер решил использо-
вать для изучения биопотенциалов мозга особый метод
математического анализа, широко применяемый для
познания случайных процессов или слабых сигналов, наблю-
даемых на фоне помех. Ведь электроэнцефалограмма пред-
ставляет собой не что иное, как запись очень слабого сиг-
нала от работающего мозга, полученную на фоне сильных
помех.
Метод Винера сравнительно прост. Электроэнцефало-
грамма записывается не на бумагу или фотопленку, как
это делается в поликлиниках, а на магнитную ленту при
помощи магнитофона, присоединяемого к электроэнцефа-
лографу. Затем лента с записью пропускается через магни-
тофон, снабженный двумя действующими одновременно чи-
тающими головками. Сигналы, получающиеся в этих голов-
ках, перемножаются при помощи специальной радиотех-
нической схемы в течение большого промежутка времени.
В итоге такой операции можно получить важную харак-
теристику изучаемого процесса, известную у математиков
под названием «функция корреляции».
Первым результатом нового метода было неожиданное
обнаружение в хаотических, с первого взгляда, записях
электроэнцефалографа периодического сигнала, возникав-
шего 10 раз в секунду. Это был так называемый альфа-
ритм, играющий большую роль в человеческом организме,
о присутствии которого в мозгу ученые раньше ничего не
знали.
Оказывается, что при нормальном состоянии организ-
ма этот ритм очень устойчив, но сильно реагирует на раз-
личные внешние воздействия и внутренние изменения ор-
30
ганизма. Поэтому он может быть аналогично пульсу ис-
пользован для диагностики. Но так как сердце сокращается
в десять раз медленнее, то новый метод позволит произ-
водить более тонкие исследования быстрых реакций орга-
низма. Такой метод имеет колоссальное значение. Действи-
тельно, для того чтобы обнаружить опасность, угрожаю-
щую больному при операции, врач, считающий его пульс,
должен затратить минимум 10 секунд, а иногда и минуту.
Иначе он не сумеет определить нарушение работы сердца.
В серьезных случаях это промедление может оказаться
опасным. Поэтому наблюдение за альфа-ритмом, гораздо
быстрее реагирующим на изменение состояния организма,
приведет к новым достижениям в медицине.
В заключение доктор Винер сказал, что на основе этих
опытов можно предположить, что группы клеток мозга да-
ют управляющие сигналы (в некоторой степени аналогич-
ные сигналам, управляющим действием цифровых вычисли-
тельных машин), подчиняя своему ритму работу остальных
клеток мозга, а может быть, и всего организма. Особенно
интересно, что частота этих сигналов может захватывать-
ся, то есть принудительно управляться внешними сигнала-
ми, например вспышками света с частотой, близкой к час-
тоте альфа-ритма. Эта возможность, вероятно, позволит
разработать новый метод лечения некоторых заболеваний,
связанных с нарушениями альфа-ритма. А главное — поя-
вилось еще одно важное звено в цепи тех сведений о рабо-
те мозга, которые помогут создавать более совершенные
модели этой главной управляющей системы организма, по-
нять принципы работы мозга.
Особенно заманчива возможность использования моде-
лей для изучения процессов мышления человека. В науке
долго господствовало мнение, что психология и умствен-
ная деятельность человека — это особый мир, недоступный
объективному изучению, это «мир в себе». Немецкий уче-
ный К. Людвиг писал, что «изучать мозг методами точной
науки — это все равно что изучать механизм часов, стре-
ляя в них из ружья».
Тем не менее научная мысль изыскала средства подхо-
да к этим сложным вопросам. Еще в конце прошлого сто-
летия русские ученые В. Я. Данилевский, И. М. Сеченов,
II. Е. Введенский много сделали в области понимания
процессов работы мозга. Сеченов был убежден, что мате-
матики придут на помощь физиологам и многие физиоло-
гические процессы и процессы мышления будут описаны
31
бак звонком. Через некоторое время при звонке у собак
начинал выделяться желудочный сок, как при кормлении.
Учеными были созданы модели, получившие название «че-
репахи» и «мыши», — это простейшие модели, с помощью
которых можно иллюстрировать процесс обучения и выра-
ботки рефлексов у животных.
Создавая эти модели, конструкторы наделили их, пожа-
луй, более совершенными реакциями, более осмысленным
поведением, чем это свойственно настоящим животным. На
модели, имитирующие поведение живых существ, многие
физиологи возлагали очень большие надежды, переоцени-
вая их значение, возможно, забывая о том, что в «реаль-
ном мире всякое животное должно быть готово ассоцииро-
вать какое бы ни было явление с каким бы то ни было
другим», а здесь безусловный и условный раздражители
намечены заранее, предопределены и никакой свободой во-
ли эти электронные существа не обладают. Если в их по-
ведении и таится какой-то скрытый смысл, то он скрыт
только для постороннего глаза, а никак не для его созда-
теля.
Аналогичные и еще более сложные опыты можно осу-
ществить с помощью электронных универсальных машин.
Для этого создаются специальные программы работы ма-
шины, что открывает большие возможности для моделиро-
вания различных процессов, происходящих в живых орга-
низмах. Модели типа «черепахи», «мыши» и более сложные
дали толчок очень важному научному направлению, о ко-
тором будет рассказано дальше.
Желание изучать с помощью электронных моделей про-
цессы в живом организме все более овладевает учеными.
И примером тому служит модель, имитирующая не повад-
ки живого существа в целом, даже не отдельные его реф-
лексы, а всего лишь работу одного органа — руки. Но эта
модель стоит всех остальных, вместе взятых. И прежде все-
го тем, что ее поведение не предопределено заранее, как
поведение кибернетических игрушек, не воспроизводит в
точности заданную жесткую программу. Можно смело ут-
верждать, что эта уникальная модель управляется мыслью
человека.
На одном из заседаний Первого Международного кон-
гресса по автоматическому управлению в Москве к доске
подошел молодой человек и мелом четко написал привет-
ствие участникам конгресса. Энтузиазм, с которым присут-
ствующие встретили это приветствие, объясняется тем, что
2 Заказ 440
33
мел держала не рука, а протез. И не обычный, а с биоэлек-
трическим управлением, осуществляемым мозгом. Сигна-
лы, управляющие протезом, снимаются с поверхности кожи
вблизи тех мышц культи, которые у здорового человека
управляют движениями кисти и пальцев.
Не будет большим преувеличением сказать, что этим
протезом управляет воля человека. Человек захотел взять
мел и написать на доске определенное слово. При этом в
мозгу автоматически возникли нервные импульсы, которые
у здорового человека вызывают мышечные реакции, необ-
ходимые для исполнения его желания. У инвалида тоже
возникли эти командные импульсы, но он лишен руки, и
осуществление его желания стало возможным лишь при
помощи протеза. Командные импульсы вызвали сокраще-
ние остатков соответствующих мышц и одновременно появ-
ление биопотенциалов на близлежащих участках кожи. Эти
потенциалы и используются для управления протезом, ко-
торый справедливо назвать одним из чудес XX века. Он
воплотил в себе достижения кибернетики, биофизики и ра-
диоэлектроники. В отличие от ранее известных протезов,
использовавших силу уцелевших мышц инвалида, этот про-
тез работает за счет энергии небольшого аккумулятора,
обеспечивающего работу протеза в течение дня и заряжае-
мого от осветительной сети ночью.
Биопотенциалы возникают и на коже здоровой руки,
что и помогает предвидеть широкое применение аналогич-
ных протезов в промышленности. Этот замечательный при-
бор позволит не только вернуть многих инвалидов к при-
вычному труду, но и заменить ручной труд в условиях,
опасных для здоровья и жизни человека. Он, вероятно, вы-
теснит манипуляторы, применяемые для выполнения раз-
личных операций в «горячих» зонах атомных электростан-
ций, при ремонте сложных установок, в которые не может
проникнуть человек, и во многих подобных случаях.
Мы рассказали лишь о некоторых электронных маши-
нах, выполняющих математические, логические действия, и
специальных моделях, с помощью которых можно изучать
многие мыслительные, психические и другие функции чело-
века, можно моделировать эти процессы в доступной для
изучения форме.
Однако нельзя забывать, что, несмотря на многие ана-
логии между человеческим мозгом, нервной системой и
электронной счетной машиной, им свойственны и глубокие,
непреодолимые различия. Нервная система — это механизм
34
большей сложности, чем любой известный нам искусствен-
ный механизм, и ее действия, соответственно этому, разно-
образны и сложны. Проблема понимания нервной деятель-
ности животного является гораздо более глубокой, чем про-
блема понимания механизма вычислительной машины.
Поэтому отождествлять реальные организмы с теми мо-
делями, которые построены для их объяснения, отнюдь не
следует.
Это понимали еще в XVI веке. Блез Паскаль, который
создал чудо своего времени, одну из первых «думающих»
машин, говорил: «Не следует обманывать себя, мы явля-
емся в такой же степени автоматами, в какой и мыслящи-
ми существами.
Арифметическая машина совершает действия, которые
приближаются к мысли более, чем все, делаемое живот-
ными; но она не делает ничего, что заставило бы признать,
что она обладает волей, как животное».
Человеческий мозг содержит бесчисленное количество
рефлекторных связей, рождающих разнообразные виды
творчества. Павлов говорил, что мозг человека таит в се-
бе столько творческих возможностей, что человек за всю
свою жизнь не в состоянии использовать и половину из
них.
Структура мозга—это неповторимое, случайное сочета-
ние нервных клеток — нейронов. Но это отсутствие поряд-
ка, этот хаос в сочетании с огромным разнообразием воз-
можных связей между отдельными клетками порождают
замечательную слаженность работы человеческого орга-
низма, недоступную машине, в строении которой царит иде-
альный порядок. Человеку свойственны сознание, индиви-
дуальность, характер, темперамент. Машина же должна
следовать воле создавшего ее человека, выполнять поручен-
ное ей дело, но выполнять молниеносно быстро, точно и
автоматически с начала до конца.
Конечно, можно создавать электронный мозг почти как
угодно сложным, близким по своему строению к живому.
Один американский ученый заходит в своих мечтах даже
слишком далеко. Он говорит: «Если бы мы могли распо-
лагать достаточным количеством центральных клеток (эле-
ментов искусственного мозга), если бы они были достаточ-
но малы, если бы мы, наконец, располагали достаточным
временем, достаточным, чтобы собрать все это вместе, то
'мы могли бы построить роботы, действующие по любой за-
данной программе. Было бы нетрудно построить робот, ве-
2*
35
дущий себя в точности, как Джон Джонс или Генри Смит,
или же робот, имеющий любое желаемое усовершенствова-
ние свойств поведения Джонса или Смита».
Искусственный мозг никогда не выйдет за рамки пре-
допределения, машина не сможет изобретать, заинтересо-
вываться, творить. Без человека машина, даже самая со-
вершенная, ничто, она только орудие в его руках. Ее «мозг»
не мыслит, а лишь отражает мысли ее творца.
Но тут возникает вопрос: в какой же степени искусст-
венный мозг совершенен? Насколько его вообще можно
считать «мыслящим». Один из зарубежных создателей сов-
ременных «думающих» машин предлагает считать машину
способной мыслить, «если она может при известных пред-
писанных условиях подражать человеку в ответах на воп-
росы настолько хорошо, чтобы обмануть на значительный
период времени человека, задающего вопросы». Если бы
дело было только в формальном определении сходства!
При современном уровне техники можно создать в памяти
машины такой объемистый словарь и задать ей такую про-
грамму, что она смогла бы составить полный набор ответов
на всевозможные вопросы.
Для того чтобы наиболее полно приблизить модель моз-
га и нервной системы к оригиналу, существуют гораздо
более серьезные препятствия, которые четко сформулиро-
вал советский математик А. А. Ляпунов: «Более детальное
моделирование процессов, протекающих в нервной систе-
ме, требует дальнейших специальных сведений о ее рабо-
те».
К сожалению, более детально сравнивать электронно-
счетные машины с нервной системой и мозгом человека не-
возможно, ибо конструктор знает досконально все о ма-
шине, тогда как физиологи слишком мало знают о мозге и
нервной системе.
Поэтому так ценны те работы физиков и биологов, ра-
диотехников и врачей, которые проливают свет на ту или
иную сторону работы мозга и нервной системы живого ор-
ганизма.
И. И. Мечников, замечательный русский биолог, разви-
вал идею ортобиоза, то есть строя и порядка жизни, осно-
ванного на науке, и в частности на гигиене, который бы
обеспечивал человечеству продолжительную безболезнен-
ную жизнь, позволяющую проявить все его силы и закан-
чивающуюся естественной, уже не страшной, а желанной
смертью.
Я6
Несомненно, Мечников, Сеченов, Павлов приветствова-
ли бы замечательные успехи, достигнутые в наши дни в
этом направлении, приветствовали бы использование воз-
можностей кибернетики и электроники для развития био-
логии и медицины.
«УСИЛИТЕЛИ» УМСТВЕННЫХ СПОСОБНОСТЕЙ
Три десятилетия назад в научных лабораториях кибер-
нетического профиля были очень популярны «черепахи»,
«мыши» и другие прообразы сегодняшних умных машин.
О них много писали в журналах, их показывали в кино и
по телевидению, их «повадки» служили темой научных
споров и философских раздумий...
Эти электронные безделушки — прямые потомки ленин-
градского механического пса, сделанного инженером
Г. И. Бабатом, собаки с Парижской радиовыставки 1929 го-
да, которая послушно бежала за фонарем, но лаяла и от-
ворачивалась, если фонарь подносили к ее носу, электрон-
ного пса. предназначенного для Нью-Йоркской выставки
1939 года, но раздавленного автомобилем, привлекшим его
внимание своими фарами.
Основной задачей механической «черепахи» был поиск
света. На свет она шла упрямо и целеустремленно, несмот-
ря на изменения в окружающей обстановке. «Черепаха»
ползала на полу и время от времени поворачивалась вокруг
своей оси, как бы оглядывая окружающее пространство в
поисках света. Она ловко избегала препятствия, обходила
ноги зрителей и уверенно отыскивала спрятанную от нее
настольную лампу. От громкого голоса или хлопка она
замирала, совсем как испуганное животное, притворяющее-
ся мертвым. Все это она могла делать благодаря фотоэле-
менту, микрофону и несложной электронной схеме, управ-
ляющей двигателем и рулевым колесом.
Особенно поражала на первых порах способность ме-
таллической «черепахи» к «дрессировке» и «обучению».
Если несколько раз во время обхода «черепахой» пре-
пятствия свистнуть или хлопнуть в ладоши, у нее выраба-
тывался особый «условный рефлекс» на звук. Потом, если
свистнуть даже во время ее движения вперед, она уже не
замрет, как прежде, а поступит так, как будто она натолк-
нулась на невидимое препятствие. «Черепаха» начнет об-
ходить его. Все это тоже достигалось при помощи элект-
ронной схемы.
37
«Черепах» даже учили играть в футбол, и те забавно
гоняли мячик и подражали многим смешным повадкам
животных.
Таких моделей, иллюстрирующих поведение живых су-
ществ, за несколько лет развелось удивительно много. Это
были и разнообразные «мыши» — мастера находить выход
из самых запутанных лабиринтов, и электронные «лисы».
Много шуму наделала и электронная «поэтесса» Кал-
лиопа, которая умела сочинять поэмы, рисовать картины,
составлять узоры для византийских ковров.
Так ученые научились создавать первые «живые» меха-
низмы, модели будущих самоорганизующихся машин.
Они предвидели, что механизмы, подобные «черепахе»
и «лисам», но гораздо более совершенные, найдут вскоре
широкое применение в технике: например, в самоходных
приборах для исследования дна океана или не доступных
пока человеку поверхностей планет. Если сущест-
вует «черепаха», то отчего нельзя представить себе авто-
матической транспортной или сельскохозяйственной ма-
шины с «разумным» поведением? Или почему не могут
быть созданы новые автоматические регуляторы производ-
ственных процессов, учитывающие течение процесса, при-
спосабливающиеся к изменениям качества сырья, реаги-
рующие на износ инструмента, то есть все более полно об-
легчающие труд человека.
С помощью моделей, аналогичных «черепахе», была
создана машина-диспетчер аэропорта. Такая машина, по-
лучая от радиолокаторов сведения о самолетах, идущих на
посадку, в первую очередь пропускает на посадочную пло-
щадку те из них, на борту которых находится больной или
в которых подходит к концу горючее. В случае получения
сигналов аварии машина-диспетчер направит самолет на
запасную посадочную площадку.
По такому же принципу работала машина-диспетчер
на железной дороге. При формировании составов на узло-
вых станциях она учитывала не только время прибытия
вагонов, но и характер груза. Скоропортящиеся и срочные
пропускала в первую очередь. Это не только улучшало ис-
пользование подвижного состава и ускоряло доставку важ-
ных грузов, но и упрощало работу сцепщиков и диспет-
чера.
Да и на почте такой автомат был незаменим. Ведь он
при сортировке почты принимал во внимание не только рас-
писание всех поездов и самолетов, но и количество кор-
38
респонденты и ее срочность. В памяти автомата-сорти-
ровщика запечатлена вся географическая карта страны, и
он мгновенно намечает самый прямой и самый скорый
маршрут.
Теперь несколько слов о «мышах». Первая кибернети-
ческая «мышь» была построена американским ученым
К. Шенноном, и она действительно напоминала игрушеч-
ную мышь. Она должна была добираться до «сала» — кус-
ка железа, который помещался в одной из клеток лаби-
ринта — системы длинных, запутанных коридоров. Если
«мышь» пускалась в путь в поисках «добычи» в первый
раз, она шла далеко не кратчайшим путем. Но, добрав-
шись однажды до «сала», в следующий раз устремлялась
к нему по самой короткой дороге, затрачивая на это го-
раздо меньше времени. Создавалось впечатление, что
«мышь» вспомнила дорогу.
Осуществить такую модель было нетрудно. Это доволь-
но простая комбинация реле, которые в случае необходи-
мости остаются включенными нужное время и тем самым
«запоминают» определенную цель. Большим достоинством
модели является то, что во время ускоренного поиска ее
не сбивают внешние помехи. Задача состоит в том, чтобы
по аналогичному принципу построить новые машины и ме-
ханизмы, способные учитывать накапливаемый ими опыт
и находить наилучшие решения в зависимости от условий
работы.
Легко себе представить, как будет работать автомат,
созданный по такому принципу, скажем автомат-библио-
граф. В таком автомате «сало» — это одна из ячеек, в ко-
торых хранятся библиографические карточки по опреде-
ленным разделам науки, техники, искусства. Причем круп-
ные разделы будут подразделяться на мелкие. Те, в свою
очередь, будут разбиты на еще более мелкие, образуя как
бы лабиринт для поиска. Получив запрос о требуемой ли-
тературе, автомат-библиограф, как «мышь», прощупает все
разделы — ячейки своей «памяти», пока не найдет «сало»,
то есть не нащупает требуемый раздел. Тогда он и выдаст
нужные сведения. При повторных запросах он даст ответ
много скорее, чем в первый раз.
Специалисты убеждены, что самые сложные автоматы,
выполняющие различные функции, можно создавать при
помощи простых технических средств. Вот один из приме-
ров.
Вспомните, как трудно дозвониться до справочного
39
бюро вокзала. Сколько раз вы ни набираете номер, в от*
вет все время частые высокие гудки — занято. И это понят-
но: обычно десятки человек одновременно пытаются вы-
звать справочное бюро. Новая схема придает автоматиче-
ским телефонным станциям способность включать вызы-
вающих строго по очереди. Набрав номер, можно спокойно
ждать ответа. Автомат не допустит нарушения очереди.
Аналогичная схема сможет следить за равномерной за-
грузкой разнообразного оборудования, например лифтов
в высотных домах. Лифты в них располагаются группами,
в общих шахтах. Но чаще всего работает тот лифт, кото-
рый расположен ближе к двери. Это приводит к неравно-
мерному износу подъемных машин. Автомат-лифтер уст-
раняет этот недостаток.
Подобные схемы, состоящие из обычных реле и приме-
няющиеся в самых различных областях, представляют со-
бой самонастраивающиеся устройства, осуществляющие
управление тем или иным процессом без участия человека.
Описанные модели обладают свойством одновременно
учитывать много различных обстоятельств. Что же дает
им возможность обучаться, использовать предыдущий опыт,
приспосабливаться к меняющимся внешним условиям?
Прежде всего память.
Подобием памяти снабжены многие автоматы. Однако
ничего сверхъестественного в этом нет. Все объясняется
довольно простыми физическими и химическими явления-
ми и процессами. Примеров технической памяти вокруг
нас сколько угодно: магнитофон «запоминает» звук, кни-
га— текст, фотография — изображение, а электрический
счетчик — расход энергии.
«Память» помогает автоматам в процессе работы при-
обретать «навык». Кроме того, простейшие устройства, об-
щеизвестные в технике, такие, как реле или электронные
лампы, помогают им приспосабливаться к изменениям ок-
ружающей среды, то есть самонастраиваться в процессе
работы. Автоматы с памятью выполняют ряд чисто логи-
ческих функций, осуществляют поиск наиболее правильно-
го решения, обладают свойством запоминать это решение
и анализировать свои действия. Прогресс автоматов под-
готовила молодая наука об управлении — кибернетика.
Вот почему в отличие от примитивных, способных произ-
водить лишь одни и те же простейшие операции, автоматы
с памятью называются кибернетическими. Кибернетичес-
кие автоматы уже с успехом выполняют некоторые задачи,
40
до последнего времени требовавшие непосредственного
участия человека: управляют работой станков, технологи-
ческими процессами и даже целыми заводами и электро-
станциями.
Такие машины — от простейших до более сложных, эле-
ктронных — выручают человека в самых трудных слу-
чаях.
Это относится и к громоздким и трудоемким расчетам,
и к работе в сложных условиях. Это относится ко всем бы-
стротечным процессам, где человек не успевает вовремя
среагировать, где он не обладает должной пропускной спо-
собностью, то есть не может переработать достаточно бы-
стро поступающий поток сведений.
Например, если бы человеку пришлось управлять совре-
менным боем, он не в состоянии был бы оценить со всей
полнотой все быстроменяющиеся условия сражения — чис-
ленность войск, оружия, неожиданные маневры противни-
ка — и мгновенно принять наилучшее решение. Это отно-
сится и к летчику. Он может просто не успеть сделать все
сложные расчеты, выбрать лучший маневр при изменении
тактики, скорости и направления движения вражеских са-
молетов. Здесь, конечно, эффективнее электронная быстро-
действующая машина, которая не только с колоссальной
скоростью учтет все возможные положения самолетов, из-
менения скорости и условий боя, расход боеприпасов и
горючего, но и будет автоматически управлять самолетом,
разгадывая и учитывая намерения противника.
И в промышленности, как это ни парадоксально, чело-
век иногда оказывается «узким местом». Представьте се-
бе, что на электростанции произошла авария. Во время
аварии иногда нарушается нормальная работа целых про-
мышленных районов, гаснет свет в домах, останавливается
электротранспорт. Зачастую одна авария влечет за собой
другие. Даже самый опытный диспетчер нередко не спо-
собен мгновенно разобраться в обстановке и принять на-
илучшее решение. Для этого ему нужно определенное вре-
мя, которое, конечно, зависит и от его опыта, и от имею-
щейся в его распоряжении аппаратуры. Электронная вы-
числительная машина в этом случае может за доли секун-
ды учесть все обстоятельства аварии, рассчитать несколько
вариантов ее устранения, выбрать наилучший из них и
осуществить его.
Но, пожалуй, наибольшую пользу электронные быстро-
действующие машины могут принести в решении такой
41
важнейшей народнохозяйственной проблемы, как планиро-
вание и учет в государственном масштабе. В планирующие
организации стекаются данные со всех предприятий. Это
мощный поток сведений о средствах, необходимых для раз-
личных заводов, о затратах на оборудование, на амортиза-
цию, о необходимом количестве тех или иных деталей для
смежных заводов и т. п. Все это нужно своевременно учесть
и так построить перспективный план, чтобы получить мак-
симальный экономический эффект. Планированию сопут-
ствует огромная трудоемкая статистическая и вычислитель-
ная работа, которую необходимо поручить машинам.
Нельзя, однако, забывать, что машина ограничена рам-
ками формальной логики. Она может лишь выполнить то,
что заложено в нее человеком в виде программы работы.
Конечно, программы эти постепенно усложняются: в них
уже теперь входят возможности выбора, сравнения, комби-
нирования и ряд других, позволяющих решать очень слож-
ные задачи.
Программа может даже предусмотреть автоматическую
разработку новых программ и учет опыта предыдущей дея-
тельности машины. Возможно, что в программу машины
можно будет ввести и правила, выражающие отдельные
простейшие диалектические закономерности, но машина
никогда не сможет полностью вместить доступную челове-
ку многогранную и безгранично развивающуюся диалекти-
ческую логику, без которой невозможно подлинное творче-
ство.
Уже очень давно человек применяет искусственные ис-
точники энергии, которые намного превосходят энергию
его мускулов. Теперь в его распоряжении тысячи лошади-
ных сил, тогда как его собственные мышцы могут дать
лишь около одной десятой лошадиной силы.
А можно ли построить машины, обладающие «умствен-
ными способностями», превосходящими в такой же мере
способности мозга, механизмы, решающие задачи, непо-
сильные для человеческого интеллекта?
Почему-то принято считать мозг весьма совершенным.
Между тем он, несомненно, несет следы предыстории чело-
века и развивается очень медленно. Но зато он давно осо-
знал свое несовершенство и заставил человека создать
устройства, компенсирующие его недостатки. Так появи-
лись вычислительные и управляющие устройства, способ-
ные работать более оперативно, чем мозг, но возникшие
по его замыслу в помощь человеку.
42
Человеческий мозг создал организованное общество лю-
дей, его науку и технику. Он научил человека получать
добавочную мощность с помощью машин, которые можно
рассматривать как «усилители» мощности. Что же удиви-
тельного в том, что на другой, более высокой стадии раз-
вития человек поставил задачу создания «усилителя» ум-
ственных способностей? Назначение такого «усилителя»
заключается в том, чтобы неизмеримо увеличить произво-
дительность человеческого мышления.
Нам могут возразить, что в этом случае способности
машины должны превосходить способности ее конструкто-
ра. Но ведь и механики средних веков считали, что ника-
кая машина, приводимая в действие человеком, не может
дать больше работы, чем он в нее вкладывает, что ника-
кая машина не может усилить мощность человека. И они
по-своему были правы, потому что им были известны лишь
простые механизмы: рычаги, блоки, зубчатые колеса и
т. п., которые могли преобразовать силу человека, но не
могли дать ему дополнительной энергии.
Но покорение пара и особенно использование электри-
ческой энергии уже давно опровергли эти средневековые
убеждения.
Современные электронные вычислительные машины ко-
лоссально увеличили возможности человека в области ум-
ственного труда. С их помощью решены многие задачи,
ранее считавшиеся неразрешимыми в силу сложности и
трудоемкости математических Действий.
25 лет назад на ученых произвело огромное впечатление
блестящее достижение математиков молодого Сибирского
отделения Академии наук, расшифровавших при помощи вы-
числительной машины таинственные письмена давно исчез-
нувшего народа майя.
Большую работу проводят ученые, чтобы научить ма-
шины распознавать образы. Казалось, проще всего вло-
жить в память машины образцы всех возможных написа-
ний всех букв алфавита — и задача будет решена. Но
этот прямой путь оказывается непроходимым: так велико
разнообразие шрифтов и особенно почерков.
Ученые решили заставить машину вскрыть то общее,
что имеется в написании каждой буквы, изображенной
различными людьми. При этом они исходили из того, что
любые варианты написания буквы «а» ближе друг к дру-
гу, чем к любому написанию буквы «о» или какой-либо
другой буквы. Представление о том, что различные обра-
43
зы одинаковых понятий ближе один к другому, чем к об-
разам другого понятия, было названо «компактностью».
Этот путь оказался очень перспективным. В первых
опытах машине, снабженной устройством для наблюдения
изображений (напоминающим устройство для передачи
телевидения), был показан ряд написаний нескольких букв
и цифр. В машину была заложена программа, по которой
она выявляла признаки, общие для каждой данной буквы
и цифры. После короткого периода обучения машина без-
ошибочно опознавала эти буквы и цифры среди большого
множества различных букв и цифр, подаваемых ей без
всякого порядка.
Иногда говорят, что машина может сделать все, что
заложит в нее человек, но не способна открыть что-либо
новое, так как программу действий в нее вводит сам же
человек. Сторонники этой точки зрения не учитывают про-
цесса «обучения» машины.
На примере распознавания образов видно, что машина
не «зазубрила» всех возможных написаний. Ей была за-
дана программа, по которой она выявляла общность в за-
данном многообразии образов, приготовленных для ее обу-
чения.
Это значит, что машине можно задать как бы прави-
ла, которыми она должна руководствоваться при всевоз-
можных и зачастую неизвестных конструктору воздейст-
виях на нее со стороны внешней среды.
Ясно, что, не зная, каковы будут эти воздействия, кон-
структор не может заранее знать и того, к каким результа-
там придет его машина, обученная при помощи созданной
им программы.
Эти примеры показывают, что уже в наши дни сущест-
вуют машины, которые в известном смысле можно назы-
вать «усилителями» умственных способностей.
Но можно ли сказать, что машина умнее человека? Ан-
глийский ученый Джон Бернал так отвечает на этот во-
прос: «Без умных людей электронные машины глупы, они
даже не знают, когда делают глупость. Если вы составите
глупую программу, то и из машины извлечете чепуху».
Возможности электронных машин потрясают вообра-
жение... Эти машины уже способны не только решать сло-
жнейшие и колоссально трудоемкие задачи, но и откры-
вать закономерности, неизвестные ее творцам, как мы это
видели на примере расшифровки письменности майя.
Но... Эйнштейн был прав, говоря: «Что бы ни делала
44
машина, она будет в состоянии решить какие угодно проб-
лемы, но никогда не сумеет поставить хотя бы одну».
Постановка задач, истинное творчество—продукт че-
ловеческого разума. Машины же помогают нам в решении
этих задач и даже указывают правильный и более быст-
рый путь их решения.
...В Париже участников состоявшейся там Междуна-
родной технической конференции пригласили на необычный
прием, устроенный редакциями двух технических журна-
лов. У входа гостей встречал не организатор приема, как
это бывает, а робот-автомат. Гость вручал ему свой при-
гласительный билет, и автомат громким голосом объявлял
его имя и фамилию. В то же мгновение камеры телевизи-
онных установок, нацеленные на пришедшего, передавали
его изображение на нескольких экранах телевизоров в за-
ле.
Угощали здесь тоже автоматы. Одни из них подавали
бутерброды и закуски, другие — напитки. Автоматическим
виночерпиям приходилось довольно трудно: ведь им нужно
было менять состав коктейлей в зависимости от того, кто
подходил к ним, мужчина или женщина. Однако механи-
ческие официанты справлялись со своими обязанностями
недурно... Эта была заря эры роботов.
...Кибернетический прием, автоматы-кафе и автоматы-
буфеты... В наш век, когда машины с фантастической бы-
стротой производят сложнейшие, недоступные человеку
вычисления, выполняют функции переводчиков и бухгалте-
ров, библиографов и плановиков, стенографисток и маши-
нисток, играют в шахматы, сочиняют стихи и любовные
письма и даже «пишут» музыку, стоит ли этому удивлять-
ся? Кибернетика за последние годы стала чрезвычайно
разносторонней.
Это молодая наука, но развивается она очень быстро.
Не удивительно, что под впечатлением первых достиже-
ний новой науки некоторые зарубежные писатели уже
представили в своих произведениях трагическую картину
будущего, которое ожидает человечество: «общество» из
«мыслящих» автоматов. Собственно, человека, по их мне-
нию, тогда не будет; наступит эра стальных людей.
Эта перспектива, говорят, напугала даже создателя ки-
бернетики Норберта Винера. Но этот испуг — в прошлом.
Сегодня умные машины на переднем крае. Связанные с
производством, транспортом, энергетикой и сельским хо-
зяйством, электронные машины ближайшего будущего обе-
45
спечат самое совершенное планирование народного хозяй-
ства, самое совершенное управление им. Ученые использу-
ют замечательные достижения математики, электроники,
автоматики для совершенствования кибернетики, науки об
управлении процессами, происходящими т живой и нежи-
вой природе, технике.
Чтобы полнее очертить круг проблем, с которыми стол-
кнулись ученые при создании автоматов и электронно-вы-
числительных машин, остановимся более подробно на том,
как живой организм и по аналогии с ним автомат решает
задачу автоматического управления своими движениями.
Это кардинальный момент и для жизнедеятельности орга-
низма и для целенаправленного функционирования любого
автомата, включая современные роботы.
СПОРТСМЕНЫ И АВТОМАТЫ
Тоненькая девушка ступила на бум, гладкая поверх-
ность которого не шире ладони, и сделала несколько сколь-
зящих, все ускоряющихся шагов. Потом фейерверк, кас-
кад сложнейших движений. Каждое из них начинается
толчком, отбрасывающим ее тело от узкой доски, и кон-
чается легким и мягким прикосновением к буму, плавно
переходящим в новый толчок.
Тысячи людей, следящих за ней в зале, и миллионы
сидящих у своих телевизоров не замечают в ее движениях
никакого напряжения. Только строгие судьи фиксируют
мелкие погрешности, задержки и сбои. Она, как балерина,
оставила в тренировочном зале все трудности, все ошиб-
ки. А сколько их было, этих мгновений, когда малое нару-
шение равновесия, вовремя не скомпенсированное, превы-
шало допустимый предел! Центр тяжести тела выходил за
границу бума, и в полном соответствии с неумолимыми
законами механики спортсменка должна была спрыгнуть.
Спрыгнуть вовремя, спрыгнуть самой, чтобы попытка пре-
небречь законом природы не привела к падению.
Искусство не может быть воспринято или запрограмми-
ровано на основе рационального анализа. Нельзя, однако,
утверждать, что анализировать искусство невозможно или
бесполезно. Истинное искусство складывается из отшлифо-
ванной техники, мастерства и умения сделать так, чтобы
технические трудности и приемы их преодоления остались
незамеченными зрителем. Без анализа ошибок этого до-
стичь невозможно. Без упорного их преодоления успеха не
46
добьешься. Гений — это сплав таланта и трудолюбия. И
если в таланте проявляется интуитивное, подсознательное
озарение, то в трудолюбии должно быть заложено (пусть
и не осознанное) следование природе, той природе, законы
которой управляют всем живым и неживым.
И если спросить гимнастку или балерину, как она дол-
жна поступать, чтобы не потерять равновесия в сложней-
ших движениях, она, подумав, ответит: «Добиваться, чтобы
ошибки были столь малы, что их еще можно исправить.
Нельзя допускать ошибок, превосходящих определенный
предел».
Каждая хорошая гимнастка знает, каковы границы
безопасных отклонений, и интуитивно чувствует, сколь ма-
лыми должны быть случайные ошибки.
Теннисист решает, пожалуй, еще более сложную зада-
чу. Противник направляет мяч в угол площадки. Игрок
срывается с места, чтобы встретить его своей ракеткой и
ответным ударом добиться того, чтобы мяч попал в самое
неудобное для противника место. При этом нужно учесть
направление и скорость полета мяча, определить, с какой
скоростью и куда дует ветер, не был ли удар крутящим
(ибо от этого зависит характер полета мяча и его отскок
после касания площадки). Игрок также должен оценить
свое расстояние от предполагаемого места падения мяча,
направление и скорость его отскока. Одновременно он дол-
жен следить за противником, чтобы определить, в какое
место площадки тот приготовился броситься, выбрать и
так рассчитать направление и силу удара, чтобы сделать
его неотразимым.
Словом, талант игрока должен быть подкреплен фили-
гранной техникой, создаваемой упорными тренировками,
и учетом законов механики, влияния ветра, свойств мяча,
ракетки, площадки. Большинство зрителей, наслаждаю-
щихся красивыми изящными движениями игроков, ни о
чем подобном не думает. Но и игроку одного знания за-
конов природы и игры недостаточно. Хорошо играет лишь
тот, кто, начав с обдуманных, осознанных движений, вы-
работал рефлекторные реакции, при которых движения
становятся столь же естественными, как при ходьбе или
беге. Только так можно в нужном темпе решить конкрет-
ную задачу — выполнить наилучший в данной ситуации
удар по мячу.
Еще пример. По половице пройти легче, чем по буму.
Границы допустимых отклонений здесь гораздо шире. Но
47
пройти по ней может только человек трезвый. Алкоголь
замедляет реакции. Слишком много времени уходит на
осознание и устранение ошибки. И чем сильнее опьяне-
ние, тем больше запаздывание, тем значительнее ошибка.
Сильно пьяному узка не только половица, но и тротуар.
Его носит из стороны в сторону — поражена прежде всего
зрительная ориентация. Если же запаздывают и сигналы
вестибулярного аппарата, управляющего равновесием, то
неизбежно падение даже на ровном месте.
Мы не случайно заговорили об этом. Задача о движе-
нии пьяного человека вышла далеко за пределы проблем
этики, медицины и юриспруденции. С ней часто встреча-
ются инженеры при создании систем автоматического уп-
равления. О различных ее вариантах мы будем говорить в
этой книге неоднократно, так как эта проблема следова-
ния своему назначению, цели, функционированию без сбоя,
без ошибок — первостепенная для любого автомата.
Впервые, по-видимому, такая задача возникла в тех-
нике перед конструкторами торпед.
Торпеды приводились в движение гребными винтами,
вращаемыми примитивным устройством, работающим от
запаса сжатого воздуха. Направление движения торпеды
определяет вращающийся гироскоп. Если она отклоняется
от заданного направления, гироскоп открывает соответст-
вующий (правый или левый) клапан, поворачивающий
руль, чтобы возвратить торпеду на курс. Этот авторулевой
воздействует на руль только после того, как торпеда от-
клонилась от курса, то есть с запаздыванием, и передвига-
ет его до упора, а значит, сильнее, чем требуется. Движе-
ния торпеды напоминают движения пьяного человека. Она
идет по курсу, «шарахаясь» из стороны в сторону. Инжене-
ры справедливо считают, что такие движения можно до-
пустить, но только если они меньше, чем размеры цели.
Эти «шараханья» напоминают движение пьяного, но они
более упорядочены, так что след торпеды образует пра-
вильную ломаную линию. Но даже такой путь не может
быть воспроизведен при помощи простой математической
модели.
В технике встречается много случаев, когда половица
сужается до размеров бума и решение задачи о движении
пьяного оказывается недостаточным. Нужны автоматы, не
уступающие по точности гимнастке. Запаздывания и от-
клонения должны быть минимальными. И техника при по-
мощи науки искала методы решения таких задач.
48
Естественно, что, занимаясь проблемой регулирования
все более сложных машин, ученые и инженеры стремились
создать регуляторы, сводящие всякую ошибку к нулю в
момент ее зарождения и поддерживающие заданную вели-
чину с нулевой погрешностью.
Задача теннисиста — далеко не самая сложная из
встречающихся в спорте. Перед ним один мяч и один про-
тивник. Футболист же имеет дело с одним мячом и один-
надцатью противниками. Кроме того, ему следует учиты-
вать положение своих товарищей по команде. Правда, фут-
больный мяч летит много медленнее, чем теннисный, и,
принимая решение, надо учитывать не всех игроков, а
главным образом ближайших и находящихся в выгодном
положении. При этом следует брать в расчет квалификацию
отдельных игроков, их физическое состояние и многое
другое.
Подобные задачи, решение которых зависит от ряда
факторов, требуют больших усилий и применения более
сложных методов и средств, чем простые задачи с учетом
изменений одного параметра.
Авторулевой, ведущий торпеду по заданному курсу,
несравненно проще, чем такой же рулевой, управляемый
не только гироскопом, но и акустической системой, опре-
деляющей положение цели. Особенно, если она быстро дви-
жется и маневрирует. Поразить такую цель много слож-
нее, чем просто провести торпеду по заданному курсу.
Сложность этой задачи можно почувствовать, если попы-
таться пройти по длинной веревке, вьющейся по земле
причудливыми узорами. Задача еще более усложняется,
если кто-нибудь перемещает ее с места на место.
Еще сложнее наведение противосамолетной ракеты.
Морская цель движется по поверхности океана — это двух-
мерное движение. Самолет же может маневрировать и
по высоте, произвольно перемещаясь в трехмерном прост-
ранстве. Скорость его больше, а размеры меньше, чем у
морских судов. И тем не менее он более уязвим. Чтобы
вывести из строя боевой корабль, нужно удачное прямое
попадание. Повредить самолет можно и без прямого по-
падания, поражая его взрывной волной и осколками сна-
ряда, взрываемого в окрестности самолета.
Поражение движущейся цели, с математической точки
зрения, сравнимо с задачей, решаемой теннисистом или
футболистом. Но человек, способный прекрасно играть в
теннис или футбол, не сумеет поразить самолет, быстро пе-
49
ремещающийся в пространстве после того, как выстрел
уже произведен. Ведь во время полета снаряда нельзя
среагировать на действия пилота и внести изменения в по-
лет снаряда. Задача усложняется и тем, что огромные
возможности человеческого мозга реализуются медленно,
время, затрачиваемое на принятие решения, огромно по
сравнению со скоротечностью отдельных эпизодов воздуш-
ного боя. Там, где решает быстродействие, преимущество
на стороне автоматических систем. Особенно в тех случа-
ях, когда они могут продолжать управление и после того,
как человек становится просто наблюдателем. Таковы, на-
пример, самонаводящиеся ракеты.
Однако многие задачи, в том числе и поражение воз-
душных целей, не могут быть решены даже при помощи
самых лучших классических автоматов. Здесь нужны целые
автоматические системы, включающие в себя электронные
вычислительные машины (ЭВМ).
Не следует думать, что задачи автоматического управ-
ления встречаются только в военном деле (примеры из
этой области нам показались более наглядными). В тех-
нике и экономике, в науке и медицине, даже в повседнев-
ной жизни таких задач гораздо больше. С частью из них
мы встретимся в этой книге. Это управление автоматичес-
кими станками и механизмами, включая роботов. Это раз-
работка технологии, например, в металлургии и химии.
Это проблемы планирования и управления. Это создание
управляемых протезов и воздействие на сердечный ритм.
Это задачи обучения и распознавания образов. Это шах-
матные программы ЭВМ и наилучшее руководство пред-
приятием, транспортными системами, оптимальное рас-
пределение денежных и материальных ресурсов и многое
другое.
Никто не сомневается в том, что ЭВМ будущего будут
очень совершенны. Но современные ЭВМ все-таки усту-
пают человеку. Например, ЭВМ еще не могут понимать
всего богатства человеческой речи. Однако во многих си-
стемах они работают в паре с человеком. Взаимодействие
такой пары само по себе оказалось сложнейшим процес-
сом. В одних случаях «узким местом» становится человек,
в других — проявляется ограниченность возможностей
ЭВМ.
Продолжим рассказ о том, как люди, побеждая и тер-
пя поражения, достигая успехов и ошибаясь, решали неко-
торые из проблем, связанных так или иначе со случаями,
50
описанными выше. Как они пришли к созданию современ-
ных роботов и быстроперестраиваемых предприятий, обслу-
живаемых роботами.
МАШИНИЗИРОВАННАЯ ЦИВИЛИЗАЦИЯ
Электронно-вычислительные машины, ЭВМ, как назы-
ваем мы теперь их запросто, не расшифровывая, так как
они знакомы сегодня всем, вошли в нашу жизнь и открыли
перед нами заманчивую, реальную, необозримую возмож-
ность шагнуть далеко вперед по пути прогресса. Они мно-
гое обещали, но выполнить обещания могли только с по-
мощью человека. Можно сказать, что ЭВМ — это только
«голова профессора Доуэля» из фантастического романа
Александра Беляева, способная мыслить, логически и точ-
но, но лишенная тела. Выполнять свои замыслы она еще
не могла. Для этого нужно придать «голове» «руки», спо-
собные исполнять ее веления. Так возникли машины, ко-
торые смогли трудиться на производстве, собирать детали,
осуществлять сварку и многие другие операции. «Голову»
снабдили не только «руками», но и «ногами», родились ро-
боты, умеющие самостоятельно передвигаться. В цехах
они обрели десятки человеческих специальностей! В сфере
обслуживания они освободят людей от трудной или не-
приятной работы. Круг обязанностей «мозга», снабженно-
го «руками», «ногами» и средствами общения, резко рас-
ширится!
Роботы, автоматизированные станки и целые автомати-
зированные комплексы — это тело, необходимое для того,
чтобы электронная «голова профессора Доуэля» могла не
только решать задачи и давать советы, но и непосредст-
венно, без участия человека, реализовывать свои советы.
Это дорога в мир машинизированной цивилизации...
Перед учеными открылась перспектива — вполне осущест-
вимая в нашем веке—перспектива создать себе надежно-
го механического помощника-робота.
И, конечно же, конструкторы обратились к техническо-
му арсеналу, порожденному наукой, которая за века раз-
вития накопила многочисленные приспособления: блоки,
рычаги, колеса, цепные передачи, электрические датчики,
электронные средства связи, и могла снабдить новую от-
расль — роботику всем необходимым. Короче говоря, ки-
бернетики обратили свое внимание на другие науки.
Перед ними оказались неисчерпаемые возможности для
51
выбора нужных решений: конкретные приспособления, те-
ории, математические модели. Перед ними были и самые
свежие и давно забытые находки механики, гидравлики,
пневматики. К их услугам были истины, понятые при соз-
дании паровых машин, часов. А ведь часы, паровые маши-
ны— это одни из первых автоматов. И кроме того, ни один
робот не сможет работать в паре с другим, не сверяя с
ним ритма своей работы, свои «часы» с течением жизни
вокруг.
Перед конструкторами роботов был и опыт великих уче-
ных, сделавших фундаментальные открытия в физике, оп-
тике, химии. Пригодились и находки безвестных тружени-
ков, даже таких лентяев, как ставший легендой мальчик
Поттер, который придумал приспособление, позволившее
ему оставить паровую машину без присмотра. Историю
эту мы еще вспомним на страницах нашей книги. Все по-
шло в копилку знаний, породивших роботы.
Для того чтобы роботы могли производить какие-то
действия, их необходимо было, как мы уже говорили, снаб-
дить «руками», «ногами», понадобились «суставы», «мыш-
цы» — конечно, не живые суставы и мышцы, а их механи-
ческие эквиваленты. Для того чтобы управлять движением
этих искусственных механических органов, нужно было
разработать сложную систему управления. И эта система
была создана — она работает на принципе обратной связи,
получая сигналы от конечностей роботов. Значит, информа-
ция управляет ими и корректирует их движения. Иначе, не
имея информации, управляющая система не может решать
задачу управления.
Каждый, кто наблюдал роботов в движении, мог заме-
тить жгуты проводов, идущих от ступней, суставов, мышц
роботов в микро-ЭВМ, управляющую их действиями. У ро-
бота-музыканта эти жгуты прикрыты металлическими лег-
кими щитами; у ходящих роботов электрические привода
на виду, их можно рассмотреть. Но «мозг» роботов-ЭВМ,
компьютер, спрятан в кожух, как спрятан живой мозг в
черепной коробке. Что значит — управляющая система
работает по принципу обратной связи? А вот что. «Мозг»
робота содержит программу работы, она заложена в его
памяти. В «мозг» поступают электрические сигналы от
датчиков, расположенных в двигательных органах робота.
Только после получения сигналов от датчиков, после их
анализа мозг-компьютер вырабатывает'решения о дальней-
ших действиях робота, которые он и посылает в органы
52
движения. Так осуществляется обратная связь, очень по*
хожая по своей внешней аналогии на действия управляю-
щих систем живого организма. Конечно, мозг, и нервы, и
мышцы, и суставы, и все другие органы тела робота — это
те или иные имитации живых органов — нечто, похожее
только по выполняемым задачам.
Двуногий робот мобилен и способен на разнообразные
действия. Конструкторы думают использовать его в сфере
обслуживания. Этот робот выполняет обычные движения без
участия центральной ЭВМ. Для этого служат микропро-
цессоры, снабженные соответствующими подпрограммами.
Здесь конструкторы следовали природе. Ведь человек тоже
осуществляет стандартные движения без обдумывания.
То, как движутся наши ноги и как должна двигаться
каждая нога в отдельности при одновременном движении
рук, остается за пределами нашего сознания. Ученые назы-
вают такие движения рефлекторными. Свободное пользова-
ние руками стимулировало развитие мозга, а это привело
к современной цивилизации и культуре.
Если бы человек должен был обдумывать все движе-
ния своих мышц, производить соответствующие расчеты,
он не справился бы с этой задачей. Даже с точки зрения
механики в процессе хождения возникают такие сложные
ситуации, которые теоретически и сегодня наука решить
не может. Бывают моменты, когда человек или животное
опирается на одну ногу. Но ни одна теория пока не опи-
шет, как при этом тело сохраняет равновесие.
Несмотря на это, теория автоматического регулирова-
ния, наука об автоматах, одна из целей которой — научить
роботов самостоятельно сохранять равновесие и действо-
вать в строго определенных рамках, уже достигает этой
цели. Причем задача движения на двух ногах радикаль-
но отличается от задачи хождения на четырех, шести но-
гах, от движения на колесах.
Технике нужны роботы разных назначений. И действо-
вать они должны не всегда обособленно. Чаще они вклю-
чены в коллектив роботов, в роботизированную систему
автоматического производства. Поэтому движения каж-
дого из них должны быть увязаны с движениями осталь-
ных.
Мы уже знаем, что созданы роботы, умеющие ходить
на двух, на четырех ногах. И те и другие управляются
миниатюрными компьютерами. Это позволило не только
обеспечить равновесие при ходьбе, но также придать робо-
53
там несколько степеней свободы. Они могут идти вперед,
назад, вправо, влево, вращаться в любом направлении.
Повторим, что четвероногий робот может взбираться по
ступенькам лестницы, что является огромным достижени-
ем роботики.
Все, кто наблюдал движение этих роботов, задавался
вопросом: как же ухитряются механизмы не терять равно-
весия? Даже ребенок долго ползает и становится на нож-
ки разве что к году. И пожалуй, только к трем годам он
уже перемещается свободно и уверенно. В течение этих
лет все его мышцы, участвующие в движениях тела, сог-
ласованно развиваются, развивается и нервно-двигатель-
ная система, двигательные связи. За это же время и мозг
ребенка учится находить правильные решения, основан-
ные на информации о внешнем мире, поступающей через
глаза, уши. Одновременно мозг вырабатывает способность
рефлекторно управлять сложными движениями и скрыты-
ми внутренними процессами организма. Этим мозг осво-
бождает себя для высшей деятельности, для мышления, для
творчества.
Каждый сустав у человека управляется двумя муску-
лами, один сгибает, другой разгибает его. Согласованное
взаимодействие пар мускулов обеспечивает возможность
движения. Робот снабжен приводами, соответствующими
этим мускулам. Некоторые из них управляются системами
гидравлического типа. Они получают сигналы многочис-
ленных датчиков. Одни измеряют угол отклонения робота
от вертикали. Другие, установленные на подошвах, давле-
ние ступни на почву.
Не только электроника обеспечивает жизнедеятель-
ность роботов. Здесь работают и сообщают им новые воз-
можности самые разные области науки и техники, в том
числе гидравлика, пневматика. Так что немало роботов
используют в своей конструкции агрегаты, работающие на
сжатом воздухе, на давлении жидкости.
Еще раз более подробно остановимся на вопросе уп-
равления движением двуногого робота. Это важный мо-
мент, который повторяется в принципе в десятках других
автоматически действующих механизмах. Оттолкнемся
снова от способности человека ходить как по ровной, так
и по изрытой поверхности. Люди умеют избегать ям, боль-
ших камней, могут перепрыгнуть через препятствия. Это
обеспечивает способность мозга к упреждающей обработке
информации. Человек видит препятствие и заранее реаги-
54
рует, чаще всего рефлекторно, не теряя времени на раз-
мышления.
Аналогичную задачу, возникающую перед роботом, ре-
шают его центральные микро-ЭВМ и целый набор микро-
процессоров. Они вырабатывают команды управления на
основе обработки информации, поступающей от датчиков.
Но так как ЭВМ и микропроцессоры робота могут опери-
ровать только с цифрами, то все сигналы, поступающие к
ним от датчиков, сначала перерабатываются в цифровую
форму. Для этого служат специальные аналого-цифровые
преобразователи, с работой которых мы позже познакомим-
ся подробнее.
При конструировании двуногого робота, экспонирован-
ного на ЭКСПО-85, особое внимание уделялось весу все-
го механизма. Очень важно, чтобы робот получился лег-
ким. Немалую роль в облегчении веса робота сыграло то,
что в его конструкции были использованы гидравлические
системы. Они компактны, имеют малый вес, в них исполь-
зованы материалы легкие и прочные, применяемые в ави-
ации. Электрический аккумулятор при помощи электрон-
ного преобразователя приводит в действие высокочастот-
ный мотор переменного тока, вращающий сверхкомпакт-
ный насос. Высокое гидравлическое давление, обеспечи-
ваемое этим насосом, служит для работы гидравлических
двигателей, которые питаются через управляющий эле-
мент и гидравлический аккумулятор. Так используется в
роботике связь электроники и гидравлики.
Теперь еще несколько слов о четвероногом роботе. Он
легче передвигается по неровной местности, чем его двуно-
гий собрат, что, конечно, намного расширяет возможности
его использования.
Четвероногий робот имеет следующие характеристики:
у него низкорасположенный центр тяжести. Его длинные
ноги, «коленные суставы» которых, как у некоторых пау-
ков, расположены выше корпуса, обеспечивают превосход-
ную устойчивость. Специальные конструкции делают его
предельно мобильным. Еще важная особенность — он снаб-
жен оперативным программированием, то есть запрограм-
мирован так, чтобы вырабатывать суждение о своем пове-
дении. Он снабжен четырьмя взаимосвязанными програм-
мами. Первая осуществляет контроль скорости и ускоре-
ний его движения. Вторая управляет равновесием и пятью
различными движениями. К третьей категории относятся
программы, которые обрабатывают входные ' данные от -
55
различных датчиков робота и преобразуют их в суждение
о стимулах и оптимальных движениях. Четвертая програм-
ма синхронизирует различные движения. Этот робот скон-
струирован с далеко идущими планами использования на
промышленных предприятиях. Он, несомненно, займет по-
добающее ему место в индустрии.
Промышленные роботы уже широко применяются и
будут применяться все шире. Большинство из них стоит
неподвижно на рабочих местах у автоматизированных
станков, вдоль конвейеров и рядом с органами управления
сложными технологическими процессами. Но не везде мож-
но обойтись без роботов, способных передвигаться в це-
хах и складах, тесных проходах и многоэтажных зданиях.
Умение робота передвигаться в одной плоскости — этим ог-
раничиваются возможности двуногого робота — сковывает
возможности проектировщиков многозвеньевых промыш-
ленных автоматизированных комплексов.
Четырехногий робот, экспонированный на ЭКСПО-85,
имеет двенадцать степеней свободы. Каждая из ног, дли-
ною в 1,2 метра, обладает тремя степенями свободы. Вес
робота — 80 килограммов. Каждая из его ног приводится
в действие двигателем постоянного тока. Для того чтобы
передать движение к стопе, применяется трехкоординат-
ный пантограф. Если читатель помнит, пантографом назы-
вается устройство, позволяющее перемещать некоторый
объект, меняя углы между отдельными частями пантогра-
фа, но не меняя наклон объекта. Один из вариантов панто-
графа — чертежный прибор-кульман. Использование этой
системы существенно упрощает управление движением ро-
бота, уменьшает расход энергии двигателей.
При движении по ровной поверхности все четыре ноги
робота могут убираться внутрь корпуса и робот передвига-
ется на колесах.
Робот снабжен многочисленными датчиками, располо-
женными на подошвах его ног, поэтому он может обнару-
жить опору непосредственно перед тем, как коснется ее
ногой. Корпус робота имеет специальный датчик, дающий
сигналы в управляющую систему о наклонах корпуса, на
основе которых микропроцессор постоянно удерживает его
в горизонтальном положении, что позволяет легче обеспе-
чить его плавное перемещение.
И наконец, «мозг» робота — его главная управляющая
система — включает три иерархических уровня. Первый
управляет скоростью, направлением и средней высотой кор-
56
пуса в каждый момент. Второй уровень — стратегией дви-
жения по отношению к другим объектам. Для этого робот
имеет визуальный датчик — то есть обладает зрением. Тре-
тий уровень управления — контроль за движениями каждой
из ног.
В результате продуманной системы управления робот
плавно, без скачков и падений перемещается по неровной
поверхности со скоростью около 5 сантиметров в секунду.
Когда наблюдаешь его в действии, кажется, что он вот-вот
упадет, и невольно делаешь к нему шаг, чтобы поддер-
жать. Но он плавно и уверенно идет дальше, осторожно,
будто ощупывая ногой каждый следующий участок поч-
вы. И поворачивается он осмотрительно, как бы обдумы-
вая, чем кончится его намерение повернуть. По лестнице
он взбирается даже более уверенно, или это только кажет-
ся нам, с нашей субъективной эмоциональной точки зре-
ния.
Несомненно, такие и подобные им роботы займут свое
место в роботизированных промышленных комплексах, о
которых мы еще расскажем подробнее.
Еще несколько слов о роботе-универсале, предназначен-
ном для использования в гибко перестраиваемых роботи-
зированных комплексах с широким спектром задач.
Он может поднимать предметы весом до 200 килограм-
мов, причем делает это двумя руками, что пока является
новым достижением роботики. Этот двурукий робот может
выполнять функции не только тяжеловеса, но и почти юве-
лира. Он демонстрирует это, монтируя теми же руками
свои миниатюрные копии, выбирая из контейнеров необ-
ходимые детали. Такой диапазон возможностей пока уни-
кален, так как требует очень точного совмещения деталей
и способности к распознаванию образов. Это достигается
специальной программой и наличием оптических датчиков,
вмонтированных в его кистях.
Но так как он передвигается на двух ногах, его снабди-
ли специальной программой, помогающей ему сохранясь
равновесие при поднятии тяжестей. Он с легкостью балан-
сирует гимнастической штангой на вытянутых руках.
Вот его технические характеристики. Он обладает 16-ю
степенями свободы, включая вращение. Из. них 6 степеней
свободы для рук и 4 для туловища. Он может не только
двигать руками и кистями, но способен наклонять голову,
вращать тело и перемещать его вверх и вниз. Он управля-
ется тремя микро-ЭВМ, по одной для рук и одной для ту-
57
ловища. Его движения строго координированы и сбаланси-
рованы.
Робот-тяжеловес и на вид очень внушителен: его рост
5 метров, вес 25 тонн.
То обстоятельство, что этот робот может не только под-
нимать тяжести, но и собирать другие роботы, наталкива-
ет на мысль использовать его потомков в космосе. Ведь,
посланный к далеким планетам, он сможет не только вы-
полнять трудоемкие работы, но и стать родоначальником
космической машинной цивилизации. Не в фантастических
романах, а в научных докладах теперь нередко ставится
вопрос о привлечении роботов к овладению космосом, об
использовании их для проведения исследований, добычи
полезных ископаемых на других планетах, для строитель-
ства жилищ и предприятий, для подготовки к последую-
щему прибытию людей.
Перед человечеством открывается реальная, техничес-
ки и научно обоснованная перспектива положить начало
новому этапу прогресса — прогресса с помощью чуда
XX века — роботов.
Но мы должны отдавать себе полный отчет в том, что
сделанное — это только начало. Что нерешенных проблем
больше, чем проблем решенных. Однако ученые знают, что
искать, в каком направлении двигаться.
Ученые и инженеры в передовых промышленных стра-
нах работают над созданием ЭВМ пятого поколения. Уже
забыты схемы на электронных лампах, которые сегодня
встретишь разве что в старых радиоприемниках. Уже пе-
рестали собирать компьютеры, работающие на множестве
отдельных транзисторов — маленьких пластинках полупро-
водников, которые еще недавно сделали революцию в
электронике. Сегодня говорят о чипах — крошечных крис-
талликах, на которых размещаются интегральные схемы,
образованные десятками и сотнями тысяч транзисторов и
других элементов. Уже применяют большие интегральные
схемы, содержащие миллионы совместно работающих эле-
ментов.
К этим вопросам мы еще вернемся, когда будем гово-
рить не только о роботах, но и о ЭВМ.
С какого же открытия начать наш рассказ о пути, по
которому шли ученые к роботам и автоматизированным
производствам? С часов, которые были первым автоматом
и делают возможным слаженную и точную работу автома-
тических комплексов?
58
С систем автоматического регулирования, делающих
возможным саму «жизнь» робота, ибо робот — это прежде
всего автомат, электронный автомат, надежный и гибкий?
С систем распознавания образов, позволяющих об-
щаться с роботом обычным человеческим языком, систем,
дающих роботам возможность выбирать и захватывать
предметы, с которыми им предстоит манипулировать?
Перед нами, читатель, особый мир, в который нужно
войти для знакомства с новейшим компонентом научно-
технического прогресса — с семейством роботов и их местом
в деятельности людей. Но не будем разбрасываться. На-
мечая маршрут путешествия в мир машинизированной ци-
вилизации, следует с самого начала уяснить себе, что ро-
бототехника— это вовсе не вершина технического разви-
тия, а только ее часть. Это ветвь технической кибернетики,
цель которой создание гибко перестраиваемых автомати-
зированных и роботизированных производственных систем.
Начнем знакомство с синтеза тех областей науки и тех-
ники, которые породили техническую кибернетику. Что сю-
да входит? Автоматика? Безусловно. Она включает изу-
чение и создание автоматически действующих устройств
и систем автоматического регулирования. Электронно-вы-
числительная техника? Конечно. Нам предстоит ознако-
миться со специализированными микропроцессорами и
микро-ЭВМ — мозгом современных роботов. Не обойтись
нам без метрологии, включающей разнообразные устрой-
ства — органы чувств роботов. Эти устройства преобразуют
различные величины, подлежащие измерению, в электри-
ческие сигналы. Это аналоги органов чувств живого орга-
низма— зрения, обоняния, слуха, которые сообщают в мозг
по нервным волокнам все сигналы, приходящие к нам из
внешнего мира и из внутреннего мира нашего организма.
Мы должны встретиться и с системами передачи и обра-
ботки информации (в технике связи — это телефон, телег-
раф, даже флажки и сигнальные костры). В роботах они
осуществляют цепи обратных связей и тем объединяют все
элементы робота в единую автоматическую систему.
Итак, вперед, по дороге интереснейших открытий, сде-
ланных учеными, подарившими миру роботов — инстру-
мент глубокого познания и небывалого помощника в совер-
шенствовании нашей цивилизации.
69
ГЛАВА 1. ИСТОКИ
ПРЕДКИ
Пожалуй, одним из первых создателей автоматической
машины был Архимед, великий математик древнего мира.
Он подошел к созданию машин как ученый, как инженер,
умеющий применить отвлеченные методы математики и гео-
метрии к решению практических задач.
Камнеметные машины, построенные Архимедом для обо-
роны его родных Сиракуз, были весьма совершенными. Они
превосходили другие орудия по массе бросаемых камней
и по дальности броска, хотя представляли собой простую
комбинацию рычагов и блоков. Самый большой рычаг, ук-
репленный на осп, бросал камень. Малый рычаг служил
спусковым механизмом, удерживающим большой в боевой
позиции. Блоки натягивали толстые канаты, сплетенные из
воловьих жил и играющие роль пружин.
Обратите внимание на то, что человек лишь приводил
камнеметную машину в боевое положение: при помощи бло-
ков натягивал канаты, при помощи малого рычага фикси-
ровал большой рычаг во взведенном положении, помещал
на место камень — снаряд и наводил машину на цель. За-
тем выдергивал малый рычаг. Остальное, главное делала
машина. Она разгоняла камень и метала его в цель. Поду-
майте: главное машина делала сама. Она была несомнен-
ным предком автоматических машин.
Конечно, читатель может напомнить, что еще более от-
даленным предком автоматов является лук. Лук посылает
стрелу точнее и дальше, чем это может сделать рука чело-
века.
Но еще точнее и дальше летели стрелы, выпущенные ар-
балетом. Устройство арбалета, его принципиальная схема
близка к схеме камнеметной машины Архимеда. Мощный
лук укреплен на ложе, похожем на ложе ружья или вин-
товки. Для натягивания тетивы служит специальный рычаг.
Натянутую тетиву заводят на спусковой рычаг, напоминаю-
щий спусковой крючок современного стрелкового оружия.
Арбалетчик взводит тетиву, укладывает стрелу и прицели-
вает ее. В нужный момент он нажимает спусковой рычаг,
и арбалет стреляет.
Вплоть до изобретения пороха арбалет был наиболее
совершенным, а с точки зрения тех лет — автоматическим
оружием.
Многие древние ученые конструировали разнообразные
60
автоматы и механические игрушки. Наиболее известные из
них, использовавшие силу воды или пара, описаны в сочи-
нениях ученого древнего мира Герона и принадлежат ему
и его учителю Ктезибию. Среди них были сравнительно
сложные автоматы, многократно повторявшие определен-
ный набор движений благодаря согласованному действию
нескольких водяных сифонов. Были и примитивные паро-
вые турбинки, почти на две тысячи лет предвосхитившие
паровые турбины, разработанные и начавшие вытеснять
поршневые машины в конце прошлого века.
Застой в науке, последовавший за распадом эллинисти-
ческих государств и гибелью Римской империи, продолжал-
ся много веков. Лишь великий Леонардо да Винчи сумел
сделать самостоятельные шаги в создании новых механиз-
мов. В его сочинениях, большинство которых осталось не-
известным современникам и потомкам вплоть до наших
дней, содержались описания и конструкции многочислен-
ных машин и механизмов. Часть из них должна была дей-
ствовать автоматически. Он реализовал и применил для
практических целей лишь немногое из того, что задумал и
изобразил на бумаге. Большая часть этого богатства века-
ми лежала втуне, многое было создано заново людьми, ни-
чего не знавшими о трудах Леонардо.
Но, может быть, еще более старым из автоматов, пред-
шественников современных роботов, являются часы. По-
требность в измерении времени возникла у людей в глубо-
кой древности. Земледелие дало толчок к созданию кален-
даря, к систематическим наблюдениям за движением не-
бесных светил. Календарь помогал жителям Древнего
Египта предсказывать разливы Нила, от которых зависели
урожаи, а следовательно, жизнь целого народа.
Но, наряду с календарем, фиксировавшим смену времен
года, жизнь требовала измерения коротких периодов
времени. Так, еще в древнем Вавилоне были изобретены
солнечные часы, позволившие разделить день на равные
промежутки времени. В соответствии с принятой в Вавило-
не системой счисления день и ночь были разбиты на 12 ча-
сов, каждый из которых содержал по 60 минут. Впослед-
ствии ввели и более мелкие единицы времени — секунды,
по 60 в каждой минуте.
Первые «несолнечные» часы — клепсидры — измеряли
время количеством воды, перетекавшей через маленькое от-
верстие из одного сосуда в другой. До наших дней дожили
песочные часы, пригодные лишь для измерения малых фик-
61
сированных промежутков времени. На смену этим прими-
тивным часам пришли механические, ход которых обеспе-
чивался тяжестью гири. Точность их была небольшой из-
за влияния изменений температуры на величину трения в
осях.
Средневековые механики значительно улучшили точ-
ность часов введением регулятора, использующего центро-
бежную силу. Задача центробежного регулятора — умень-
шить влияние трения на ход часов. Регуляторы этого типа
еще недавно можно было увидеть в патефонах, где они под-
держивали скорость вращения пластинки независимо от
изменения натяжения пружины и трения иглы. Центробеж-
ный регулятор управляет величиной трения так, чтобы уме-
ньшить изменения скорости вращения механизма. В пра-
вильно сконструированном регуляторе при увеличении
скорости вращения трение возрастает на столько, чтобы
свести первоначальное увеличение скорости вращения к ми-
нимуму. Однако достигнутый минимум не может в точнос-
ти равняться нулю.
Средневековые мастера пытались сконструировать цент-
робежный регулятор так, чтобы снижать до нуля случай-
ные изменения скорости. Но задуманные ими и изготовлен-
ные со всей возможной тщательностью регуляторы вызы-
вали нарастающие по величине колебания скорости, спо-
собные вывести из строя весь механизм. Многочисленные
изобретатели часов надеялись предотвратить это каким-
нибудь хитроумным приемом. К их удивлению, грубые ба-
шенные часы с центробежным регулятором подчинялись
лучше, чем более точно изготовленные каминные часы. За-
гадку разрешил лишь в 1850 году английский астроном
Дж. Эри. Он пытался добиться наибольшей точности от ча-
сового механизма с центробежным регулятором. Его зада-
ча была очень ответственной, так как часы предназнача-
лись для автоматического ведения телескопа вслед за ви-
димым перемещением звезд. Создание часов было искусст-
вом, причем даже лучший мастер не мог изготовить двух
экземпляров, идущих совершенно одинаково.
. Камнем преткновения было непостоянство скорости
вращения. Эри был первым, попытавшимся изучить процесс
автоматического регулирования с применением математи-
ки. Мы еще узнаем, как он подошел к решению этой задачи
и чего ему удалось достичь.
Революцию в измерении времени начал итальянец
Г, Галилей. Гении отличаются от остальных людей особым
62
ходом мышления, умением обращать внимание и осмысли-
вать то, на что другие смотрят не замечая. Каждый, посе-
щая церковь, видел люстры и лампады, качающиеся от по-
рывов ветра или после случайного толчка служки, зажигав-
шего свечи.
Галилей заметил, что период колебания люстр и лампад
постоянен и зависит от длины подвеса. Лампады на длин-
ных подвесах качаются медленнее, чем на малых. Он прове-
рил это, сравнивая период качания лампад с биением своего
сердца. Затем, уже дома, проверил свое наблюдение, изу-
чая качание грузов, подвешенных на шнурках. Галилей не
был бы Галилеем, если бы он остановился на этом. Он ус-
тановил закон, связывающий длину подвеса с периодом
колебаний. Доказал, что период не зависит от веса груза, от
способа подвеса — пусть это будет шнур или стержень, ме-
талл или дерево. Не важна и форма груза. В формуле Га-
лилея нашел отражение не сам груз, а положение его
центра тяжести. Она определила период колебаний реаль-
ного маятника через величины, описывающие некую абст-
рактную схему. Теперь мы говорим: математическую мо-
дель, «математический маятник», обладающий только од-
ной характеристикой — длиной. Для того чтобы воспользо-
ваться формулой применительно к реальному устройству,
нужно было определить лишь одну величину: расстояние от
точки подвеса до центра тяжести изучаемого маятника, учи-
тывая распределение массы в грузе и подвесе.
Галилей увидел в маятнике средство для точного изме-
рения времени. Он установил, при каких условиях период
колебаний маятника не зависит от величины его размахов.
Это свойство — постоянство длительности колебаний — при-
суще маятнику, если его размахи остаются достаточно ма-
лыми.
Галилей установил, что в отсутствии трения движение
тел должно сохраняться вечно. Силы нужны лишь для из-
менения его скорости или направления движения. Но если
трение действует, рано или поздно оно прекращает движе-
ние. Движущиеся тела останавливаются. Это справедливо
и для колебаний маятника. Размахи его постепенно умень-
шаются до тех пор, пока он не прекратит своих колебаний.
Поэтому маятник сам по себе мог служить только для из-
мерения сравнительно коротких промежутков времени.
Для создания новых часов, далеко превосходящих по
точности все известные, но идущих долго, нужно было при-
думать механизм, способный без участия человека длитель-
63
но поддерживать колебания маятника и подсчитывать чис-
ло его колебаний. Требовалось создать автомат.
Галилей сумел это сделать. Он догадался, как соединить
маятник с известными ему механическими часами, выбро-
сив из них несовершенный регулятор. Для этого пришлось
придумать приспособление, которое управлялось самим ма-
ятником,— один раз в течение каждого периода его коле-
баний оно позволяло гире опуститься на небольшую высоту
и передавало освобождающуюся часть ее энергии самому
маятнику в виде небольшого толчка, поддерживающего его
колебания. Одновременно это же приспособление повора-
чивало на один зуб колесико часового механизма, осуще-
ствляя таким путем подсчет числа колебаний маятника.
Далее система зубчатых колес приводила в движение стрел-
ки часов, которые, как и раньше, отсчитывали время.
Трагический конфликт с церковью подорвал здоровье
Галилея. Зрение его катастрофически ухудшалось. Он от-
дал сыну чертежи и инструкции, необходимые для созда-
ния маятниковых часов. Но до появления часов ему не уда-
лось дожить.
Не узнал он и о том, что маятниковые часы были созда-
ны не его сыном и не в его родной Италии. Их совершенно
независимо задумал и изготовил житель сумрачной Голлан-
дии, младший современник Галилея, замечательный физик
X. Гюйгенс.
Часы Гюйгенса, как и некоторые из древних игрушек Ге-
рона, — это настоящий автомат, то есть устройство, само-
стоятельно, без участия человека, управляющее своим дей-
ствием. Человеку достаточно поднять гирю (или, в более
поздние времена, завести пружину, или включить источник
электрической энергии), и часы начинают идти и будут ид-
ти до тех пор, пока не истощится подводимая к ним энер-
гия. Правда, большинство из них не начинают работать са-
ми по себе. Им нужен «первый толчок», человек должен
толкнуть или отклонить маятник (или балансир, о котором
будет сказано ниже). Но и только.
Итак, часы стали первым автоматически действующим
механизмом. Это отметил уже Карл Маркс, придававший
особое значение роли автоматов в промышленной револю-
ции XIX века и месту часов в истории автоматических ма-
шин.
Нужно было обладать Марксовой гениальностью, чтобы
понять значение часов, таких далеких от непосредственного
применения в промышленности, для знания законов разви-
64
тия промышленного производства. Точка зрения Маркса
выгладит еще более поразительной, если принять во внима-
ние, что он особо выделил часы, а не паровую машину, вто-
рой в истории техники автомат, сыгравший несомненную
и очевидную роль в промышленной революции.
Ученым удалось понять и при помощи математики опи-
сать работу маятниковых часов намного позже, чем это
было сделано для паровой машины. Поэтому проектирова-
ние часов оставалось, по существу, искусством еще долго
после того, как ученые сумели создать инженерные методы
проектирования паровых машин.
В соответствии с этим мы отложим дальнейшее знаком-
ство со свойствами часов и перейдем к паровым машинам —
первому промышленному автомату. Их разработка и иссле-
дование стали важной ступенью в мир автоматики. Целый
ряд ученых занимался их созданием, а полученные ими ре-
зультаты лежат в основе современных автоматических си-
стем и обслуживающих их роботов.
БЕЗВЕСТНЫЕ И ВЕЛИКИЕ
" Общепризнано, что первая промышленная революция
связана с созданием и применением паровых машин. Но
Карл Маркс уточнил, что, по существу, промышленную ре-
волюцию произвели не паровые машины, а исполнительные
механизмы, заменившие ручной труд рабочего. Паровая ма-
шина обеспечила возможность промышленной революции.
Но совершили ее автоматические ткацкие станки, токарные
станки с автоматическими суппортами, способными пере-
мещать укрепленный на них резец, и им подобные машины,
самостоятельно производившие или значительно облегчав-
шие основные производственные операции. Станки, оста-
вившие за рабочими лишь вспомогательные действия.
Страшна ирония технического прогресса в условиях ка-
питализма: высококвалифицированный рабочий, умелец,
чей труд отличался не только сноровкой, но и творчеством,
вытеснялся из процесса производства. Возрастал спрос на
неквалифицированных рабочих, задача которых ограничи-
валась установкой бобин с пряжей или металлических за-
готовок, наблюдением за работой машины и съемом гото-
вой продукции. Им платили меньше, а их труд — казалось
бы, более простой и легкий — несравненно более изнурите-
лен именно из-за его простоты и гнетущего однообразия.
Этот процесс достиг своего апогея после появления кон-
3 Заказ 440
65
вейерной системы. Резко повысив прибыль предпринимателя
за счет дисквалификации и предельной интенсификации
груда рабочего, она вела рабочего к обнищанию...
Но разберемся, как покорение пара приблизило челове-
чество к созданию все более совершенных автоматов, об-
легчающих труд людей.
В первых машинах, действовавших при помощи пара, он,
по существу, не совершал непосредственной работы. Пар
лишь поднимал поршень в цилиндре. Затем в цилиндр
впрыскивали воду. Пар, до того заполнявший его, конден-
сировался в капельки воды. Давление в цилиндре умень-
шалось, а давление внешнего воздуха заставляло поршень
опускаться. При этом поршень посредством системы тяг
и рычага — балансира — приводил в движение поршень во-
дяного насоса, выкачивавшего воду из шахты.
Такова была «паровая», а вернее, пароатмосферная ма-
шина, созданная английским изобретателем — слесарем и
кузнецом Т. Ньюкоменом. Он первым нашел способ исполь-
зования энергии горящего топлива для совершения меха-
нической работы.
Это была весьма примитивная машина. Подачей в ци-
линдр пара и воды управлял человек. Он подбрасывал в
топку уголь или дрова, доливал воду в котел, следил, чтобы
котел не взорвался, и, конечно, управлял движением порш-
ня. Для того чтобы поднять поршень вверх, рабочий пода-
вал при помощи крана пар в цилиндр. Затем этим же кра-
ном прекращал подачу пара и, открывая другой кран, на-
правлял туда струйки воды. При этом пар под поршнем
конденсировался, давление уменьшалось и внешний воздух
опускал поршень, осуществляя рабочий ход машины.
На английских шахтах действовало много машин Нью-
комена. Приставленные к ним рабочие управляли этими ма-
шинами, принося прибыли хозяевам. Печальной была судь-
ба рабочих, получавших нищенское жалование за свой
каторжный труд. Изматывающий, несмотря на то, что не
требовал больших физических усилий и был доступен даже
детям. Хозяева предпочитали детей, потому что им можно
было платить меньше.
Простые, но уже дающие большую прибыль огнедыша-
щие машины привлекали предпринимателей, готовых ку-
пить их и установить на шахтах и в мануфактурах. Устано-
вить для того, чтобы откачивать из шахты воду или ото-
рваться от рек с их капризным нравом. Реки не считались
с желанием тех, кто использовал силу их течения. Они
66
мелели или вздувались от дождей без всякого учета поло-
жения дел на рынке. Они капризничали именно тогда, ког-
да спрос на продукцию предприятия возрастал. Предпри-
ниматели мечтали оторваться от рек для того, чтобы стро-
ить новые мануфактуры в городах с их дешевой рабочей
силой и близостью рынков, позволяющих покупать сырье
и сбывать продукцию без дополнительных транспортных
расходов.
И нужно было нанимать все больше юношей и даже де-
тей, которые оказывались привязанными к машинам, что-
бы передвигать их краны. Они были обречены выполнять
работу, не требующую физических усилий, но и не зани-
мающую мозг. А потому более утомительную, чем тяжкий
труд пильщика досок или молотобойца, который должен
точно рассчитывать свои движения и следить за результа-
тами своей деятельности.
Конечно, все они мечтали избавиться от отупляющей
работы, но жестокое рабство нарождающейся капиталисти-
ческой промышленности противостояло не только мечтам,
но и бунтам.
История не хранит имен тысяч неудачников или поко-
рившихся, но помнит имя мальчика Поттера, соединившего
заслонку в паропроводе и водяной кран в паровоздушной
машине Ньюкомена с ее коромыслом и заставившего ее
работать без своего участия. История помнит и другого
изобретателя, научившего машину самостоятельно добав-
лять воду в котел по мере того, как горячий пар пожирался
ее ненасытной «пастью».
...Шли годы, постепенно инженеры улучшили конструк-
ции паровых котлов, снабдили их предохранительными кла-
панами. Взрывы котлов стали реже. Можно было смелее
увеличивать давление пара, чтобы быстрее поднимать пор-
шень машины Ньюкомена.
Существенный вклад после Ньюкомена внес солдатский
сын И. И. Ползунов, окончивший первую русскую горноза-
водскую школу. Его машина, в отличие от ньюкоменовской,
имела два поочередно работающих цилиндра, так что их
рабочие ходы следовали один за другим и машина действо-
вала непрерывно. Балансир — рычаг, приводимый в движе-
ние поршнями, управлял положением кранов, поочередно
пропускавших в цилиндры пар из котла или холодную воду
для его конденсации. Специальный регулятор автоматичес-
ки поддерживал уровень воды в котле.
Чрезмерное напряжение, потребовавшееся для создания
3*
67
машины, и скоротечная чахотка свели изобретателя в мо-
гилу. Паровая машина начала работать после его смерти.
Она успешно прошла испытания и затем действовала в те-
чение 43 суток. Однако из-за течи котла машину останови-
ли, а затем разрушили. В то время (в 1766 году) в фео-
дально-крепостнической России еще не было экономической
базы для перехода от ручного труда к машинному произ-
водству. Дело, начатое Ползуновым, не встретило поддерж-
ки, не нашло продолжателей, и его труды оказались забы-
тыми. Введенные им усовершенствования были вновь изо-
бретены и применены в машинах Ньюкомена, работавших
в Англии.
Машины Ньюкомена и Ползунова расходовали много
топлива, но производили мало работы.
Следующий шаг сделал Дж. Уатт, начавший с должно-
сти механика в университете города Глазго. Здесь он по-
знакомился с химиком Дж. Блэком, создавшим учение о
скрытой теплоте, и изучил свойства водяного пара. В 1763
году ему пришлось чинить модель машины Ньюкомена, ко-
торая служила для обучения студентов. Простой механик
понял то, мимо чего проходили инженеры и ученые. Ему
стало ясно, чем вызвана прожорливость машины Ньюкоме-
на и как устранить ее недостатки.
Главным шагом вперед было решение постоянно под-
держивать цилиндр горячим. Не остужая его впрыскива-
нием холодной воды, осуществлять рабочий ход не конден-
сацией пара, а иным способом. Уатт решил поднимать
поршень, подавая под него горячий пар, давление которого
превосходит давление воздуха на поршень. А далее, после
полного подъема поршня, заставлять его опускаться ко дну
цилиндра, прекращая подачу пара и вытесняя его из ци-
линдра в отдельный конденсатор, где осуществлялась кон-
денсация пара.
Пять лет ушло на создание действующей модели новой
паровой машины и на ее исследование. Патент, выданный
Уатту, предусматривал теплоизоляцию цилиндра и паро-
вую рубашку. Благодаря ей пар, омывая стенку цилиндра,
поддерживал его температуру близкой к той, какая была
у поступавшего в него пара. Пар, расширяясь, совершал
работу. Конденсация его происходила в отдельном сосуде
при температуре окружающей среды. Или же пар выходил
из цилиндра непосредственно в атмосферу. Прямолинейное
движение поршней преобразовывалось во вращательное
движение вала.
68
Это было существенной новинкой, обеспечившей пре-
вращение паровой машины в универсальный двигатель —
прежние паровоздушные машины были приспособлены
только к выполнению возвратно-поступательных движений,
таких, как движение водяных насосов или воздушных ме-
хов.
Эффективность паровой машины Уатта вдвое превыша-
ла эффективность машины Ньюкомена, что тоже было серь-
езным преимуществом. Одинаковая работа требовала вдвое
меньших затрат топлива.
Но не только это обеспечивало быстрое распространение
паровых машин. Изобретатель постепенно придумал не-
сколько приспособлений, каждое из которых в отдельности
привело к значительному улучшению машины. В частности,
он изобрел золотник для автоматической подачи пара в ци-
линдр и заменил им отдельные краны, применявшиеся в
машинах Ньюкомена и Ползунова. Уатт снабдил паровую
машину маховиком, что обеспечило плавность ее вращения
и сыграло важную роль при ее превращении в универсаль-
ный двигатель, способный приводить в действие станки и
прокатные станы, а затем и паровозы. Решающим шагом,
сделанным Уаттом, было введение в механизм паровой
машины центробежного регулятора, в результате чего по-
явился первый промышленный автомат, способный само-
стоятельно — без непосредственного участия человека —
превращать тепловую энергию топлива в механическую
работу.
Так паровая машина стала двигателем, сыгравшим боль-
шую роль в превращении мануфактурного производства
в промышленное с последующей за этим социальной пере-
стройкой общества.
Оценивая значение паровой машины и роль ее изобре-
тателя, К. Маркс писал: «Великий гений Уатта обнаружи-
вается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 г., давая
описание паровой машины, изображает ее не как изобрете-
ние лишь для особых целей, но как универсальный двига-
тель крупной промышленности».
Это замечание Маркса заставляет нас, хотя бы кратко,
проследить труды Уатта за 21 год, прошедший между его
первым знакомством с моделью машины Ньюкомена и соз-
данием универсального двигателя, снабженного регулято-
ром— первым автоматом — предком современных автома-
тов и роботов.
Два года ушло на эксперименты, обосновавшие целесо-
69
образность перехода от паровоздушного цикла Ньюкомена
к циклу, при котором пар работал в горячем цилиндре,
конденсируясь вне его. Именно это способствовало удвое-
нию работы, получаемой от равного количества топлива.
Патент на подобную машину с горячим цилиндром и отдель-
ным конденсатором относится к 1769 году. В этом же па-
тенте применен маховик. Далее следует цилиндр двойного
действия, в котором используется весь объем цилиндра по
обе стороны поршня. При этом один цилиндр обеспечивает
непрерывную работу машины, для чего ранее требовалось
применение двух цилиндров.
Мы знаем, что и до этого в паровой машине были авто-
матизированы такие процессы, как перемещение кранов,
попеременно подающих в цилиндр пар и воду в машинах
Ньюкомена и Ползунова, подающих воду в котел в машине
Ползунова. Золотник, изобретенный Уаттом в качестве ме-
ханизма для парораспределения, перемещался специальны-
ми тягами. Они связали золотник со штоком поршня при
помощи параллелограмма — приспособления из четырех
стержней, соединенных между собой подвижно — так, что
этот механизм превращал большое перемещение штока
поршня в малое перемещение золотника. Уатт изобрел свой
параллелограмм для того, чтобы не применять кривошип-
но-шатунный механизм, запатентованный еще в 1779 году
М. Васбром и в 1780 году Дж. Пикаром. Следует подчерк-
нуть, что кривошипно-шатунный механизм работает лучше,
чем параллелограмм, но Уатт начал снабжать им свои ма-
шины лишь позже, когда чужие патенты перестали быть
помехой
Несмотря на автоматизацию отдельных элементов, па-
ровая машина еще не стала настоящим автоматом. Она тре-
бовала постоянного присмотра и управления человеком —
изменение внешней нагрузки или давления пара в котле
могло привести к ее остановке или нарастанию скорости
вращения вплоть до разрушения машины.
На самом деле, нельзя считать автоматом механизм,
способный действовать только при точно определенных ус-
ловиях. Первые конструкции Уатта могли работать без по-
мощи человека, только если нагрузка, на преодоление кото-
рой тратилась работа, совершаемая машиной, оставалась
строго постоянной. Столь же постоянным должно было быть
давление пара в котле. Но реализовать это не удавалось.
Стоило увеличиться нагрузке или уменьшиться пламени в
топке котла, как машина замедляла свою работу и оста-
70
навливалась. Если же нагрузка уменьшалась или пламя
разгоралось, возрастали обороты машины, и она, как гово-
рят, шла вразнос и могла сломаться.
Но если машина не могла работать без надзора, то она
не была настоящим автоматом. Правда, роль человека из-
менилась. Теперь мальчик не должен был вслед за движе-
ниями поршня перемещать краны. Это делалось само собой.
Но он должен был следить за скоростью движения поршня
и управлять заслонкой, регулирующей подачу пара через
золотник из котла в цилиндр. Мальчик открывал заслонку,
если движение машины замедлялось, и прикрывал ее, если
оно ускорялось.
Это была тоже физически легкая, простая, но монотон-
ная и отупляющая работа.
Паровая машина стала настоящим автоматом только
после того, как Уатт ввел в нее центробежный регулятор,
управляющий положением заслонки в соответствии с задан-
ной скоростью вращения маховика. Теперь машина как бы
не «чувствовала» изменений давления пара в котле. «Не за-
мечала» увеличения или уменьшения нагрузки, то есть
включения и выключения станков, приводимых в действие
этой машиной.
Регулятор Уатта называют центробежным потому, что
в нем работает центробежная сила, заставляющая два гру-
за, укрепленные на концах рычагов, подниматься тем выше,
чем быстрее вращается регулятор. Рычаги, поднимаемые
грузами, увлекают за собой муфту регулятора, управляю-
щую положением заслонки в паропроводе.
Прогресс техники уже на заре капиталистической эры
оборачивался бедствием для пролетариата. И неорганизо-
ванные рабочие стихийно обращали свой гнев, свое отчая-
ние против машин. Они не понимали, что их враг не маши-
на, а система, превращающая рабочих в рабов машин, вер-
нее, отдающая их в рабство хозяевам машин.
Так наступил век пара, характеризующийся быстрым
развитием промышленности, увеличением количества паро-
вых машин и возрастанием их мощности, а также медлен-
ным, очень медленным улучшением их качества, которое,
определяется прежде всего коэффициентом полезного дей-
ствия. Эта величина показывает, сколь полно машина
превращает тепловую энергию, скрытую в сжигаемом топ-
ливе, в механическую. Не менее важной, а после достиже-
ния практически предельных значений КПД более сущест-
венной характеристикой машины является ее надежность.
71
Для паровой машины основа надежности — прежде всего в
стабильности (сохранении постоянного числа оборотов, не-
смотря на изменения величины нагрузки и давления пара
в котле). А значит, дело в надежности и эффективности ре-
гулятора, управляющего ее работой.
СКРОМНОЕ ВЕЛИЧИЕ
Стефан Цвейг заметил, что боги редко даруют смертно-
му больше одного великого деяния. Сади Карно не был
исключением. Он — скромный офицер французского гене-
рального штаба — после Реставрации не мог рассчитывать
на продвижение по службе. Ведь его отец Лазар Карно был
одним из министров республики. Тяготясь однообразием
бесперспективной службы, молодой человек не пал духом,
не пристрастился к праздной светской жизни. Он, с безоши-
бочностью незаурядных людей, поставил перед собой цель,
необычайно трудную по своей новизне и чрезвычайно ак-
туальную для его времени, и сосредоточил все имевшиеся
у него силы на решении избранной задачи.
Все более мощные паровые машины с угрожающей бы-
стротой пожирали леса и запасы угля в его родной Франции.
Их прожорливость с особой силой проявлялась и в Англии,
где их было более всего. Все попытки последователей Уат-
та сделать паровые машины экономичнее, чем это удалось
ему, не давали почти никаких результатов. И не удивитель-
но. Ведь инженеры могли лишь уменьшить утечки пара
между поршнем и цилиндром да бороться с трением в под-
шипниках. Других разумных идей не возникало. И не могло
возникнуть, ибо никто не знал, от чего зависит экономич-
ность паровой машины, ее КПД.
Сади Карно было всего 23 года, когда он решил ответить
на этот вопрос. Он исходил при этом из теории теплорода,
которая считалась тогда общепринятой и единственно при-
годной для изучения процессов, связанных с получением
и передачей теплоты. Не имея доступа к действующим па-
ровым машинам, не располагая средствами для постановки
опытов, он решил провести мысленный эксперимент.
Желая предельно упростить рассуждения, Карно заду-
мал сравнить между собой две идеальные паровые машины,
присоединенные к общему котлу и общему холодильнику.
При этом он считал условия работы машин одинаковыми.
Температура и давление пара, подаваемого к ним от котла,
температура их общего холодильника и внешнего воздуха
72
должны быть строго неизменными, а поэтому все эти вели-
чины не следует учитывать при сравнении машин. Сами
машины Карно считал идеальными в том отношении, что
предполагал их свободными от трения, утечки пара и по-
терь тепла через стенки цилиндров и паропроводов. Для
простоты он считал, что машины работают очень медленно.
При этом давление пара лишь немного превосходит силу,
которую должна преодолеть машина.
Приняв все эти упрощения, Карно спросил себя: может
ли при этих условиях одна из паровых машин быть лучше
другой? Лучше в том смысле, что, используя одинаковое
количество пара, производить большую механическую ра-
боту. Карно решил отложить на дальнейшее выяснение де-
талей. Сначала следовало убедиться в том, что принципи-
ально это возможно.
Как же провести такой мысленный эксперимент, не де-
лая никаких предположений о конкретной конструкции и
особенностях сравниваемых машин? Нужна оригинальная
идея.
Карно представил себе две паровые машины, соединен-
ными с общим валом так, что они должны вращать его
в разные стороны, принужденными действовать одна про-
тив другой, как два мула, впряженных нерадивым конюхом
в один ворот навстречу друг другу. Если силы мулов равны,
ворот останется неподвижным. Если один из них сильнее,
он заставит другого пятиться назад.
Не того ли следовало ожидать от паровых машин? Если
они будут работать одинаково хорошо — общий вал не тро-
нется с места. Не смогут сдвинуться и поршни машин. Если
же одна из машин лучше, если в этих идеализированных
условиях она способна производить большую механичес-
кую работу из одинакового количества пара, то она пере-
силит вторую машину: будет вращать вал, заставляя вторую
машину вращаться в обратную сторону. Эта машина будет
делать то, что ей совсем не свойственно,— перекачивать хо-
лодный пар из холодильника в котел, сжимая его в своем
цилиндре и при этом повышая температуру и давление па-
ра до температуры и давления, существующих в котле.
Итак, все ясно. Казалось, остается лишь дополнить идеа-
лизированную картину реальными деталями и определить,
благодаря чему одна из машин может оказаться лучше дру-
гой?
Но, вдумываясь в полученный результат, Карно понял,
что пришел к абсурду, попал в тупик.
73
Свой мысленный опыт он продолжил, уже не конкрети-
зируя детали, а обдумывая то, что получено. Пусть, решил
Карно, одна машина дает вдвое больше механической ра-
боты, используя то же количество пара, что и другая. Тог-
да она заставит ее перекачивать из холодильника в котел
вдвое больше пара, чем сама потребляет. Таким образом,
здесь непрерывно будет образовываться избыток пара по
сравнению с потребляемым первой машиной. Но это зна-
чит, что к котлу можно присоединить еще одну, такую же,
машину и она будет работать, совсем не потребляя топли-
ва. Более того, можно прекратить топку котла. Тогда «хо-
рошая» машина будет при помощи «плохой» снабжать его
таким количеством дарового пара, что в итоге вся тройка
будет выдавать совершенно даровую работу. Превосходная
перспектива!
Получился типичный вечный двигатель! Но Карно не
возликовал. Не предался мечтам о даровом богатстве. Он
понимал, что вечный двигатель, создающий работу «из
ничего», невозможен. Он задумался, стремясь выяснить
причину ошибки.
Однако нигде, ни на одном из этапов мысленного экс-
перимента не обнаруживалось никакого порока. Что же
приводило к абсурдной схеме вечного двигателя? Пришлось
вернуться к самому началу.
Ведь он произвольно предположил, что одна из машин
лучше другой! В этом и есть источник ошибки, и вывод мо-
жет быть один: работая от общего котла и с общим холо-
дильником, ни одна из идеальных машин не может быть
лучше другой, не может извлекать из одинакового количе-
ства пара больше механической работы, чем другая.
Воистину замечательный итог: работая от общего котла
с общим холодильником, все идеальные паровые машины
имеют одинаковый КПД.
Все, что может сделать конструктор, это приблизить
свою паровую машину к идеальной — свести к минимуму
утечки пара и тепла, по возможности уменьшить трение.
Карно изложил свои выводы в небольшой брошюре, на-
писанной очень просто, без громоздких математических
формул. Но современники не были готовы к восприятию
этих истин. Работа Карно не встретила понимания.
Человек одной идеи, Карно продолжал работу. Он от-
казался от устаревшей теории теплорода и пересмотрел
свои результаты на основе новой кинетической теории теп-
лоты. Она объясняла тепловые явления хаотическим дви-
74
жением частиц вещества, движением тем более интенсив-
ным, чем выше температура.
Уточненная теория привела к прежним результатам.
Карно изложил все это в новой работе, но не успел ее
напечатать. Он скончался в возрасте 36 лет от холеры.
Его брат лишь более чем через 40 лет опубликовал по-
смертно последний труд Сади Карно в качестве приложения
ко второму изданию его первой замечательной работы.
За эти годы появились новые ученые, достаточно подго-
товленные для того, чтобы понять и развить дальше идеи
Карно.
Замечательный немецкий физик Р. Клаузиус описал
принцип Карно простой математической формулой, ставя-
щей КПД любой тепловой машины в зависимость от тем-
пературы используемого ею рабочего вещества. Он возвел
принцип Карно в роль Второго начала термодинамики, при-
близив его по значению к Первому началу термодинамики.
Этот фундаментальный закон сохранения энергии был ус-
тановлен после смерти Карно, но до того, когда ученые осо-
знали важность его работы.
Принцип Карно указал единственно верное направле-
ние совершенствования тепловых машин. Все усилия кон-
структоров сосредоточились на увеличении исходной тем-
пературы и уменьшении температуры, при которой
заканчивался рабочий цикл. В результате были созданы
системы с перегревом пара, котлы и машины высокого и
сверхвысокого давления, работающие при температурах,
превышающих 500°. Затем были изобретены двигатели
внутреннего сгорания, в которых топливо сгорает непосред-
ственно в цилиндре над поршнем. Это устранило потери,
вызванные ограниченной эффективностью котлов и топок.
Наконец, возникли газовые турбины, объединившие преи-
мущества паровых турбин и двигателей внутреннего сгора-
ния. Предельная эффективность газовых турбин зависит, по
существу, от свойств материалов, из которых изготавли-
ваются лопатки, работающие при температурах, близких к
красному калению.
Принцип Карно применим не только к тепловым двига-
телям, но и к любым тепловым машинам, в частности к по-
лупроводниковым генераторам электрического тока. К хо-
лодильникам и кондиционерам. Мы еще будем обсуждать
некоторые из этих проблем.
Основываясь на принципе Карно, инженеры строили все
более мощные паровые машины. Но вновь случилось неожи-
75
данное: чем мощнее они становились, тем менее надежно
работали. Инженеры принимали меры, чтобы тщательно из-
готавливать все детали, особенно такие ответственные, как
центробежные регуляторы машин.
Что же тормозило прогресс?
«БУНТ МАШИН»
Каждая паровая машина состоит из четырех следующих
основных элементов: парового котла с топкой, цилиндра
с поршнем, холодильника и золотника. В котле вода
преобразуется в горячий пар; в цилиндре энергия пара пре-
вращается в механическую работу; в холодильнике пар
конденсируется в воду, а выделяющееся при этом тепло вы-
водится из машины. Золотник, соединенный с кривошипно-
шатунным механизмом, обеспечивает подачу пара в'цилиндр
в тот момент, когда поршень минует соответствующую
крайнюю точку. И прекращает подачу пара перед тем, как
он достигнет противоположной крайней точки. Кривошип-
но-шатунный механизм преобразует поступательное движе-
ние поршня во вращательное движение маховика, что дела-
ет паровую машину универсальным двигателем, в отличие
от примитивных машин Ньюкомена, которые могли лишь
передавать поступательное движение своих поршней порш-
ням водяных насосов. Маховик необходим для того, чтобы
придать равномерность ходу машины. Его инерция помо-
гает поршню пройти через крайнюю «мертвую» точку,
в которой пар не совершает полезной работы. В этой точке
скорость поступательного движения поршня уменьшается
до нуля перед тем, как начинается его возвратное движение.
Еще одним основным элементом каждой паровой маши-
ны является регулятор, центробежный регулятор Уатта. Он
управляет положением заслонки в паропроводе, через ко-
торый подается пар из котла в цилиндр. Без регулятора
машина неработоспособна. Она не двинется с места, если
давление пара не сможет преодолеть сопротивление на-
грузки. Или разрушится, если давление пара это сделает.
В таком случае, в соответствии с законом Ньютона, махо-
вик будет вращаться под действием избыточной силы дав-
ления пара с ускорением до тех пор, пока центробежная
сила не разорвет его или какая-нибудь другая часть машины
не выйдет из строя.
Роль регулятора: управлять количеством пара, посту-
пающего в цилиндр, таким образом, чтобы число оборотов
76
машины в единицу времени сохранялось постоянным, не-
смотря на возможные изменения величины нагрузки или
давления пара в котле.
Центробежный регулятор Уатта в течение многих лет
отлично справлялся с этой задачей. Вспомним его устрой-
ство. Он представляет собой систему рычагов, удерживаю-
щих два тяжелых груза. Концы верхних рычагов соединены
с вращающейся осью, а концы нижних рычагов прикреп-
лены к муфте, способной свободно скользить вверх и вниз
вдоль оси. В месте шарнирного соединения верхних и ниж-
них рычагов или же на продолжении верхних помещены
грузы.
Если машина не работает и ось регулятора неподвижна,
грузы находятся в нижнем положении, ближе всего к оси.
Как только машина приходит в движение, она начинает
вращать ось регулятора. При этом центробежная сила от-
брасывает грузы, от оси тем сильнее, чем скорее вращается
машина. Грузы увлекают за собой систему рычагов, и ниж-
няя муфта регулятора поднимается вдоль оси. Эта муфта
соединена тягами с заслонкой в паропроводе: поднятие
муфты приводит к закрыванию заслонки. Тяги сконструи-
рованы так, что регулятор способен в некоторых пределах
поддерживать постоянным любое заданное число оборотов
машины. Выбор такого числа осуществляется специальной
рукояткой, с помощью которой меняется взаимное положе-
ние заслонки и рычагов регулятора.
Мы уже отмечали, что усилия инженеров, разрабатывав-
ших все более совершенные паровые машины, сосредоточи-
вались прежде всего на увеличении их мощности. Простей-
ший путь к достижению этой цели — расширить объем
цилиндра, увеличив его диаметр и длину. Но увеличение
диаметра приводило ко все большему просачиванию пара
между поршнем и стенкой цилиндра.
Конечно, можно было попытаться уменьшить зазор меж-
ду ними, но тогда возрастало трение — и мощность машины
падала.
Удлинить поршень? Но это приводило к тем же неуте-
шительным результатам — увеличивалось трение из-за
соответствующего увеличения площади трущихся частей, и
падала мощность.
Удлинение самого цилиндра тоже не радовало — оно
требовало удлинить ход поршня, а значит утяжелить криво-
шипно-шатунный механизм. Это же влекло за собой необ-
ходимость делать маховик более массивным, ему предстоя-
77
ло протащить через «мертвую точку» и вернуть в исходное
положение ставший более массивным поршень.
Борьба за увеличение мощности паровых машин стави-
ла перед инженерами все более сложные задачи. Чтобы
их решить, казалось выгодным увеличить расход пара. Но
при этом возрастал диаметр паропровода. Росли размеры
и масса регулирующей заслонки. Чтобы при этом управлять
машиной, приходилось все более увеличивать массы гру-
зов в центробежных регуляторах и таким образом утяже-
лять удерживающие их рычаги и муфты.
Идя этим путем, инженеры одновременно улучшали и
качество выполнения движущихся частей паровых машин.
Тщательная обработка стенок цилиндра и многочисленных
подшипников снижала трение, а значит, потери энергии на
его преодоление. Повышалось также качество центробеж-
ных регуляторов. Трение и люфты в их подшипниках умень-
шались благодаря лучшей обработке и применению новых
смазочных масел.
Однако, по мере того как инженеры увеличивали мощ-
ность паровых машин и улучшали их детали, все чаще и
чаще возникали жалобы на их неустойчивую работу. Ни-
какие усилия не позволяли отрегулировать новые машины
так, чтобы они действовали столь же послушно, как более
старые и менее мощные. Машину уже нельзя было остав-
лять без постоянного надзора: приходилось непрестанно
манипулировать рычагом управления, чтобы добиваться ее
устойчивой работы. Она, подобно норовистой лошади, то
переходила в галоп, то внезапно замедляла ход.
Положение только ухудшилось после того, как инженеры
начали применять в своей работе результаты гениального
труда Карно.
Он указал, что для повышения КПД паровых машин
имеется только один путь: увеличивать температуру и, сле-
довательно, давление пара, улучшать холодильник, чтобы
максимально расширять пар в цилиндре, для чего его сле-
дует выпускать при минимальной температуре.
Конечно, увеличение температуры пара усложняло кон-
струкцию котлов и делало их более дорогими. Но затраты
и усилия с лихвой компенсировались: паровые машины
облегчались, удешевлялись, а главное, они должны были
производить больше механической работы при данном ко-
личестве топлива.
Инженеры делали все более быстроходные машины, что
позволяло им уменьшать и облегчать маховики, регуляторы
78
и другие движущиеся части. Но чем дальше шел этот про-
цесс, чем мощнее и быстроходнее становились машины, тем
чаще возникали жалобы на трудности их налаживания и
управления ими.
Десятки тысяч паровых машин «взбунтовались» против
своих создателей и владельцев.
Инженеры должны были признать свое бессилие. Никто
не мог гарантировать, что новый экземпляр машины, изго-
товленный в точности по образцу предшествующей, будет
работать надежно. Никто, приступая к наладке машины, не
был уверен, что ему удастся ее укротить.
Подозрение пало на регуляторы Уатта. Их сочли непо-
средственными виновниками непослушания машин. Одни
ученые высказывали сомнения в их пригодности. Другие
вносили предложения по их усовершенствованию. Появля-
лись новые системы регуляторов.
Обращали на себя внимание два главных недостатка
регулятора Уатта. Прежде всего в глаза бросается его
«инерционность»: он начинает действовать только тогда,
когда меняется скорость вращения маховика, с которым он
связан. Ведь для того, чтобы изменилось положение муфты
регулятора, а вместе с тем и заслонки в паропроводе, необ-
ходимо, чтоб изменилось положение грузов регулятора, а
для этого должна увеличиться или уменьшиться центробеж-
ная сила. И следовательно, скорость вращения регулятора,
зависящая от скорости маховика.
Многие считали, что «инерционность» регулятора Уатта
заложена в самом принципе его действия. Значит, она не
может быть устранена конструктивными улучшениями. А
потому от регулятора следует отказаться!
Вторым недостатком регулятора Уатта считалась «не-
равномерность» его хода. Даже если он удерживал скорость
вращения маховика машины в заданных пределах, она
существенно различалась в начале и в конце процесса ре-
гулирования, при переходе грузов и муфты регулятора из
начального положения в конечное.
Борьба с неравномерностью была не столь безнадеж-
ной, как попытки преодолеть инерционность. Но возникла
парадоксальная ситуация. Чем успешнее инженеры устра-
няли неравномерность регулятора, тем меньше становилась
зона регулирования. Тем сложнее было его налаживать,
тем менее эффективно он действовал, тем чаще машина
выходила из заданного режима.
В отчаянии конструкторы паровых машин искали реше-
79
нйё своих проблем у «смежников». Так, они обратились к
работам королевского астронома Дж. Эри. Казалось бы,
при чем здесь астрономия и звезды?
Мы упоминали об исследованиях Эри, когда обсуждали
проблему часвв, этого первенца в семействе автоматичес-
ких устройств. Эри использовал давно устаревший меха-
низм часов с центробежным регулятором не для измерения
времени. Для этой цели он использовал весьма совершен-
ные «астрономические» маятниковые часы. Такое название
подчеркивает высокое качество часов, применяемых в аст-
рономических обсерваториях.
Цель Эри была иной. Для проведения астрономических
наблюдений нужно длительно поддерживать телескоп на-
правленным на объект исследования. Этому мешает враще-
ние Земли. Первоначально астрономы компенсировали вра-
щение Земли вручную. Это требовало навыка, граничащего
с искусством. Естественным было стремление поручить пе-
ремещение телескопа по отношению к Земле какому-нибудь
автомату. Естественным было бы взять для этой цели часы,
стрелки которых вращаются в точном соответствии с вра-
щением Земли. Но механизм маятниковых часов середины
прошлого века не был способен развить усилия, необходи-
мые для перемещения многотонных телескопов.
Поэтому выбор астрономов пал на менее точные, но бо-
лее грубые механизмы безмаятниковых часов, ход которых
управляется центробежным регулятором. В распоряжении
Эри был мощный часовой механизм с центробежным регу-
лятором. Тяжелая гиря, опускаясь, вращала систему зуб-
чатых колес, соединенных с зубчатым колесом, вращавшим
ось телескопа. Скоростью вращения управлял центробеж-
ный регулятор, выполненный в форме конического маятника,
снабженного двумя грузами. Увеличение скорости механиз-
ма, а значит, и вращения грузов маятника повышало цент-
робежную силу, прижимающую грузы к неподвижному^
корпусу регулятора, усиливая трение между ними и корпу-'
сом. Это должно было уменьшить скорость вращения меха-
низма, если она велика. Если же скорость уменьшается,
например, из-за увеличения трения троса, поддерживающе-
го груз, то соответствующее снижение трения в регуляторе
должно было позволить грузу, несмотря на это, поддержи-
вать заданную скорость вращения механизма.
Бросается в глаза сходство регулятора Уатта и регуля-
тора Эри. Основой того и другого являются два груза, сое-
диненные подвижными рычагами с вращающейся осью.
80
Различие состоит в механизме регулирования. В регулято*
ре.Уатта вращающиеся грузы, преодолевая силу тяжести,
отклоняются от оси, которая приводит их во вращение. Это
движение грузов через систему рычагов вызывает измене-
ние положения заслонки в паропроводе, управляя давлени-
ем пара в цилиндре. В регуляторе Эри вращающиеся грузы
с большей или меньшей силой трутся о корпус самого регу-
лятора, сильнее или слабее тормозя вращение его оси.
Исследования, проведенные Эри, убедили его, что цент-
робежный регулятор принципиально не может обеспечить
устойчивую работу механизма. Написанные им уравнения
показывали, что при любой конструкции регулятора в нем
должна возникать тенденция к увеличению отклонения ско-
рости вращения механизма от заданной величины.
Эри применил сложный математический метод—метод
возмущений, широко используемый астрономами, но прак-
тически недоступный инженерам того времени. Но те из
них, кто сумел познакомиться с результатами, полученными
Эри, знали о его высокой квалификации и не могли усом-
ниться в их достоверности. Эти результаты стали одним из
решающих аргументов противников регулятора Уатта.
Легко понять, как строились эти аргументы. Ведь раз-
ница между регулятором Уатта и регулятором Эри не яв-
ляется принципиальной. Общее в их работе основано на
центробежной силе, действующей на вращающиеся грузы.
В регуляторе Уатта эта сила приводила к изменению поло-
жения заслонки, а значит, изменению величины давления
пара, поступающего в цилиндр. В регуляторе Эри эта же
сила непосредственно изменяла силу трения, компенсирую-
щую действие груза, вращающего механизм.
Впрочем, одним из тех, кого не обескуражили результа-
ты, полученные Эри, был он сам. Он знал, что иногда цент-
робежный регулятор работал вполне хорошо. Правда, не
понимал, как добиться нужного режима, а уравнения, не
только не подсказывали, как это сделать, но и утверждали,
что желанный режим не может существовать. Но будучи
истинным экспериментатором, Эри считал, что ответ дол-
жен дать эксперимент, что только опыт — высший судья.
Виной расхождения между его решением и данными опыта
он считал возможную ошибку в постановке математической
задачи. Сегодня мы выразили бы эту мысль так: применен-
ная математическая модель не точно соответствует реаль-
ному прибору. Теперь мы знаем, что этот вывод Эри спра-
ведлив. Более точная математическая модель, более сложные
81.
уравнения не могли быть решены методами, известными
Эри. Но противники регулятора Уатта ссылались на мате-
матические результаты Эри, не понимая, что они несправед-
ливы по отношению к обоим регуляторам. Эри отлично
понимал недостатки своей модели и ограниченность мате-
матических методов того времени. Он отказался от попыток
теоретического анализа и решил воспользоваться эмпири-
ческим методом, методом проб и ошибок.
Эри приступил к длительным опытам и обнаружил, что
достижение желаемого устойчивого режима зависит от ка*
чества смазки, а значит, от величины трения в деталях ре-
гулятора, крепящих его грузы. Стремясь проверить эту до-
гадку, он изобретает специальное устройство — водяной
катаракт, обеспечивающий изменение трения, пропорцио-
нальное скорости муфты регулятора.
Простейшая форма катаракта — это диск, укрепленный
на стержне и опущенный в сосуд с водой так, что плоскость
диска горизонтальна. Стержень, несущий диск, соединен с
муфтой регулятора. При подъеме или опускании муфты за
нею следует и стержень с диском. Но сопротивление воды
тормозит движение диска. Эта сила, пропорциональная ско-
рости перемещения диска, передается муфте. Значит, ката-
ракт тормозит ее движение. При этом изменение трения
грузов о корпус регулятора происходит более плавно, и ре-
жим работы регулятора становится более устойчивым.
Впоследствии появились другие конструкции катарактов,
а вместо воды в них начали применять масло. Различные
сорта масел, обладая различной вязкостью, позволяют, не
меняя конструкцию катаракта, в широких пределах менять
его сопротивление.
Одна из употребительных конструкций катаракта —
поршень в цилиндре, заполненном маслом. Но этот поршень,
в отличие от рабочего поршня паровой машины, не сплош-
ной, а имеет одно или несколько сквозных отверстий. Масло
перетекает через них из нижней части цилиндра в верхнюю
или обратно, тормозя движение поршня своей вязкостью.
Введя в состав регулятора катаракт, Эри не пытался со-
ставить математическую модель усложненного регулятора.
Он понимал, что его математических познаний не хватит
для анализа процессов, происходящих в таком механизме.
Поэтому конструкторы паровых машин смогли извлечь из
экспериментов Эри только уверенность в том, что устой-
чивый режим возможен. Но не получили рекомендаций, как
его можно заранее рассчитать. Время более зрелых реше-
82
ний пришло позже. Об этом речь — впереди. А пока инже-
неры следовали заветам Уатта.
В 1868 году в Англии примерно 75000 паровых машин
были снабжены регуляторами Уатта. Причем большинство
из них работало ненадежно. Машины, оборудованные ре-
гуляторами других типов, свободными от недостатков, при-
сущих регуляторам Уатта, отличались еще меньшей надеж-
ностью.
Мы выделили 1868 год потому, что в этом году появи-
лась статья знаменитого английского физика Д. Максвелла
«О регуляторах», ставшая одной из основ современной тео-
рии автоматических систем управления.
ГЛАВА 2. УКРОЩЕНИЕ МАШИН
С НЕБА НА ЗЕМЛЮ
Максвелл широко известен как создатель электродина-
мики и автор выдающихся исследований в области стати-
стической физики. Пожалуй, в Англии после Ньютона не
было ученых, вклад которых в развитие физики по своему
значению приближался к тому, что сделано Максвеллом.
Способности Максвелла стали очевидными, когда в 15-
летнем возрасте, еще обучаясь в школе, он выполнил свою
первую научную работу «О черчении овалов и об овалах
со многими фокусами». Это не была ученическая работа.
Она дала толчок развитию того раздела геометрии, кото-
рый пребывал в застое более двадцати веков, прошедших
после того, как знаменитый друг Архимеда, геометр Эра-
тофен нашел способ построения эллипса. Максвелл про-
должал заниматься геометрией и механикой и во время
дальнейшей учебы с 1847 по 1850 год в Эдинбургском уни-
верситете, а затем в Тринити-колледже в Кембридже, где
ранее учился и работал великий Ньютон.
В Кембридже Максвелл начал свои исследования по
теории электричества, обессмертившие его имя. Тогда же
он увлекся загадкой механизма восприятия цветов и зна-
чительно продвинулся в столь запутанной проблеме, проя-
вив при этом выдающиеся способности к эксперименталь-
ной физике.
После окончания Тринити-колледжа в 1854 году Мак-
свелла, как и Ньютона, избрали членом колледжа, с обя-
зательством вести исследовательскую и педагогическую
83
работу. Основанием для такого избрания была премия Сми-
та по математике за 1854 год, которую Максвелл разделил
с Э. Раусом. Максвелл принял столь почетное предложение.
Однако с Кембридже оставался не долго. В 1856 году он
переезжает в Эбердин и до 1860 года преподает физику
в Маришэль-колледже Эбердинского университета.
Главной научной работой, которую Максвелл начал по
приезде в Эбердин, было исследование движения колец
планеты Сатурн. Эту тему в 1856 году Кембриджский уни-
верситет выдвинул на соискание премии Адамса.
Открытие Сатурна было наиболее значительным собы-
тием в астрономии после открытия спутников Юпитера
Галилеем, ставшего решающим толчком к признанию
Коперниковой системы.
Галилей наблюдал* и кольца Сатурна, но счел их спут-
никами планеты, плохо различаемыми в его телескоп. Про-
шло почти полвека, пока X. Гюйгенсу удалось доказать, что
это не обычные спутники, а удивительное образование,
имеющее форму узкого плоского кольца. Позже было уста-
новлено, что кольцо не сплошное, а состоит из трех отдель-
ных колец, разделенных между собой промежутками. Одна-
ко наблюдения не давали сведений о строении колец, об их
физической структуре. Теперь, в космическую эру, удалось
сфотографировать кольца Сатурна с близкого расстояния
и определить их структуру гораздо детальнее, чем это воз-
можно при помощи крупнейших наземных телескопов. На
фотографиях, пришедших из космоса, видно множество
тонких колец, причудливо группирующихся и образующих
три сгущения, заметные на фотографиях, сделанных при
помощи самых крупных наземных телескопов.
Максвелл путем сложных расчетов показал, что кольца
Сатурна не могут быть ни твердыми, ни жидкими. Приме-
нив теорию малых колебаний к исследованию движения
плоских колец в поле тяготения планеты, он пришел к за-
ключению, что движение сплошного твердого или жидкого
кольца в этих условиях не может быть устойчивым. Таким
образом он сделал вывод о том, что кольца Сатурна состо-
ят из отдельных небольших тел, аналогичных метеоритам.
В 1857 году замечательная работа Максвелла получила
премию Адамса. Сейчас его результаты общепризнаны и
считается вероятным, что кольца возникли в результате
разрушения приливными силами близкого спутника Сатур-
на или кометы, захваченной его полем тяготения.
Максвелл считал, что навсегда расстался с загадкой Са-
84
турна. Но жизнь решила иначе — он вернулся к ней в связи
с проблемой регуляторов. Но это было позже. А пока в 1860
году Максвелл переехал в Лондон, где получил кафедру
физики в Кинг-колледже Лондонского университета. Здесь
он впервые вводит в физику методы математической ста-
тистики, создает статистическую физику, глубоко развивает
кинетическую теорию газов и продолжает исследования по
теории упругости и, что особенно важно, в области теории
электричества.
Максвелл задался целью придать математическую фор-
му учению Фарадея об электрических и магнитных силах,
вызываемых электрическими зарядами и токами и дейст-
вующих через среду на электрические заряды и токи. Он
осуществил свою цель в виде системы уравнений, не толь-
ко описывающих все известные в его время электрические
и магнитные явления, но и позволивших ему предсказать
ряд новых фактов и зависимостей. В их числе — существо-
вание электромагнитных волн, скорость которых должна
равняться скорости света. Волн, способных отражаться и
преломляться подобно свету. Более того, Максвелл утверж-
дал, что свет есть лишь частный случай электромагнитных
волн.
Первый набросок этой теории он изложил уже в 1861
году в письме к Фарадею. В 1864 году Максвелл пишет ос-
новополагающий труд «Динамическая теория электромаг-
нитного поля».
В том же 1864 году он прекращает активную педагоги-
ческую деятельность и уединяется в родном имении Глен-
лер, где полностью отдается научной работе. Здесь он соз-
дает и готовит к печати главный труд своей жизни «Трак-
тат об электричестве и магнетизме», значение которого для
науки близко к значению ньютоновского трактата «Мате-
матические начала натуральной философии», заложившего
основы классической физики.
В Гленлере Максвелл написал и свою замечательную
работу «О регуляторах», которая была опубликована
в 1868 году.
К Максвеллу, широко известному своими исследования-
ми динамики твердого тела, многократно обращались по
поводу расчетов центробежных регуляторов. С ним сове-
товались и относительно многочисленных конструкций, пре-
тендующих на существенное улучшение свойств регулято-
ров Уатта и даже на их замену.
Непосредственным толчком, приведшим Максвелла к
85
разработке математической теории регуляторов, было изо-
бретение Ф. Дженкиным регулятора нового типа, свободного
от статизма, присущего регуляторам Уатта. Статизмом
называют свойство, вследствие которого регулятор не спо-
собен сводить к нулю ошибку регулируемой величины.
У регулятора Уатта — это отличие скорости вращения махо-
вика паровой машины от заданной величины.
Статизм представляет, по существу, остаточную ошиб-
ку, которую регулятор не может уменьшить до нуля. В от-
личие от подобных регуляторов существуют другие, спо-
собные довести ошибку регулируемой величины до сколь
угодно малого значения, даже сделать ее точно равной
нулю. Такие регуляторы получили название астатических.
Их статизм равен нулю. Созданием астатических регулято-
ров различных типов занимались в то время многие инже-
неры и изобретатели, стремившиеся улучшить работу паро-
вых машин и полагавшие, что причина неустойчивости их —
статизм регулятора Уатта.
Максвелл еще раньше подружился с Дженкиным в Кинг-
колледже, провел с ним несколько исследований, относя-
щихся к электрическим измерениям, и создал несколько
эталонов электрических величин, в их числе эталон Ома —
единицы электрического сопротивления. Тогда ни его, ни
Дженкина регуляторы не интересовали.
Позже Дженкин изобрел астатический регулятор, рас-
считанный на то, чтобы сводить точно к нулю ошибки ре-
гулируемой величины. Он применил регуляторы в некото-
рых физических приборах и установил их на ряде экспери-
ментальных паровых машин. Однако наладка новых ре-
гуляторов была весьма деликатным и трудоемким процес-
сом. Даже при наилучшей регулировке машины работали
с регуляторами Дженкина, как правило, неустойчиво.
Ни Дженкин, ни его сотрудники не могли понять причи-
ны. По их мнению, регуляторы должны были работать иде-
ально.
Заинтересовавшись загадкой неустойчивости регулято-
ра Дженкина, Максвелл изучил его расчеты и литературу,
посвященную исследованиям других астатических регуля-
торов, а также регулятора Уатта, и обнаружил два сущест-
венных обстоятельства.
Первым было то, что все исследователи развивали тео-
рию регуляторов не в рабочем — динамическом — режиме,
а в статике, то есть без учета движений частей регулято-
ров.
86
Это значит, что они рассчитывали не истинную работу
регуляторов, а равновесие суммы сил, действующих на си-
стему рычагов, которыми они заменяли при расчете детали
регуляторов. Максвелл отлично понимал, что расчеты, ос-
нованные на такой сверхупрощенной модели, не отобража-
ют реальных процессов, протекающих в движущемся ре-
гуляторе, взаимодействующем с паровой машиной.
Выражаясь более формально, следует сказать, что сов-
ременники Максвелла вместо задачи динамики решали
более простую задачу статики, причем ряд важных свойств
системы, конечно, оставался не учтенным.
Обдумывая ситуацию, Максвелл обнаружил, что анализ
динамических уравнений регулятора станет доступным, ес-
ли применить метод малых колебаний, с успехом использо-
ванный им для решения загадки колец Сатурна. Так блес-
тящая победа, одержанная в небе, стала отправной точкой
для преодоления тупика, возникшего на Земле.
Работу регулятора и проблему его устойчивости, по
мнению Максвелла, следовало рассматривать с точки зре-
ния малых колебаний какой-либо из его существенных де-
талей вокруг ее стационарного положения. Таким путем,
думал Максвелл, при исследовании устойчивости системы,
содержащей регулятор, можно заменять громоздкие и слож-
ные дифференциальные уравнения движения регулятора,
учитывающие реальную зависимость положения и скорос-
ти его деталей от действующих сил, более простыми. Та-
кими, в которых сложные реальные зависимости заменя-
лись бы простой пропорциональностью изучаемых величин.
После того как основополагающая идея была сформулиро-
вана, Максвелл смог решить ряд конкретных задач, воз-
никающих при рассмотрении нескольких интересующих его
регуляторов.
Даже читатель, не обладающий математической подго-
товкой, может без труда оценить четкость и ясность изло-
жения проблемы регулирования, с которого Максвелл на-
чинает свою замечательную работу «О регуляторах»:
«Регулятор есть часть машины, посредством которой
скорость машины поддерживается почти постоянной, не-
смотря на изменения движущего момента или момента со-
противления.
В большинстве устройств используется центробежная
сила детали, связанная с валом машины. Когда скорость
возрастает, эта сила увеличивается, и тогда или возраста-
ет давление детали на некоторую поверхность, или эта си-
87
ла двигает деталь и таким образом действует на тормоз
или клапан.
В одном типе регулирующих устройств, которые мы на-
зываем модераторами, сопротивление возрастает со скоро-
стью. Так, в некоторых конструкциях часовых механизмов
модератор состоит из конического маятника, вращающего-
ся внутри круглого корпуса часов. Когда скорость возрас-
тает, шар маятника давит на внутренность корпуса, и тре-
ние ограничивает возрастание скорости.
В регулирующем устройстве Уатта для паровых машин
плечи конического маятника расходятся, в результате чего
уменьшается проходное сечение парового клапана.
В водяном тормозе, изобретенном проф. Дж. Томсоном,
при увеличении скорости вода выкачивается центробежной
силой и выливается наружу со значительной скоростью,
так что на подъем и сообщение скорости этой воде затра-
чивается работа.
Во всех этих механизмах возрастание движущего момен-
та влечет за собой увеличение скорости, однако значитель-
но меньше того значения, которое происходило бы без мо-
дератора.
Но если такая деталь, приводимая в действие центро-
бежной силой, вместо прямого воздействия на машину бу-
дет приводить в движение механизм, который непрерывно
увеличивает сопротивление до тех пор, пока скорость ока-
зывается больше нормального значения, то регулятор будет
приводить скорость к одному и тому же нормальному зна-
чению. Он будет производить обратное действие, когда ско-
рость меньше этого значения, каковы бы ни были изменения
(в рабочих пределах машины) действующей силы или на-
грузки».
Далее Максвелл указывает, что «изобретатели естест-
венно ограничивают свое внимание только теми процесса-
ми, для которых они предназначают свои механизмы».
Однако «если перестановкой соответствующих приспо-
соблений увеличивать регулирующее воздействие, то, вооб-
ще говоря, можно достигнуть границы, после которой воз-
мущение вместо того, чтобы быстрее затухать, будет по-
рождать колебательное или дергающее движение».
Это фактически имеет место в регуляторе Дженкина,
в котором грузы конического маятника, трущиеся о коль-
цевую деталь, увлекают ее за собой, вызывая этим поворот
заслонки в паропроводе машины. Постоянная сила груза
действует на кольцо в направлении, противоположном силе
88
трения. Кольцо в свою очередь движет водяной тормоз,
близкий по принципу действия к катаракту Эри.
Итак, Максвелл разделил устройства, которые считались
регуляторами, на две категории. В первую он отнес те, что
«умеряют», то есть уменьшают отклонения регулируемой
величины, но не сводят их к нулю. Он назвал их модерато-
рами. Во вторую категорию он включил только устройства,
способные доводить до нуля всякие изменения регулируе-
мой величины. Только такие устройства он назвал регуля-
торами. При такой классификации в нее не попали обычные,
наиболее распространенные регуляторы Уатта. Ведь по
самому принципу действия они после изменения нагрузки
смещают положение заслонки вслед за тем, как скорость
машины уже отклонилась от заданного значения. Отнеся
регуляторы Уатта к модераторам, Максвелл отказался от
их исследования.
С современной точки зрения классификация Максвелла
должна быть уточнена следующим образом. Большинство
регуляторов, в том числе обычный регулятор Уатта, отне-
сенный им к модераторам, являются статическими. Напом-
ним— разность между новым устойчивым состоянием
регулятора и его исходным положением называют статиз-
мом. Те устройства, которые Максвелл отнес к категории
регуляторов, теперь называют астатическими. Они сводят
ошибку регулируемой величины к нулю. Иными словами,
обладают нулевым статизмом.
Изучая регуляторы, Максвелл составлял уравнения их
движения, а для исследования устойчивости процесса ре-
гулирования заменял в них сложные зависимости между
отдельными переменными величинами простыми пропор-
циональными отношениями. Он убедился в законности та-
кого приема, когда изучал движение колец Сатурна. При
малых отклонениях от стационарного движения такая за-
мена допустима и приводит к цели. Но только в том случае,
если истинные зависимости между переменными величина-
ми не имеют скачков.
В результате Максвелл пришел к выводу об эффектив-
ности регуляторов (астатических регуляторов, по совре-
менной терминологии) и горячо рекомендовал их инже-
нерам.
Далее Максвелл рассматривал регуляторы, предложен-
ные физиками У. Томсоном и Ж. Фуко, а также регулятор
Эри.
Максвелл подтвердил и обосновал вывод, полученный
89
Эри из его опытов. Вязкостное сопротивление способ-
ствует подавлению колебаний регулятора. ПричехМ в ря-
де случаев достаточно влияния вязкости смазочного
материала в трущихся частях машины — и тогда нет необ-
ходимости вводить специальные механизмы для гашения
колебаний.
Таким образом, Максвелл четко понял механизм возник-
новения и возможности подавления неустойчивости при ра-
боте системы, состоящей из машины и регулятора. Его точ-
ка зрения и выводы значительно опередили состояние
современной ему техники. В полной мере его работа оце-
нена только недавно, ибо соответствует уровню техники
середины нашего века.
Максвелл показал, что его математический метод, сво-
дящий исследование устойчивости системы «машина — ре-
гулятор» к алгебраическому уравнению третьей степени, по-
зволяет не только понять механизм возникновения неустой-
чивости и колебаний скорости машины. Этот метод может
служить для расчетов регуляторов, обеспечивающих устой-
чивую работу машины.
Максвелл объяснил и то, почему статический подход,
применявшийся до него инженерами, не помогал им при
расчете машин и регуляторов. Ведь они исследовали те
процессы, которые должны были бы происходить в идеаль-
ной машине. Объектом их усилий был идеал. Рассматривая
работу машины, инженеры считали, что регулятор точно
следит за машиной, что они представляют единую систему,
как говорят математики — систему с одной, общей степенью
свободы. А такая идеальная система описывается уравне-
нием, имеющим только одно решение. Причем алгебраиче-
ское уравнение отклонения машины от заданного режима
тоже имеет только одно, обязательно отрицательное реше-
ние. В этом случае появление колебательных изменений
скорости машины невозможно.
В действительности, писал Максвелл, инерция грузов
центробежного регулятора препятствует точному слежению
регулятора за ходом машины. Система «регулятор — маши-
на» не является жестко связанной. Она состоит из двух под-
систем — машины и регулятора, которые, оставаясь связан-
ными, в определенной мере независимы. Математики гово-
рят, что такая система имеет не одну (общую), а две не-
зависимые степени свободы. Устойчивость ее движения
описывается алгебраическим уравнением третьей степени,
имеющим три корня (три решения). И когда один из корней
90
становится положительным, устойчивость системы нару-
шается, и в ней возникают колебания.
Максвелл на примерах показал полезность своего мето-
да, позволяющего находить способы, при помощи которых
можно устранять самовозбуждение колебаний машин с ре-
гуляторами. Однако, несмотря на это, работа Максвелла
осталась не использованной инженерами и конструкторами
ни в Англии, ни в других странах. Чем объясняется эта уди-
вительная ситуация?
По-видимому, тем, что Максвелл, будучи гениальным
физиком и интересуясь техническими проблемами, сам не
экспериментировал с паровыми машинами и другими ме-
ханизмами, снабженными регуляторами. Поэтому не чув-
ствовал, не мог оценить реальные параметры паровых ма-
шин и регуляторов, а может быть, и не знал о тех труднос-
тях, с которыми встречались инженеры.
А инженеры того времени, занимавшиеся усовершенст-
вованием паровых машин и хорошо знакомые с их
свойствами, не обладали математической подготовкой,
достаточной, чтобы отличить математическую модель, ис-
следованную Максвеллом, от реальной машины. Не могли
они и получить из первоначальных, не упрощенных урав-
нений Максвелла математическую модель, правильно ото-
бражавшую свойства реальных паровых машин и применяе-
мых в них регуляторов.
Поэтому инженеры не смогли извлечь из работы Мак-
свелла никаких указаний о том, как справиться с выходя-
щими из-под контроля десятками тысяч паровых машин
снабженных регуляторами Уатта.
Так случилось, что гениальная, опережающая свое вре-
мя работа Максвелла не принесла пользы современникам
и прошла мимо них совершенно незамеченной. Зато теперь
в наши дни, она — неотъемлемая часть расчетов при созда-
нии современных автоматических систем.
«ОШИБКА» ВЫШНЕГРАДСКОГО
Человеком, создавшим основы технической теории ав-
томатического регулирования, стал русский ученый
И. А. Вышнеградский, хорошо знавший не только матема-
тику, но и свойства машин и механизмов.
Вышнеградский родился в 1831 году в Вышнем Волочке
Тверской губернии в семье провинциального священника.
Юношей его определили в духовную семинарию. Через три
91
года, не имея ни связей, ни материальной поддержки, он
перешел на физико-математический факультет педагогичес-
кого института в Петербурге, из стен которого вышли
Н. Е. Добролюбов и Д. И. Менделеев. В то время в нем
преподавали замечательный математик М. В. Остроград-
ский и один из крупнейших русских физиков того времени
Э. X. Ленц.
По окончании института Вышнеградский преподавал
математику во 2-м Петербургском кадетском корпусе и про-
должал изучать математику и аналитическую механику под
руководством Остроградского.
После сдачи экзаменов и защиты диссертации Вышне-
градский получил степень магистра математических наук
и с 1854 года начал преподавать математику в Артиллерий-
ском училище, преобразованном в следующем году в Ар-
тиллерийскую академию.
В 1859 году Вышнеградский едет в заграничную коман-
дировку для подготовки к званию профессора практической
механики.
По возвращении в 1862 году на родину он избирается
профессором практической механики в Артиллерийской ака-
демии, а затем и в Петербургском технологическом инсти-
туте. Здесь он воспитал множество инженеров и создал
оригинальную школу машиностроения.
Вышнеградский стал одним из крупных организаторов
высшего технического образования в России. Он был и бле-
стящим популяризатором в области естествознания и тех-
ники. И не только сам читал общедоступные публичные
лекции, но и привлекал к этому своих учеников и сотруд-
ников.
Вышнеградский сыграл решающую роль в преобразова-
нии русской артиллерии и реконструкции заводов артил-
лерийского ведомства, в создании железных дорог и речных
портов с механической перегрузкой грузов из барж в ваго-
ны, в развитии профессионального образования — от под-
готовки квалифицированных рабочих и мастеров до техни-
ков и инженеров.
Начиная с середины семидесятых годов Вышнеградский
постепенно отходит от научной и инженерной работы и за-
нимается финансовыми и биржевыми операциями.
В 1897 году он занял должность управляющего минис-
терством финансов, а в следующем году назначен минист-
ром финансов. В неурожайные 1891 —1892 годы Вышнеград-
ский осуществлял чрезвычайно жестокую налоговую
92
политику, противодействовал работе фабрично-заводских
инспекторов и проводил другие антинародные мероприятия.
Эта деятельность вызвала у него крайнее переутомление,
вследствие чего он был вынужден прекратить всякую ра-
боту. В 1895 году Вышнеградский умер.
Впрочем, даже в своей министерской деятельности Выш-
неградский принес пользу науке и технике, организовав Па-
лату мер и весов и пригласив руководить ею Д. И. Менде-
леева.
Исследованиями паровых машин с регуляторами он за-
нялся тогда, когда более сотни тысяч усовершенствованных
паровых машин по неведомой причине потеряли способность
к устойчивой работе и требовали постоянного надзора. В
большинстве из них применялись регуляторы Уатта. Маши-
ны, снабженные регуляторами других типов, предлагаемых
и патентуемых крупными учеными, инженерами и изобре-
тателями, отличались еще меньшей надежностью.
Регуляторы Уатта, которые прежде успешно поддержи-
вали скорость вращения машины, близкой к заданному
значению (несмотря на изменение нагрузки при включении
и выключении станков и других орудий, приводимых в дви-
жение машиной), теперь не могли подавить значительных
колебаний этой скорости, а иногда доводили дело до разру-
шения машины.
Обычный регулятор Уатта не может сохранить скорость
машины точно постоянной. При увеличении нагрузки она
нуждается в большем количестве пара, а для этого заслон-
ка должна увеличить сечение паропровода, что при обыч-
ной конструкции регулятора Уатта связано с опусканием
муфты. Но нагрузка на машину возрастет раньше, чем
подача пара в цилиндр будет увеличена. Вслед за этим
произойдет уменьшение скорости вращения вала машины
и ее маховика. А значит, и снижение скорости вращения ре-
гулятора и сближение его грузов только через некоторое
время приведет к опусканию муфты регулятора и к увели-
чению подачи пара.
Поэтому, рассуждал Вышнеградский, в паровой маши-
не, снабженной регулятором Уатта, каждой величине на-
грузки соответствует определенная скорость вращения ма-
шины, определенное положение грузов регулятора, его
муфты и заслонки, управляющей подачей пара в цилиндр.
Сегодня специалист сформулирует это свойство машины
так: регулятор Уатта связывает число оборотов машины
с величиной нагрузки или, что почти то же самое, ее мощ-
93
ность — с числом оборотов. Эти зависимости называются
характеристиками машины.
Вышнеградский исходил из того факта, что именно ре-
гулятор создает характеристику машины. Считалось: если
сделать рычажную систему регулятора Уатта так, чтобы
он резко поворачивал заслонку в паропроводе при малом
отклонении скорости от заданной, то при его помощи мож-
но удерживать число оборотов близким к заданному, не-
смотря на изменения нагрузки. В действительности дело об-
стояло совсем иначе. Именно такие, с первого взгляда,
наиболее хорошие регуляторы Уатта способствовали неус-
тойчивой работе паровых машин.
Вышнеградский подчеркивал, что паровая машина без
регулятора практически не способна к стабильной работе
с постоянным числом оборотов. Ведь если подача пара пер-
воначально установлена так, что при заданной нагрузке ма-
шина развивает заданное число оборотов, то при увеличе-
нии нагрузки сопротивление ее превзойдет движущую силу
поршня. И машина, не имеющая регулятора, остановится.
Если же уменьшить нагрузку, скорость такой машины бу-
дет возрастать, пока она не разрушится — ибо избыток си-
лы, развиваемой поршнем, будет вызывать непрестанное
ускорение вращения вала машины.
Максвелл, не будучи инженером, считал, что паровая
машина и без регулятора способна к самовыравниванию.
Что ей самой присуща определенная связь между величи-
ной нагрузки и числом оборотов, а регулятор лишь улучшает
характеристику машины.
Впрочем, Вышнеградский, как и подавляющее число его
современников, не был знаком с работой Максвелла.
Для изучения поведения системы «машина — регулятор»
Вышнеградский, не зная о том, применил те же математи-
ческие методы, которыми пользовался Максвелл. Он заме-
нил все сложные зависимости между величинами, опреде-
ляющими поведение системы «машина — регулятор», про-
стой пропорциональностью. При этом ему, как, впрочем, и
Максвеллу, пришлось отказаться от учета влияния сил су-
хого трения. Помнить об этом очень важно для того, чтобы
понять истоки «ошибки» Вышнеградского.
Сухое, или кулоновское, трение, изученное впервые
французским физиком Ш. Кулоном, существенно отлича-
ется от трения между хорошо смазанными твердыми тела-
ми. Разницу между сухим и вязкостным трением практи-
чески ощущали все, кто пользовался повозками и экипажа-
94
ми, колеса которых вращались вокруг неподвижных осей.
Сейчас таких повозок становится все меньше. Шариковые
и роликовые подшипники быстро вытесняют примитивные
ступицы, и эта разница требует особого пояснения. Скрип
тележного колеса был верным сигналом об отсутствии
смазки, а деготь служил достаточно хорошей смазкой для
ступиц повозок, влекомых лошадьми.
Сейчас, пожалуй, сухое трение чаще напоминает о себе
скрипом дверных петель или визгом автомобильных шин
при резком торможении на сухом асфальте.
Чем же отличается сухое трение от вязкостного?
Трение между смазанными поверхностями, вязкостное
трение, обусловлено внутренним трением в жидком слое
смазки. При этом поверхности трущихся тел не соприкаса-
ются между собой. Вместе с каждой из поверхностей пере-
мещается сцепленный с ней тонкий слой смазки. В проме-
жутке между пристеночными слоями движутся другие слои
смазки. Смазка действует хорошо, если ее слои скользят
друг относительно друга без завихрений.
Чем тяжелее деталь машины, тем более вязким должен
быть материал смазки для того, чтобы противостоять вы-
давливанию и возможности непосредственного соприкосно-
вения движущихся деталей. Если слой смазки будет выжат
из зазора, твердые поверхности соприкоснутся, и вязкостное
трение превратится в сухое.
В правильно сконструированных машинах этого не про-
исходит. Поэтому сухое трение в них не возникает, и им
действительно можно пренебречь.
Если это не так, задача сразу оказывается чрезвычайно
сложной и ее решение методом Максвелла становится не-
возможным. Дело в том, что величина вязкостного трения
пропорциональна скорости относительного движения сма-
занных поверхностей. Если скорость равна нулю (движение
отсутствует), то равна нулю и величина вязкостного трения.
Груз, лежащий на смазанной поверхности, можно, хотя и
медленно, сдвинуть с места малой силой — ведь при непо-
движном грузе трение равно нулю.
Иное дело при сухом трении. Когда поверхности не сма-
заны или пленки смазки разрушены большой нагрузкой,
твердые тела соприкасаются. Рассматривая под большим
увеличением эти поверхности, даже после наилучшей обра-
ботки, можно обнаружить на ней различные неровности.
Соприкасающиеся несмазанные поверхности при попытке
смещения упираются одна в другую этими неровностями,
95
сопротивляясь сдвигу, подобно двум соприкасающимся на-
пильникам или двум дощечкам, в которые не до конца за-
бито множество гвоздиков.
Чтобы сдвинуть эти несмазанные поверхности относи-
тельно друг друга, необходимо деформировать микродефек-
ты этих поверхностей, согнуть подобия «гвоздиков». Сила,
требуемая для этого, называется силой трения застоя. Она
много больше той, которая нужна для преодоления трения
поверхностей после того, как они уже начали двигаться.
Учет силы сухого трения может понадобиться при ана-
лизе второстепенных явлений, возникающих при работе ма-
шин, снабженных регуляторами. Для выяснения главенст-
вующих свойств этих машин можно ограничиться вязкост-
ным трением, что и сделал Вышнеградский, а до него Мак-
свелл.
Перечисленные выше свойства системы «машина — ре-
гулятор» Вышнеградский включил в сравнительно простое
уравнение, определяющее условия устойчивости работы си-
стемы. Понимая, что инженеры и конструкторы часто не
могут не только самостоятельно провести, но и квалифици-
рованно проследить за сложными математическими опера-
циями, он дал графическое представление полученного им
решения — в виде знаменитой «диаграммы Вышнеградско-
го», как окрестили ее последователи.
Диаграмма Вышнеградского состоит из двух кривых.
Первая — это простая гипербола, кривая, каждая точка
которой обладает тем свойством, что произведение ее рас-
стояний от осей координат равно единице. Вторая кривая
напоминает наконечник копья, направленного справа в на-
чало координат под углом в сорок пять градусов. Острие
этого наконечника находится над гиперболой в точке, от-
стоящей от обеих осей на расстоянии в три единицы.
Каждой совокупности параметров системы «машина —
регулятор» соответствует одна точка на плоскости, на ко-
торой начерчена диаграмма Вышнеградского. Инженер дол-
жен по простым правилам определить положение точки,
соответствующей его машине. Возможны три случая.
Первый случай: точка лежит ниже гиперболы Вышне-
градского. Конструктору ясно — спроектированная им ма-
шина неработоспособна. Любое изменение нагрузки, любой
толчок приведут к самораскачиванию системы «машина —
регулятор», и она неизбежно выйдет из строя.
Второй случай: точка расположится выше гиперболь/
Вышнеградского, вне контура наконечника копья. Машина
96
работоспособна. Но при изменении нагрузки выходит на но-
вый режим или возвращается на исходный после толчка не
плавно, а совершая вокруг исходного режима некоторое
число колебаний. Такая машина тоже не устроит инжене-
ра— надо сделать перерасчет.
Третий случай: точка попадает в пределы наконечника
копья. Этому соответствует машина, плавно и без колеба-
ний переходящая от одного режима к другому при смене
нагрузки или плавно возвращающаяся на исходный режим
после толчка. Конструктор спроектировал хорошую ма-
шину.
Такая диаграмма верой и правдой служит создателям
многих систем автоматического регулирования. Она неза-
менима и в наш век роботов. Однако Вышнеградский не
ограничился тем, что дал инженерам средство проверки ра-
ботоспособности избранной конструкции. Он сформулиро-
вал несколько рекомендаций, позволяющих сознательно
проектировать устойчивые паровые машины, снабженные
обычными регуляторами Уатта и другими эквивалентными
им регуляторами.
Первая рекомендация прямо противоречит рекоменда-
ции, данной Максвеллом. Максвелл считал лучшими регу-
ляторами астатические, сводящие точно к нулю колебания
скорости (и вообще ошибку регулируемой величины). Но
для того, чтобы при этом система «машина — регулятор»
была устойчивой, необходимо, чтобы сама машина при от-
сутствии регулятора хотя бы в малой степени имела спо-
собность к саморегулированию.
В действительности паровые машины без автоматичес-
кого регулятора не могут саморегулироваться. При отсут-
ствии регулятора они неизбежно останавливаются или идут
вразнос.
Отсюда следует вывод Вышнеградского: астатические
регуляторы непригодны для паровых машин.
Вторая рекомендация сформулирована Вышнеградским
так: без катаракта нет регулятора. Значит, для обеспечения
устойчивой работы всякий чувствительный и правильно
действующий регулятор Уатта должен быть снабжен ката-
рактом — приспособлением, порождающим вязкостное тре-
ние (рекомендованным еще Эри).
Вышнеградский объяснил также, почему тяжелый ре'
гулятор и легкий маховик ухудшают устойчивость системы
«машина — регулятор». В обоих случаях точка, изображаю-
щая совокупность ее свойств, имеет тенденцию опускаться
4 Заказ 440
97
на диаграмме Вышнеградского ниже гиперболы в зону не-
устойчивой работы.
Теперь, наконец, благодаря Вышнеградскому инженеры
смогли понять причину «бунта» паровых машин. Они уз-
нали, как его подавлять у действующих машин и как про-
ектировать машины, надежно работающие в соответствии
с волей их создателя.
Ведь по мере совершенствования паровых машин повы-
шение их мощности сопровождалось увеличением числа обо-
ротов и облегчением маховиков. А облегчение маховика
способствует неустойчивости. До работы Вышнеградского
инженеры пытались бороться с этим, улучшая регуляторы
повышением чувствительности, приближая их к астатичес-
ким, а значит, облегчая их и уменьшая в них неравномер-
ность и трение. Но облегчать регуляторы ниже предела, ука-
занного Вышнеградским, недопустимо. Трение же нужно не
уменьшать, а увеличивать, применяя катаракт.
Работа Вышнеградского поставила искусство, которым
прежде было проектирование паровых машин, на научную
основу. Она сразу нашла широкий круг приверженцев, а за-
тем появились и продолжатели.
Однако по мере увеличения числа ученых, знакомых
с ней, все чаще возникали возражения. Все они были свя-
заны с тезисом Вышнеградского о необходимости катарак-
та. Инженеры и ученые знали о том, что существуют надеж-
но работающие регуляторы Уатта, не имеющие катаракта.
Были известны и другие регуляторы, не требующие ката-
ракта для устойчивости системы. Конечно, они не идеальны.
Но для машин, снабженных ими, характерна устойчивость.
Правда, это были главным образом старые тихоходные ма-
шины.
Категоричность тезиса — без катаракта нет регулято-
ра,— казалось, не допускала исключений, а в науке доста-
точно одного опровергающего примера для того, чтобы по-
колебать любую теорию.
Некоторые на этом основании подвергли сомнению всю
теорию автоматического регулирования, развитую Вышне-
градским. Более осторожные, понимавшие правильность и
полезность остальных выводов, считали ошибочным только
тезис о катаракте.
Впервые серьезно проанализировал тезис о катаракте
французский инженер Лекорню в работе, вышедшей из пе-
чати в 1897 году, через два года после смерти Вышнеград-
ского.
98 :
Лекорню считал, что Вышнеградский не знал, как ре-
шить задачу о действии регулятора при учете сухого тре-
ния, и, не желая вступить в противоречие с фактом сущест-
вования регуляторов, работающих без катаракта, утверж-
дал, что такая устойчивость реализуется за счет уменьше-
ния чувствительности регулятора. Так возникла версия об
ошибке Вышнеградского.
Однако дело обстоит совсем не так. Составляя полные
уравнения движения системы «машина — регулятор», Выш-
неградский включает в них член, описывающий влияние
сухого трения в регуляторе, но здесь же отмечает, что «есть
много регуляторов, где влияние сухого трения столь мало,
что им можно пренебречь, и что впоследствии это допуще-
ние и будет сделано...» И дальше сам Вышнеградский дела-
ет это допущение, ограничивает этим круг исследуемых
регуляторов и опускает в уравнениях член, учитывающий
сухое трение.
Подводя итоги своего исследования, Вышнеградский
ясно указывает, что, хотя наличие сухого трения может
ослабить самораскачивание системы «машина — регулятор»,
оно одновременно приводит к нежелательному понижению
чувствительности регулятора. Именно поэтому инженеры
стремятся уменьшить в нем сухое трение. В хороших регу-
ляторах оно бывает малым и поэтому может быть исключе-
но из уравнения. Если же это так, то катаракт необходим.
Кажется, здесь все сказано ясно.
Но после работы Лекорню никто в течение длительного
времени не вчитывался в текст Вышнеградского. Последую-
щие авторы, по-видимому, более внимательно читали Ле-
корню, а не оригинальную и трудную для понимания ин-
женеров того времени работу Вышнеградского. И, ссылаясь
на Лекорню, стали писать об ошибке, якобы допущенной
Вышнеградским.
Даже такие уважаемые и выдающиеся ученые, как
Н. Е. Жуковский и В. Л. Кирпичев, поддержали эту тради-
цию.
Однако пришло время, и продолжатели идеи Вышнеград-
ского, первым из них был словацкий ученый А. Стодола,
разъяснили суть дела и взяли под защиту тезис о необхо-
димости катаракта.
Конечно, этот тезис в его буквальной и категорической
форме, изложенный Вышнеградским, имел полную силу
только для паровых машин конца прошлого века. Развитие
техники показало, что можно сознательно использовать су-
4*
99
хое трение в регуляторе так, что оно обеспечивает устой-
чивость не только старых тихоходных машин, но и новей-
ших быстроходных, порождая лишь очень малую нечувст-
вительность регулятора. Столь малую, что с нею можно
мириться, оплачивая этим возможность отказа от катарак-
та. Ведь сам катаракт во многих случаях усложнил обслу-
живание машины. Например, когда в условиях больших
перепадов температур сильно изменялась вязкость масла в
катаракте, а следовательно, и порождаемое им трение. Вяз-
кость масла становилась другой просто от времени и от
действия кислорода воздуха, так что масло приходилось
часто заменять.
Стодола, речь о котором впереди, заменил тезис о не-
обходимости катаракта следующим: без трения нет регу-
ляторов. Это значит, что для устойчивой работы системы
между деталями регулятора должна действовать сила тре-
ния, вязкостного или сухого, которое всегда, хотя бы в
малой степени, присутствует при начале взаимного сколь-
жения твердых тел.
Теоретические и экспериментальные исследования Сто-
долы сыграли большую роль в развитии техники. Многие
полученные им результаты и сейчас лежат в основе проек-
тирования и конструирования автоматических систем раз-
личного назначения. И, восхищаясь современными робо-
тами, действия которых так поражают наше воображение,
мы не должны забывать о том вкладе, который внесли в
эту трудную область техники Максвелл, Вышнеградский,
Стодола.
ГЛАВА 3. НАЗАД К ВОДЕ
НА РУБЕЖЕ ВЕКОВ
Усиление мощности паровых машин, сопровождавшееся
увеличением расхода пара, привело, как мы знаем, к посте-
пенному возрастанию размеров машин и веса их деталей.
Некоторые конструкторы, пришедшие в отчаяние от непо-
корности новых поколений машин, начали придумывать все
новые и новые типы регуляторов. Мы знаем, что это не
спасло положения.
Среди инженеров были и те, кто интуитивно чувствовал,
что качество регулирования ухудшается по мере того, как
растет масса грузов регуляторов. Но это казалось неизбеж-
100
ным, ибо легкие регуляторы не могли перемещать все бо-
лее тяжелые заслонки, управляющие потоком пара в паро-
проводах. Ведь вес заслонок увеличивался вместе с сечением
паропроводов и давлением пара.
Выход из намечавшегося тупика обнаружили сразу
несколько конструкторов. Ситуация стала такой, что мимо
нее не мог пройти ни один мыслящий инженер. Идея, как
говорят, носилась в воздухе. Конструкторы решили ввести
между регулятором и заслонкой специальный служебный
двигатель, призванный перемещать заслонку. Регулятор
при этом должен был лишь управлять его работой, на что
требовались очень малые усилия. Значит, регулятор здесь
мог опять быть сделан совсем легким.
Так появились регуляторы нового типа — регуляторы не-
прямого действия. Прежние теперь называют регуляторами
прямого действия, ибо они непосредственно воздействуют
на управляющий орган машины. В безмаятниковых часо-
вых механизмах регулятор сам изменял трение. В паровых
машинах регулятор Уатта без помощи дополнительных дви-
гателей перемещает заслонку, управляющую поступлением
пара в цилиндр.
Служебные двигатели в системе непрямого регулирова-
ния по традиции называют сервомоторами независимо от
их конкретной конструкции. Они могут быть паровыми, гид-
равлическими, пневматическими и электрическими самых
различных типов.
Введение сервомоторов и возвращение к легким регуля-
торам улучшило ситуацию только отчасти. Виной были не-
избежные люфты в сочленениях тяг и рычагов и в других
элементах, осуществляющих связь регулятора с сервомото-
ром и сервомотора с заслонкой, изменявшей сечение паро-
провода. Дело ухудшалось и инерционностью подвижной
части сервомотора.
В гидравлических сервомоторах, применявшихся еще в
прошлом веке для регулирования водяных турбин, время,
необходимое для разгона сервомотора, увеличивается инер-
цией жидкости, приводящей его в движение. Впрочем, и без
учета инерции это время не может быть меньше того, кото-
рое требуется для перемещения самой жидкости по трубо-
проводу, соединяющему регулятор с сервомотором. Даже в
ёбвременных электрических сервомоторах быстродействие
ограничивается как инерцией якоря двигателя, так и ем-
костями и индуктивностями деталей, входящих в электри-
ческую схему сервомотора.
101
Каков же результат совокупного действия подобных
факторов? Увы, очень скоро выяснилось, что в системе не-
прямого регулирования трудно обеспечить точное следова-
ние положения заслонки за положением регулятора. Инже-
неры говорили, что связь между ними перестала быть
жесткой.
Осознание трудности — уже полдела. Рано или поздно
оно ведет к ее преодолению. В 1873 году французский ин-
женер С. Фарко опубликовал замечательную идею жесткой
обратной связи заслонки и регулятора непрямого действия.
Главным в ней было следующее: в то время, как регулятор
при помощи сервомотора изменял положение заслонки, он
же одновременно осуществлял обратное воздействие на
свою муфту. В результате достигалось «порабощение» мото-
ра, передвигавшего заслонку. Обратная связь обеспечивала
в системе непрямого регулирования такую же ' зависи-
мость заслонки от муфты регулятора, которая характерна
для регуляторов прямого действия. Влияние люфтов в пе-
редающих звеньях при этом устранено, а масса грузов ре-
гулятора уменьшена. Наконец-то автоматические регулято-
ры стали слушаться своих создателей.
Так началась эра работоспособных регуляторов непря-
мого действия. Но новое внедряется в жизнь медленно.
Еще долго инженеры и конструкторы паровых машин, не
знавшие о работе Фарко, или не оценившие ее, или про-
сто консерваторы по натуре, применяли старые тяжелые
регуляторы прямого действия или примитивные, лишен-
ные обратной связи, регуляторы непрямого действия.
А в это время исподволь развивались и улучшали свои
характеристики водяные турбины. Конструкторы, казалось,
забывшие о водяных турбинах под влиянием бурного три-
умфа паровых машин, вновь вспомнили о них.
Водяные турбины — потомки водоподъемного колеса,
честного трудяги, обеспечивавшего водой земледельцев
Древнего Египта и Вавилона и обслуживавшего средневе-
ковые мануфактуры. До сих пор они работают на водяных
мельницах. Пережили второе рождение после изобретения
электромагнитных генераторов электрического тока и
электрических двигателей.
Турбина, вращая один мощный генератор электрическо-
го тока, может приводить в действие сразу множество стан-
ков, обходясь без громоздких трансмиссий и ременных пе-
редач. Это огромное удобство. Так возник первый толчок к
увеличению мощности водяных турбин. Тихоходные турбины
102
уступали место быстроходным, ибо те лучше соответство-
вали электрическим генераторам. Это в конце концов поз-
волило отказаться от ременных передач между турбиной и
генератором, жестко соединить их оси, а позже монтиро-
вать их на общей оси.
Развитие электротехники на первом этапе сдерживалось
потерями энергии, вызванными сопротивлением металли-
ческих проводов линий электропередачи. Дело в том, что
мощность электроэнергии, передаваемой по проводам, про-
порциональна силе протекающего тока. Но потери энергии
растут не пропорционально силе тока, а пропорционально
квадрату этой величины, то есть много быстрее.
Прямой путь уменьшения потерь — снижение сопротив-
ления проводов — был и остается очень дорогим, ибо он
требует увеличения их сечения. В прошлом веке это до-
стигалось только увеличением расхода дорогой и дефицит-
ной меди.
Первым, кто понял, что следует пойти по другому пути,
был известный русский электротехник Д. А. Лачинов.
Анализируя математическую зависимость между силой
тока и потерями, он счел, что нужно изменять не коэффи-
циент пропорциональности между величиной потерь и квад-
ратом силы тока, а множитель, связывающий с силой тока
величину передаваемой энергии. Этим множителем являет-
ся напряжение источника, питающего линию. В 1880 году
Лачинов обосновал это теоретически и опубликовал свою
работу в журнале «Электричество», который уже тогда был
одним из самых солидных научных журналов.
Через год француз М. Депре высказал эту же мысль на
электротехническом конгрессе в Париже. Еще через год
он реализовал ее, передав при помощи специального гене-
ратора напряжением в 2000 вольт на выставку в Мюнхен
энергию, вырабатываемую на водопаде в Мисбахе, удален-
ном на расстояние 57 километров. Передача осуществля-
лась при помощи обычной телеграфной проволоки, и, не-
смотря на это, потери энергии в проводах составляли «все-
го» чуть больше, чем три четверти, точнее 78 %.
Имея в виду эту работу Депре, Ф. Энгельс писал о ней
как о важном явлении прогресса и сообщал, что электри-
ческие токи очень высокого напряжения со сравнительно
слабой потерей могут передаваться по простой телеграф-
ной проволоке на неслыханные до сих пор расстояния и
быть примененными на конечном пункте. Дело это нахо-
дится еще в зародыше, но после усовершенствования окон-
103-
чательно освободит промышленность от непосредственной
привязки к рекам.
Депре, как и его предшественники, пользовался посто-
янным током, что не позволяло в те годы значительно уве-
личить напряжение и крайне затрудняло распределение
электрической энергии между отдельными потребителями.
Тогда еще не существовало хороших двигателей пере-
менного тока, поэтому переменный ток казался неприме-
нимым в промышленности. Лишь в 1887 году югославский
ученый Г. Тесла изобрел двухфазный двигатель переменно-
го тока. Но такие двигатели были несовершенными. Их пу-
сковой момент, то есть усилие, развиваемое при переходе
от покоя к вращению, и при медленном вращении, был мал.
Двухфазные двигатели не могли начинать работать под на-
грузкой.
Настоящую революцию в электротехнике произвел
М. О. Доливо-Добровольский. Он открыл, что при помощи
'^рехфазного переменного тока можно создать вращающе-
еся магнитное поле и применить его в электрических дви-
гателях нового типа, приводимых во вращение переменным
током. Он реализовал эту идею, построив генератор трех-
фазного электрического тока и трехфазный трансформатор,
вдедбразующий его напряжение. Этим Доливо-Доброволь-
ский сделал возможной экономичную передачу электриче-
ской энергии на большие расстояния и ее применение в
промышленности. При этом трехфазный генератор выраба-
тывает трехфазный ток низкого напряжения. Трансформа-
тор повышает его напряжение (при этом сила тока соответ-
ственно уменьшается) и передает электрическую энергию в
высоковольтную линию передачи. Потери энергии в этой
лицин малы, так как мала сила передаваемого тока. Конец
линии передачи присоединен к трехфазному трансформато-
ру, понижающему напряжение до величины, удобной для
применения в промышленности и быту.
В 1891 году он практически использовал свой метод, обо-
рудовав водяную турбину в городе Лауфен генератором
трехфазного тока и повышающим трансформатором, и при
напряжении 12 500 вольт передал на расстояние 175 кило-
метров в г. Франкфурт-на-Майне мощность в 200 киловатт!
Теперь до места назначения доходило 77,4 % энергии, почз
ти столько же, сколько терялось в линии Депре на втр$е
меньшем пути. В конце линии стоял трехфазный трансфера
матор, понижавший напряжение до 95 вольт и питавший
многочисленные двигатели и осветительные установки.
104
: . Линия передачи русского инженера Доливо-Доброволь-
ского со всем ее новым оборудованием привлекла к элек-
тротехнике всеобщее внимание. Она получила высокую
оценку специальной комиссии, возглавлявшейся великим
немецким ученым Г. Гельмгольцем.
Продемонстрировав возможность эффективной передачи
электроэнергии от удаленных гидростанций к потребителям
и преимущества трехфазного переменного тока, Доливо-
Добровольский заложил основы широкого развития элек-
тротехники, имевшей еще большее значение для техниче-
ского и культурного развития человечества, чем покорение
пара и другие технические достижения прошлого.
Недаром первое из названий, присвоенное XX веку, бы-
ло— век электричества. Недаром В. И. Ленин включил
электричество в свое краткое определение коммунизма:
«Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрифи-
кация всей страны».
Нужно еще раз подчеркнуть, что линии электропереда-
чи позволили территориально оторвать производство* элект-
роэнергии от потребителей, а значит, сделали выгодным
применение мощных источников дешевой энергии. Такими
источниками стали и остаются до сих пор гидравлические
турбины.
СТОДОЛА
Покорение электричества влило свежую кровь в такую
область техники, как создание автоматов. По мере увеличе-
ния мощности турбин и развития сети электропередач вы-
яснилось, что здесь невозможно обойтись без автоматиче-
ского регулирования. Вечером, когда в больших городах
включаются многочисленные электрические лампы, нагруз-
ка резко возрастает, и, если турбина не снабжена регуля-
тором, число ее оборотов заметно снижается, а вместе с ним
падает напряжение, даваемое генератором. Автоматическое
регулирование необходимо и для компенсации изменений
уровня воды, вращающей турбину. Этот уровень определя-
ется метеорологическими условиями, но совершенно не за-
висит от нагрузки электростанции. Конечно, необходимое
регулирование может осуществлять человек, но ни один ра-
зумный инженер не мог смириться с тем, чтобы человек де-
лал то, что можно поручить автомату.
; Водяные турбины, в отличие от паровых машин, облада-
ют большим саморегулированием. Это значит, что враще-
105
ние турбины однозначно связано с нагрузкой. Инженеры
выражают это свойство турбин словами «водяные турбины
обладают характеристикой». Паровые машины без регуля-
тора, как мы знаем, не имеют такой однозначной связи, то
есть, они «не обладают характеристикой». Поэтому при
отсутствии регулятора и изменении нагрузки их скорость
начинает неудержимо изменяться, и это происходит до тех
пор, пока машина не остановится или не разрушится.
Только регулятор «создает характеристику» системы «паро-
вая машина — регулятор». Это хорошо понимал Вышнеград-
ский. Этого не учел в своей работе «О регуляторах» гени-
альный физик Максвелл, о чем мы уже говорили.
Первая научная работа, посвященная регулированию
водяных турбин, появилась в 1885 году. Ее авторОхМ был
француз М. Леоте, специалист по гидравлике. Он отлично
понимал, что водяные турбины обладают собственными ха-
рактеристиками и поэтому регулятор должен лишь коррек-
тировать эти характеристики. Таким образом, задача, воз-
никшая перед Леоте, была аналогична той, что решал
Максвелл.
Однако было одно существенное отличие. Заслонки в
паропроводах паровых машин во времена Максвелла не
были тяжелыми и легко подчинялись непосредственному
действию регулятора. Поэтому перед Максвеллом стояла
задача о прямом регулировании. Заслонки в трубопрово-
дах, питающих водяные турбины уже в то время, когда
ими заинтересовался Леоте, были много более массивными,
ибо они должны были противостоять большему давлению
воды, значительно превышающему давление пара. Для этих
заслонок, двигавшихся с большим трением, приходилось
использовать регуляторы непрямого действия, включающие
сервомотор.
Леоте не оценил работы Фарко, который более чем за
десять лет до того выдвинул, как мы знаем, и описал идею
жесткой обратной связи и показал, как в системах непря-
мого регулирования устранить влияние люфтов.
Первым оценил идеи Фарко и применил их Андреа Сто-
дола. Он обладал самобытным, оригинальным умом. Стодо-
ла родился в 1859 году. Его родители были словаками. Он
блестяще учился в реальном училище города Левица, а за-
тем перешел в реальное училище города Кошица и окон-
чил его с отличием.
Свое образование Стодола продолжает в Будапештском
политехникуме, получая стипендию за выдающиеся успехи.
106
В девятнадцатилетнем возрасте в 1878 году оканчивает
политехникум.
В том же году Стодола поступает в Цюрихский универ-
ситет, но тяга к технике приводит его в знаменитый Цюрих-
ский политехникум с его блестящими профессорами. Этот
политехникум, как известно, закончил и А. Эйнштейн.
Стодола возвращается в Будапешт в 1881 году, имея
диплом с отличием по специальности инженера-механика,
позволивший ему занять место в мастерских Государствен-
ных железных дорог. Однако работает он здесь не долго.
Стодола хочет продолжать инженерную подготовку, но в
Будапеште тех лет учиться было не у кого. В 1883 году
молодой инженер получает работу в Высшей технической
школе в Берлине и слушает лекции как в самой школе, так
и в Берлинском университете. Через год Стодола переезжа-
ет в Париж и слушает лекции в Сорбонне.
В конце 1884 года на фабрике по изготовлению ремней,
принадлежавшей отцу Стодолы, произошел пожар. Стодола
возвращается домой, руководит восстановлением фабрики,
а затем и ее работой. Однако это не удовлетворяет стрем-
ление Стодолы к инженерной деятельности. Он поступает
на знаменитый машиностроительный завод фирмы Рустон
и К° в Праге, где работает с 1886 по 1892 год. За это вре-
мя Стодола стал выдающимся инженером-машиностроите-
лем, отличающимся верным глазом и инженерной интуи-
цией. Он научился не только создавать оптимальные конст-
рукции машин, но и почти без расчетов, на глаз, опреде-
лять точные размеры отдельных частей машины. Стодола
испытал ряд паровых машин, гидротурбин, крупных венти-
ляторов и воздуховок для шахт и металлургических заво-
дов. Он как никто умел оценить их достоинства и слабые
места, знал, как их улучшить.
В 1892 году ректор Цюрихского политехникума Блей-
лер, постоянно следивший за успехами своих воспитанни-
ков, предложил Стодоле место ординарного профессора.
Так 33-летний инженер-механик занял кафедру маши-
ностроения в Цюрихском политехникуме. Он возглавлял ее
вплоть до 1929 года, пока не достиг 70 лет — предельного
возраста для профессора в Швейцарии.
Стодола все эти годы не только читал лекции студен-
там и руководил их работой. Он создал при кафедре иссле-
довательскую машиностроительную лабораторию, ставшую
лучшей в Европе. Кафедра и лаборатория под руководст-
вом Стодолы повысили престиж Цюрихского политехнику-
107
ма и прославились выдающимися результатами в области
автоматического регулирования, проектирования и конст-
руирования паровых, а затем и газовых турбин.
Работы Стодолы по автоматическому регулированию
выходят далеко за пределы задач, связанных с турбинами.
Это важнейшие фундаментальные исследования, давшие
науке и технике регулирования даже больше, чем труды
Максвелла и Вышнеградского, которые относительно мало
занимались проблемами регулирования.
Работы Стодолы тщательно штудируют ученые, которые
в наши дни работают над созданием автоматов и роботов.
Разберемся в сути его новаторских идей.
Водяные турбины прошлого века, с которыми имел дело
Стодола, отличались от водоподъемных колес древности и
от современных мельничных колес наличием подводящего
трубопровода.
С такими турбинами пришлось иметь дело Стодоле, и он
должен был выяснить, почему так трудно добиться устойчи-
вости их работы. Стодола хорошо знал результаты, полу-
ченные Вышнеградским для паровых машин, и владел его
математическим методом.
Он понимал, что метод Вышнеградского для паровых
машин применим во много более широкой области: в част-
ности, может быть использован для изучения интересующей
его проблемы устойчивости водяных турбин. В одних слу-
чаях Стодола непосредственно сводит решение уравнений,
которыми описывает свойства водяных турбин и соответст-
вующих регуляторов, к решениям Вышнеградского. В дру-
гих— развивает их дальше. О работе Максвелла Стодола,
по-видимому, не знал ничего. Не знал он и о работах Рауса,
имевших большое значение для выяснения вопроса об ус-
тойчивости процесса регулирования. Зато Стодола хорошо
понимал идею Фарко об обратной связи. Он применял ее
не только при проектировании турбин, но и при их иссле-
дованиях, используя возможность упрощения сложных мате-
матических зависимостей, даваемую применением обратной
связи.
Однако даже упрощение не позволяло решить задачуав!
тематического регулирования водяной турбины в полном
объеме. Стодола имел дело с более сложной системой, чем
Вышнеградский. Свойства паровой машины с регулятором
можно достаточно точно описать при помощи трех перемен-
ных величин, связанных тремя простыми уравнениями. При
этом вопрос об устойчивости сводится к решению алгебраи-
10в
четкого уравнения третьей степени (кубического уравне-
ния), а формулы для решения такого уравнения уже давно
получил итальянский математик И. Кардано.
На основе этих формул Вышнеградский и добился за-
мечательных результатов, воплотив их в наглядную диаг-
рамму.
Для того чтобы проанализировать работу водяной тур-
бины, Стодола должен был учесть не только свойства са-
мой турбины и ее регулятора. Важны и данные сервомото-
ра, управляющего заслонкой по сигналу регулятора, а так-
же наличие трубопровода, подающего воду к турбине, и воз-
душного колпака, ставшего к тому времени почти обяза-
тельным элементом трубопроводов. Воздушным колпаком
называют металлический сосуд, нижняя часть которого
соединена с трубопроводом. Обычно сосуд почти целиком
заполнен воздухом. Когда давление воды в трубопроводе
увеличивается, она проникает в воздушный колпак, сжимая
в нем воздух. Необходимость выяснения и учета роли всех
этих элементов привела к тому, что перед Стодолой возник-
ла задача, отличавшаяся большой математической сложно-
стью. Это была настоящая научная целина.
ТУРБИНЫ СОПРОТИВЛЯЮТСЯ
Воздушные колпаки располагали в трубопроводах не-
посредственно перед входом воды в турбину. Это привело
к крайне неприятным последствиям, возникшим перед Сто-
долой, как и перед многими инженерами, занимавшимися
проектированием и эксплуатацией водяных турбин.
Оказалось, что некоторые турбины, несмотря на нали-
чие регулятора, на мощный и быстродействующий сервомо-
тор и большой воздушный колпак, работали нестабильно.
Причем малейшее изменение положения заслонки или на-
грузки приводило к совершенно необъяснимым, колебани?
ям скорости вращения турбины. Самым непонятным и опас-
ным была непреодолимая тенденция к нарастанию этих-ко-
лебаний. Погасить их удавалось лишь полным прекращени-
ем подачи воды — тогда турбина останавливалась, лишен-
ная движущей силы.
Повторное включение приводило к тем же результатам.
Вновь возникали нарастающие колебания, и турбину при-
ходилось выключать.
Удивительным было и то, что не все турбины данной
конструкции обладали таким недостатком. Большинство из
109
них работало нормально, послушно следуя сигналам регу-
лятора при самых различных уровнях нагрузки. Возникло
подозрение, что причиной неустойчивости являются свойст-
ва трубопровода. Как правило, длина его, а иногда и сече-
ние зависят от местных условий и оказываются различными
на разных установках.
Но предсказать, в каких случаях возникает неустойчи-
вость и что делать для ее устранения, не мог никто.
Стодола при попытке теоретически исследовать эту си-
туацию столкнулся с трудностью. Оказалось, что при мате-
матическом описании системы, содержащей турбину с ре-
гулятором и сервомотором, питающуюся через трубопровод,
оборудованный воздушным колпаком и заслонкой, необхо-
димо учитывать возможность одновременного изменения, по
крайней мере, шести величин! А вопрос об устойчивости ра-
боты этой системы требовал исследования шести простей-
ших алгебраических уравнений, что эквивалентно одному
алгебраическому уравнению шестой степени.
В то время уже было доказано, что принципиально не-
возможно найти полные решения уравнения шестой степени
в виде алгебраических формул. Но Стодола знал, что для
определения устойчивости исследуемой им системы вовсе
не нужно находить сами решения этого уравнения. Доста-
точно знать лишь некоторые их свойства.
В работах Вышнеградского, на которые опирался Сто-
дола, нет ничего, что относится к уравнениям степени выше
третьей. Ни у кого из математиков Стодола не обнаружил
ничего полезного.
Не видя иного выхода, Стодола задумал начать исследо-
вания идеализированных случаев. Он отважился отбрасы-
вать при изучении реальной сложной системы один за дру-
гим различные ее параметры — для того чтобы, рассматри-
вая остальные, можно было применять метод, развитый Выш-
неградским и приводящий к уравнению третьей степени.
Одновременно Стодола обратился к своему товарищу
по Цюрихскому политехникуму А. Гурвицу с просьбой — не
может ли он найти необходимые и достаточные условия,
которым должны удовлетворять коэффициенты алгебраиче-
ского уравнения любой степени для того, чтобы все решения
данного уравнения имели отрицательные действительные
части? Знание этих условий позволило бы проектировать
любые устройства автоматического регулирования так, что-
бы в них не возникли самопроизвольно нарастающие коле-
бания.
110
Гурвиц был талантливым математиком. Задача, постав-
ленная Стодолой, привлекла его не только как важная, ак-
туальная проблема техники. Гурвиц понимал, что это одна
из фундаментальных задач алгебры. Он считал, что реше-
ния этой трудной задачи еще не найдено. В нем пробудил-
ся азарт первооткрывателя...
В это время Стодола составил полные уравнения дви-
жения исследуемой системы и, следуя своему плану, при-
нялся упрощать их, отбрасывая в различных комбинациях
один за другим различные члены своих уравнений. Дейст-
вуя так, он упрощал их до тех пор, пока оставшаяся часть
не становилась доступной математическим методам, восхо-
дящим к Вышнеградскому. Таким образом, он мог двигать-
ся, не дожидаясь окончания работы Гурвица.
Естественно, подобное упрощение нельзя производить
произвольно. Иначе неизбежна бессмыслица. Здесь неза-
менима интуиция, позволяющая физику и инженеру избе-
жать напрасного труда и опознать тупиковые пути и реше-
ния, неприменимые к осмысленным конструкциям. Такая
интуиция была одной из характерных черт Стодолы-иссле-
дователя. Но и она не могла полностью заменить строгого
математического анализа. Упрощенные методы приводили
к сюрпризам. В некоторых случаях полученные решения без
видимых причин противоречили результатам экспериментов.
Пробуя и ошибаясь, Стодола убедился в том, что свести
анализ поведения системы «турбина — регулятор — серво-
мотор — заслонка — трубопровод — воздушный колпак» к
уравнениям, аналогичным уравнениям Вышнеградского,
можно только при одном непременном условии: среди от-
брасываемых параметров обязательно должна быть масса
регулятора. Он не мог объяснить, почему возникло это тре-
бование, которое выделяло массу регулятора среди осталь-
ных параметров системы. Но уравнения показывали, что
даже при исследовании упрощенных вариантов конструк-
ции попытка учесть влияние массы регулятора приводила
к непреодолимым трудностям — никак не удавалось ответить
на вопрос о том, будет ли система работать устойчиво или
нет. Для решения даже упрощенных задач при учете мас-
сы регулятора приходилось ждать, пока Гурвиц не добьется
успеха.
Тогда Стодола разбил свой анализ на две части. Сперва
он предположил, что сервомотор, примененный в системе, дей-
ствует мгновенно. Затем отдельно рассмотрел случай мед-
ленно работающего сервомотора. Этим намного облегчи-
Ш
лись трудности математического анализа, без потери пол-
ноты и точности результата.
Так вилась нить рассуждений Стодолы. Так мысль иска-
ла самое верное, самое красивое, самое целесообразное ре-
шение проблемы. Путь Стодолы к нахождению правильного
решения характерен для технического и научного поиска —
их пути всегда перекрещиваются. И только такая переклич-
ка действительно ведет к прогрессу, который отметает ту-
пиковые пути.
Работа Стодолы придала теории автоматического регу-
лирования новые краски, глубину, возможность служить
науке в будущем, когда возникнут задачи автоматики и ро-
ботики, те задачи, которые решает наука об автоматичес-
ком регулировании в наши дни.
ПОД НАТИСКОМ МАТЕМАТИКИ
Последовательно изучив каждый из упрощенных вари-
антов задачи, Стодола реализовал все пути исследования
водяной турбины в пределах математических возможнос-
тей, полученных им из работ Вышнеградского. Статья бы-
ла направлена в печать и опубликована в 1893 году.
В этом же году Гурвиц добился успеха, о чем расскажем
немного ниже. Теперь Стодола мог двигаться дальше.
Стодола пишет: «Можно показать, что масляный ката-
ракт не только необходим для уравновешивания инерцион-
ных сил. Но и в случае идеального регулятора является луч-
шим средством для уменьшения колебаний. А поэтому пред-
ставляет известную противоположность «медленно дейст-
вующему сервомотору», от которого надеялись получить
подобные результаты непосредственно».
И Стодола действительно показал расчетом и подтвер-
дил опытом, что применение катаракта позволяет отказать-
ся от применения маховиков и свести вращающуюся массу
турбины до массы ее рабочего колеса.
Но прежде, чем рассказывать о дальнейших исследова-
ниях Стодолы, нужно пояснить, как мы и обещали, чего
добился Гурвиц. При этом нельзя обойтись без возвраще-
ния к Максвеллу. { \
Максвелл, как мы знаем, изучал теорию работы регуля-
торов прямого действия и имел дело с уравнениями третьей
степени. Поэтому вопрос об устойчивости исследуемых ре-
гуляторов не составлял для него проблемы.
Конечно, Максвелл отлично понимал важность исследо-
112
вания более сложных систем автоматического регулирова-
ния. Он начал изучать процесс взаимодействия машины
с «двухступенчатым» регулятором, то есть с регулятором не-
прямого действия, но не мог справиться с математическими
трудностями, и работа оказалась незаконченной.
Уже в статье «О регуляторах» Максвелл написал, что
не в состоянии определить условия устойчивости для сис-
тем, описываемых уравнениями выше третьей степени. Так
он стремился привлечь к этой проблеме внимание матема-
тиков.
Более того, на заседании Лондонского математического
общества 23 января 1868 года Максвелл прямо спросил: не
может ли кто-нибудь из членов Общества найти способ
получения необходимых и достаточных условий отрицатель-
ности действительных частей корней (решений) алгебраи-
ческого уравнения любой степени? И добавил, что решение
этого вопроса представляет интерес для теории автомати-
ческого регулирования.
В 1875 году Максвелл предложил эту же проблему на
премию Адамса 1877 года. Премия досталась Раусу. Тому
самому Раусу, который вместе с Максвеллом окончил Кемб-
риджский университет, получив звание бакалавра с отличи-
ем первой степени и предоставив будущему гениальному
физику довольствоваться отличием второй степени.
Раусу удалось получить то, что теперь называется ал-
горитмом. То есть он нашел простую последовательность
операций, которую достаточно повторять раз за разом с
целью получить нужные результаты.
Так Раус сделал возможным исследование устойчивос-
ти установившегося движения любой колебательной систе-
мы (а не только системы автоматического регулирования)
по простому шаблону, не требующему глубоких математи-
ческих познаний.
Эти и другие важные результаты Рауса вошли в его кни-
гу «Высшая динамика твердых тел», которая появилась в
1877 году, многократно переиздавалась и получила широ-
кую известность среди математиков и специалистов по тео-
ретической и прикладной механике. Эта книга и сегодня не
утратила своего интереса и значения, так как каждый ав-
томат или робот — это динамическая система и к ее конст-
руированию применимы общие принципы теории автомати-
ческого регулирования.
Ученые и инженеры, занимавшиеся в то время автома-
тическим регулированием, по-видимому, не знали этой кни-
113
ги. Возможно, их отпугивало название «Высшая динами-
ка...», во всяком случае они не понимали ее значения для
решения задач, постоянно возникавших перед ними.
Гурвиц тоже не знал о книге Рауса. Результаты Гурви-
ца, по существу, совпадают с тем, что получил Раус, но име-
ют более удобную форму, которую сейчас применяют все,
занимающиеся проблемами устойчивости колебаний слож-
ных систем, в том числе систем автоматического регулиро-
вания.
Прошло свыше двадцати лет после того, как Раус до-
бился своих результатов. И шесть лет после того, как Гур-
виц получил их заново. И вот Стодола установил и в своей
работе 1899 года указал на приоритет Рауса и важность его
книги для тех, кто работает в области систем автоматичес-
кого регулирования. После этого на труды Рауса, как и на
работу Гурвица, ссылаются все чаще и чаще, и, наконец,
в литературе возник обычай называть критерий устойчи-
вости автоматической системы «условиями Рауса — Гур-
вица».
Интересно, что физик Максвелл, инженеры Вышнеград-
ский и Стодола и помогавшие им математики Раус и Гур-
виц, изучая устойчивость системы «машина — регулятор»,
нигде не дали точного определения того, что они имеют
в виду, говоря об устойчивости. Не дали они и обоснования
законности оценки устойчивости сложных динамических си-
стем путем исследования свойств решений упрощенных
уравнений.
Все это осуществил в 1892 году знаменитый русский ма-
тематик А. М. Ляпунов, имея в виду исследование устойчи-
вости вращающихся астрономических тел, например звезд.
Вспомним, что Максвелл тоже привлек к исследованию ре-
гуляторов метод, первоначально разработанный им для изу-
чения свойств колец Сатурна. В обоих случаях оказалось,
что одинаковые математические уравнения способны опи-
сывать весьма различные процессы в физике и технике, вы-
являя этим глубокую общность, присущую таким внешне
не похожим явлениям.
При исследовании движения вращающихся жидких тел
возникают весьма сложные уравнения. Ляпунов начал с то-
го, что задал себе вопрос: в каких случаях реальная звезда
может быть идеальной жидкой сферой? И ответил: если
свойства сил, действующих на ее вещество, наряду с силой
тяжести таковы, что любое малое возмущение формы ее
поверхности не увеличивается больше заданного малого
114
предела. Если достаточно малые отклонения поверхности
от идеальной сферы всегда остаются ниже заданной зара-
нее, произвольно выбранной малой величины. Под возму-
щением формы он имел в виду навязанное ей или случайное
изменение.
Усложняя задачу, Ляпунов рассмотрел вращающуюся
жидкую звезду. Ее равновесной формой должен быть сфе-
роид— поверхность, напоминающая сферу, сжатую у по-
люсов. Таковы Земля, Солнце, все планеты и звезды. При-
чина деформации — центробежная сила, возникающая
вследствие вращения.
Но как поведет себя звезда, если она вращается не как
единое целое? Ведь известно, что скорость вращения Солн-
ца у экватора больше, чем в высоких широтах у полюсов.
Солнце, несомненно, является устойчивым. Оно существует
около 10 миллиардов лет. Можно ли определить, при каких
условиях и другие вращающиеся звезды сохраняют устой-
чивость? Правило то же: нужно выяснить условия, при ко-
торых отклонения от устойчивой конфигурации не превзой-
дут заданного малого предела, несмотря на действие доста-
точно малых, но в остальном произвольных возмущений.
Это знаменитые условия Ляпунова, применимые не толь-
ко к оценке устойчивости вращающихся жидких тел, но и к
любым динамическим системам — машинам, автоматам, ро-
ботам. Рецепт прост.
Нужно узнать, имеется ли хоть малейшая допустимая
возможность автомату отклониться от предписанного ему
движения. Или более формально: каковы жесткие условия,
из которых система не должна выйти, несмотря на воздей-
ствие на нее каких-то возмущений?
Ляпунов сумел строго математически доказать, что от-
вет на вопрос для любых автоматов дают упрощенные урав-
нения. Ляпунов продемонстрировал, как их получать. Так
задача об устойчивости автоматов стала на твердый мате-
матический фундамент.
В дальнейшем потребовалось решать более сложные за-
дачи. Например, заранее определять, сохранится ли устой-
чивость проектируемой автоматической установки при боль-
ших возмущениях. Оценивать до создания реальной систе-
мы, какие возмущения допускаются и что нужно сделать,
чтобы придать ей устойчивость при больших возмущениях?
Без научно обоснованного подхода невозможно проектиро-
вать производства, снабженные и управляемые гибкими ро-
ботизированными комплексами.
115
Наступил момент, и Стодола сообщил инженерам о сво-
их выводах. Он точно знал, при каких условиях автомати-
ческий регулятор, реагирующий не только на величину ско-
рости вращения, но и на изменение этой скорости, может
устойчиво работать, сводя ошибку регулируемой величины
точно к нулю.
Для того чтобы помочь инженерам и конструкторам,
Стодола представляет свои результаты в виде диаграмм,
являющихся развитием диаграммы Вышнеградского. При
этом он называет величины, откладываемые по оси диаграм-
мы, параметрами регулирования Вышнеградского.
Стодола окончательно решает вопрос о катаракте. Он
пишет, что вывод о его необходимости для обычных регуля-
торов был получен Вышнеградским еще в 1877 году. Одна-
ко его теория встретила много сомнений, подкрепляемых
ссылками на большое число регуляторов, хорошо действу-
ющих без катаракта. При этом сомневающиеся совершенно
упускали из вида, что в этих регуляторах или в их переста-
новочных органах всегда имеется некоторое трение, котарое
при возникновении колебаний гасит живую силу массы ре-
гулятора. Иначе говоря, вызывает затухание колебаний.
Таким образом, безусловно справедливым является прави-
ло — если трение отсутствует, то устойчивое регулирование
невозможно, так как при этом никогда нельзя сделать до-
статочно малыми массу или ход регулятора. .
Так Стодола завершил фундаментальные исследования
в области классической теории автоматического регулиро-
вания. Он придал ей форму, сохранившуюся до наших дней,
сделал ее доступным инженерам инструментом проектиро-
вания систем автоматического регулирования. Успех Сто-
долы в понимании роли сухого трения стал решающим в
последующем развитии современной теории автоматичееко-:
го регулирования, без которой не было бы ни автопилотов,
ни космических ракет, ни автоматизации многочисленных
технологических процессов, ни роботов, ни современных
автоматизированных производств.
Второе десятилетие XX века характеризуется быстрым
расцветом автоматических систем. Повсеместно появляют-
ся регуляторы, чувствительные элементы которых реагиру-
ют как на значение регулируемой величины, так и на ее из-
менение. ( ч
Регуляторы позволили достичь устойчивости автомата*
ческих систем при исключении сухого трения, люфтов, мерт-
вых ходов и других элементов, уменьшающих точность ре-
116
гу’лйрования и затрудняющих исследование и проектирова-
ние, и регулировку средств автоматики.
111ироко использовала системы автоматического регули-
рования военная техника. Наиболее сложные технические!
задачи стояли перед военно-морскими инженерами. Нужно
было обеспечить точную наводку орудий в условиях качки
и управление торпедами. Аналогичные проблемы возникли
затем и в авиации.
Постепенно именно в этих областях развилось понима-
ние того, что все более жесткие требования к точности ав-
томатического регулирования не могут быть удовлетворе-
ны, если не учитывать при расчетах неизбежных, хотя и ма-
лых, влияний сухого трения и люфтов, которыми ранее
пренебрегали как несущественными, но сильно осложняю-
щими расчеты.
Начиналась эра, в которой эти «второстепенные факто-
ры» играют решающую роль.
ГЛАВА 4. НАКАНУНЕ
«ВПЕРЕДИ — ТУПИК»
В этой главе мы попробуем ответить на вопрос — можно
ли заранее, до конструирования машин, будь то часы, иной
автомат или робот, установить будущие свойства проекти-
руемого механизма? Эта проблема стоит и сегодня, в эру.
научно-технического прогресса. Ее ставили перед, собой и
первые, в сегодняшнем смысле непрофессиональные конст-
рукторы— Архимед, Галилей, Леонардо да Винчи. И до сих
пор это первоочередная проблема роботики.
...Кто из водителей автомобиля не встречал обескура-
живающий дорожный знак «Впереди—тупик», означаю-
щий, что кратчайшая и легкая на вид дорога в действитель-
ности не ведет к цели!
В науке и технике, в творческом поиске, к сожалению,
никто не ставит подобных предупредительных знаков. Тот,
кто идет первым, лишь указывает — я встретил непреодо-
лимое препятствие... Но многие из последователей думают:
я сумею преодолеть, я искуснее, я настойчивее, наконец, мо-
жет. быть, ему просто не повезло, а мне повезет... Так на
многих направлениях постепенно накапливаются предосте-
режения. Один пишет — «и я не смог». Другой указывает —
«и этот метод не годится...».
117
Иногда находится храбрец, ставящий вопрос ребром —
может быть, тупик не существует? Ведь история науки зна-
ет: самое рискованное — сказать «нет, нельзя». Многие
крупнейшие ученые совершали ошибку, заменяя без доста-
точного основания скромное «не знаю, как» решительным
«невозможно». Так случилось, например, с великим Э. Резер-
фордом, открывшим ядро атома и впервые сумевшим рас-
щепить некоторые ядра. Он говорил, что исследования ядра
не приведут к результатам, важным для практики. Он счи-
тал, что это лишь область фундаментальных исследований,
углубляющих наши знания. Но не более того. Менее чем
через полстолетия ученые поняли, что это не так.
В математике существуют строгие методы доказатель-
ства невозможности какой-либо математической ситуации
или неразрешимости иной задачи. В других областях зна-
ния ученые и инженеры вынуждены ограничиваться ссыл-
кой на очевидные факты. А такие встречаются во многих
опытах и явлениях природы — они попросту не могут быть
сведенными к более простым. Так возникают аксиомы, зна-
комые каждому школьнику, например аксиомы геометрии,
а среди них и знаменитая аксиома геометрии Евклида: две
параллельные линии не пересекаются между собой. Почти
два тысячелетия она считалась одной из незыблемых основ
геометрии. Сомнения во всеобщности аксиомы о параллель-
ных возникли в начале эпохи великих географических от-
крытий, когда ученые окончательно убедились в том, что
Земля шарообразна. Картографы первыми обнаружили слу-
чай, при котором аксиома о параллельных неприменима.
Ведь на поверхности сферы нарушается следствие ак-
сиомы о параллельных — теорема о том, что две прямые,
перпендикулярные третьей, параллельны между собой. Но
все меридианы перпендикулярны экватору, однако все пе-
ресекаются в полюсе. Если ошибочно следствие, то не мо-
жет быть верной основа, из которой оно получено. Значит,
на поверхности сферы неприменима геометрия Евклида.
Так возникла новая — сферическая — геометрия, геометрия
на сфере (на поверхности шара), в которой просто не суще-
ствует обычных прямых линий, а поэтому к ней непримени-
ма аксиома о параллельных.
Со временем математики обнаружили, что сфера в этом
смысле не является исключением. Сжатая сфера — эллип-
соид и более сложная поверхность птичьего яйца обладают
таким же свойством. Геометрия Евклида неприменима ко
всем не плоским поверхностям.
118
Математики надеялись, что исключения, к которым не
применима аксиома о параллельных, существуют только на
поверхностях, но не в обычном трехмерном пространстве.
Но их надежды рухнули в 1826 году, когда Н. И. Лоба-
чевский — замечательный русский математик построил но-
вую геометрию, основанную на том, что знаменитая аксио-
ма о параллельных не обязательно должна выполняться и
в пространстве. Он пришел к другому выводу: возможны
случаи, когда через точку, не лежащую на данной прямой,
можно провести не одну, а, по крайней мере, две параллель-
ные ей прямые. На этой основе он создал новую, неевкли-
дову геометрию. Ее называют геометрией Лобачевского, и
она столь же непротиворечива, как геометрия Евклида. Не-
мецкий математик Б. Риман создал еще одну геометрию,
не совпадающую с геометриями Евклида и Лобачевского.
Существование неевклидовых геометрий вовсе не озна-
чает, что геометрия Евклида не верна. Пришлось лишь ог-
раничить старое представление о ее всеобщей применимос-
ти. В реальном мире существуют случаи, когда к правиль-
ным результатам приводит не геометрия Евклида, а одна
из неевклидовых геометрий. Но в будничной деятельности
людей в подавляющем числе случаев можно и должно поль-
зоваться геометрией Евклида.
Пример с евклидовой и неевклидовой геометриями по-
казывает, что во многих случаях даже в математике доказа-
тельство невозможности составляет труднейшую задачу. В
физике это еще труднее. Иногда, даже после доказательст-
ва невозможности чего-либо, доказательства, кажущегося
безупречно строгим, впоследствии оказывается, что некото-
рые, ранее не учтенные обстоятельства перечеркивают преж-
ний результат.
Так было, например, с законом Ома, который с успехом
применяется теперь и будет служить людям' вечно во всех
случаях, кроме описания свойств материалов с особыми
свойствами — сверхпроводников и некоторых полупровод-
ников.
В интересующих нас автоматических саморегулирую-
щихся системах, в роботах нарушения запретов, казавших-
ся бесспорными, все более часты по мере усложнения за-
дач, возникающих в технике.
В технических задачах слово «понять», как правило, сво-
дится к умению описать процесс функционирования маши-
ны на языке математики. Теперь принято толковать «спо-
собность понять» как умение составить математическую
119
модель. По существу, это одно и то же, потому что содержа;,
ние выражения «составить математическую модель» сводит-,
ся к написанию математического уравнения или системы
уравнений.
Выражение «математическая модель» очень наглядно
отражает глубокую суть истинно научного метода матема-
тического описания природных явлений или машин. Рань-
ше, а иногда и сейчас, для той же цели применяют слово
«идеальный», например, идеальный маятник, или слово
«идеализированный», например, идеализированная схема.
Эти слова иногда приводили к недоразумениям, ибо в дей-
ствительности изучались не идеальные, а реальные явления
или машины.
Слово «модель» четко и ясна указывает на то, что речь
идет об упрощенном варианте, не содержащем всех тонко-
стей явления. Слова «мая^матичеекая модель» говорят не
об опытном изучении исследуемого объекта или его реаль-
ной конструкции, а о математическом описании воображае-
мой, умозрительной модели. Она вовсе не должна, а иногда
и не может быть воплощена в металле или каким-либо иным
способом. Эта, модель, по существу, совпадает с математи-
ческим уравнением, описывающим, явление. Точность сов-
падения не всегда зависит от исследователя. Конечно, он
стремится выяснить интересующие его детали или особен-
ности объекта исследования. Стремится и к максимальному
соответствию своей модели изучаемому объекту.
Но, к сожалению, иногда степень соответствия матема-
тической модели и реальности определяется не тем, что ис-
следователь сознательно отбрасывает второстепенные дета-
ли. Во многих случаях его ограничивает несовершенство
математических методов. Ученый вынужден. говорить се-
бе— лучше изучить такую математическую модель, с ко-
торой я могу справиться, чем написать уравнения, которые
невозможно решить. Как мы знаем, этот путь избрали Мак-
свелл, Вышнеградский и Стодола, а за ними и другие соз-
датели регуляторов и автоматических систем.
Сейчас создание и развитие ЭВМ открывает путь к ис-
следованию с необходимой точностью тех задач, точное,
решение которых неизвестно или приводит к необозримо,
громоздким вычислениям. Но такая возможность появиТ!
лась совсем недавно. И еще теперь большинство ученых)
предпочитает получить точное математическое решение, со-,
держащее хорошо изученные математические функции, чем
ограничиваться приближенным решением, выраженным при
120
помо'щи таблиц или даже в форме графиков. Дело в том, что
таблицы и графики, если их размеры конечны (то есть не
бесконечно велики), не могут описать все возможные вари-
анты и все, даже самые необходимые, подробности в свой-
ствах и поведении объекта. Напротив, хорошо изученные
математические функции позволяют ученому представить’
себе воображаемую физическую модель, первоначально
скрытую в уравнениях математической модели.
Такая воображаемая физическая модель служит осно-
вой того, что принято называть физической интуицией. Фи-
зическая интуиция позволяет представить себе и предска-
зать поведение и свойства реального объекта в тех случа-
ях, для которых заранее не получено математическое
решение. И в тех ситуациях, которые не поддаются или
трудно поддаются воспроизведению в реальном опыте.
Уже в далеком прошлом ученые, не прибегая к термину
«математическая модель», фактически применяли ее в сво-
их исследованиях. Начало этому подежщ! Галилей. Как из-
вестно, он еще в ранней молодости заметил, что период ка-
чания лампад в церкви зависит от длины их подвеса. С это-
го началось. Изучая движение маятника, он понял, что ос-
новные его свойства могут быть описаны и поняты путем
составления и решения уравнения некоторого воображае-
мого, идеального, маятника. Для этого достаточно выразить
математически особенности качания бесконечно малого
(точечного) груза, подвешенного на невесомой нити, не ис-
пытывающей сопротивления воздуха. Такие уравнения мы
теперь называем математической моделью маятника. Рань-
ше говорили просто о «математическом маятнике», имея в
виду именно его математическую модель.
При этом Галилей сразу встретился с необходимостью
ограничить свою модель. Он мог составить уравнение, опи-
сывающее движение маятника, размахи которого произ-
вольно велики. Но ни он, ни другие ученые того времени не
могли, не умели решить это уравнение. Не знали, как вы-
числить период колебаний маятника, если известна его дли-
на, но крайние положения его нити сильно отклоняются от
вертикали. Трудность возникла потому, что в простое на
вйд уравнение движения маятника, составленное Галилеем,
входила одна из наиболее элементарных функций: синус.
Синус оказался камнем преткновения. Галилей не знал,
как решить такое уравнение. (Не знали этого и многие по-
коления ученых, живших после Галилея.)
Величие Галилея проявилось в том, что он понял и ре-
121
шился применить на практике метод идеализации — созда-
ние упрощенных математических моделей, сохраняя в них
главное и отбрасывая второстепенное. Для того чтобы дви-
гаться таким путем, нужно обладать мощной интуицией,
способностью предвидеть, представить, что можно отбро-
сить без ущерба для достижения цели, а что необходимо
учесть и описать. Надо чувствовать, как действовать, чтобы
с водой не выплеснуть ребенка. Такая интуиция может быть
приобретена, вернее, развита только на основе опыта. При
помощи хорошо продуманных и сопоставленных мысленных
экспериментов, при которых ученый изменяет или отбрасы-
вает те или другие компоненты объекта, изучает и сопо-
ставляет результаты такого отбрасывания.
Конечно, при этом можно и даже полезно сравнивать
свои результаты с полученными другими исследователями.
Привлекать и анализировать различные математические
методы. В предыдущей главе мы видели, как этим путем
шел Стодола, пока Гурвиц не справился с задачей, постав-
ленной перед ним Стодолой. И как, вооруженный методом
Гурвица, он все же анализировал упрощенные модели, что-
бы его результаты были доступны менее подготовленным
читателям.
Изучая маятник, Галилей не ограничился тем, что за-
менил его реальный подвес невесомой нитью, а груз пред-
ставил при помощи совершенно фантастической математи-
ческой точки, не имеющей размеров, но обладающей весом.
Он ограничил исследования случаем малых колебаний ма-
ятника, руководствуясь при этом чисто математическими
соображениями. Он воспользовался тем, что сейчас зна-
ет каждый: для малых углов разница между величиной
угла и его синусом становится столь малой, что при вычис-
лениях можно пользоваться не значением синуса, а вели-
чиной угла. Для колебаний, при которых отклонения под-
веса от вертикали малы, Галилей заменил синус угла от-
клонения самим углом. В результате такой замены полу-
чилось простое, легко решаемое уравнение. Чтобы оценить
интуицию Галилея, следует иметь в виду, что допустимость
такой замены математически была доказана много позже.
Так Галилей получил надежное доказательство основ-
ного свойства маятника, угаданное им в юности, когда он,
скучая во время богослужения, наблюдал качание лампад.
Он сформулировал общеизвестный теперь закон: если
размахи маятника малы, его период зависит только от дли-
ны подвеса.
122
Этот простой закон справедлив для всех маятников,
однозначно связывает период их колебания с длиной под-
веса и выражает эту связь легко доступной формулой, в ко-
торую кроме длины входит только постоянная величина.
Но не так-то просто применить эту формулу к каждому
конкретному маятнику. Нужно еще понять, как можно, имея
дело с реальным маятником, определить ту величину, ко-
торая отображает истинные размеры маятника. Ведь ее
нужно подставить в формулу Галилея — приведет ли это
к совпадению вычисленного значения периода колебаний
с измеренным на опыте? Совпадет ли предложенный рас-
чет с реальностью? Поможет ли математика или она толь-
ко собьет с толка?
Без указания способа такой подстановки практическая
значимость формулы Галилея сводилась к нулю.
Галилей установил, что в уравнение маятника следует
подставлять вполне определенную величину — расстояние
от точки подвеса маятника до его центра масс. Для этого
потребовалось найти способ вычисления центра масс (рань-
ше говорили — центра тяжести) реального маятника. Га-
лилей сделал и это.
Позже, когда требования к точности хода маятниковых
часов постепенно увеличивались, часовщики начали совер-
шенствовать конструкцию маятников. При этом особое вни-
мание уделяли тому, чтобы устранить влияние температуры
на ход часов. Например, изготавливали подвес маятника не
из проволоки, а из дерева, фарфора, стекла или других
материалов, слабо изменяющих свои размеры при колеба-
ниях температуры. Потом начали компенсировать влияние
температуры, для чего изготовляли подвесы сложной кон-
струкции из материалов, обладающих различными коэффи-
циентами расширения.
Но ученые-часовщики не ограничивались изобретением
различных конструкций. Они создали математическую мо-
дель, способную дать ответ на вопрос о том, не существует
ли оптимальной длины у маятника данной формы, такой
длины, чтобы ее малые температурные изменения совершен-
но не влияли на период колебаний или влияли очень слабо.
Интуиция вряд ли может помочь в ответе на такой тон-
кий вопрос. Иное дело математика. Она позволяет «дефор-
мировать» модель, просчитывать множество вариантов мо-
делей, оценивая результаты такого математического экспе-
римента. Оказалось, что оптимальная длина действительно
существует и она соответствует такому выбору расстояния
123
между центром масс и точкой подвеса, чтобы период коле-
бания маятника был минимальным.
Когда метод Галилея был воспринят и многократно с ус-
пехом применен Ньютоном, последующие ученые прибегали
к нему при решении самых разнообразных задач. Постепен-
но ученые и инженеры привыкли сводить рассмотрение
сложных задач о движении реальных систем к математи-
ческим моделям, к решению вполне определенного класса
математических уравнений.
При всем разнообразии их структуры эти уравнения
движения отличает одна особенность: они, сколь ни сло-
жен, сколь ни громоздок их вид, приводят к простым реше-
ниям, графически изображаемым уже изученными кривыми
линиями, в частности к прямым. Поэтому все это семейство
называют семейством линейных уравнений. К нему принад-
лежит и уравнение маятника, написанное Галилеем.
Маятниковые часы столь привычны для нас, что трудно
примириться с мыслью об их близком родстве с современ-
ными автоматическими системами. Однако в принципиаль-
ном отношении они отображают свойства многих систем
автоматического регулирования и позволяют выявить эти
свойства. Поэтому мы перед тем, как перейти к сложным
системам, включающим роботов, продолжим, обсуждение
свойств этих систем на примере часов.
Следует сразу сказать, что трудности, возникавшие пе-
ред часовщиками, не поддавались теоретическому анализу,
основанному на Галилеевом уравнении качаний маятника.
Главные тайны часов в течение длительного времени оста-
вались недоступными потому, что никто не решился стро-
ить исследование на более точном уравнении, полнее ото-
бражающем движение колеблющегося маятника. Все избе-
гали этого потому, что более точная модель требовала от-
каза от упрощающей замены синуса угла отклонения’
маятника самим углом. Отказ от этой замены делает
уравнение сложным.
Совершенствование часов стало делом искусных меха-
ников, часовщиков-умельцев, действовавших методом проб
и ошибок и передававших свои достижения только ближай-
шим ученикам.
Невероятно, чтобы никто из них не обратил вниманйё
на воистину чудесную особенность часов. Не только ско-
рость движения стрелок, как говорят часовщики, ход часов,
но и размах колебаний маятника или балансира не зависят
от небольших изменений веса гири или свойств пружины.
124
Как ни велик начальный толчок, лишь бы он превосходил
каКую-то определенную минимальную величину, размах
колебаний постепенно перейдет к вполне определенному
значению, зависящему только от конструкции часов. В дей-
ствительности нужно было бы сказать наоборот: неболь-
шие изменения силы, приводящей в движение механизм ча-
сов, не влияют на размах колебаний маятника или баланси-
ра, а следовательно, на ход часов. Но часовщикам легче
с огромной точностью измерить ход часов попросту сравни-
вая, как совпадают их показания в течение длительного
времени, чем точно измерять величины размахов колеба-
ний. Впрочем, часовщиков всегда интересовала только
точность хода часов, а вовсе не постоянство размахов их
маятников.
Во всяком случае в течение, по крайней мере, полутора
веков никто не пытался раскрыть тайну независимости хода
часов от величины начального толчка.
Когда же ученые попытались построить математическую
модель часов, включив в нее, как часть, уравнение маятни-
ка, полученное Галилеем, они наткнулись на острое проти-
воречие. Уравнения описывали лишь три возможных ситуа-
ции. Если при данной величине трения в осях вес гири мень-
ше определенной величины, часы после любого начального
толчка неизбежно остановятся.
Если же вес гири превосходит ту же величину при неиз-
менном трении, то после любого начального толчка разма-
хи маятника будут постепенно увеличиваться, пока маятник
не начнет натыкаться на стенки корпуса часов или не нач-
нутся нарушения работы механизма, через который энергия
гири поступает к маятнику.
Наконец, третий вариант — если вес гири окажется точно
совпадающим с граничным значением веса, отделяющим об-
ласти затухающих и нарастающих колебаний, то маятник
будет постоянно совершать колебания с тем размахом, ко-
торый сообщил ему начальный толчок. При этом любая
пылинка, любой порыв ветра приведут к тому, что часы вый-
дут из этого режима, уходя от него все быстрее и прибли-
жаясь к покою или к границам прочности механизма. Та-
кая математическая модель ни при каких условиях не дает
возможности усмотреть удивительное свойство реальных ча-
сов—таинственное стремление маятника качаться со впол-
нр определенной величиной размахов, не зависящей от на-
чального толчка и слабо зависящей от изменения внешних
условий.
125
Эта тайна дожила до первой четверти нашего века, ког-
да перед учеными во весь рост возникла проблема автома-
тического управления.
Максвелл, Вышнеградский и Стодола, создавая теорию
автоматических регуляторов, упрощали уравнения, описы-
вающие систему регулирования так, чтобы уравнения ре-
шались достаточно просто. Это и ограничивало область
применения их результатов. Кроме того, Вышнеградский
для облегчения работы инженеров, неискушенных в слож-
ной математике, свел свои решения к простому графику,
позволяющему без труда установить будущие свойства про-
ектируемой машины.
Так, крупнейшие ученые и инженеры сознательно огра-
ничивали круг изучаемых ими проблем. Они решались за-
давать природе только определенный круг вопросов, ко-
торые можно было свести к простым математическим мо-
делям. Со временем выяснилось, что ограничиться этим
кругом проблем невозможно.
Ученые уже вплотную занялись созданием надежных,
автоматических систем. Сама жизнь заставляла искать вы-
ход из тупика, перед которым можно было бы написать:
«Тупик линейных моделей» или «Тупик линейных уравне-
ний движения».
СНОВА С НЕБА НА ЗЕМЛЮ
Конечно, не следует думать, что тупик линейных моде-
лей очень узок и короток. Напротив, долгое время ученые
думали, что они идут по широкой и практически нескон-
чаемой магистрали. Здания, возведенные по ее сторонам,
были украшены гордыми надписями: «Теория Ньютона»,
которая охватывала весь мир от песчинки до необозримой
Вселенной; «Теория Максвелла», объединившая электриче-
ство и магнетизм; «Теория Лоренца», прибавившая к по-
лям теории Максвелла атомы электричества — электроны;
«Квантовая физика», позволившая познать законы микро-
мира; наконец, «Специальная теория относительности»,
вскрывшая корни причин, приводящих к трагическому про-
тиворечию между механикой Ньютона и электродинамикой
Максвелла, и объединившая их в высшей гармонии.
Здесь перечислено далеко не все, чего наука и техника
достигли при помощи простых уравнений движения. Но при
всем величии этих зданий возможности их расширения рано
или поздно оказываются исчерпанными, если строители
126
ограничивают себя применением чрезмерно упрощенных
моделей.
Конечно, давно встречались явления, для описания ко-
торых было недостаточно простых линейных уравнений. Но
в наиболее важных случаях, например, таких, как закон
тяготения и закон Кулона, приводящих к нелинейным ма-
тематическим моделям, к нелинейным уравнениям, эти урав-
нения оказывались не слишком сложными. Вернее, они под-
давались решению, хотя эти решения было непросто нащу-
пать и сопровождались они очень громоздкими вычисле-
ниями.
Впервые со всей остротой недостаточность этих моде-
лей выявилась на том стыке науки и техники, который фи-
зики называют радиофизикой, а инженеры — радиотехни-
кой. Безнадежно искать или пытаться провести между ни-
ми границу, ибо это огромная область, края которой неза-
метно переходят с одной стороны в науку (физику), а с дру-
гой— в практику (технику). Обсуждение возникших здесь
проблем необходимо потому, что радиотехника вместе с
электроникой является одной из основ роботики, науки о
роботах, и средством построения современных автоматиче-
ских систем.
Проблемы, постепенно приведшие к роботам, восходят
к Г. Герцу. Это он научился возбуждать электромагнитные
волны, изучил их основные свойства и доказал, что это и
есть волны, предсказанные электродинамикой Максвелла.
На этой стадии несложные уравнения все еще позволяли
описывать мельчайшие детали опытов. Следующий шаг, по-
ка не стесненный применяемой моделью, сделал легендар-
ный изобретатель радио А. С. Попов. Он додумался, как
следует поступить, чтобы применить волны Герца для
связи.
Осознание того, что опора на чрезмерно простые модели
во многих случаях ведет к тупику, связано с изобретением
электронной лампы. Первое время после изобретения радио
Поповым ученые и инженеры продолжали получать радио-
волны по способу, предложенному Герцем: при помощи
электрической искры. Каждая искра возбуждала группу
радиоволн, быстро затухавших до нуля.
. .Переход от искры к электрической дуге, к Вольтовой
дуге, как ее называли в то время, позволил возбуждать дли-
тельно существующие незатухающие радиоволны. Инжене-
ры были довольны, несмотря на некоторые недостатки та-
кого способа. Впрочем, никто не понимал, что уже здесь
127
заложена «мина». Инженеров тревожили капризы неста-
бильной дуги и то, что она превращала в радиоволны толь-
ко малую часть подводимой к ней энергии.
Изобретение радиолампы устранило недостатки дуго-
вого метода. Из радиоламп, катушек, сопротивлений, кон-
денсаторов инженеры и любители начали собирать радио-
приемники. Радиолампа стала кумиром — она принесла в
каждый дом голоса всего мира. Но ее быстрое развитие вы-
шло из-под контроля. Разработка новых радиоламп лиши-
лась указаний теории и направилась по забытому было
пути проб и ошибок. Лишились надежной перспективы и
инженеры, проектирующие и применяющие радиоаппара-
туру. Хорошо проверенный, многократно подтвердивший
свою эффективность, метод математических моделей спа-
совал. Он оказался неспособным объяснить процесс гене-
рации радиоволн в схемах с электронными лампами. Дело
не сводилось к чисто научной проблеме. Не имея теорий,
инженеры не могли успешно рассчитывать генераторы ра-
диоволн. Не могли проектировать радиостанции.
Постепенно были проторены два пути.
Первый из них вел к тому, чтобы вместо математичес-
ких моделей применять то, что заслуживало наименования
геометрических моделей, но в то время получило название
графо-аналитического метода. Суть его сводилась к тому,
чтобы свойства, выходящие за пределы простых математи-
ческих моделей, представлять при помощи кривых линий —
графиков, обычно при помощи отрезков прямых линий.
Изгибы кривых наглядно отображали ход реальных процес-
сов или работу устройств, подлежащих исследованию.
Были разработаны рецепты, связывающие свойства ис-
следуемого объекта с формой этих кривых, и приемы, по-
зволяющие при их помощи определять величины, недоступ-
ные чисто математическим расчетам. Графо-аналитические
расчеты, достигшие завершенности благодаря исследовани-
ям советского специалиста в области электроники А. И. Бер-
га, позволили радиоинженерам делать свое дело по-инже-
нерски, то есть на основе проверенной научной теории.
Однако для развития науки, самой науки, этого недоста-
точно. Наука не может идти вперед, если ей приходится
в каждом случае решать одну и ту же задачу вновь и вновь.
Для развития науки необходимы научно обоснованные -Ме-
тоды вычислений, позволяющие точно увязывать исходные
данные с опытом, чтобы уверенно приходить к определен-
ным выводам, подлежащим проверке новыми опытами.
128
Итак, графо-аналитический метод мы назвали первым
' на пути решения инженерных задач радиотехники.
Второй из путей указал Б. Ван-дер-Поль. Он обратил
внимание на оригинальный и мощный метод, который мате-
матики уже ранее разработали и применяли для своих
целей. Он позволял найти решение сложной задачи, отталки-
ваясь от аналогичной, но более простой. Математики, отра-
жая суть дела, назвали его методом последовательных при-
ближений. Этот метод с успехом применяли в вычислитель-
ной астрономии. Например, если требовалось определить
орбиту планеты или кометы, учитывая, что на ее движение
влияет не только Солнце, но и другая планета или даже
другие планеты. Этим методом, как мы знаем, пользова-
лись Максвелл, Вышнеградский и Стодола.
Метод последовательных приближений, разработанный
астрономами, был взят Ван-дер-Полем за образец и привел
к результатам, важным для создания роботов. В качестве
математической модели лампового генератора-радиоуст-
ройства, содержащего электронные лампы, катушки индук-
тивностей, сопротивления и конденсаторы — все то, что со-
держится в прежних, старой конструкции, ламповых радио-
приемниках, Ван-дер-Поль взял три уравнения. Одно из них
описывает свойства колебательного контура, составленного
из катушки индуктивности и конденсатора. Уравнение ото-
бражает способность контура выделять среди множества
электрических колебаний то, на которое он откликается
наиболее сильно. Второе описывает свойства радиолампы,
содержащей три электрода — катод, испускающий элек-
троны, анод, собирающий их, и сетку, расположенную меж-
ду ними и сильно влияющую на интенсивность потока элек-
тронов, достигающих анода. Третье описывает дополни-
тельную цепь, при помощи которой электрический ток, об-
разуемый электронами, достигающими анода, воздействует
на колебательный контур, а через него снова на сетку лам-
пы. Эту цепь называют цепью обратной связи потому, что
через нее анодный ток, воздействуя на сетку электронной
лампы, влияет сам на себя. Процесс обратной связи, реа-
лизующий самовоздействие, развивается так: анодный ток
через цепь обратной связи возбуждает в контуре электри-
ческие колебания. Напряжение, возникающее при этом на
конденсаторе контура, передается на сетку лампы, а это
напряжение, в свою очередь, влияет на силу анодного тока.
Так работают ламповые радиопередатчики и ЭВМ на элект-
ронных лампах. Такова и исходная модель Ван-дер-Поля.
5 Заказ 440
129
В качестве условия, обеспечивающего применимость ме-
тода последовательных приближений, Ван-дер-Поль принял
два предположения: первое — в колебательном контуре за
каждый период колебаний теряется только малая часть за-
пасенной в нем энергии; второе — энергия, поступающая в
контур от электронной лампы через цепь обратной связи,
столь же мала.
Эти предположения позволяют сразу добиться упроще-
ния модели. Нужно временно отбросить величины, считаю-
щиеся малыми, то есть причины, приводящие к потерям или
увеличению энергии колебаний контура.
Упрощенная модель — это просто уединенный идеаль-
ный колебательный контур, не имеющий потерь. Соответ-
ствующая математическая модель — простое линейное
уравнение. В механике такое уравнение связывает ускоре-
ние тела с его положением. В частности, оно описывает
колебания маятника. Решение этого уравнения хорошо из-
вестно инженерам. Это незатухающие колебания, период
которых однозначно определен величинами емкости и ин-
дуктивности колебательного контура. Первый шаг сделан.
Второй шаг —нужно подставить полученное решение в ис-
ходное уравнение лампового генератора, в котором учте-
ны потери энергии контура и поступление энергии от лам-
пы через цепь обратной связи. После несложных вычисле-
ний получается приближенное решение, описывающее все
существенные особенности реального генератора. Конечно,
если та часть уравнения, которая описывает свойства
электронной лампы, осуществляет это с достаточными под-
робностями.
Решение говорит о том, что генератор не может оста-
ваться в покое. Любой самый слабый толчок приведет к
тому, что в нем возникнут и будут нарастать электрические
колебания.
Но решение объясняет, почему эти колебания не ра-
стут безгранично. Они стремятся к вполне определенной
предельной величине, причем уравнения позволяют вычис-
лить значение этой величины. Удивительно то, что если
исходный толчок так велик, что размах первого колебания
превосходит указанную предельную величину, то размахи
последующих колебаний постепенно уменьшатся до того
же предельного значения. Решение говорит и о том, что
период колебаний генератора отличается на вполне опре-
деленную малую величину от периода колебания уединен-
ного колебательного контура, служившего исходной мо-
130
делыо. Эта малая величина, называемая «поправкой к ча-
стоте», легко вычисляется из уравнений.
Радиоинженеры знали, что, изменив известным спосо-
бом условия работы электронной лампы, можно поставить
генератор в такие условия, что слабые толчки не способ-
ны возбудить в нем устойчивых колебаний. Колебания, вы-
званные слабыми толчками, при этом затухают, и гене-
ратор возвращается в состояние покоя. Но достаточно
сильный толчок способен заставить его колебаться до тек
пор, пока электронная лампа соединена с источником пи-
тания. Причем, как и в первом случае, величина (ампли-
туда) этих колебаний не зависит от величины начального
толчка. Важно лишь, чтобы он превосходил определенную
«пороговую» величину.
Все это рассказали конструкторам уравнения. Расска-
зали они и о том, что видоизменение математической мо-
дели лампового генератора, в соответствии с изменением
условий работы электронной лампы, приводит к новому
решению, хорошо описывающему последствия такого из-
менения.
Да, метод, разработанный Ван-дер-Полем, вполне удов-
летворял инженеров^ по оставлял чувство неудовлетворе-
ния у физиков. Этот метод не обладал двумя крайне же-
лательными свойствами. Он не позволял заранее узнать,
достаточно ли хорошо и полно записана математическая
модель, чтобы она привела к осмысленному решению. Не
позволял он узнать и того, будет ли погрешность между
решением и реальностью убывать при увеличении количе-
ства предписанных шагов? Или, а это не исключено, по-
грешность начнет увеличиваться после второго или одного
из последующих шагов?
В общем, эта модель не позволяла заранее предсказать
работу проектируемого устройства. Это разочаровало уче-
ных.
ОТ ЧАСТНОСТЕЙ к ОБЩНОСТИ
Так обстояли дела, когда этой проблемой занялся в
Московском государственном университете один из круп-
нейших ученых довоенной поры Л. И. Мандельштам. Его
интерес к ламповым генераторам был вызван не только
их практической значимостью для радиосвязи. К этому
времени радио завоевало сердца людей, оно стало необхо-
димо в технике, промышленности. Радиосвязь опоясала
5* 134
земной шар. Радиотехнические приборы — или, как теперь
мы говорим, электроника — стали главнейшей точкой при-
ложения научных и технических сил. Но Мандельштама
заинтересовали ламповые генераторы и с другой стороны.
Он видел в них одно из звеньев великого единства при-
роды.
Мандельштам впервые четко указал на то, что изуче-
ние природы и решение технических задач можно вести
параллельно, в них много общего. Его подход к предмету
исследования отличался широтой, восходящей к древности,
еще не дробившей науки на части.
Философы древности воспринимали природу в ее един-
стве и соответственно изучали ее. В новое время все более
углублялось разделение науки. Естественные науки, по-
знающие природу, разделились на физику, химию, биоло-
гию и другие. Физика распалась на механику и учение о
теплоте, затем возникли учения об электричестве и маг-
нетизме. От механики отделились акустика, гидродинами-
ка и аэродинамика, теория упругости и наука о строении
кристаллов. Этому делению не видно конца. Ученые, имея
в виду эту прогрессирующую специализацию, грустно шу-
тят— скоро специалистом будет считаться тот, кто знает
все ни о чем!
Мандельштам со свойственным ему стремлением про-
никнуть в суть явлений заметил, что одна и та же модель,
одни и те же математические уравнения возникают при
решении различных задач в разных областях исследова-
ний. Одна и та же математическая модель способна опи-
сать колебания маятника и камертона, движение груза,
подвешенного на пружине, и колебания в электрическом
контуре, процессы в светящемся атоме и развитие некото-
рых процессов в биологии, медицине, в некоторых типах
звезд и даже в развитии человеческого общества.
Общность разнородных явлений и процессов проявля-
лась особенно глубоко, если они развивались периодиче-
ски. Это же можно было отметить в явлениях и процессах,
связанных с возникновением и распространением волн —
звуковых и световых, радиоволн и волн на поверхности во-
ды, в волнообразном изменении численности и распреде-
ления биологических видов, во многих других случаях.
Так Мандельштам положил начало новой научной дис-
циплине— общей теории колебаний. Она сыграла огром-
ную роль в приближении эры электронных автоматиче-
ских устройств и кибернетики. Ее несравненная сила со-
1<32
стоит в том, что она избавляет новатора от необходимости
каждый раз заново выбирать и разрабатывать способ ис-
следования нового явления, если в какой-то области нау-
ки уже изучено аналогичное, описываемое той же матема-
тической моделью, теми же уравнениями.
Мандельштам вместе со своим другом и Сотрудником-
H. Д. Папалекси создал замечательную научную школу,
занявшую ведущее место в изучении теории колебаний и
ее разнообразных применений.
Значение работ этой школы состоит и в том, что она
стимулировала поиск подобного единства в разных обла-
стях науки.
Особенность и мощь общей теории колебаний прояви-
лась самым удивительным образом уже в процессе ее со-
здания. Оказалось, что она возникла полностью готовой к
практическим применениям. Математические модели, не-
обходимые для новой теории, были в большом количестве
построены и детально изучены гениальными математика-
ми прошлого века, такими, как И. Л. Лагранж и П. С.
Лаплас, такими физиками, как Д. В. Релей, и доведены
до состояния почти полного совершенства замечательным
математиком начала нашего века Д. Гильбертом и его
учениками. Новой теории было достаточно применять эти
модели к различным, ранее не решенным задачам науки
и техники. Конечно, при этом математические модели при-
ходилось дополнять и приспосабливать для описания но-
вых процессов, приборов и машин, а это влекло за собой
изменение результатов. Но основы метода, подход к за-
дачам и их решению были уже известны.
Однако вскоре вскрылась существенная особенность но-
вого подхода. Большинство известных и изученных мате-
матических моделей соответствовало линейным уравнени-
ям, а наука и техника выдвигали все новые задачи, выхо-
дящие за пределы линейных методов.
Неудивительно, что Мандельштам выдвинул задачу со-
здания нелинейной теории колебаний или, иными словами,
поставил целью создать общую теорию явлений и систем,
в которых существенны более сложные зависимости меж-
ду изучаемым явлением и его моделью, чем те, что подда-
ются описанию при помощи упрощенных линейных урав-
нений.
Мандельштам и его сотрудники, конечно, знали о за-
мечательных работах Ван-дер-Поля, но их тревожили не-
133
достатки его метода, о которых говорилось на предыдущих
страницах.
Мандельштам поставил перед своим аспирантом А. А.
Андроновым задачу: найти в работах математиков методы,
пригодные для построения будущей теории; методы, под-
ходящие для анализа более сложных моделей, полнее ото-
бражающих реальные явления и процессы.
Андронов, который впоследствии стал одним из созда-
телей нелинейной теории колебаний и современной теории
автоматических систем, действительно обнаружил среДй
статей знаменитого французского математика А. Пуанкаре
обнадеживающие идеи и методы.
Пуанкаре разработал их для решения задач небесной
механики. Вся небесная механика построена на едином
фундаменте, на законах Ньютона, среди которых один из
главных — закон тяготения. Сфера его применимости про-
стирается вплоть до самых удаленных небесных тел. Он
описывает движение планет и комет в поле тяготения Солн-
ца, движение спутников планет. Этот же закон управляет
движением всех тел, свободно перемещающихся в поле
земного тяготения.
Закон тяготения отличается от остальных трех законов
механики Ньютона тем, что расстояние между взаимодей-
ствующими телами входит в него умноженное само по се-
бе, как говорят математики: в закон тяготения входит
квадрат расстояния.
Поэтому движение под действием тяготения во многих
случаях невозможно точно отобразить при помощи линей-
ного уравнения.
Математические модели взаимодействия небесных тел
должны быть по существу дела нелинейными моделями.
А они и более многообразны, чем линейные, и более
сложны.
Математики еще в прошлом создали общие методы ре-
шения линейных уравнений и даже систем из многих та-
ких уравнений. Эти методы, грубо говоря, сводились к ре-
цептам. Поступай так-то, и ты придешь к цели. Конечно,
в сложных ситуациях придется потрудиться побольше, но
успех обеспечен.
Подобных приемов для решения нелинейных уравнений
не было известно. Не существует их и в наши дни. Почти
каждое нелинейное уравнение приходится решать заново,
изобретая для этого новые приемы.
Великая заслуга французского математика Пуанкаре со-
134
стояла в том, что он разработал метод, пригодный для
приближенного решения самых сложных задач небесной
механики. Преимущества этого метода состояли в том, что
он не только содержал четкие указания, как надо посту-
пать, но и давал возможность предварительно определить,
может ли та или иная задача быть решена этим методом.
Так экономилось много сил и времени. Можно было за-
ранее отказаться от применения данного метода к слиш-
ком сложной задаче и искать для ее решения новый
подход.
Еще одним преимуществом метода Пуанкаре явилось
то, что благодаря ему был открыт замечательный способ
получения основных характеристик изучаемого процесса
или явления без предварительного решения математиче-
ских уравнений, описывающих его во всех деталях. Пуан-
каре создал ряд приемов, помогающих в очень сложных за-
дачах, не поддающихся даже приближенному решению,
изучать явления, строя особые графики, содержащие опре-
деленные кривые или семейства кривых. Пуанкаре пока-
зал, как можно, оценивая свойства этих кривых или же
следя за тем, как они деформируются при изменении ха-
рактеристик исследуемого процесса, судить об особенно-
стях этого процесса или исследуемого устройства.
Еще один великий математик, занимавшийся задачами
небесной механики, разработал удивительные методы, ка-
залось, специально созданные для применения в несуще-
ствовавшей еще в то время нелинейной теории колебаний.
Этим математиком был А. М. Ляпунов. Мы уже знакоми-
лись с его работами.
Среди других его волновал и вопрос о том, при каких
условиях вращающаяся звезда остается устойчивой в. те-
чение больших промежутков времени. Центробежная сила
сплющивает звезду так, что расстояние между ее полюсами
меньше, чем диаметр на экваторе. Задача осложняется
тем, что при некоторых условиях однородное сплющиванце
звезды может относительно быстро видоизмениться. Ее
поверхность начинает деформироваться.
Решить задачу об устойчивости вращающейся звезды
до Ляпунова не мог ни один, математик. Ляпунов это сде-
лал.
В поисках математических методов, пригодных для
решения задачи об устойчивости нелинейных колебатель-
ных систем — в частности электронных устройств, Андро-
нов изучал литературу, посвященную проблемам устойчи-
135
вести, возникавшим в других областях науки. И обнару-
жил, что методы Ляпунова и результаты его исследова-
ний могут быть с успехом перенесены с неба на Землю.
Из астрономии — в область создания электронных при-
боров.
Андронов вместе с другими учениками и сотрудниками
Мандельштама, и прежде всего с А. А. Виттом, показал,
что методы Пуанкаре и Ляпунова действительно позволя-
ют решать сложные задачи техники. Он сам решил многие
из них. В дуэте Андронов и Витт каждый превосходно до-
полнял другого. Андронов пишет: «Мандельштам называл
Витта «импрессионистом», ибо Витт мало интересовался
деталями. Он обычно сразу «видел» окончательный ре-
зультат и умел добираться до него с «необыкновенным
оптимизмом». Когда Витт решал сложное уравнение, он
часто повторял: «Все плохое сократится, все хорошее
останется».
Андронов тоже был оптимистом и обладал великолеп-
ной интуицией. Он был и превосходным знатоком мате-
матики, способным не только применять ее к задачам фи-
зики, но и развивать математические методы вглубь и
вширь.
Первой научной работой, опубликованной Андроновым
в 1926 году совместно с другим выдающимся учеником
Мандельштама — М. А. Леонтовичем, было теоретическое
исследование, относящееся к проблеме рассеяния света.
Уже следующая работа, тоже совместно с Леонтовичем,
явилась новым математическим продвижением в области,
которая привела к важнейшим достижениям в интересую-
щей нас сфере, пограничной между наукой и техникой,— в
современной электронике, автоматике, кибернетике, робо:
тике. Но затем он сосредоточился на создании и развитии
нелинейной теории колебаний.
ПУТЬ К АВТОПИЛОТУ
С началом второй мировой войны Андронов радикально
изменил круг задач, привлекавших его внимание и силы.
Он перестал публиковать результаты своих новых работ.
Из его последующих статей ясно, что он и его сотрудники
перешли к исследованиям, непосредственно связанным с
обороной страны. Это были задачи автоматического регу-
136
лирования. По своей идее и применяемому математическо-
му арсеналу эта область тесно примыкает к теории нели-
нейных колебаний. Правильнее сказать, что теория автома-
тического регулирования составляет часть нелинейной
теории колебаний. Однако специфичность целей и методов
четко выделяет ее, а большое прикладное значение позво-
ляет считать науку о системах автоматического регулиро-
вания особой областью. Это стало особенно ясно в наши
дни, когда автоматизированные и роботизированные систе-
мы машин стали основой научно-технического прогресса.
Теория автоматического регулирования явилась одной
из основ, на которой выросла кибернетика, а среди ее
практических достижений имеется огромное количество
разнообразных промышленных и научных систем, вклю-
чая и роботы.
С 1944 года вновь одна за другой появляются статьи
Андронова. Ни одна из них не посвящена общей тео-
рии колебаний. Ни одна, за исключением доклада «Л. И.
Мандельштам и теория нелинейных колебаний», прочитан-
ного на траурном заседании, посвященном памяти
Л. И. Мандельштама. Еще не прошло и месяца со дня
смерти учителя, как возник этот, по-настоящему по-
этический, очерк о выдающемся человеке и замечательном
ученом. Очерк, общедоступно излагающий основные осо-
бенности научного творчества и главные результаты, по-
лученные Мандельштамом и его учениками, которых он
направлял и вдохновлял.
Математическое вооружение современной теории авто-
матического регулирования несравнимо мощнее имевше-
гося в распоряжении Максвелла, Вышнеградского и Сто-
долы. Новый математический аппарат теории автоматиче-
ского регулирования, созданный трудами Андронова и его
школы, был продемонстрирован уже в первых публикаци-
ях 1944 года.
Много времени успело пройти после знаменитой рабо-
ты Вышнеградского «О регуляторах прямого действия».
Различные ученые и инженеры, среди них такие замеча-
тельные, как Стодола и Жуковский, интенсивно разраба-
тывали теорию и методы проектирования систем автома-
тического регулирования. Они ответили на ряд частных
вопросов. Однако полного решения задачи Вышнеградско-
го не смог получить никто. Вспомним еще раз, в чем она
заключалась.
До Вышнеградского смельчаки, пытавшиеся решить
137
загадку «бунта» регуляторов, предполагали, что машина
работает в режиме, при котором ее скорость лишь очень
мало отличается от значения, соответствующего устойчи-
вой работе. Именно это ограничение приводило к тупику.
Столь же безнадежно пытаться описать вращение колеса,
опираясь на законы малых колебаний рычажных весов.
Однако даже понимавшие бесперспективность этого пути
не умели построить математическую модель, написать
упрощенные уравнения так, чтобы они не только поддава-
лись решению, но и отражали основные факторы, характе-
ризующие взаимодействие машины с регулятором и с на-
грузкой, не остающейся неизменной.
Припомним, что такова была и замечательная работа
Максвелла «О регуляторах». Он составил и проанализи-
ровал действие превосходной математической модели, но
она не отражала основные особенности комплекса, обра-
зованного паровой машиной и регулятором Уатта. Здесь
сказалось то, что Максвелл, будучи выдающимся физиком,
оставался далеким от техники. Он, как мы знаем, вообще
не причислял регулятор Уатта к категории регуляторов
потому, что этот регулятор не способен свести к нулю
ошибку управляемой величины. Он может достичь лишь
уменьшения ошибки. Поэтому Максвелл считал регулятор
Уатта просто устройством, уменьшающим ошибку, а такие
устройства его не интересовали. Максвелл поставил своей
целью изучить комплекс «машина — регулятор», способ-
ный достичь идеального результата, свести ошибки
регулирования к нулю. Но в то время и много позже такие
регуляторы не могли быть сделаны работоспособными; и
не находили применения. Работа Максвелла, как и многие
чисто теоретические исследования великих математиков,
опередила свое время и лишь недавно вошла в действую-
щий арсенал науки и техники.
Вышнеградский рассматривал весьма реалистическую
модель системы «машина — регулятор». Он учел, что ма-
шина не обладает свойством саморегулирования, а зна-
чит, не может устойчиво работать без регулятора. Будучи
предоставлена сама себе, она вскоре остановится или ее
скорость будет увеличиваться до тех пор, пока не произой-
дет поломки.
Его интересовало, что происходит, когда в паре с та-
кой машиной работает регулятор Уатта. Вышнеградский
понимал, что необходимо учесть ситуацию, когда некото-
рые детали машины или регулятора работают без смазки.;
138
Трение без смазки, как мы знаем, называют сухим, или
кулоновским, по имени ученого, впервые выявившего его
характерные черты. Сдвинуть с места предмет или маши-
ну, лишенные смазки, много труднее, чем поддерживать
начавшееся движение. При сухом трении для преодоления
сцепления неподвижных соприкасающихся деталей требу-
ется много большая сила, чем для преодоления их трения
в состоянии движения.
График такой силы всегда имеет скачок, совпадающий
с началом движения. Этот график бессмысленно пытать-
ся заменять прямой линией. Ученые называют подобные
силы «нелинейными силами». Трение смазанных поверхно-
стей пропорционально скорости смещения. Значит, для
состояния покоя сила вязкостного трения (смазки
всегда обладают вязкостью) равна нулю. График вяз-
костного трения — прямая линия, выходящая из нуля.
Это типичная «линейная сила». График сухого трения —
ступенька.
Поставив и обсудив задачу в полном объеме, Вышне-
градский затем был вынужден упростить свою модель. Он
не владел математическими средствами, необходимыми
для полного решения задачи о системе «паровая маши-
на — регулятор Уатта», для анализа свойств неупрощен-
ной модели. Он проанализировал ее только для случая,
когда все сочленения хорошо смазаны. Без этого упроще-
ния он попросту не мог преодолеть математические труд-
ности.
Интуиция ученого и инженера помогли ему сформули-
ровать задачу так, чтобы ее решение было достижимо при
помощи известных ему математических средств. И он дей-
ствительно получил на этом пути замечательные и весь-
ма важные для практики результаты. Это надолго опре-
делило направление дальнейших работ ученых и инжене-
ров в России и за рубежом. Все его последователи
отказывались от учета сухого трения и строили линейные
математические модели — линейные уравнения движе-
ния.
Вышнеградский понимал вред сухого трения и считал
необходимым добиваться его устранения, не учитывая то-
го, что это практически невозможно. Вероятно, при этом
сказывался психологический фактор — успех его линейной
теории и невозможность провести математический анализ
реального случая. Укрепилась уверенность Вышнеградско-
го в том, что для устойчивой работы машины с регулятб-
13$
ром необходим катаракт, устройство, аналогичное масля-
ным' амортизаторам, применяемым в автомобилях, мото-
циклах и в шасси самолетов для гашения колебаний, вы-
зываемых неровностями дороги или взлетно-посадочной
полосы.
Но по мере совершенствования машин и систем регу-
лирования забытый вопрос о роли сухого трения возникал
вновь и вновь. На него пытались ответить Стодола и Жу-
ковский. Они тоже упрощали свои модели, отказывались
от попыток рассмотреть полную задачу Вышнеградского и
избирали другой путь. Стремились взять быка за рога,
оставляя без внимания смазанные места системы и счи-
тая, что смазка отсутствует всюду. Изучали математиче-
ские модели, лишенные смазки, учитывали только сухое
трение.
Стодола и Жуковский сумели прояснить отдельные де-
тали, но целостной картины — речь идет о характере ра-
боты автоматического устройства — не возникало. Сущест-
венное продвижение удалось немецкому математику
Р. Мизесу, который был прекрасным математиком, рабо-
тавшим над задачами механики. Он придумал графиче-
ский прием, позволяющий построить кривые, необходимые
для расчета несмазанных регуляторов. Но сам отмечал, что
этот прием не имеет достаточного математического обос-
нования и поэтому может в отдельных, заранее не пред-
сказуемых случаях привести к ошибкам.
В последующей литературе проблема исследования си-
стем регулирования при учете только сухого трения полу-
чила название «задача Мизеса».
Ей была посвящена новая публикация Андронова. Она
предваряла сообщение о многолетнем труде, в котором
Андронов вместе с А. Г. Майером провел глубокий анализ
полной задачи Вышнеградского. Здесь же, на более простой
модели, демонстрируется эффективность применения в
теории автоматического регулирования мощного метода,
известного среди математиков как теория точечных преоб-
разований.
Андронов и Майер показали: если некая величина из-
меняется скачком, как сила при сухом трении, то можно
анализировать ее по обе стороны скачка, применяя для
этого простые линейные модели. А потом, как говорят ма-
тематики, сшивать эти два решения в точке скачка при
помощи подходящего преобразования. Математики назы-
вают такую процедуру точечным преобразованием.
140
Простую модель точечного преобразования можно со-
здать, изготовив из резиновой ленты линейку длиной в
1 Фут (около 30 см) и разделив ее на дюймы (около
2,5 см). Если растянуть эту «линейку» до величины 1 м
и нанести на нее деления через 1 см, оставив на метро-
вой ленте отметки «удлиненных дюймов», а затем дать
резинке сжаться до исходной длины, мы получим модель
точечного преобразования дюймов в сантиметры и об-
ратно.
Привлекая метод Пуанкаре для качественного анализа
полученных решений, Андронову и Майеру удалось впер-
вые строго получить результаты Мизеса и Жуковского и
связать их воедино.
Теперь, наконец, стало совершенно ясно, почему регу-
лятор Уатта способен управлять весьма грубой паровой
машиной, не нуждаясь в помощи катаракта. При наличии
сухого трения автоматическая система, образованная па-
ровой машиной и регулятором Уатта, становится устой-
чивой.
Метод точечных преобразований был применен Андро-
новым и Майером для решения задачи Вышнеградского в
полном виде, то есть без всяких упрощений, с одновре-
менным учетом как вязкостного, так и сухого трения. Ре-
зультаты этого исследования были изложены в короткой
заметке, посланной в печать в октябре 1944 года. Конечно,
в решении содержится знаменитая гипербола Вышнеград-
ского, более полувека служившая надежной основой про-
ектировщикам автоматических машин. Выше нее находит-
ся область абсолютно устойчивых, то есть безусловно ра-
ботоспособных систем регулирования. Новым было то, что
под гиперболой проходит еще одна кривая, левее которой
лежат абсолютно неустойчивые системы. Системы, не спо-
собные воспрепятствовать тому, что малейшее возмущение,
малейший толчок заставит машину постепенно остановить-
ся или пойти вразнос.
Между этой кривой и гиперболой находится область
условно устойчивых систем. В этой области свойства си-
стемы «машина — регулятор» сами по себе определяют ее
поведение не однозначно. Все зависит от того, в каком со-
стоянии система вошла в эту область. При должной осто-
рожности оператор и здесь может обеспечить устойчивую
работу машины, но стоит ему ошибиться — и машина вый-
дет из повиновения. Это было неожиданно и ново. Толь-
ко теперь была решена старая загадка о машинах, лишь
141
иногда подчиняющихся оператору. Ранее никто не знал,
что область под гиперболой Вышнеградского состоит из
двух частей и что осторожным введением машины в об-
ласть условной устойчивости можно добиться ее надежной
работы.
Полное решение, полученное Андроновым и Майером,
содержит и ответ на важный вопрос о допустимой нагруз-
ке машины. Точнее говоря — о ее допустимой разгрузке,
о возможности полного снятия ее нагрузки. Спрашивается,
пойдет ли машина вразнос при переходе на холостой ход?
А если это так, то какую минимальную нагрузку следует
сохранять, чтобы обезопасить машину, чтобы можно было
не останавливать ее на короткие периоды холостого хода,
неизбежные в большинстве применений машины? Насколь-
ко эти вопросы жизненны, необходимы, удалось понять в
наши дни, когда вопрос устойчивой работы автоматов и
роботов стал первостепенной проблемой в новых промыш-
ленных автоматизированных комплексах. Не умея оценить
минимальной допустимой нагрузки, инженеры были вы-
нуждены, следуя Жуковскому и Мизесу, определять ее из
опыта и брать запас для обеспечения надежности, что
приводило к перерасходу топлива во время холостого хода
машины. Не сразу узнали ученые об этих результатах, та-
ких. сегодня очевидных и необходимых при конструирова-
нии автоматов и роботов.
Полное изложение содержания этой замечательной ра-
боты было опубликовано авторами только через три года.
Мы обязательно познакомимся с ней, но сейчас остановим-
ся на одной статье, опубликованной Андроновым вместе
с Н., Н. Баутиным до окончания войны.
Инженеров, занятых автоматическим регулированием
давления и температуры (что необходимо, например, при
создании паровых котлов или в химической промышленно-
сти), ставили в тупик свойства регуляторов, не описывае-
мых моделью Вышнеградского. Речь идет о регуляторах,
состоящих из двух звеньев. Одно из них — индикатор. Его
задача измерять регулируемую величину и давать сигнал
о том, как и насколько она отличается от требуемого зна-
чения.
Второе из звеньев соединяет индикатор с управляю-
щим элементом. Это промежуточное звено. При изменении
регулируемой величины индикатор может передавать свой
сигнал управляющему элементу лишь после определенного
процесса установления, приводящего передающее звено из
142.
исходного положения в конечное. При этом нельзя прене-
брегать сухим трением в индикаторе. Все это осталось за
пределами решений, полученных самим Вышнеградским и
его последователями.
Андронов и Баутин опубликовали решение, получен-
ное ими при двух условиях, когда можно пренебречь мас-
сой индикатора и вязкостным трением в нем. По сущест-
ву, это была задача Мизеса, усложненная учетом процес-
са установления в промежуточном звене.
‘ ! 1 Исследование, проведенное Андроновым и Баутиным,
позволило инженерам надежно проектировать подобные и
более сложные автоматические регуляторы, обеспечивая
их работу даже при нарушениях, возникающих в системе
смазки.
Возвратимся теперь к полной задаче Вышнеградского.
Аидронов и Майер успели опубликовать только ту часть,
где они, подобно самому Вышнеградскому, пренебрегают
учетом сухого трения. Здесь они формулируют полную за-
дачу на современном математическом языке, позволяю-
щем ясно проследить отображение конкретных свойств
реальной автоматической системы отдельными членами
математических уравнений.
Современные математические методы показывают, как
упрощаются свойства модели и соответствующие уравне-
ния в результате пренебрежения членами, отображающи-
ми нелинейные характеристики сухого трения. Читатель
отчетливо видит связь математических решений и физиче-
ских свойств и поэтому может более надежно и более
подробно изучить свойства линейной математической мо-
дели. Инженеры приобрели уверенность в том, что спроек-
тированная система будет исправно выполнять свои за-
дачи, увидели границы, через которые не следует пересту-
пать.
Публикация главной части исследования была надолго
задержана скоропостижной кончиной Майера и длитель-
ной болезнью Андронова. Он предполагал, что найдет си-
лы и время для того, чтобы дополнить и отредактировать
эту часть работы, главным образом математические до-
полнения к ней. Однако не смог полностью реализовать
свои намерения. Работа была опубликована друзьями и
учениками Андронова в посмертном собрании его сочине-
ний. Опубликована в том виде, который оставил нам этот
замечательный ученый.
Здесь совершенно не уместно касаться огромных мате*
14-3 *
матических трудностей, стоявших на пути к решению
полной задачи Вышнеградского. Достаточно сказать, что эти
трудности были преодолены. Инженеры получили возмож-
ность проектирования всех многочисленных и разнообраз-
ных автоматических регуляторов с помощью разумного
упрощения их модели и сравнения с полной задачей Выш-
неградского. Сложный математический анализ привел к
формулировке важнейшего понятия «техническая устойчи-
вость» — включающего все то, что нужно для проектиро-
вания надежных систем автоматического регулирования.
Так был указан основной путь, следуя которому можно
выбрать параметры системы такими, чтобы любая сово-
купность мешающих воздействий не могла вывести ее за
пределы, обеспечивающие надежную и экономическую
работу,
В то время только круг специалистов понимал всю
важность, эпохальное значение этих достижений. Главной
причиной, задержавшей публикацию этой работы, было
стремление Андронова использовать все свои силы и вре-
мя для целого ряда исследований конкретных систем авто-
матического регулирования, важных для практики. Он
отбирал для решения только те задачи, в которых техни-
ческая актуальность сочеталась с принципиальной новиз-
ной. Исследования проводились так, что полученные ре-
зультаты оказывались применимыми в весьма разнообраз-
ных, казавшихся очень удаленными одна от другой обла-
стях. Поэтому инженеры и ученые могли впоследствии
в ряде случаев обойтись без новых исследований и по-
лучать новые выводы на основе небольших обобщений
результатов, полученных Андроновым и его сотрудни-
ками.
Таков прежде всего замечательный цикл исследований
различных автоматических систем управления полетом
'самолета, приведших к созданию автопилотов различной
степени совершенства. Работы проводились как в годы
войны, так и в послевоенный период.
В предвоенное время многие выдающиеся ученые
активно работали в этой быстро развивающейся об-
ласти.
Насколько это было важно — подчеркивать не нужно.
Не нужно и напоминать, что автопилот — это современная
система автоматического регулирования очень высокой
сложности. Актуальный вопрос о продольной устойчивости
144
самолета, движущегося под управлением автопилота, был
ёще в 1941 году решен в исследованиях В. А. Котельни-
кова. Много сделал в теории автоматического регулирова-
ния Б. В. Булгаков. Здесь, как при изучении автоколеба-
тельных систем, требуется ответить на вопрос, какие из
величин, управляющих системой, следует в начале вычис-
лений положить равными нулю, не теряя при этом воз-
можности разобраться в основных свойствах системы. При
Этом, конечно, решающую роль играла интуиция исследо-
вателя. Если ему удавалось найти такую величину и по-
строить разумную модель, он изучал ее свойства и, исходя
из них, переходил к более сложной модели. Почти всегда
оказывалось, что сведения, полученные при анализе малых
возмущений, позволяли приходить к верным предсказани-
ям и для больших возмущений.
Но, как мы знаем, есть случаи, которые ни при каких
условиях невозможно изучить, исходя из упрощенных мо-
делей. К ним относятся и все те, при которых надо учиты-
вать влияние сухого трения. Здесь приходится сразу начи-
нать со сложных моделей.
Андронов и его ученики систематически разрабатыва-
ли методы применения теории точечных преобразований к
решению последовательно усложняющихся задач, которые
возникают при создании и исследовании систем автома-
тического регулирования в механизмах самолетов. Таких
задач, где недопустимо считать какие-нибудь величины
малыми. Первая из относящихся сюда работ — это опуб-
ликованная в 1944 году Андроновым и Баутиным теория
стабилизации самолета при помощи автопилота, управля-
ющего рулем направления так, что руль перемещается с
постоянной скоростью. При этом предполагается, что са-
молет, в отличие, например, от велосипеда или автомоби-
ля, не обладает способностью самостоятельно противосто-
ять силам, сбивающим его с курса. Мощный математичес-
кий метод сразу показал, что такой автопилот справляет-
ся с поставленной задачей и удерживает самолет на кур-
се, только если самолет первоначально шел достаточно
близко к заданному курсу. При большом начальном от-
клонении этот автопилот не способен привести самолет
к цели.
Следующим шагом был учет свойств реального авто-
пилота, в котором индикатор отклонения самолета от за-
данного курса состоит из чувствительного компаса и от-
дельного, обычно выносного устройства, показывающего
145
отклонение реального курса от заданного. Практически
зсе устройства такого рода неспособны давать сигналы
об очень малых отклонениях. Зону, в которой устройство
не вырабатывает сигнала об ошибке, называют зоной не-
чувствительности.
Конструктору важно знать, как сказывается зона не-
чувствительности на работе автопилота, на полете само-
лета с автопилотом, не замечающим малых отклонений
от курса. Теория точечных преобразований позволяет вы-
делить три случая. Первый из них — самый коварный —
это безразличное положение «равновесия» внутри зоны не-
чувствительности. Самолет неопределенно долгое время
летит по курсу, мало отличающемуся от заданного, при-
чем автопилот на это не реагирует. Так самолет может со
временем пройти на весьма далеком расстоянии от цели.
Второй случай возникает, если параметры автопилота из-
менены так, что под его влиянием самолет вынужден
постоянно менять курс от одной границы зоны нечувстви-
тельности к другой. Изменять его таким образом, чтобы
направление полета волнообразно отклонялось в обе сто-
роны от заданного направления. Такой рыскающий полет
может продолжаться сколь угодно долго, но ни в какой
момент самолет не уклонится от курса дальше заданных
пределов. Конечно, выбирая этот режим, конструктор дол-
жен строго руководствоваться указаниями теории. Иначе
он приведет автопилот в третий режим, при котором рыс-
канья выйдут за допустимые пределы. Теория показывает
и пути борьбы с возрастанием размахов рысканья. Это
демпферы — близкие аналоги знаменитого катаракта Вы-
шнеградского.
Полное содержание этих исследований военных лет
было подготовлено к печати и опубликовано в 1955 году,
после смерти Андронова. Их результаты применимы не
только к автопилотам, но и ко многим современным про-
мышленным системам автоматического управления.
Стремление Андронова решать все новые, более слож-
ные задачи привело и к тому, что он не нашел времени
для подготовки к печати обстоятельного исследования о
влиянии сухого трения в золотнике на процесс непрямого
автоматического регулирования.
Эта работа, законченная в 1946 году и опубликованная
посмертно, является продолжением и применением к кон-
кретному случаю теории непрямого регулирования при
учете кулоновского (то есть сухого) трения в чувствитель-1
146
ном элементе, созданной в том же году Андроновым вмес-
те с Баутиным и Г. С. Гореликом.
Эта теория, в свою очередь, явилась существенным раз-
витием опубликованной в 1945 году совместно с Баутиным
краткой заметки. О ней мы уже говорили, обсуждая пер-
вые применения метода точечных преобразований к теории
автоматического регулирования. Тогда же вместе с Бау-
тиным и Гореликом Андронов исследовал поведение прос-
тейшей системы, содержащей автоматический самолетный
винт переменного шага (то есть винт, лопасти которого
могут поворачиваться вокруг своих осей, изменяя при этом
угол между лопастью винта и его осью). Так исследовате-
ли продвигались по сложному пути все более и более от-
ветственных автоматических систем управления, по пути
все более сложных теорий, уравнений, моделей, соответ-
ствующих новым усложненным конструкциям.
ГЛАВА 5. ВСЕ БЫСТРЕЕ
ОТ СЧЕТОВ к ЭВМ
До сих пор наше внимание привлекали, главным обра-
зом, автоматы — устройства, способные без участия чело-
века выполнять различные, порой весьма сложные функ-
ции. Мы познакомились с учеными, вложившими в созда-
ние автоматов свои знания, труд, оригинальные идеи. Мы
смогли проследить развитие теорий, конструкторских ре-
шений, развивавшихся порой с участием многих поколений.
Но пока мы имели дело только с автоматами, способ-
ными выполнять лишь одно или, в лучшем случае, не-
сколько заданий, сформулированных для них конструкто-
ром. При этом условия, в которых работают автоматы,
должны поддерживаться постоянными или оставаться в
определенных узких пределах, устанавливаемых человеком
или другими автоматами.
Сейчас принято называть такие устройства автомати-
ческими манипуляторами. Слово «автоматические»
должно отличать их от манипуляторов другого типа, не-
посредственно управляемых человеком. Это, например,
микроманипуляторы. Микроманипулятор — механическое
или электромеханическое устройство, воспроизводящее
движения руки человека. Перемещение рабочего органа,
закрепленного в приборе, повторяет движение руки опе-
147 -
ратора, уменьшив его в сотни и тысячи раз. Применяя та-
кие микроманипуляторы, ученый может производить слож-
ные операции в живых клетках. Наблюдая клетку через
микроскоп, дающий увеличение в сотни и тысячи раз, он
вводит в клетку инструменты, толщина которых в десятки
и сотни раз меньше диаметра волоса. Столь же миниа-
тюрные «ножи» позволяют делать операции на живых
клетках, создавая новые синтетические живые организмы.
К классу управляемых манипуляторов относятся и уст-
ройства для работы во вредных условиях. Здесь искусст-
венная рука повторяет действие руки оператора, управля-
ющего и наблюдающего за ней из безопасного места, на-
пример при помощи системы промышленного телевидения.
Такие манипулятора широко применяются для работы в
активной зоне атомных реакторов, в химической промыш-
ленности и т. п. Преимущество их состоит в простоте и в
способности выполнять самые сложные движения, подчи-
няясь движениям человека. К классу управляемых мани-
пуляторов следует отнести и такие привычные нам маши-
ны, как экскаватор. Оператор управляет движениями ков-
ша экскаватора при помощи системы рукояток и педалей.
Подчиняясь ему, многотонный ковш набирает породу или
уголь, выбрасывая свою добычу в кузов автомобиля или в
отвал. Можно назвать и разнообразные механические по-
грузчики и подъемные краны, перемещающие тяжелые
грузы. К классу управляемых манипуляторов следует от-
нести и «Луноход». Оператор управлял им, наблюдая его
действия по радио.
Роботы — это автоматические манипуляторы. Они ра-
ботают без непосредственного участия человека, но меха-
нические роботы узко специализированы и способны вы-
полнять лишь одну или несколько простейших операций.
Программа простейших механических роботов материали-
зуется в различных рычажных, кулачковых и других по-
добных механизмах, обеспечивающих заданную последо-
вательность действий исполнительного органа. Перестрой-
ка их для выполнения новой задачи требует смены экс-
центриков, тяг и других передач, связывающих этот орган
с двигателем или двигателями.
Такие автоматы можно считать роботами первого по-
коления. Специалисты относят к семейству роботов уст-
ройства, которые способны выполнять одну или несколько
задач. Роботы первого поколения наряду с механическими
системами содержат гидравлические и пневматические
148
устройства. Поэтому для того, чтобы перевести их от вы-
полнения одной операции к другой, требуется произвести
переналадку — замену эксцентриков или кулачков, пере-
регулировку гидравлических или пневматических систем.
Современный робот, оснащенный микро-ЭВМ, изменя-
ет свои действия, когда оператор изменяет введенную в
него программу работы. Переход от одной программы к
другой может быть осуществлен сменой кассеты с магнит-
ной лентой или введением команды о смене программы
нажатием на соответствующие клавиши. При этом робот
может учитывать состояние рабочего инструмента, напри-
мер расходование сварочного электрода, и изменение
внешних условий, влияющих на его работу. Для достиже-
ния этой цели в состав робота должна входить не только
микро-ЭВМ, но и необходимое количество чувствительных
или измерительных устройств. Их задача — фиксировать
и передавать в микро-ЭВМ данные об изменении условий
работы. Они же следят за тем, соответствуют ли резуль-
таты действий робота тому заданию, которое предусмот-
рено программой. Иными словами, в управляющем блоке
робота существует обратная связь, связь между програм-
мой и результатом действия. Связь, сводящая к минимуму
различия между целью и ее реализацией. В свою очередь,
микро-ЭВМ состоит из микропроцессора — электронного
устройства, предназначенного для выполнения элементар-
ных арифметических и логических операций. Микропро-
цессор объединен с запоминающим и управляющим уст-
ройствами. Система передает в запоминающее устройство
сигналы измерительных устройств и результаты промежу-
точных вычислений, вырабатываемых микропроцессором
на основе заданной программы и проведенных измерений.
Затем в исполнительные механизмы робота поступают
команды от микро-ЭВМ, обеспечивающие максимально точ-
ное выполнение роботом программы, заданной человеком.
Часто микро-ЭВМ, предназначенную для работы в со-
ставе робота или другого автоматического устройства, на-
зывают просто микропроцессором. При этом, конечно, име-
ют в виду, что он снабжен всеми остальными блоками, без
которых просто не мог бы работать. Чувствительные эле-
менты и измерительные устройства, входящие в состав
роботов, иногда называют сенсорными. При их помощи
вырабатываются сигналы, необходимые для того, чтобы
микро-ЭВМ, управляющая роботом, при выдаче команд
исполнительным устройством учитывала не только пёрво-
149
начальное задание, но и состояние и изменения исполни-
тельных органов робота и объекта, с которым он имеет
дело.
Такими сенсорными устройствами, придающими роботу
чувствительность, могут быть, например, тензометры. Они
измеряют давление или натяжение, возникающее, когда
захват — «пальцы» робота смыкаются на изделии или де-
тали, которую он должен переместить. Если это давление
не будет контролироваться и поддерживаться в заданных
пределах системой обратной связи, робот не сможет на-
дежно захватить объект или же раздавит, деформирует
его.
Современные ЭВМ возникли не на пустом месте. Люди,
еще в доисторические времена научившиеся изготавливать
орудия для добывания и обработки пищи, тогда же поня-
ли, что орудия, помогающие работе мозга, столь' же по-
лезны, как и те, что облегчают работу рук.
Первыми орудиями, а точнее, приспособлениями, по-
могающими работе мысли, стали камешки или зарубки,
облегчающие счет и запоминание результатов вычислений.
Ту же роль играли узелки на веревках, прием, не забы-
тый и поныне,— многие завязывают узелки на память.
Изобретение письменности привело также к созданию
цифр, а затем и систем счета.
Возникновение обмена и переход к денежной системе
потребовали упрощения и ускорения вычислений. Причем
необходимость в повседневных вычислениях возникала у
все более широкого круга людей, даже у тех, кто не вла-
дел грамотой. В ответ на это были изобретены специаль-
ные приспособления, облегчающие процедуру счета и по-
зволяющие фиксировать и сохранять полученные резуль-
таты.
При их помощи любой человек, после небольшой тре-
нировки, смог складывать, вычитать и даже умножать и
делить большие числа много быстрее, чем он сделал бы
это в уме или на бумаге.
Китайские счеты, и поныне применяемые также в Япо-
нии и странах Индокитая, приспособлены для счета от
единицы до пяти и далее по пятеркам.
Русские счеты в их современном виде появились в на-
чале XVIII века. Они возникли из более сложного счет-
ного устройства, имевшего название «дощаный счет», и
содержали несколько рядов костей, способных переме-
щаться по шнурам или проволокам. Это приспособление
156
уже в XVI веке було предназначено для счета в деся-
тичной системе счисления. Дощаный счет сложнее, чем
современные счеты. Он специально разработан для вы-
числений, связанных с налоговым обложением, которое в
России XV—XVII веков требовало весьма громоздких дей-
ствий, в том числе с дробями. Упрощенный вариант доща-
ного счета — современные счеты оказались настолько
живучими, что еще в 1953 году была выпущена специаль-
ная книга «Техника вычислений на счетах». Даже внедре-
ние арифмометров и автоматических кассовых аппаратов
не смогло до сих пор полностью вытеснить из употребле-
ния обыкновенные счеты.
Арифмометры — потомки давней счетной машины, изго-
товленной в 1641 году. Юный ее автор, восемнадцатилет-
ний Блез Паскаль, назвал ее суммирующей. Паскаль про-
явил незаурядные математические способности уже в 16
лет, написав первое после древнегреческих математиков
сочинение «Опыт теории конических сечений» — кривых,
возникающих при пересечении прямого кругового конуса
различными плоскостями, не проходящими через егр.
вершину. Над своей суммирующей машиной он работал с
вдохновением и сулил ей долгое будущее. Однако изобре-
тение Паскаля не вошло в жизнь.
Счетную машину Паскаля впоследствии усовершенст-
вовал великий математик Г. В. Лейбниц. Он ввел в нее
ступенчатый валик и подвижную каретку. Это дало тол-
чок к дальнейшему улучшению счетных машин, которые,
однако, в течение долгого времени оставались уникальны-
ми конструкциями. Многие из них изготавливались в един:
ственном экземпляре.
Серийное производство счетных машин началось толь-
ко в 1820 году на основе удачной конструкции англичани-
на Ч. Томаса. Они были названы арифмометрами. Ариф-
мометры существенно облегчали и ускоряли бухгалтерские
расчеты и применялись также инженерами и конструкто-
рами. Первый арифмометр, получивший массовое распро-
странение по всему миру, был изготовлен в 1874 году ин-
женером В. Т. Однером.
К середине нашего века постепенно вошли в употреб-
ление клавишные электромеханические машины. Большин-
ство из них основывалось на тех же принципах, что и
арифмометры. Но они были снабжены клавиатурой для
набора данных и выбора операций и приводились в дей-
ствие электрическим двигателем. Относительное быстро-
151 .
действие и удобство обеспечили им широкое применение
в различных областях.
Важным вычислительным устройством стала логариф-
мическая линейка, занявшая на долгое время основное ме-
сто в инженерно-конструкторских расчетах.
К началу XX века задачи науки и техники все более
настойчиво требовали автоматизировать сложные вычис-
лительные работы, такие, как решение или, как говорят
математики, интегрирование дифференциальных уравне-
ний. Интегрирующие машины могут быть построены благо-
даря тому, что одно и то же дифференциальное уравнение
способно описывать совершенно различные физические
процессы или свойства ни в чем не схожих между собой
устройств. Интегрирующие машины, использующие мате-
матическую аналогию между различными процессами и
устройствами, получили название аналоговых интегрирую-
щих машин, или аналоговых интеграторов.
Как известно, идеалом науки после Ньютона стало
объяснение всех физических явлений на основе законов
механики. Естественно, это нашло отражение при построе-
нии аналоговых интеграторов. Первыми приборами этого
класса стали механические интеграторы. Значительный
вклад в это направление внес великий русский математик
П. Л. Чебышев, который впервые сделал арифмометр ав-
томатическим, снабдив его в 1883 году клавишами для
выбора операции. Одним из наиболее совершенных меха-
нических аналоговых интеграторов был прибор, построен-
ный в 1904 году замечательным математиком и корабле-
строителем А. Н. Крыловым.
К началу второй мировой войны технически развитые
страны уже соревновались между собой в создании и при-
менении этих удобных приборов. Они использовались для
решения многих научных и технических задач, выполняли
операции интегрирования и арифметические операции при
помощи механических, гидравлических и электрических
систем или их комбинаций.
Чисто механические интегрирующие машины отлича-
лись громоздкостью. Их настройка для решения какой-
либо конкретной задачи производилась вручную и тре-
бовала нескольких часов. Работали они медленно, а по-
грешности вычисления удручали пользователей.
Электрические и гидравлические аналоговые интегра-
торы обладали значительно лучшими характеристиками.
152
Их быстродействие было вполне достаточным для приме-
нения в промышленности и военном деле.
Послевоенное развитие полупроводниковой электрони-
ки шло стремительно. Появились компактные, надежные
и быстродействующие аналоговые электронно-вычисли-
тельные машины, которые и теперь, при решении специ-
альных задач, успешно конкурируют с цифровыми ЭВМ.
Однако цифровым ЭВМ было уготовано небывалое
будущее. Они стали властителями умов. Благодаря ряду
своих преимуществ они стали основным орудием современ-
ной вычислительной техники, в том числе применяемой в
системах автоматического управления, и в частности в
роботике.
Родословная цифровых вычислительных машин восхо-
дит к началу прошлого века. В 1812 году английский ма-
тематик Бэббедж выдвинул идею создания вычислитель-
ной машины, которая должна была определять любую
функцию, если человек охарактеризует ее пятью численны-
ми величинами. Бэббедж работал над ней десять лет, но
машина осталась незавершенной — конструктору просто не
хватило денег. Впрочем, к этому времени Бэббедж создал
проект более совершенной машины, которая должна была
проводить вычисления на основе любых математических
функций. Бэббедж назвал ее аналитической машиной.
Конструированию этой машины он посвятил около сорока
лет, но так и не закончил ее.
Сведения об аналитической машине дошли до нас бла-
годаря леди Лавейс, дочери поэта Байрона. Она была
математиком — и хорошим математиком. В юности позна-
комилась с Бэббеджем и его машинами. И поняла огром-
ное значение его деятельности. Леди Лавейс перевела с
итальянского на английский лекции, прочитанные Бэббед-
жем, снабдив перевод примечаниями вдвое превосходив-
шими по объему записи лекций. Примечания касались
принципов работы аналитической машины и ее возможных
применений. Из этих примечаний читатель узнавал, что
аналитическая машина должна работать по программам,
предусматривающим проведение операций и фиксацию
(запоминание) промежуточных результатов. Бэббедж с
благодарностью воспринял примечания леди Лавейс. Но,
увы, эта женщина была единственной среди математиков
прошлого века, оценившей значение идей Бэббеджа.
Развитие вычислительной техники вначале пошло, как
мы видели, по двум путям. Первым был путь создания
153
цифровых вычислительных устройств типа арифмометра и
более сложных механических счетно-аналитических маг
шин. В них задание и результат фиксировались на перфо-
картах. Причем в комплект машины входило механическое
устройство, способное отбирать из них нужные данные.
Вторым был путь аналоговых вычислительных машин.
Значение идей Бэббеджа оценено по достоинству лишь
в середине нашего века, когда опыт работы с аналоговыми
интеграторами обнаружил присущие им ограничения и не-
достатки. Выявлялись потенциальные резервы цифровых
вычислительных устройств, и была найдена возможность
существенно увеличить их быстродействие за счет замены
механических устройств электронными. Так в основных
промышленно развитых странах параллельно начались
работы с целью создать цифровые электронные вычисли-
тельные машины. Сокращенное название их — ЭВМ при-
шло на смену первоначальному — ЦЭВМ, так как теперь
подавляющее число разрабатываемых и применяемых
электронных вычислительных машин являются цифровыми.
ОТ МЭСМ к БЭСМ
Вначале ЭВМ работали на электронных лампах. Пер-
вая в нашей стране ЭВМ этого типа была создана под
руководством известного математика С. А. Лебедева в
1950 году. Она содержала две тысячи электронных ламп
и, несмотря на свое название МЭСМ (малая электронная
счетная машина), была весьма громоздкой и недостаточно
надежной. Она могла выполнять лишь 50 математических
операций в секунду, запоминать 31 число и 63 команды.
Однако эту машину уже применяли в ряде практических
вычислительных задач, и, главное, она позволила опробо-
вать многие новые идеи. МЭСМ стала предшественницей
ряда универсальных и специализированных электронных
вычислительных машин.
Наиболее совершенными из отечественных ЭВМ перво-
го поколения, работавших в основном на электронных
лампах, но уже содержавших и по нескольку тысяч
полупроводниковых диодов, были большие электронно-
счетные машины — БЭСМ. Их производительность — 10
тысяч операций в секунду, оперативная память — 2048 чи-
сел.
Основным недостатком БЭСМ, как и других ЭВМ пер-
вого поколения, была малая надежность. Это и понятно —
154 ,
малый срок службы электронных ламп не позволял долго
доверять машине. К тому же ЭВМ были очень дорогими в
эксплуатации, требовали мощного электропитания и ин-
тенсивного охлаждения.
После того как изобретение и освоение промышленного
производства транзисторов — полупроводниковых эквива-
лентов электронных ламп — привело ко второй техничес-
кой революции в радиотехнике и технике связи (первая
революция была связана с изобретением и усовершенст-
вованием электронных ламп), коренные изменения произо-
шли и в области ЭВМ.
К концу 50-х годов ЭВМ на транзисторах — ЭВМ вто-
рого поколения — вытеснили своих предшественниц, ЭВМ
на электронных лампах. Основным преимуществом ЭВМ
второго поколения было резкое увеличение быстродейст-
вия. БЭСМ-6 выполняла до 1 миллиона операций в секун-
ду. При этом значительно увеличилась надежность маши-
ны (благодаря тому, что срок службы транзистора превы-
шает 1 миллион часов). Уменьшились ее габариты и энер-
гопотребление.
Существенно изменилось и устройство оперативной па-
мяти. Место катодно-лучевых трубок, составлявших осно-
ву оперативной памяти ЭВМ первого поколения, заняли
устройства, использующие магнитные элементы, изготов-
ленные из ферритов. Это очень удобные и ценные по ка-
чествам материалы. Детали из них изготавливаются прес-
сованием из особым образом обработанных порошков, со-
держащих, в основном, окислы железа. Такие элементы
легко поддаются намагничиванию и перемагничиванию
при помощи очень слабых электрических сигналов и со-
храняют свое состояние намагниченности, фиксируя (за-
поминая) электрический сигнал, который воздействовал на
данный элемент последним. Блоки оперативной памяти,
составленные из миниатюрных ферритовых сердечников, от-
личаются большим быстродействием, компактностью, ма-
лым энергопотреблением. И, главное, способностью сохра-
нять записанную информацию в течение длительного
времени, даже при выключении электропитания ЭВМ.
Уместно отметить, что устройства оперативной памями ЭВМ
первого поколения не были способны длительно хранить
записанную информацию, ее требовалось записывать зано-
во, если она должна была храниться дольше, чем несколь-
ко секунд. Более того, информация, записанная на элек-
тронно-лучевой трубке, утрачивается полностью (забыва-
155
ется) при выключении электрического питания ЭВМ. Для
примера вспомним, что емкость оперативной памяти
БЭСМ-6 составляла 65 536 чисел, а на извлечение из нее
любого из записанных чисел уходило всего 2 микросе-
кунды.
Существенно улучшилась и долговременная память
ЭВМ второго поколения. Она пополнилась устройствами
записи на магнитную ленту, постепенно вытеснившими
перфокарты и перфоленты из запоминающих систем ЭВМ.
Перфоленты и перфокарты употребляются теперь только
для записи программ работы некоторых ЭВМ.
ЭВМ второго поколения широко и успешно использо-
вались в решении математических задач, инженерно-кон-
структорских и планово-экономических расчетах, в науч-
ной работе. ЭВМ применялись при проектировании нефте-
проводов, железных и шоссейных дорог, планировании
грузовых перевозок, создании самолетов и кораблей, при
подготовке и осуществлении космических полетов. Благо-
даря ЭВМ родилась новая наука — математическая химия.
Ее цель: оптимизировать процесс постановки химичес-
ких опытов и наладить извлечение полезной информации
из противоречивых данных этих опытов.
Теперь, прежде чем строить какой-нибудь промышлен-
ный химический агрегат, проводится предварительная про-
верка проекта и отработка его на электронной вычисли-
тельной машине. Реакция описывается математически, и
машина, следуя программе, меняет и подбирает химичес-
кие ингредиенты, выраженные через электрические вели-
чины, чтобы нащупать самое выгодное течение будущей
химической реакции. Особенно удобно в такой системе
проведение химического эксперимента — его быстрота, эф-
фективность и дешевизна. Чисто химический эксперимент
длится несколько часов, иногда дней. На вычислительной
машине это занимает секунды. Серия химических экспери-
ментов, целью которых является поиск оптимального те-
чения процесса, занимает иной раз годы. «Сухой» мате-
матический эксперимент укладывается в несколько часов.
Как писали газеты, на Новосибирском химическом заводе
провели производственное испытание рассчитанного таким
математическим путем аппарата для производства безме-
танольного формальдегида — важнейшего сырья для произ-
водства пластмасс. С момента начала лабораторных иссле-
дований до момента выдачи промышленной продукции про-
шли не обычные в таких случаях 10—12 лет> а лишь 3 года.
156
Большую часть времени заняло изготовление и монтаж ап-
паратуры. Во всех подобных случаях ЭВМ давали требуе-
мый эффект благодаря их быстродействию, точности и
способности быстро перерабатывать большие массивы
информации.
Надежность ЭВМ серии БЭСМ-6 настолько высока, что
они сохраняют работоспособность в течение десятков лет
и успешно трудятся до настоящего времени, конечно, усту-
пая машинам следующего поколения по остальным харак-
теристикам.
ЭВМ второго поколения открыли возможность автома-
тического управления сложными, быстро протекающими
процессами, о чем ученые<и инженеры раньше даже не
мечтали.
Все автоматические системы, известные до второй по-
ловины нашего века, при всем их совершенстве могли на-
дежно руководить процессами, в которых менялась только
одна величина. В случае, если требовалось управлять
одновременно несколькими независимыми величинами, на-
пример, направлением, высотой и скоростью полета само-
лета, приходилось создавать ряд независимых систем авто-
матического управления. Если же величины оказывались
связанными между собой, устройства автоматического уп-
равления резко усложнялись. Такая ситуация возникает,
например, когда самолет выполняет поворот. При этом не-
обходимо одновременно управлять рулем и элеронами,
определяющими отклонение крыльев от горизонтального
положения.
Поэтому прежние системы были недостаточны для
полной автоматизации таких сложных процессов, как по-
лет самолета, доменная плавка, мартеновский процесс из-
готовления стали, многие химические производства, или
таких сложных комплексов, как прокатный стан, энерге-
тическая система, объединяющая несколько крупных элек-
тростанций и множество независимых потребителей элек-
троэнергии.
Уже в середине 60-х годов ЭВМ второго поколения
успешно включились в сферу автоматического управления.
Так, транзистор, качественно улучшив ЭВМ, вызвал рево-
люцию и в системах автоматического управления. В ходе
ее роботы превратились в многоцелевые устройства,
легко и быстро переходящие от выполнения одного зада-
ния к другому. Они способны надежно функционировать
при изменяющихся внешних условиях и с учетом состоя-
157
ния обрабатываемого объекта и обрабатывающего инст-
румента.
Конечно, ЭВМ второго поколения имели увеличенный
объем памяти, хорошее быстродействие запоминающих
устройств и процессора, но они все еще были большого
размера, требовали много места. Малые ЭВМ, специально
предназначенные для работы в системах автоматики, име-
ли размеры солидной пишущей машинки, а иногда зани-
мали целый шкаф. Забегая вперед, скажем, что только
ЭВМ третьего поколения, основанные на микросхемах и
принципиально новых блоках памяти, стали столь ком-
пактными, что их можно встраивать в станки и аппараты.
Только такие микро-ЭВМ можно конструктивно объеди-
нить с роботами.
Это стало возможным потому, что микро-ЭВМ, несмот-
ря на свои миниатюрные размеры, обладают .такими же
вычислительными и логическими возможностями, как ЭВМ
второго поколения. Они, управляя роботом, способны не
только выполнять заданную ей программу действий, но и
мгновенно учитывать данные о состоянии самого робота и
применяемых им инструментов. Они могут прогнозировать
изменение всех этих величин с течением времени, опреде-
лять оптимальный режим работы и обеспечивать мини-
мальное отклонение изделия от заданных требований.
В то время, как инженеры, конструкторы и математи-
ки— специалисты по созданию программ для ЭВМ — с
энтузиазмом улучшали ЭВМ второго поколения и про-
граммы их работы, добиваясь все большего быстродейст-
вия, увеличения объема памяти, надежности и уменьшения
габаритов и потребления энергии, в тиши лабораторий и в
кабинетах технологов продолжала развиваться транзистор-
ная революция.
В течение считанных лет были разработаны многочис-
ленные специализированные варианты классического тран-
зистора, предназначенные для выполнения разнообразных
функций, которые до того реализовывались только при
помощи электронных ламп. Напомним, что классический
транзистор — а наименование «классический» он получил
уже во втором десятилетии своего существования — пред-
ставляет собой особым образом изготовленный кусочек
полупроводникового кристалла. Размер его менее спичеч-
ной головки. Он снабжен тремя выводами и укреплен
внутри небольшого защитного герметичного корпуса.
Сквозь стенки, корпуса проходят эти три вывода, предназ-
158
каченные для соединения транзистора с остальными дета-
лями, образующими электронную схему.
Вскоре физики установили, что технологи в большин-
стве случаев используют полупроводниковые кристалли-
ки, являющиеся сердцем транзистора, далеко не полнос-
тью. Точнее, размеры этих кристалликов слишком велики.
Их можно было бы уменьшить в сотни и тысячи раз, если
бы не ограничения, накладываемые технологией их про-
изводства. Например, необходимостью припаять к строго
определенным участкам кристаллика три тончайших со-
единительных проводничка.
Совместные усилия физиков и технологов привели к
принципиальному изменению взглядов на дальнейшие пу-
ти микроминиатюризации полупроводниковых схем, к ра-
дикальной ломке технологии и появлению нового поколе-
ния полупроводниковых устройств, получивших название
интегральных схем.
В интегральной схеме на поверхности полупроводнико-
вого кристалла путем сложной обработки, включающей
введение в поверхностный слой различными способами,
но в строгом порядке ряда специальных примесей, соз-
дают микроскопические области. Они обладают свойства-
ми транзисторов, резисторов (сопротивлений), конденса-
торов (емкостей) и соединяющих их в нужных сочетаниях
проводящих элементов. Эти элементы заменяют соедини-
тельные проводники, применяемые в обычных схемах. Те-
перь целая сложная схема, включающая десятки и сотни
транзисторов, резисторов и конденсаторов, соединенных
так, чтобы они выполняли требуемую функцию, помеща-
лась на поверхности маленького кристаллика, из которого
ранее можно было изготовить только один транзистор.
Однако это было только началом. Технологи научились
получать «сложный бутерброд» с нужными функциями.
Они наносят на маленький кристаллик (на подложку) ин-
тегральную схему, о которой мы уже говорили, затем —
тонкий изолирующий слой, а поверх него кладут еще одну
интегральную схему. И так слой за слоем. При этом они
создают в изолирующих слоях проводящие точечные
вставки так, чтобы в этих местах интегральные схемы, вы-
полненные в различных слоях и разделенные изолирую-
щим слоем, соединялись между собой только там, где
нужно. Так можно конструировать значительно более
сложные интегральные схемы, используя несколько десят-
ков различных интегральных схем, надлежащим образом
159-
соединенных между собой и выполняющих общую задачу.
Возникли объемные интегральные схемы, уже не ограни-
ченные одной плоскостью, а занимающие весь сложный
искусственный слоистый кристалл, подобный слоеному
пирогу.
В объемных интегральных схемах согласованно рабо-
тают десятки и сотни тысяч отдельных элементов, причем
для связи этой схемы с внешними компонентами доста-
точно лишь немногих соединительных проводничков.
Но и это не стало пределом для физиков и технологов,
далеко превзошедших ювелиров в своей сверхювелирной
работе. В течение короткого времени были разработаны
различные, все более надежные и производительные ме-
тоды выращивания тончайших слоев, толщиной в несколь-
ко микрометров (тысячных долей миллиметра). Причем
каждый из них обладает строго заданными свойствами.
Было разработано и весьма совершенное оборудование,
при помощи которого благодаря использованию ультра-
фиолетового излучения или электронных пучков с после-
дующей химической обработкой наносятся сложнейшие
«узоры», превращающиеся в конце обработки в интеграль-
ную схему данного слоя. Так можно наращивать слой за
слоем, схему за схемой, изготавливая все более сложные
вычислительные конструкции. Следующий шаг в развитии
технологии привел к тому, что на подложке размерами
с человеческий ноготь стало возможным располагать мно-
жество таких объемных интегральных схем. Так родились
большие интегральные схемы (БИС), каждая из которых
может выполнять функцию обычной ЭВМ.
ЭВМ третьего поколения, работающие на больших ин-
тегральных схемах, намного надежнее и компактнее своих
предшественниц. Их быстродействие и объем памяти уве-
личились, они стали потреблять меньше электроэнергии,
то есть повысилась их экономичность. Но главное их до-
стоинство— в другом. Они стали несравненно более на-
дежными и удобными в обращении.
Раньше ограничение быстродействия и малый объем
памяти связывали возможности программистов. Теперь
можно было осуществить то, о чем раньше только мечта-
лось,— расширить вычислительные и логические возмож-
ности счетных машин, сделать программы более слож-
ными.
Изменение внутренней структуры позволило ввести в
ЭВМ, даже в малогабаритные карманные микрокальку-
160
ляторы, целый ряд стандартных подпрограмм, к которым
программист или любой другой пользователь может при-
бегать, если в ходе вычислений требуется применить на-
иболее употребительные элементарные функции.
Даже в микрокалькуляторы — прямо при их изготов-
лении — вводят программы вычисления тригонометричес-
ких, показательных, логарифмических и обратных им
функций, возведение в степень, извлечение корней и др.
Пользователь набирает на клавиатуре машины число, над
которым нужно произвести действие, а затем нажимает
клавишу. Машина срабатывает. Результат при этом авто-
матически отображается на световом табло и заносится в
оперативную память. Он же может немедленно, следую-
щим нажатием на клавишу быть использован для после-
дующих вычислений. Уже имеются карманные микрокаль-
куляторы, которые способны при нажатии на специальную
клавишу занести полученный результат в долговременную
память — записать, например, на магнитную карточку,
магнитную или бумажную ленту.
Более того, в программируемые карманные микрокаль-
куляторы, как и в средние и большие ЭВМ, можно вво-
дить более сложные программы, предусматривая в них
стандартные подпрограммы, о которых мы упоминали.
В память этих машин закладывают и сложные про-
граммы часто встречающихся вычислений, например, ста-
тистическую обработку массивов данных. Их называют
подпрограммами потому, что программист может вклю-
чить их в соответствующее место разрабатываемой им
программы, записав в нее там, где это требуется, кодовое
обозначение подпрограммы. Этого достаточно, чтобы ЭВМ,
получив определенную промежуточную величину, устано-
вила значение требуемой функции и включила получен-
ный результат в последующие вычисления.
Любой квалифицированный математик может вычис-
лить значение элементарной функции от заданной величи-
ны, будь эта функция синусом, логарифмом или чем-либо
более сложным. Но ни один из них не захочет этого де-
лать. Гораздо быстрее, удобнее и проще взять таблицу, в
которой содержатся значения соответствующей функции,
и найти в ней нужную величину. На это уйдет лишь не-
сколько минут, включая время, необходимое для того, что-
бы взять таблицу из шкафа, перелистать ее и найти нуж-
ную величину. Вычисление этой величины требует гораздо
большего времени. Иногда на это уходят многие часы,
6 Заказ 440 161
особенно если нужна полная уверенность в том, что не
вкралась ошибка.
Возникает вопрос, не следует ли еще более ускорить
работу, записав таблицы всех общеупотребительных функ-
ций в память ЭВМ и затем вызывать нужную величину
из памяти простым нажатием клавиш?
ДВАЖДЫ ДВА...
Читатель легко ответит на этот вопрос, ознакомившись
с историей таблицы логарифмов. Эта история восходит к
Архимеду, который более двух тысяч лет назад заметил
удивительную зависимость между свойствами геометриче-
ской прогрессии и арифметической прогрессией, состав-
ленной из показателей степени членов геометрической про-
грессии. Сейчас это узнают в старших классах школы.
Но, как и многие результаты, добытые Архимедом и дру-
гими учеными древности, эти сведения были забыты и
вновь получены лишь через много веков. В 1584 году
французский математик Н. Шюке сообщил, что, исполь-
зуя связь между известными каждому арифметической и
геометрической прогрессиями, можно облегчить некото-
рые вычисления. Однако это не встретило понимания со-
временников. Никто, в том числе сам Шюке, не применил
эту удивительную связь для практических целей. Лишь
через четверть века шотландский математик Дж. Непер
и швейцарский математик И. Бюрги решились составить
соответствующие таблицы. Ими двигало желание сэконо-
мить большой труд, который пришлось бы затратить мно-
жеству людей, если бы каждый из них производил зано-
во громоздкие вычисления, необходимые для реализации
предложения Шюке. Непер впервые опубликовал «Описа-
ние удивительной таблицы логарифмов» в 1614 году. Он
же создал слово «логарифм», образовав его из сочетания
двух греческих слов «логос» — отношение и «арифмос» —
число.
По совету Непера, английский математик Г. Бригс в
1617 году вычислил восьмизначные таблицы логарифмов,
а в 1628 году голландский математик А. Влакк выпустил
десятизначные таблицы для чисел от 1 до 100 000. В этих
таблицах позднее были обнаружены 173 ошибки! И тем
не менее, они легли в основу большинства последующих
таблиц. Их авторы проверяли и исправляли выкладки
Влакка и даже вносили изменения в компоновку самих
таблиц.
162
: Прошло около 150 лет, прежде чем австрийский мате-
матик Г. Вега составил и размножил типографским Спо-
собом таблицы, которые он считал безошибочными. Ок
да^ке объявил, что будет выплачивать по дукату каждо-
му, кто найдет ошибку. Ему пришлось выплатить любите-
лям непогрешимости всего два дуката. После его смерти в
таблицах были обнаружены еще три ошибки. Все осталь-
ное в них было совершенно безупречно. Наконец, в 1857
году немецкий математик К. Бремикер выпустил первые
абсолютно безошибочные таблицы логарифмов. С тех пор
многократно издавались различные таблицы, отличающие-
ся величиной шага (разностью между двумя соседними
числами, для которых вычислен логарифм) и точностью.
Конечно, эти таблицы лучше приспособлены для различ-
ного рода вычислений и поэтому экономят время и силы
тех, кто прибегает к их помощи.
Такие злоключения происходили не только с таблица-
ми логарифмов. Вычисление таблиц тригонометрических
и иных функций, часто встречающихся при различных рас-
четах, тоже связано с трудностями. Поэтому может пока-
заться, что математики, получив в свое распоряжение со-
временные ЭВМ с их огромным объемом и быстродействи-
ем памяти, должны были прежде всего ввести в их па-
мять полные таблицы всех функций, полезных для вычис-
лений.
Но математики избрали иной путь. Тому есть несколь-
ко причин. Первая — ограниченный объем памяти ЭВМ,
который невыгодно занимать огромным количеством чи-
сел, заполняющих таблицы математических функций. Вто-
рая — неизбежные ошибки операторов при введении этих
чисел в память ЭВМ. Неприемлемо, оказывается, не
только заново вводить множество таблиц в память каждой
ЭВМ, ведь количество действующих ЭВМ уже составляет
сотни тысяч. Невыгодно и дорого осуществлять автомати-
ческое размножение этих «таблиц», записывая их вновь и
вновь на магнитные ленты или магнитные диски. Нера-
ционально также тратить машинное время на извлечение
нужного числа из этих магнитных «таблиц». Ведь магнит-
ные носители, образующие внешнюю память ЭВМ, работа-
ют несравненно медленнее, чем элементы внутренней
электронной памяти современных ЭВМ.
Ответ на вопрос, поставленный в конце предыдущего
раздела, определяется огромной разницей скорости вы-
числений, доступной человеку и ЭВМ. Человеку выгоднее
6*
163
заглянуть в готовые таблицы функций, ЭВМ быстрее вьь
числить нужную величину, чем извлекать ее из своей дол-
говременной памяти.
Поэтому в память ЭВМ вносят не готовые (но гро-
моздкие) таблицы, а программы вычисления каждой из
часто встречающихся функций. ЭВМ, в оперативную па-
мять которой попадает число, предназначенное для про-
ведения заданного расчета, чрезвычайно быстро произво-
дит эти вычисления при помощи соответствующей про-
граммы. И делает она это только тогда, когда требуется
программисту или тому, кто пользуется карманным мик-
рокалькулятором. Даже микрокалькулятор тратит на та-
кое вычисление лишь доли секунды. Современная боль-
шая ЭВМ делает это в миллионные доли секунды.
Этот пример наглядно показывает, как ЭВМ револю-
ционизирует любую работу, требующую сложных или гро-
моздких вычислений. Вместе с тем, чтобы пользоваться
ЭВМ, необходимо глубокое знание ее структуры и воз-
можностей. Без этого нельзя составить эффективные про-
граммы. А неоптимальная программа, хотя и может да-
вать правильные результаты, неизбежно приводит к не-
эффективной загрузке дорогого рабочего времени машины.
Возвратимся еще раз к микрокалькуляторам. Простей-
шие из них содержат микропроцессор — это всего лишь
один миниатюрный полупроводниковый кристаллик. На
нем же помещается и электронная система оперативной
памяти, соединенная с микропроцессором внутренними
связями, тоже выполненными на этом же кристалле. Мик-
рокалькулятор содержит ряд клавиш. Они служат для на-
бора чисел и выбора необходимой операции. Вводимые
числа и результаты вычислений автоматически отража-
ются на световом табло.
Таким образом, здесь можно заметить четыре основ-
ных элемента ЭВМ: процессор (в данном случае микро-
процессор), блок оперативной памяти (здесь — объединен-
ный с микропроцессором), блок ввода информации и вы-
бора программ (клавиши) и блок отображения инфор-
мации (световое табло).
В простейший микрокалькулятор заранее введен ряд
программ: сложение, вычитание, умножение и деление, а
иногда еще и возведение в степень, извлечение корней, вы-
числение процентов и др. Выбор этих программ осуществ-
ляется простым нажатием соответствующей клавиши. Та-
ким микрокалькулятором могут без затруднений пользо-
164
Bafbch люди, не имеющие технического образования: до-
машние хозяйки, кассиры и даже учащиеся младших
классов.
’ Сложнее выглядят микрокалькуляторы, в которые вве-
дены подпрограммы вычисления ряда элементарных функ-
ций. Внешне это заметно только по увеличению количест-
ва клавиш, необходимых для вызова соответствующих
подпрограмм. Но это небольшое усложнение делает их
незаменимыми помощниками инженеров и конструкторов,
экономистов и научных работников.
На следующей ступени прогресса стоят программируе-
мые микрокалькуляторы. В них можно ввести программу
более сложных вычислений, не обеспечиваемых подпро-
граммами самого микрокалькулятора. Причем имеющиеся
в нем подпрограммы могут быть включены как части (ша-
ги) той программы, что вводится в микрокалькулятор.
Это значит, что при вычислении определенной функции от
промежуточного результата не надо нажимать клавиш
вызова соответствующей функции. Вызов будет осуществ-
лен самой программой. Такие микрокалькуляторы предус-
матривают отладку (контроль и исправление) вводимой
программы с демонстрацией при помощи табло вводимых
чисел и результатов, получаемых после любой из опера-
ций. Когда программа введена и отлажена, человек мо-
жет пользоваться ею произвольное число раз. Для этого
нужно лишь ввести в машину исходные данные и на-
жать клавишу «начало счета».
В первых программируемых микрокалькуляторах вве-
денная в них программа сохранялась при работе в тече-
ние неопределенно долгого времени, но стиралась (забы-
валась) при выключении питания. После нового включе-
ния программу приходилось вводить и отлаживать еще
раз.
Сейчас имеются микрокалькуляторы, в которых вве-
денная программа сохраняется и после выключения,— так
что при новом включении все готово к работе по прежней
программе.
Есть еще более совершенные микрокалькуляторы.
В Них, кроме четырех блоков, упомянутых выше, имеется
миниатюрная система внешней памяти. Обычно это маг-
нитные карточки или специальные электронные запоми-
нающие устройства. На них можно переписать отлажен-
ную программу. И вновь ею воспользоваться, экономя та-
ким образом время, требуемое для ее введения й отладки.
165
На эти внешние элементы памяти можно записывать и
результаты вычислений, если они понадобятся впоследст-
вии.
Упоминали мы и о том, что наиболее совершенные мик-
рокалькуляторы снабжены устройством, печатающим ре-
зультаты вычислений на бумажную ленту,— это позволя-
ет пользоваться результатами непосредственно. В некото-
рых случаях так удобнее, чем записывать результаты на
магнитную карточку. Ведь для того, чтобы увидеть их, ес-
ли они записаны на магнитную карточку, необходимо
вставить ее в микрокалькулятор и нажать клавишу, кото-
рая скомандует: «отобразить эти результаты на световом
табло».
Читатель вправе спросить: чем же отличается совре-
менный микрокалькулятор от обычной ЭВМ? Это отнюдь
не праздный вопрос. Ответ на него может показаться не-
ожиданным и странным.
Современный микрокалькулятор не отличается от
большой ЭВМ ни по принципам работы, ни по набору ос-
новных блоков. Более того, такой микрокалькулятор пре-
доставляет те же возможности, что ЭВМ второго поколе-
ния. Различие состоит лишь в быстродействии процессо-
ра и оперативной памяти, в увеличении объема памяти и
вытекающих отсюда дополнительных возможностях, в из-
менениях конструкции машины, необходимых для их реа-
лизации.
Несколько слов об архитектуре ЭВМ. Она не имеет
никакого отношения к ее внешнему виду, внешней форме
или к конструкции шкафов, в которых помещаются блоки
крупных ЭВМ. Не относится она и к проектированию
футляров микро-ЭВМ или малых ЭВМ.
Говоря об архитектуре ЭВМ, математики и проекти-
ровщики имеют в виду внутреннюю структуру машины, со-
четание ее функциональных блоков и организацию инфор-
мационной связи между ними.
Блоки большой современной ЭВМ так же, как и сред-
них и малых ЭВМ, естественно можно разделить на две
группы. К одной следует отнести центральный процессор
и систему оперативной памяти, к другой — все остальные
блоки. Конечно, такое разделение условно. Ни один из
этих блоков сам по себе не образует ЭВМ и не работоспо-
собен. Обычно, когда говорят «центральный процессор»,
имеют в виду процессор, органически соединенный с си-
стемой оперативной памяти. Чаще всего они выполнены в
166,
•форме единой большой интегральной схемы. Все осталь-
ные блоки относят к периферийному оборудованию.
Блоки, дополняющие центральный процессор до цело-
стной дееспособной ЭВМ, объединяют в комплекты, назы-
ваемые выносными пультами, или терминалами. Основные
части такого терминала: первая — клавиатура для ввода
информации (дисплей), отличающаяся от клавиатуры мик-
рокалькулятора только размерами и количеством клавиш;
вторая — световой экран, функции которого аналогичны
функциям светового табло микрокалькулятора.
Одни скажут — клавиатура дисплея современного вы-
носного терминала напоминает клавиатуру пишущей ма-
шинки. Другие возразят — она похожа на клавиатуру те-
леграфного аппарата-телетайпа. Но, пожалуй, тут больше
сходства с современными электрическими пишущими ма-
шинками, так как клавиши лишь включают электрические
контакты и не нуждаются в большом перемещении и со-
ответствующем усилии, необходимом в обычных пишущих
машинках, где они движут рычаги, несущие печатающие
литеры.
Световой экран дисплея является экраном телевизион-
ной трубки, дающей черно-белое или цветное изображе-
ние. Изображения, возникающие на нем, могут соответст-
вовать буквенному и цифровому тексту, чертежам и да-
же полутоновым цветным изображениям. Для формирова-
ния всех этих изображений в память ЭВМ включена под-
программа-транслятор. Он преобразует выходные сигналы,
получаемые в двоичном цифровом коде, в соответствующие
сигналы, формирующие на экране кинескопа нужные кар-
тины.
В комплект терминала обычно входят дополнительные
блоки. Например, блок внешней памяти, предназначенный
для записи результатов вычислений, графопостроитель,
способный отображать результаты в форме графиков или
строить по команде ЭВМ конструкторские чертежи, и т. п.
В комплект терминала, конечно, входит и печатающее
устройство, преобразующее результаты в обычный буквен-
ный и цифровой текст.
Все эти усовершенствования, убыстрение работы при-
вели к неожиданному результату — уже не человек торо-
пил машину, а машина подгоняла его — давай, давай но-
вое задание, да побыстрее! Действительно, быстродейст-
вие процессоров и блоков оперативной памяти ЭВМ тре-
тьего поколения столь велико, что они простаивали бы при
167
каждом, предусмотренном программой, обращении к дол-
говременной внешней памяти. Она работает гораздо мед-
леннее, чем каналы введения новых исходных данных или
же выведения их на дисплей.
Для того чтобы избежать этих потерь времени и до-
стичь полной загрузки быстродействующих блоков, раз-
работаны специальные устройства. Их называют устройст-
вами разделения времени. По существу, они выполняют
функции диспетчера, позволяя присоединять к мощной
ЭВМ целый ряд независимых пользователей. Такое дис-
петчерское устройство содержит особую программу, в со-
ответствии с которой оно подключает к оперативным бло-
кам ЭВМ все программы, введенные в промежуточную
память, и все запросы не в порядке обычной очереди, а с
учетом характера и срочности решаемых задач.
Переключение процессора от одной программы к дру-
гой производится, например, когда первая из них содер-
жит обращение к внешним устройствам, например к дол-
говременной памяти, или предусматривает выведение (пе-
чать) промежуточного результата. При этом диспетчер,
отключив первую программу от процессора, ставит ее в
очередь и подключает следующую.
Каждый оператор вводит интересующую его задачу в
свой терминал. При этом вводимая программа проходит
несколько этапов. Вначале она попадает в оперативную
память терминала, и на этой стадии оператор производит
ее отладку и контроль. Затем к диспетчеру поступает сиг-
нал, что программа готова к передаче. Одновременно про-
грамма-диспетчер получает сведения о величине програм-
мы, о том, какой интервал времени необходим для ее за-
писи в оперативную память центрального процессора, и,
если это требуется, сведения о характеристике, ее приори-
тета. Имея эту информацию, программа-диспетчер ставит
терминал в очередь и при появлении оптимального «ок-
на» (нужного промежутка времени) очень быстро, не
расходуя ни одного лишнего мгновения, передает ее для
записи в оперативную память центральной ЭВМ.
Если же оперативная память центрального процессора
загружена настолько, что очередная программа не может:
быть записана полностью, диспетчер направляет ее в бы-
стродействующую буферную (промежуточную) память.
А из нее — в долговременную память, оставляя в опера-
тивной памяти только код новой программы с указанием
ее длительности и приоритета.
168
Программа-диспетчер не только успевает обслужить
таким образом одновременно десятки потребителей, но и
продолжает наблюдать за ходом выполнения ранее вве-
денных программ. Она отключает их от центрального про-
цессора на время, необходимое для обращения к внеш-
ней памяти, и в других случаях, когда данная программа
не загружает центральный процессор.
После решения задачи программа-диспетчер мгновен-
но передает результат из оперативной памяти центрального
процессора в оперативную память соответствующего терми-
нала и затем освобождает процессор от законченной зада-
чи для новой работы.
Оперативная память терминала немедленно начинает
освобождать себя, переписывая всю полученную инфор-
мацию в свою долговременную память, где она хранится
до новой команды. Впрочем, оператор имеет возможность,
составляя свою программу, сразу включать в нее команду
«результат представить в форме графика» или «в форме
таблицы» и т. п. Тогда долговременная память подключа-
ется к графопостроителю или печатающему устройству.
Оператору остается получить таблицу или график и пу-
стить их в дело.
Увеличение быстродействия ЭВМ и оснащение их раз-
нообразным периферийным оборудованием, например бы-
стродействующими печатающими устройствами, со всей
остротой указали на то, что узким местом всей системы
становится программирование и введение программ в ЭВМ.
Однако увеличение объема оперативной памяти сущест-
венно смягчило проблему введения программ в управляю-
щий блок машины. Теперь человек может, не торопясь,
вводить новую программу во вспомогательные блоки дол-
говременной памяти, откуда она в нужный момент будет
автоматически передана в оперативную память и по сиг-
налу программы-диспетчера пущена в обработку.
Уже говорилось о программирующих программах, спо-
собных разгрузить того, кто пользуется ими, от части тру-
доемкой работы. Но пока не создана, и вряд ли в обозримом
будущем удастся разработать программу, полностью заме-
няющую программиста.
Математики, специализирующиеся в области програм-
мирования ЭВМ, давно стремились упростить этот про-
цесс. ЭВМ первого поколения требовали, чтобы программа
шаг за шагом руководила работой машины. Уже в то
время ЭВМ выполняли операции сложения и вычитания
169
много быстрее, чем это доступно обычному человеку. -По-
этому программисты в шутку говорили: ЭВМ — это быст-
рый дурак. Для того чтобы выполнить простейшую опе-
рацию, например, сложение двух чисел, человек должен
был ввести в определенные ячейки памяти машины числа,
подлежащие сложению, а в управляющий блок—целый
ряд команд. Взять первое слагаемое из первой ячейки па-
мяти и передать его в процессор (в вычисляющий блок);
взять второе слагаемое из второй ячейки памяти и пере-
дать его в процессор; произвести сложение этих чисел и
сообщить результат на световом табло (или направить его
в третью ячейку памяти).
Легко представить себе, сколь кропотливым было со-
ставление более сложных программ, содержащих десятки
и сотни шагов. При этом почти неизбежны ошибки, а ведь
обнаружение и исправление их требовало дополнительного
времени!
По мере совершенствования ЭВМ улучшались и мето-
ды программирования. Существенным рубежом стало со-
здание специальных языков программирования, рассчи-
танных на то, чтобы облегчить взаимодействие человека и
ЭВМ. Такая возможность появилась только в результате
того, что в памяти ЭВМ были созданы «резервные емко-
сти», которые можно выделять для нужд программирова-
ния, не снижая эффективности работы машины.
Сущность языков программирования основана на том,
что в распоряжение программиста предоставляется набор
стандартных фраз обычного языка, или мнемонических,
легко запоминающихся выражений и сокращений.
Как только программист при помощи клавиатуры на-
бирает такую фразу или выражение, машина мгновенно
преобразует ее в команду, выраженную цифровым кодом,
принятым в данной машине. Эта кодовая посылка переда-
ется в память ЭВМ, а одновременно на экране возникает
фраза на «человеческом» языке, так что программист мо-
жет проверить, не возникла ли ошибка на этом этапе.
КАК ОБЩАТЬСЯ С МАШИНОЙ?
Количество языков программирования постепенно уве-
личивается. Одни из них универсальны, и их можно при-
менять при введении в ЭВМ любой задачи. Другие — спе-
циализированны: их используют только в определенных
областях науки, техники, экономики и т. п. Среди них есть
170
даже языки, предназначенные для очень узкого круга за-
дач.
Конечно, чем более специализирован язык, тем силь-
нее он упрощает и ускоряет программирование и одно-
временно уменьшает вероятность ошибки. Это, в свою оче-
редь, существенно снижает затраты дорогого рабочего
времени ЭВМ, необходимого для отладки программ.
В системах с разделением времени введение и отлад-
ка программ полностью выполняется при помощи оборудо-
вания терминала, без загрузки центральной ЭВМ. Только
после окончательной отладки программа передается в
центральную ЭВМ. Но и в этом случае специализирован-
ные языки облегчают труд программистов и ускоряют со-
ставление программ.
Развитие языков программирования привело к револю-
ционному изменению взаимодействия человека и ЭВМ.
Были разработаны и теперь повсеместно — не только в
больших, но и в средних и малых ЭВМ — применяются
диалоговые методы работы человека и ЭВМ.
Сущность этих методов состоит в том, что человек не
ограничивается командами и программами, которые ЭВМ
должна безоговорочно выполнять даже в том случае, ес-
ли они не оптимальны или содержат ошибки. Он общается
е ЭВМ, как со знающим свое дело помощником. При
этом, конечно, необходимые знания заранее вводятся им в
ЭВМ. Однако это отнюдь не означает, что человек сооб-
щает ЭВМ все, что от нее может потребоваться. Нет, до-
статочно ввести основные данные и указания (подпрограм-
мы), определяющие, например, как ЭВМ должна контро-
лировать программу, чтобы обнаружить, а может быть, и
сразу устранить ошибку, допущенную человеком. Можно
ввести подпрограммы, дающие ЭВМ возможность выбрать
задачи и т. п. При этом все действия ЭВМ в ходе диало-
гового обмена высвечиваются на экране стандартными ко-
роткими фразами, не допускающими произвольного истол-
кования. Они сообщают человеку, что его фраза понятна
и принята к исполнению или она не содержится в слова-
ре того языка программирования, на котором работает
машина, и он должен сформулировать свою мысль
иначе.
ЭВМ может быть и полиглотом, если в нее введена
специальная программа, способная переводить фразы того
языка программирования, который удобен или знаком че-
ловеку, на тот, что принят в данной ЭВМ, и наоборот, При
1?1
современном быстродействии ЭВМ человек даже не заме-
чает, что он и ЭВМ пользуются различными языками.
Сейчас ЭВМ предоставляют человеку такие возможно-
сти, которые еще десять-двадцать лет назад не приходи-
ли в голову даже авторам научно-фантастических рома-
нов.
Речь идет о применении специальных электронно-луче-
вых трубок. На их экране по сигналам ЭВМ возникают
не только светящиеся буквы, математические символы и
чертежи. Но человек может при помощи этого экрана да-
вать машине дополнительные указания, не прибегая к кла-
виатуре дисплея. Достаточно простого прикосновения спе-
циальным карандашом к экрану электронно-лучевой труб-
ки. Такое устройство называют «световым карандашом»
или «электронным пером». По желанию человека, он мо-
жет высветить на экране светящуюся точку, линию или
«стереть» часть изображения, построенного машиной.
Это замечательное усовершенствование основано на
том, что ЭВМ работает как бы в два приема. -Первое ее
действие сводится к высвечиванию на экране той инфор-
мации, которая передается от ЭВМ на экран трубки. Ко-
нечно, она сохраняется и в памяти ЭВМ. Вторым действи-
ем ЭВМ является считывание информации, высвеченной
на экране, и ее сравнение с оставшейся в памяти. Если
ошибки не обнаруживается, ЭВМ мгновенно выдает на
экран посылку, смысл которой сводится к фразе «жду ука-
заний» или ей подобной.
Теперь человек может при помощи светового каран-
даша ввести в изображение необходимые изменения. При
этом он вправе не только прочертить нужные линии или
стереть ненужные, но и отметить две точки и дать маши-
не команду, например, провести через эти точки прямую,
или синусоиду с данным периодом (тогда машина выберет
соответствующую амплитуду), или ломаную линию. За-
кончив исправления и изменения, человек подает команду
ввести этот вариант чертежа в память машины, сохранив
при этом или заменив первоначальный.
Но и этим не ограничивается использование электрон-
ного карандаша и соответствующей электронно-лучевой
трубки. ЭВМ мгновенно, по команде человека, увеличива-
ет или уменьшает масштаб чертежа, перемещая на нем
определенные участки, изображает другую проекцию дан-
ного объекта, наконец, изображает его сечение или вид
проектируемого объекта в перспективе. При этом ЭВМ
172
использует в качестве исходных данные, находящиеся в
ее памяти.
Казалось, что о большем нечего и мечтать, но ЭВМ
способна на большее и уже предоставляет человеку совер-
шенно удивительные возможности.
Представим себе авиаконструктора, работающего с
ЭВМ в диалоговом режиме со световым карандашом в ру-
ках. Он заранее вводит в машину требования к будущему
самолету и исходные сведения о его конструкции, а так-
же условия, при которых он должен совершенно надежно
летать, совершать взлет и посадку. Затем рисует световым
карандашом изображение самолета, его первую, еще не
детализированную электронную модель. ЭВМ, по команде
авиаконструктора и при помощи имеющихся в ее памяти
программ, расчитывает такую модель, учтя при этом свой-
ства избранных конструктором материалов и условия по-
лета. Быстродействие машины столь велико, что она прак-
тически немедленно высветит на экране главные узлы кон-
струкции с указанием их основных характеристик.
Авиаконструктор имеет возможность вносить поправки
или давать машине новые задания, вызывать на экран лю-
бые другие детали или шрифтовую спецификацию. Нако-
нец, первый вариант модели готов. Теперь можно задать
ЭВМ конкретные условия — высоту и скорость полета, ско-
рость ветра и его отдельных порывов, нагрузку самолета,
факторы, вызывающие обледенение, и т. п.
ЭВМ немедленно высветит на экране внешний вид мо-
дели, существующей в ее памяти, и продемонстрирует ее
поведение в заданных условиях. Конструктор увидит, как
крылья самолета отклоняются от положения покоя под
влиянием груза и сопротивления воздуха, какова величина
вибрации крыльев и других деталей самолета. Вводя в
электронный эксперимент условия, выходящие за пределы
расчетной прочности конструкции, можно наблюдать раз-
рушение электронной модели, обнаруживать ее слабые ме-
ста, возникновение и рост трещин, перегрев и деформацию
отдельных элементов конструкции и вводить в нее соответ-
ствующие изменения.
Так ЭВМ экономит время и значительные средства, не-
обходимые для конструирования на бумаге и реального
моделирования, для испытания моделей на вибростенде и
ее «продувку» в аэродинамической трубе. Все эти экспери-
менты нуждаются в сложной математической обработке,
многократном моделировании и т. п. Поэтому создание но-
173
вого самолета традиционными методами требует многих
лет работы большого коллектива специалистов. ЭВМ поз-
воляет сразу, после всестороннего испытания электронной
модели математическими средствами, строить опытный об-
разец самолета или его реальную модель для окончатель-
ного контроля перед первым реальным полетом.
ЭВМ способна активно участвовать в разработке ин-
тегральных схем, анализируя возможные варианты, учиты-
вая отдельные компоненты и блоки схем по заданным
критериям оптимизации, например, по быстродействию,
надежности, теплоотводу и т. п. ЭВ;М гораздо лучше, чем
человек, произведет сравнение многих вариантов. Опреде-
лит оптимальное взаимное расположение отдельных бло-
ков. Обеспечит их плотную увязку. Учтет наименьшее ко-
личество и длину междублочных соединений и т. п.
Современные автоматизированные промышленные ком-
плексы или даже целые цеха и заводы, управляемые еди-
ной центральной ЭВМ, содержат иерархию отдельных
ЭВМ. Несколько слов об «умных», или «интеллигентных»,
терминалах и иерархии ЭВМ. Микропроцессор такого тер-
минала, работая в диалоговом режиме, не только участву-
ет вместе с оператором в составлении и отладке программ,
но и решает не очень сложные задачи, ради которых неце-
лесообразно загружать линии связи и центральную боль-
шую ЭВМ. Он должен и может производить предвари-
тельную обработку, подготовку и сжатие информации пе-
ред передачей через линию связи в центральную ЭВМ.
Обычно между такими терминалами и центральной
большой ЭВМ включен ряд средних ЭВМ, объединяющих
в себе информацию, поступающую от нескольких терми-
налов. Одна из этих средних ЭВМ берет на себя решение
задач, недоступных микропроцессору терминала, но недо-
статочно сложных для того, чтобы имело смысл передать
их дальше. Эта средняя ЭВМ также уплотняет, пакетиру-
ет информацию, поступающую от подопечных терминалов
для того, чтобы уменьшить загрузку линий связи и
устройств центральной ЭВМ. Эта промежуточная ЭВМ
сортирует и передает терминалам решение поступивших от
них задач, дирижируя согласованной работой своих подчи-
ненных.
Так строят иерархическую систему, позволяющую наи-
более эффективно использовать целый набор ЭВМ — от
самых малых, входящих в состав каждого из многих «ин-
теллигентных» терминалов, до самых мощных — и рацио-
174
нально использовать соединяющие их линии передачи ин-
формации.
Все, сказанное выше, относится к ЭВМ, управляющим
автоматизированными промышленными комплексами, и
микро-ЭВМ, входящим в состав современных роботов.
Внедрение электронных вычислительных машин в про-
мышленность идет рука об руку со все более широким их
использованием в творческом процессе, в изобретательст-
ве, конструировании, любом научном поиске. А когда де-
ло касается области творчества, это всегда кончается рож-
дением нового, небывалого.
...Во все века человек настойчиво ищет кратчайший
путь к цели. Он создает план поиска, а потом проверяет,
годится ли ему этот метод, правильный ли путь избран.
Веками мы пользовались для этого карандашом, логариф-
мической линейкой, чертежом, клочком бумаги, арифмо-
метром. Сейчас в числе этих наших орудий электронная
вычислительная машина, дополнительный участок мозга!
Перед нами небывалые возможности, фантастический вид
содружества человека и машины—творческий. Представ-
ляете, во что это может вылиться, если полностью исполь-
зовать преимущества каждого из партнеров? Машина бу-
дет запоминать — она ведь может запомнить числа чуть
ли не с сорока нулями и оперировать с ними за доли се-
кунды, безошибочно извлекая их из глубины своей памя-
ти в течение микросекунд, без перерыва на обед, неутоми-
мо и точно. Она имеет возможность ежесекундно ворочать
томами информации, отыскивая в ней правильный ход к
намеченной человеком цели.
Вклад человека — сила и гибкость мышления, его об-
разность, неисчерпаемость. Обязанностью человека по-
прежнему остается формирование выводов, их социаль-
ная, эстетическая и экономическая оценка, формулировка
непредвиденных заранее вопросов, изменение ранее наме-
ченного пути решения проблемы.
Вспомним электронное перо. Этим пером можно будет
рисовать и писать по экрану — под ним возникает свето-
вая точка. И когда водишь пером, световая точка следит
за движением. Одновременно соответствующие данные вво-
дятся в память машины. Как мы уже знаем, в архитекту-
ре, проектировании самолетов, автомобилей да и вообще
во всех областях технического конструирования это от-
кроет небывалые перспективы. Проектировщик с помощью
светового пера сможет вычерчивать эскизы, менять их кон-
175
фигурацию, увеличивать или уменьшать размеры в про-
цессе обдумывания нового варианта. Причем какие-то ча-
сти чертежей можно стереть, можно заложить их в долго-
временную память машины, чтобы потом извлечь в тот
момент, когда нужно сравнить полученный результат с
расчетом. Если проектировщику понадобится какой-то эле-
мент схемы, он нажмет соответствующую кнопку — и пе-
ред ним окажется точная копия. Если в конструкции нуж-
но изменить какой-либо размер, машина по сигналу внесет
поправки во все чертежи...
А теперь представим себе рабочий кабинет ученого, ли-
тератора. На письменном столе — экран, несколько кно-
пок, световое перо и микрофон. Нет, не от магнитофона
или диктофона, а от электронной машины. Вы диктуете в
микрофон статью, и тотчас ваши слова появляются в пись-
менном виде на экране индивидуального пульта, управле-
ния. Затем вы берете светоручку и редактируете текст, пе-
реставляя слова, что-то вычеркиваете, что-то добавляете.
Потом вы решаете прослушать текст, откидываетесь в
кресле, закрываете глаза, машина читает — читает вашим
собственным голосом! — очередной вариант.
А пока происходит это потрясающее совместное твор-
чество, машина, отключаясь от вас, совершенно незамет-
ным образОхМ поможет какому-нибудь студенту получить
исчерпывающее представление о поведении моста под раз-
личными нагрузками и усвоить основные положения тео-
рии упругости, на что сегодняшнему студенту потребовал-
ся бы целый семестр; она подключится к энергетическому
центру и определит график распределения электроэнергии
в Москве — в связи с введением в строй еще двух-трех де-
сятков новых заводов; подсчитает, в какие районные обув-
ные магазины и в каком количестве нужно завести жен-
скую обувь нового фасона, и так далее, и так далее.
Сейчас на наших глазах происходит дальнейшее совер-
шенствование ЭВМ. Но дело упирается в облегчение об-
щения человека с ЭВМ. Речь идет прежде всего о систе-
мах голосовой связи. Она стала возможной после создания
на основе микропроцессоров специальных систем анализа
и синтеза человеческой речи. Уже существуют не только
большие ЭВМ, ио и микро-ЭВМ, в память которых введе-
ны словарь, содержащий определенное количество стан-
дартных фраз, и программа, способная немедленно осуще-
ствить анализ звуков человеческой речи и превратить каж-
дую из произнесенных фраз в набор стандартных кодовых
176
посылок. Для этого специальный блок, анализатор звука,
сопоставляет звуковые сигналы, передаваемые в ЭВМ че-
рез микрофон, с содержанием своего словаря. Более слож-
ные анализаторы способны «понимать» команды любого
человека. Более простые требуют предварительной запи-
си всех фраз словаря будущим пользователем ЭВМ.
Тому, кому это покажется странным, следует вспомнить,
как уверенно ему удается узнавать знакомых по голосу,
даже искаженному телефонной трубкой. Ведь голос —
почти столь же характерный индивидуальный признак, как
отпечатки пальцев. Голос человека, достигшего старости,
почти не отличается по звучанию от его же голоса в два-
дцатилетием возрасте. Поэтому гораздо легче поручить
машине сопоставлять слова, дважды произнесенные од-
ним и тем же голосом, чем научить ее «понимать» одно и
то же слово, сказанное разными людьми.
Конечно, голосовые ответы ЭВМ тоже возможны толь-
ко в пределах заранее введенного в нее словаря. Но при
этом, как и в случае вычисления функций, словарь маши-
ны невыгодно выполнять в форме звуковой записи соот-
ветствующих слов или фраз. Такая форма записи, как и
табличных данных, привела бы к чрезмерной и излишней
перегрузке памяти ЭВМ. Современные «говорящие ЭВМ»
снабжаются не звукозаписями, а программами синтеза
различных звуков. В память такой машины записываются
очень короткие кодовые данные, соответствующие нужным
звукам, комбинациям звуков, словам.
Когда ЭВМ должна преобразовать полученные ею ре-
зультаты в словесную форму, в программу включают стан-
дартную программу-транслятор, которая в мгновение ока
по соответствующим кодовым командам синтезирует зву-
ки, составляющие требуемый словесный ответ.
Казалось бы, идеал общения человека и машины —
звуковое общение. Но такая форма не приводит к суще-
ственному выигрышу времени. Ведь хорошая машинистка
способна печатать текст быстрее, чем она же может про-
читать его вслух. Однако звуковая форма удобнее и при-
вычнее для широкого круга тех, кто пользуется ЭВМ, кто
не имеет возможности овладеть сложным процессом про-
граммирования.
В качестве примера освоенных промышленностью си-
стем речевого общения между человеком и ЭВМ можно
привести систему МАРС (мультипрограммный аппарат
распознавания и синтеза речи). От замысла до серийно-
177
го производства МАРСа потребовалось всего три месяца
дружной работы конструкторского бюро Калининградского
опытного механического завода с учеными. Главный инже-
нер этого конструкторского бюро А. Еремин считает, что
МАРС особенно перспективен в машинном проектирова-
нии, но вместе с тем трудно назвать такую отрасль или
производство, где нельзя применять МАРС для упрощения
взаимодействия человека и ЭВМ.
Анализ голосовых сообщений с его автоматическим пре-
образованием в кодовые знаки, понятные ЭВМ, является
лишь одним из разделов чрезвычайно важной и многообе-
щающей области, название которой — распознавание об-
разов.
ОБРАЗЫ
Задача распознавания образов возникает во многих,
весьма различных областях науки и техники. До последне-
го времени она была доступна только живым организмам.
Распознавание образов можно условно разбить на две
части. Одна из них — это получение сведений об объекте.
Другая — анализ и сопоставление их между собой и срав-
нение со сведениями, имеющимися в памяти распознающе-
го существа. Ни одна из этих частей, взятая по отдельно-
сти, не приводит к распознаванию образа.
Главная часть сложного процесса распознавания об-
раза живыми существами реализуется их мозгом. Ученые
делают лишь первые шаги в изучении этого поразительно-
го процесса. Малолетний ребенок, еще не научившийся го-
ворить, безошибочно находит свою мать среди многих жен-
щин. Слепой щенок узнает свою мать по запаху. Это лишь
простейшие примеры. Каждый может добавить множество
подобных или более сложных примеров.
. В одних случаях в распознавании образов участвует
только один орган чувств, например, зрение, слух или обо-
няние. В других требуется их комбинация; например, де-
густатор оценивает качество вина и определяет его сорт
по вкусу, запаху и цвету. Ни один из этих признаков по
отдельности, ни их парные комбинации не решают задачи.
Физиологи уже существенно продвинулись в понима-
нии основ того, как действуют наши глаза, уши, органы
осязания, вкуса, обоняния. Но ни один из органов чувств
не передает мозгу непосредственного содержания воспри-
нимаемой информации — цвета и формы, запаха и вкуса,
178
ощущения теплоты или боли. Известно, что органы чувств
перерабатывают первичную информацию о внешнем мире*
или о состоянии организма в нервные импульсы и переда-
ют их по нервам в мозг.
Нет сомнения в том, что эти импульсы образуют коды,
доставляющие в мозг информацию, уже подвергнутую
первичной обработке в самом органе чувств. Но ученые
еще не разгадали их. Они делают только первые шаги к
пониманию механизма памяти — этой глубочайшей тайны
природы. Уже можно говорить о том, что в основе памяти
лежат сложные химические процессы. Но сущность их
еще остается неизвестной. Получены первые сведения о
том, что первичное запоминание, в какой-то мере сравни-
мое с оперативной памятью ЭВМ, происходит иначе, чем
длительное. Но еще не ясно, в чем состоит это различие.
Таким образом, ученые, занимающиеся проблемой рас-
познавания образов при помощи ЭВМ, не имеют возмож-
ности опереться на естественные, созданные самой приро-
дой, но не познанные процессы, происходящие в мозгу..
Лишь одна аналогия кажется здесь закономерной: спра-
ведливо говорят — глаз смотрит, а мозг видит; ухо слуша-
ет, а мозг слышит. Истинная картина, с которой имеет де-
ло мозг, это не изображение, образуемое хрусталиком на
сетчатке глаза. Это последовательность нервных импуль-
сов, поступающих от светочувствительного элемента, сет-
чатки глаза, по зрительному нерву в тот раздел мозга, ко-
торый непосредственно участвует в формировании, а воз-
можно, и в запоминании и анализе изображения. Не ис-
ключено, однако, что та часть мозга, которая формирует
зрительное восприятие, передает его дальше, не участвуя
в процессе анализа и запоминания того, что видят глаза1
человека.
Эта аналогия помогла ученым утвердиться в мнении,
что искусственное распознавание образов вовсе не должно
следовать непостижимой пока работе мозга. Образцом для
подражания скорее может служить работа микрофона или
фотоэлемента. Они преобразуют информацию — звуковую,
световую — в электрические импульсы. Потом эти импуль-
сы анализируют и запоминают.
В нашу задачу не входит углубление в детали. Нам
важна принципиальная суть дела. А принципы здесь, как в
большинстве случаев, просты и общедоступны.
Они ясно видны даже в таком, далеко не простом слу-
чае, как распознавание цифр.
17$
Человек узнает написание цифр столь же непонятным
нам путем, как ребенок — свою мать. Глаза видят объект,
мозг сопоставляет зрительную информацию о нем с инфор-
мацией, ранее зафиксированной в памяти.
Начнем с того, как ученые и инженеры решают простей-
шую из этого типа задач.
Она возникла, когда возросший поток почтовой коррес-
понденции сделал необходимым замену ручного труда сор-
тировщиков писем автоматами. Здесь мы встречаемся
с автоматизированной системой, в которой акт механичес-
кой сортировки составляет лишь заключительный этап ре-
шения сложной задачи. Ее наиболее трудной частью яв-
ляется «прочтение» цифрового кода, правильное распозна-
вание комбинации из шести цифр, написанных отправите-
лем. Подчеркнем еще раз, что устройство, осуществляющее
механическую сортировку — то, что можно здесь назвать
роботом,— является одним из простых звеньев сложной сис-
темы, включающей блок распознавания.
Прежде всего, вспомним о правилах написания цифр,
выбранных Министерством связи. Взяв любой конверт или
открытку (из тех, что продаются в нашей стране), читатель
увидит образец написания цифр от нуля до девяти. Одни
из них похожи на те, которым нас обучали в школе. Другие
выглядят непривычно и даже неудобны для написания, нап-
ример цифра восемь.
В оправдание почтовых работников следует сказать, что
они избрали один из самых лучших вариантов написания
цифр — наиболее привычный и одновременно максимально
упрощающий конструкцию устройства, осуществляющего
анализ записанной отправителем комбинации цифр. Упро-
щается и автоматическая сортировка писем в соответствии
с любой комбинацией, образующей индекс почтового отде-
ления адресата, куда должно быть доставлено письмо.
Обратите внимание на то, что изображение каждого из
чисел мы должны выполнить сплошными линиями, проводи-
мыми по совокупности точек. По десять таких точек обра-
зуют две вертикальные линии, по шесть — три горизонталь-
ные и по шесть точек — две наклонные линии. При этом
каждая из точек, расположенная на пересечении линий,
участвует в образовании до трех различных линий. Этот
случай можно обнаружить в цифрах 4, 6, 8 и 9. Точки, рас-
положенные вне пересечений, участвуют только в изобра-
жении одного из элементов цифры или остаются неисполь-
зованными, то есть не соединенными со своими соседями.
180
Можно придумать и реализовать много вариантов уст-
ройств, способных преобразовать цифры, написанные таким
образом, в совокупность электрических импульсов. Простое
устройство, входящее в состав почтового сортировочного
автомата, содержит все три основных части, без которых
невозможно распознавание зрительных образов. В нем есть
фотоэлектрический воспринимающий прибор, соединенный
с анализатором входных сигналов. Есть элемент, выпол-
няющий роль памяти, и исполнительный механизм, осущест-
вляющий сортировку «по указанию», то есть по команде,
вырабатываемой анализатором в результате сравнения
входных сигналов со всеми прототипами, хранящимися в
памяти автомата.
Простота сортировочного автомата обусловлена тем,
что объекты, подлежащие опознаванию, мало отличаются
по форме от «образов», введенных в память машин. И рас-
положены они во вполне определенной части конверта.
Если цифра, подлежащая опознаванию, резко отличается
от образца, например наклонная линия в двойке нанесена
не по нижней, а по верхней комбинации наклонных точек,
а вертикальная — не справа сверху, а слева внизу, то сор-
тировочный автомат отбросит соответствующий конверт в
отделение ошибочно заполненных.
Тут сразу заметна «ограниченность» автомата. Ведь
человек легко опознает, что отправитель хотел написать
двойку. Небольшое усложнение — введение в память авто-
мата двух вариантов написания цифр — позволяет ему
опознать двойку в обоих вариантах, обходясь без помощи
человека. Не будем углубляться в детали построения этого
узко специализированного автомата, но совершенно ясно,
что в него может быть введена программа, способная рас-
познавать числа, даже если при их написании допущено
отклонение от стандарта.
Рассмотрим более гибкую систему. Пусть читающий блок
состоит из одного фотоэлемента, перемещающегося по го-
ризонтальным строкам, длина которых равна ширине стан-
дартных цифр (в каждой строке может располагаться по
шесть точек). Пройдя от начала до конца строки, блок
выключается и возвращается к началу следующей строки,
и так от первой строки до десятой. Читающий блок выдает
импульсы каждый раз, когда он находится над точкой, пок-
рытой чернилами, и не выдает импульса над белым полем
или над маленькой точкой, отпечатанной на конверте в ти-
пографии. Можно условиться считать каждый импульс
181
сигналом «есть» или «единица», а каждый случай, когда
импульс не выдается, сигналом «нет» или «нуль».
В простейшем случае в память автомата заложена точно
такая комбинация нулей и единиц. А также «указание» или
«программа», сводящаяся к тому, что при совпадении
внешнего сигнала с этой комбинацией нулей и единиц, не-
обходимо выдать в исполнительный механизм команду, оз-
начающую, например, что на данной позиции стоит цифра 6.
Подобно этому анализируются все шесть цифр, состав-
ляющие индекс почтового отделения адресата. Получив их
соответствующую последовательность, автомат направляет
письмо по назначению.
Если же отклонение чернильных линий от заданных,
обозначенных точками, окажется больше, чем расстояние
между точками, то простой автомат не сможет выполнить
сортировку.
Но если в анализирующее устройство встроена ЭВМ, то
в нее можно ввести более сложную программу, например по-
ручить ей вычислять наименьшее отклонение полученного
сигнала от каждого из образцов, имеющихся в памяти.
Используя программу сравнения, ЭВМ легко обнару-
жит, что искаженная, как описано выше, запись двойки,
где чернильная линия проведена по верхней наклонной
комбинации точек, а вертикальная прямая слева внизу,
все же более похожа на стандартную запись цифры два,
чем на любую другую цифру.
Можно еще больше усложнить процедуру сравнения.
Например, чтобы выявить цифру, у которой спутаны верх
и низ, достаточно обернуть порядок и направление прочте-
ния строк. В этом случае автомат сможет идентифициро-
вать все цифры, кроме 6 и 9.
Различить эти цифры автомат может, только учтя пред-
почтительную ориентировку большинства остальных цифр
или применив операцию сравнения при повороте по часовой
стрелке на 90°. При этом у шестерки квадрат окажется
слева, а у девятки справа.
Не многим сложнее задача опознавания цифр или других
знаков, расположенных нестандартным образом. Напри-
мер, выше или ниже обычного уровня или наклонно по от-
ношению к краям страницы. Специальная программа, род-
ственная той, что применяется в ЭВМ, предназначенных
для создания чертежей (о чем упоминалось выше), может
манипулировать с анализируемыми сигналами так, как это
предписано программой. Например, она определит величи-
182
ну отклонения каждого из сигналов от образцов, храня-
щихся в памяти ЭВМ, и таким образом выявит наименьшее
различие или, что, по существу, одно и то же, наибольшее
сходство анализируемого сигнала с имеющимися образца-
ми. Потом по заранее определенному критерию минималь-
но допустимого различия ЭВМ даст заключение о том, сов-
падает ли объект, предъявленный для опознавания, с од-
ним из образцов, имеющимся в памяти машины.
Программы такого типа иногда называют корректи-
рующими, ибо они способны исправить ошибку, содержа-
щуюся в анализируемом объекте (рисунке, наборе цифр
и т. п.). Так ЭВМ может выявить ошибку, допущенную че-
ловеком, вошедшую при передаче информации или на
стадии ее записи в память и извлечения из нее.
Эти же принципы оказываются полезными и при реше-
нии многих других задач, связанных с распознаванием
образов. Ими могут быть зрительные образы, например фо-
тографии отпечатков пальцев, слуховые впечатления, нап-
ример звуки человеческого голоса, и т. п.
Во все подобные системы входят те или иные приемники,
воспринимающие первичную информацию от объекта. Во
всех системах для распознавания сложных образов необ-
ходимо применение ЭВМ, универсальных или специализи-
рованных для определенного класса задач. Во всех случаях
человек должен составить для ЭВМ программу обработки
поступающей информации. Этот этап — составление прог-
раммы— является наиболее сложным при решении задач
распознавания. В наше время только человек способен
выделить характерные признаки объекта, присутствие ко-
торых необходимо и достаточно для распознавания. Только
человек может оценить, как велики должны быть различия
между признаками объекта и образца для того, чтобы с
необходимой надежностью установить, совпадают ли они
между собой или нет. В будущем ЭВМ не потребуется по-
мощь человека, но сейчас невозможно сказать, сколько вре-
мени понадобится для разработки новых, более эффектив-
ных методов распознавания образов.
В некоторых случаях опыт, накопленный специалистами
до начала широкого применения ЭВМ, может быть приме-
нен при составлении программ распознавания. Так, кри-
миналисты уже давно выделили типичные элементы, встре-
чающиеся в отпечатках пальцев, и установили, сколько
совпадений необходимо и достаточно, чтобы достоверно
судить о том, совпадает или нет отпечаток с образцом,
183
взятым из картотеки. Раньше подобный анализ требовал'
длительной и напряженной работы эксперта. Теперь это
можно возложить на ЭВМ, которая чрезвычайно быстро
сравнивает отпечаток со всей наличной картотекой. При
этом ЭВМ анализирует только новый отпечаток, описывая
его признаки при помощи соответствующего цифрового
кода. Она не должна каждый раз заново изучать все образ-
цы, имеющиеся в картотеке, ибо при составлении и пополне-
нии ее всем входящим в нее образцам, на основе аналогич-
ного анализа, сразу приписаны кодовые обозначения. Поэ-
тому при появлении нового отпечатка пальцев ЭВМ коди-
рует только его признаки, а затем сравнивает со всеми,
имеющимися в картотеке. В сомнительных случаях, когда
программа, введенная в ЭВМ, не делает определенного
выбора, например если она выявляет близкое сходство с
несколькими образцами, привлекается человек. Решение
эксперта, если оно подкрепляется другими факторами, мо-
жет служить основой для усовершенствования соответст-
вующей программы. Такое усовершенствование происходит
в результате сотрудничества программиста и эксперта. Из-
менение же программы считается необходимым только тог-
да, если оно окажется эффективным и в ряде аналогичных
случаев.
Но криминалистам этого мало. Преступник не всегда
оставляет отпечатки пальцев. Однако есть еще одна особен-
ность, присущая только данному индивиду. Это совершенно
особый химический состав пота. Он так же уникален, как
и отпечатки пальцев. Пока это используют лишь служебные
собаки, тонко различающие запахи. Можно ли научить
этому и машину?
Пришлось обратиться за советом к химикам. Химики
ответили: чувствительность современного анализа столь
велика, что делает положительный ответ очень вероятным.
Но требуется большая работа, чтобы достоверно установить
набор индивидуальных признаков. Это опять упирается в
проблему распознавания образа, уже химического, еще бо-
лее сложную проблему.
Криминалисты предложили машине еще задачу — сли-
чать фотографии преступника. Как можно безошибочно дать ’
заключение о тождестве или различии во внешности чело-1
века, если приходится сравнивать фотографии, сделанные в
молодости и в зрелом возрасте? Одни признаки сохраняют-
ся, другие с годами сглаживаются, некоторые возникают
вновь. Криминалист все это как-то улавливает, а машина?
184
Можно ли обеспечить достоверность, сравнивая фотографии^
сделанные анфас и в профиль? Или такая ситуация — прес-
тупник сделал пластическую операцию. Как в этом случае
при помощи фотографии опознать его? Вопрос, приобрета-
ющий большую важность при розысках нацистских прес-
тупников.
Есть еще одна задача для ЭВМ: словесный портрет —
это описание внешности человека, составленное специа-
листом, умеющим выделить главные, характерные и броса-
ющиеся в глаза черты лица. Словесный портрет может быть
быстро передан по телеграфу, телефону и радио туда, где
еще нет фототелеграфа. Более того, специалист-художник
может в соответствии со словесным портретом нарисоватт>
изображение, весьма близкое к внешности разыскиваемого
человека. Такие репродукции в некоторых случаях поме-
щались в газетах и на афишах и помогали розыску. Вот уче-
ные и захотели поручить составление словесного портрета
машине, чтобы избежать ошибок, от которых не застра-
хован лучший специалист.
Все эти задачи относятся к проблеме распознавания об-
разов. Чтобы электронная вычислительная машина могла
опознать или описать цифровым кодом запах, фотографию,
почерк или отпечатки пальцев, ее нужно снабдить очень тон-
кими специфическими анализаторами. В этой области чело-
век пока вне конкуренции. Ведь мы издали узнаем знако-
мого по силуэту, по походке, по манере держаться. И мы
определяем не только то, что идет мужчина или женщина,
но знаем, что это Иван Петрович, а не Петр Иванович.
«Распознавание образа» — так называется проблема обуче-
ния электронной вычислительной машины различению объ-
ектов по их признакам. Нужно научить ее без 4evioBeKa ко-
дировать признаки. Но пока ученые далеко не продвину-
лись.
В печати было сообщение, что ленинградские ученые
создали машину, проверяющую подлинность подписи. Ма-
шине сначала показывают листок с несколькими подлин-
ными подписями. Она фиксирует в памяти особенности,
характерные для всех имеющихся образцов. Это стадия
обучения. Затем машине предъявляют листок, на котором
среди подлинных подписей имеются и подделки. Их она
опознает с вероятностью, доступной лишь опытному гра-
фологу.
И еще один ценный подарок получили юристы — в Риге
был разработан алгоритм, позволяющий сравнивать фото-
185
графин, на которых лица изображены в различных ракурсах.
Но криминалисты этим не удовлетворились — они мечтают
о машине-следователе! Они снова атакуют математиков:
почему есть машина-диспетчер, машина-библиограф, маши-
на-шахматист, но до сих пор нет машины-следователя?
А она была бы полезной для профилактики преступности.
В память машины можно ввести истории предыдущих
преступлений. Сравнивая каждое новое преступление с ты-
сячами предыдущих (а ведь память машины с каждым
днем растет, увеличивается и скорость ее работы), маши-
на поможет не только опознать преступника, но она нари-
сует четкую географическую карту преступности. Она ука-
жет очаги хулиганства, вплоть до района и двора. Она по-
может в профилактике преступности, так как мы заранее
сможем сконцентрировать свое внимание на воспитатель-
ной работе в отдельных районах.
Итак, основную трудность при подготовке программ
распознавания образов с помощью ЭВМ составляет не по-
лучение исходной информации, не ее преобразование в
цифровые коды, не сравнение их с кодами других объектов,
хранящихся в памяти машины. Главная проблема — выяв-
ление признаков объекта и образца. Признаков, которые
позволяют наиболее экономно осуществить все эти дейст-
вия— получение, преобразование и сравнение информации.
Эти главные признаки должны сразу ограничить количест-
во образцов. Именно с ними будет необходимо провести
дальнейшее более подробное сравнение. И таким же путем
следует шаг за шагом, двигаясь от общих признаков ко
все более специфическим, повторять процедуру сравнения,
пока она не приведет к одному-единственному образцу, ко-
торый и принимают за истинный образ объекта.
Такую идеализированную иерархию степеней сравнения
пока удается разработать далеко не для всех задач распоз-
навания образов. Составление такой программы сущест-
венно затрудняется естественными требованиями — пре-
дельно уменьшить затраты машинного времени.
Никто, например, не будет пользоваться услугами
ЭВМ-библиографа, если она не сможет отыскать книгу,
нужную читателю, быстрее, чем он сам сделает это при
помощи обычного каталога.
Стремительное увеличение быстродействия всех основ-
ных блоков ЭВМ позволяет применять их для решения все
более сложных задач. Однако во многих случаях специа-
листы признают свое бессилие. Это случается, когда не-
186
достаточное быстродействие не только существующих, но
и проектируемых и даже гипотетических ЭВМ, работающих
в соответствии с современной процедурой, требующей мно-
гократных обращений к памяти и огромных вычислений, не
позволяет подступиться к сложным задачам.
Еще пример работы, непосильной современной ЭВМ:
например, задача точного предсказания погоды или проб-
лема полного, включая последний гвоздь или булавку, болт
или гайку, планирования производства и распределения в
крупном государстве.
Специалисты, занятые совершенствованием ЭВМ, могут
рассчитывать в данных случаях только на свое остроумие
и изобретательность технологов. Некоторые думают, что
здесь можно опереться на природу. Ход их рассуждений
примерно таков: мозг способен выполнять некоторые дей-
ствия, например осуществлять распознавание образов, с
невообразимой быстротой. Но мы знаем о том, что отдель-
ные нейроны, совокупность которых образует мозг, и рецеп-
торы (чувствительные элементы) органов чувств работают
много медленнее, чем элементы, создаваемые для нужд
электроники. Значит, говорят сторонники такого подхода,
нужно строить ЭВМ по тем же принципам, по которым ра-
ботает мозг.
Но в том-то и дело, что мы не знаем, как устроен мозг
и как он работает. Пока никто не сумел объяснить, почему
мозг затрачивает примерно одинаковое время для того,
чтобы выполнить операцию 2x2 и для того, чтобы опознать
человека по его фотографии.
По-видимому, здесь физиологи скорее могут опереться на
опыт специалистов в области ЭВМ, чем наоборот. Напри-
мер, на одной голографической пластинке можно зафикси-
ровать изображение многих объектов и затем почти мгно-
венно извлечь из нее нужное, практически не искаженное,
изображение.
Физики знают, что голографическая запись информации
чрезвычайно отличается от обычной фотографии, на кото-
рой каждая точка изображения по положению, яркости и
цвету соответствует объекту. На голограмме же такого сов-
падения нет. Информация о каждой точке множества объ-
ектов распределена по всей поверхности, а иногда в толсто-
слойных голограммах и по всей толще светочувствительного
слоя.
При этом любой из объектов, зафиксированных на голо-
грамме, например целая страница текста, содержащая
187,
несколько тысяч букв, может быть восстановлен сразу це-'
ликом. На экране телевизора воспроизведение этой стра-
ницы происходит иначе: электронный луч точка за точкой,
строчка за строчкой обегает экран, создавая на нем изоб-
ражение этой страницы.
Физиологи, ознакомившись с теорией и методами голо-
графии, предположили, что действие мозга основано на по-
добном принципе. Согласно этой гипотезе, каждый нейрон
или, по крайней мере, множество их участвуют одновремен-
но в запоминании различных фактов и идей или в принятии
различных решений. Это привлекательная аналогия, способ-
ная пояснить, почему мозг тратит приблизительно одинако-
вое время на вспоминание или обработку простой и слож-
ной информации, почему он способен восстанавливать фун-
кции некоторых из своих разрушенных участков. Но
аналогия, подталкивая мысль, не заменяет истинное ре-
шение задачи. Загадка мышления, загадка памяти, загадка
распознавания образов живыми организмами все еще ждут
своего решения.
Но специалисты по ЭВМ не могут ждать, пока физио-
логи достигнут цели. Они ищут пути создания электронных
аналогов голографической записи. Они пытаются построить
интегральные схемы, в которых процессор и память объе-
динены настолько, что вычисления с применением данных,
содержащихся в памяти, не потребуют специального
обращения к памяти. Процессы извлечения информа-
ции и ее обработки должны слиться в единый процесс.
Когда это будет достигнуто, возникнут ЭВМ совершенно
нового типа с поистине необъятными возможностями, объ-
единяющими в себе мгновенную обработку, уже достигну-
тую в современных процессорах, и чрезвычайно гибкую
систему запоминания и реконструкции записанной инфор-
мации, свойственную голографическим системам.
Специалисты часто называют подобные ЭВМ, появление
которых ожидается в ближайшем будущем, машинами пя-
того поколения. При этом они относят к ЭВМ четвертого
поколения те, процессоры которых построены на больших
интегральных схемах, а системы памяти выполнены на но-
вых принципах с применением новых материалов. Имеются
в виду различные системы, использующие особые магнитные
материалы, в которых можно, затрачивая мало энергии,
создавать, перемещать или уничтожать мельчайшие области
намагничивания, получившие название «подвижные доме-
ны». К новым типам запоминающих устройств относятся и
188
оптические, реализующие огромную плотность записи ин-
формации при очень малом времени, требуемом для ее за-
писи и считывания. К машинам четвертого поколения от-
носятся и те, в которых одновременно и согласованно рабо-
тает несколько процессоров, связанных между собой общей
программой-диспетчером, обеспечивающей наиболее эф-
фективное использование каждого из них.
Все эти достоинства и недостатки ЭВМ превращаются
в достоинства и недостатки тех автоматов и роботов, в уп-
равляющую систему которых они входят. Ведь ни один
современный автомат, ни один поражающий наше вообра-
жение робот не может быть осуществлен без того, чтобы
его составной частью, его мозгом, не являлась микро-ЭВМ.
А возможности этого «мозга» определяют введенные в него
программы действия. Поэтому, отрабатывая все более гиб-
кие и эффективные программы, ученые совершенствуют
«мозг» автоматов и роботов, расширяют сферу их деятель-
ности, предваряют новые конструкции роботов.
СТУПЕНИ АВТОМАТИЗАЦИИ
Сейчас иногда злоупотребляют термином «робот», при-
меняя его к любой автоматической системе. Для того чтобы
не возникало недоразумений, рассмотрим эволюцию токар-
ного станка. Выясним место робота около этого станка.
В некоторых развивающихся странах и сейчас кустари
производят свои высокохудожественные изделия из дерева
при помощи устройства, в котором нельзя не признать
предка токарного станка. Это — два острия, изготовленные
из металла, камня или из твердого дерева, между которы-
ми закрепляется обрабатываемая заготовка, например
кусок толстой ветки или ствола тонкого дерева. Заготовка
вращается вокруг воображаемой оси, соединяющей оба
острия. Мастер приводит ее во вращение при помощи ин-
струмента, напоминающего небольшой лук. Тетива этого
лука, когда мастер движет ею взад и вперед, вращает за-
готовку, одновременно стирая поверхностные слои. Тетива
в древности, несомненно, изготавливалась из сухожилий
животных или из волокон таких растений, как конопля или
некоторые сорта пальм. Современные мастера применяют
для этой цели стальную проволоку. Иногда на ней делают
множество зазубрин, чтобы обработка происходила более
интенсивно.
Сходство с токарным станком, правда, отдаленное, не
189
вызывает сомнений. Уместно вспомнить, что буквальный!
перевод немецкого названия токарного станка — «враща-
ющая скамья» (Drehbank).
Потом функции вращения и обработки разделили. Мас-
тер вращал заготовку одной рукой и держал инструмент в
другой. Таким инструментом служил нож, а затем на по-
мощь ему пришла стамеска с острым лезвием на конце. Но
для того, чтобы работать ею одной рукой, пришлось снаб-
дить токарный станок опорной планкой. Она расположена
параллельно оси вращения заготовки со стороны мастера.
Опирая стамеску на опорную планку, он держит инстру-
мент за длинную ручку, направляя его лезвие на обраба-
тываемую заготовку.
Следующий шаг — изобрели ножной привод. Это уже дос-
таточно сложное устройство. Его можно увидеть на швейных
машинках. Маховичок, вращающий машину, соединен рем-
нем с большим колесом. Оно расположено внизу и'связано
при помощи шатунно-кривошипного механизма с педалью.
На нее швея периодически нажимает ногой. Шатунно-кри-
вошипный механизм превращает возвратно-поступательное
движение педали во вращательное движение приводного
колеса.
Токарные станки с подобным приводом были распрост-
ранены повсеместно до тех пор, пока их не вытеснили
станки, вращаемые силой пара или электрическими мото-
рами.
Первая промышленная революция, потрясшая Англию,
а затем и другие европейские страны, зародилась во второй
половине XVIII века. Правда, уже в начале века отдельные
изобретатели сумели создать такие станки и механизмы,
которые впоследствии стали носителями промышленной
революции. Своими новшествами прославился механик
Петра I А. Нартов. Он создал токарный станок, снабжен-
ный суппортом, приспособлением для крепления резца и
его перемещения вдоль обрабатываемой заготовки. Этот
станок был очень удобен — он освобождал руки рабочего
от чрезвычайно сложных и трудных действий, когда при
помощи резца или напильника приходилось обрабатывать
металлические заготовки. Удивляло и то, что станок может
с необычной для того времени точностью воспроизводить
детали сложной, наперед заданной формы.
Эта особенность позволяет предположить, что Нартов
изобрел и применял копир — специальный щуп, который
при работе перемещался по поверхности образца или копи-
190
ровальной линейке, воспроизводящей очертания будущего
изделия. Задача рабочего облегчалась — он перемещал суп-
порт, на котором закреплен копир, так, чтобы он точно сле-
довал за всеми изменениями формы копировальной линей-
ки. При этом резец автоматически шел за контуром копи-
ровальной линейки и придавал заготовке требуемые очер-
тания.
Конечно, грубая предварительная обработка изделия,
приближающая его форму к форме образца, производится
рабочим постепенно. При этом он стремится довести раз-
личия между ними до величины, которую резец может уст-
ранить за один проход по копировальной линейке.
Токарный станок Нартова обладал основными чертами
современных токарных станков, но он опередил свое время
и не оказал непосредственного воздействия на ход техни-
ческого прогресса.
Та же судьба постигла еще два замечательных изобре-
тения, появившихся одновременно в 1733 году. Прядильная
машина англичанина Дж. Уайта, вытяжные валики кото-
рой без помощи человеческих пальцев вытягивали и скру-
чивали нить. И ткацкий станок Дж. Кэя, снабженный чел-
ноком-самолетом. Ткач, работавший на этом станке, не
должен был перемещать челнок вручную, как это делали
его предшественники, начиная с глубокой древности. Ста-
нок Кея перебрасывал челнок автоматически при помощи
специальных ракеток.
Радикальное изменение технологических возможностей,
достойное наименования «техническая революция», нача^
лось спустя тридцать лет.
Во второй половине XVIII века были заново созданы и
получили широкое применение прядильные и ткацкие стан-
ки. Заработали механические молоты для обработки круп^
ных деталей, токарные станки с подвижным суппортом,
токарно-винторезные станки, в которых передвижение суп-
порта при помощи шестерен вполне определенным образом
связано с вращением заготовки. Появились новые методы
выплавки чугуна, состоящие в том, что дорогой и дефицит-
ный древесный уголь был заменен каменным углем. Но ни
древесный, ни каменный уголь не могли идти в ногу с на-
растающим прогрессОхМ в станкостроении.
Эти и некоторые другие автоматизированные станки
продемонстрировали отставание существовавших в то время
источников энергии от возможностей и требований исполни-
тельных механизмов. Именно они стимулировали создание
паровой машины Уатта, пришедшей на смену паровоздуш-
ным машинам Ньюкомена и Ползунова, предназначенным
для откачки воды из шахт и перемещения мехов, раздува-
ющих огонь.
Сказанное выше иллюстрирует мысль К. Маркса о том,
что техническая революция вызвана прогрессом исполни-
тельных механизмов, возникновение которых потребовало
увеличить производство железа и разработать мощные
источники энергии, не связанные с водяными двигателями,
способными работать лишь на удобных реках.
Несмотря на отставание систем энергоснабжения, стан-
костроение уверенно переходило на рельсы автоматизации.
Современники считали токарные станки, аналогичные
станку Нартова, автоматическими.
Действительно, суппорт автоматически передвигал
закрепленный на нем резец. Он делал это так, как руки
человека, перемещавшие суппорт. Но можно ли такой ста-
нок считать автоматом с нашей сегодняшней точки зрения?
Сейчас нам кажется совершенно неуместным называть авто-
матическими даже токарно-револьверные станки, на суп-
порте которых помещается особый механизм — револьвер-
ная головка, в котором можно зажимать различные резцы,
сверла и другие инструменты и «автоматически» приводить
нужный инструмент в рабочее положение. Это делается
перемещением рукоятки револьверной головки вместо того,
чтобы каждый раз, затрачивая рабочее время станка, сни-
мать отработавший свой цикл резец и укреплять на суп-
порте следующий инструмент. Или менять патрон со свер-
лом. Но эти операции приходится повторять для каждого
обрабатываемого изделия. Конечно, процесс стал удобнее,
экономичнее, но это еще не есть полная автоматизация.
Пожалуй, первым настоящим автоматом среди исполни-
тельных механизмов можно считать появившийся в середи-
не нашего века фотокопировальный токарный автомат, ко-
торый сделал излишним предварительное изготовление
точных копировальных линеек, с чем мог справиться только
лекальщик высшей квалификации.
Фотокопировальный автомат управляется непосредст-
венно по чертежу требуемого изделия. В фотокопироваль-
ных автоматах читающая головка при помощи фотоэлемен-
тов вырабатывает электрические сигналы, величина которых
изменяется в соответствии с исходной информацией, заклю-
ченной в линии чертежа. Задача автомата — воспроизвести
эту линию в изделии, вернее, в изменении радиуса изделия
192
по его длине. Аналоговый электрический сигнал после уси-
ления управляет моментом силы, образуемым электропри-
водом, перемещающим суппорт автомата.
Ни один фотокопировальный автомат не может работать
в точности так, как сказано в предыдущем абзаце. Здесь
так же, как в обычном копировальном автомате, до этого
необходимо грубо, а затем все более точно обработать изде-
лие. Это может быть достигнуто различными способами. При
одних возлагается дополнительная работа на конструктора,
который должен внести в чертеж последовательные изме-
нения контура заготовки, скажем, от простого кругового
цилиндра до окончательного изделия. Это может быть дос-
тигнуто и усложнением электронной схемы: в течение всего
процесса обработки она сравнивает истинную форму заго-
товки с той, что задана чертежом, и управляет станком так,
чтобы постепенно свести эту разность к нулю.
Другие способы более совершенны, ибо, используя их,
можно работать без специально подготовленных усложнен-
ных чертежей. Но простоту чертежа приходится окупать
усложнением электронной схемы.
В первом варианте, при создании усложненного черте-
жа, конструктор должен учитывать свойства материала,
характеристики резца и т. п., а станок сможет работать
только с материалами и инструментами, заранее выбран-
ными конструктором. При замене их необходимо перера-
батывать чертежи.
Во втором варианте, чертеж при всех условиях остается
неизменным, но электронная схема должна соответствовать
свойствам применяемого материала и характеристикам ин-
струмента.
Опыт свидетельствует о том, что второй вариант лучше
первого, если введение данных о материале и инструменте
осуществляется достаточно просто.
Появление фотокопировальных автоматов в первой по-
ловине нашего столетия было существенным этапом авто-
матизации производства и увеличения производительности
труда. Токарь превратился в специалиста более высокой
квалификации — в наладчика автоматов, способного вос-
производить самые сложные замыслы конструкторов, воп-
лощенные в чертежах. Это был аналоговый автомат, за-
заставляющий кончик резца точно повторять линию, изоб-
ражающую на чертеже контур изготавливаемой детали.
Фотокопировальный автомат является типичным пред-
ставителем аналоговых устройств, в которые входят и из-
7 Заказ 440
193
вестные нам аналоговые вычислительные устройства, нап-
ример аналоговые интеграторы.
Во второй половине нашего столетия наука и техника
совершили огромный скачок, перейдя от аналоговых авто-
матов к цифровым. Развитие цифровой вычислительной
техники, а именно цифровых ЭВМ, о которых говорилось
в начале этой главы, позволило создать токарные автоматы
следующего поколения. Они получили название станков с
числовым управлением.
С точки зрения потребителя, основное отличие этих
станков состоит в том, что наладчик не должен вводить
чертеж в блок управления станка. Вместо этого в первые
такие станки вводили перфоленту или перфокарту, на ко-
торых пробито множество отверстий. Расположение их оп-
ределяется тем, какая информация записана. Обычно эти
отверстия соответствуют последовательности закодирован-
ных цифровым кодом данных о форме контура детали.
Перфоленты и перфокарты изготавливаются непос-
редственно в конструкторском бюро или в специальном
подразделении, снабженном фоточитающим устройством.
Оно аналогично тому, которое применяется в фотокопиро-
вальных автоматах. Но в отличие от них электрический
сигнал, формируемый электронной схемой, не является
электрическим аналогом линий, имеющихся на чертеже.
Электронная схема в этом случае содержит специальный
блок, называемый аналого-цифровым преобразователем
(АЦП). Получая непрерывный сигнал, он практически
мгновенно преобразует его в цифровой, закодированный
двоичным кодом, состоящим из нулей и единиц. Эта зако-
дированная цифровая информация автоматически фикси-
руется на перфоленте или перфокарте в виде набора отвер-
стий, расположенных вполне определенным образом, при-
чем отверстие обычно соответствует цифре 1, а сплошное
поле — 0.
В следующих поколениях станков с числовым управле-
нием перфоленты и перфокарты были заменены магнитны-
ми лентами, заключенными в стандартные компакт-кассеты,
применяемые в обычных магнитофонах. Используются так-
же специальные широкие магнитные ленты или магнитные
диски, принятые в большинстве ЭВМ .
После того как один из этих носителей информации вве-
ден в электронный блок станка с числовым управлением,
в этом блоке осуществляется считывание информации и ее
обработка. В результате этой операции появляются сиг-
194
налы, управляющие соответствующими двигателями — те
перемещают суппорт станка и в случае, если станок снаб-
жен револьверной головкой, обеспечивают смену инстру-
мента.
Такая система кодирования чертежей позволяет еще
более уменьшить объем информации, необходимой для уп-
равления станком. Современные автоматические станки с
числовым управлением включает микро-ЭВМ. При ее помо-
щи любая прямая линия чертежа может быть закодирова-
на четырьмя числами, каждая пара которых определяет по-
ложение соответствующего конца этой линии. Этого доста-
точно для того, чтобы ЭВМ провела обрабатывающий ин-
струмент точно по требуемой прямой. Аналоговая система
должна была бы отслеживать каждую точку этой же пря-
мой. Конечно, здесь имеется в виду не бесконечно малая
математическая точка, а наименьший отрезок прямой, дос-
таточный для получения от него управляющего сигнала.
Таким же образом, в полном согласии с элементарной гео-
метрией, окружность определяется тремя точками на плос-
кости, или, что то же самое, тремя парами чисел.
Однако даже станок с числовым управлением не спосо-
бен долго работать без присмотра человека. Совершенно
недостаточно ввести в его управляющую систему сколь угод-
но подробные и точные данные о требуемом изделии. Ста-
ночник по-прежнему должен следить за состоянием инстру-
мента, сменять его, устанавливать заготовку и снимать
готовое изделие. На средних и крупных станках заготовки
могут весить десятки килограммов или тонны. Это трудо-
емкая и, по существу, низкоквалифицированная работа, не
доставляющая человеку морального удовлетворения. Имен-
но такие и подобные ей задачи целесообразно возложить
на роботов. Они должны взять на себя обслуживание стан-
ка, управляемого микро-ЭВМ.
Но есть еще два обстоятельства, делающие непосред-
ственное участие человека в работе станка совершенно
необходимым, даже если он снабжен числовым управлени-
ем. Одно из них — износ рабочего инструмента. Органы уп-
равления станка с числовым (и, конечно, аналоговым) уп-
равлением перемещают по заданной программе в точном
соответствии с чертежом суппорт станка, несущий рабочий
инструмент — резец, фрезу и т. п. Но программа не может
предвидеть и не предусматривает износ режущей кромки.
А именно положение и состояние режущей кромки опреде-
ляет результирующие размеры изделия. Поэтому человек
7*
195
должен время от времени контролировать их и вносить не-
обходимые поправки в работу станка.
Второе обстоятельство, требующее участия человека,—
это учет свойств материала заготовки. Даже если приме-
няется определенная марка стали или другого материала,
свойства металла могут изменяться в пределах, допускае-
мых стандартом или техническими условиями. Но дело ос-
ложняется тем, что, например, колебания вязкости металла
влияют на толщину стружки, снимаемой резцом. Это долж-
но быть учтено наладчиком при введении в память станка
программы изготовления требуемого изделия.
Полным автоматом, нуждающимся во вмешательстве
человека только в случае аварии, можно считать станок,
снабженный устройством, которое контролирует фактичес-
кие размеры заготовки от начала ее обработки до готового
изделия и управляет станком, сопряженным с роботами
' или манипуляторами, устанавливающими заготовку и сни-
мающими готовое изделие.
Такой автомат выполняет введенную в него программу
не с тупой исполнительностью прежних машин, а корректи-
руя свои действия в зависимости от контрольных измере-
ний и прогнозирования дальнейших деформаций режущих
кромок инструмента. Такая система, включающая измери-
тельное устройство, соединенное с электронной схемой, воз-
действующей на исполнительные механизмы станка, явля-
ется хорошо известной нам системой обратной связи. С по-
добными системами обратной связи мы встречались, говоря
о часах, паровых машинах, об автопилотах и т. п.
Современные управляющие устройства содержат не толь-
ко микро-ЭВМ, но и орган общения с ней — терминал. В не-
го входит дисплей, при помощи которого человек вводит
задание и команды в оперативную память ЭВМ. Обязатель-
на и электронно-лучевая трубка или устройство отображе-
ния на жидких кристаллах, благодаря которым машина
сообщает свои послания человеку в форме понятных ему
стандартных фраз, чертежей и числовых данных. При этом
человек и ЭВМ работают в диалоговом режиме. Это про-
исходит примерно в такой форме.
Человек вставляет в терминал кассету с магнитной лен-
той, на которой записана программа предстоящих работ, и
печатает на клавиатуре терминала фразу: «ввод програм-
мы». Немедленно начинает работать система, аналогичная
обычному магнитофону. Магнитная пленка перематывается
с одной бобины кассеты на другую. Сигналы, снимаемые
196
читающей магнитной головкой, фиксируются в оперативной
памяти ЭВМ. После завершения этой операции на экране
возникают слова: «программа введена» и «есть ли измене-
ния». Если изменений нет, оператор печатает: «приступить
к работе» или вносит в программу необходимые изменения.
Например, если размеры имеющейся партии заготовок от-
личаются от предусмотренных чертежом или свойства
материала заготовок выходят за пределы, определенные
техническими условиями, оператор печатает на клавиатуре
дисплея соответствующие изменения, заканчивая эту часть
работы словами: «подтвердите исправления». ЭВМ отвеча-
ет: «исправления введены» и показывает их на экране, пос-
ле чего следует команда человека: «приступить к работе».
ЭВМ передает ее роботу: «установить в станок (указы-
вается номер станка) заготовку (указывается номер заго-
товки)». Робот отыскивает требуемую заготовку. Для этого
он посылает в свою микро-ЭВМ сигналы от чувствительных
устройств и указание «включить программу распознавания
образов».
Когда заготовка найдена и ЭВМ подтверждает правиль-
ность опознавания, подается сигнал исполнительным орга-
нам робота: «установить заготовку». При этом микропро-
цессор управляет его движениями, а после того, как заго-
товка закреплена, дает сигнал начать обработку. Органы
управления станком немедленно выбирают и устанавлива-
ют в рабочее положение необходимый инструмент (напри-
мер, поворотом револьверной головки суппорта), включают
привод станка и подводят рабочий инструмент к заготовке.
Одновременно начинает работать система измерения и кон-
троля, по данным которой ЭВМ станка вносит поправки
в программу работы. После окончания обработки эта ЭВМ
останавливает станок, отводит суппорт в исходное положе-
ние и дает роботу команду снять изделие со станка (но-
мер) и переместить его в место, указанное программой,—
например, на транспортер, ведущий к складу или на очеред-
ной станок для последующей обработки. В это же время
в диспетчерскую ЭВМ сообщается о выполненной работе
и дается команда роботу установить новую заготовку.
Проследив длительную эволюцию токарного станка, мы
убедились в том, что современная производственная едини-
ца обычно состоит из трех компонент. Автоматическое об-
рабатывающее устройство с числовым управлением (то-
карный, фрезерный станок и т. п.), осуществляющее обра-
ботку изделия. Робот, снабженный микропроцессором,
197
выполняющий все вспомогательные операции, необходимые
для функционирования главной части комплекса, ее «цент-
ра». И человек, за которым остается главная задача: вы-
бор определенной программы работы комплекса, ее предва-
рительная наладка и контроль, осуществляемый им при
помощи ЭВМ.
Таково основное звено современного производства. Это
обрабатывающий центр, представляющий собой триаду:
станок, роботы, выполняющие задания человека, и человек,
направляющий работу автоматических систем.
Формируя из таких обрабатывающих центров гибкие
производственные линии, цехи и заводы, человек поднима-
ется все выше по ступеням полной автоматизации произ-
водства, поручая автоматам все больший объем работы,
оставляя за собой то, что обеспечивает функционирование
всего производственного цикла — интеллектуальную, твор-
ческую, руководящую работу.
Это — не фантазия, не преувеличение. Так трудятся мно-
гие современные автоматизированные станки, комплексы
и целые заводы. Все это совершенно реальная картина. Ее,
с теми или иными вариациями, можно увидеть и в нашей
стране и в развитых зарубежных странах. Мы еще не раз
встретимся с похожими ситуациями и сможем обсудить их
на страницах этой книги. Мы еще не раз встретимся с соз-
дателями новых, более современных роботизированных
систем. Над ними трудятся инженеры, конструкторы, уче-
ные, представители двух главных наук — автоматики и ки-
бернетики. Одна наука древняя, другая появилась не так
давно и вошла на страницы истории техники сложным, про-
тиворечивым путем.
Познакомимся же коротко с кибернетикой, ее прошлым,
настоящим и вероятным будущим.
ГЛАВА 6. ВЕЛИКИЙ ГУБЕРНАТОР
РОДОСЛОВНАЯ
Если роботы и автоматические системы не являются де-
тищами кибернетики, то их, несомненно, следует считать
племянниками этой молодой науки.
Слово «кибернетика» было выбрано Н. Винером в каче-
стве названия книги, в которой он, по просьбе одного па-
рижского издателя, должен был изложить свои идеи о си-
198
стемах связи, о заводах-автоматах и о нервной системе
животных и человека. Это было в 1946 году.
Обдумывая проблемы, которые должны стать стержнем
будущей книги, Винер решил, что таким стержнем может
быть единство принципов, лежащих в основе столь различ-
ных областей, как теория и техника связи, теория, техника
и общие проблемы управления, а также статистическая
механика. Причем все это он относил как к машинам, так
и к живым организмам.
Вот история создания этой книги, которая подарила ми-
ру несколько лет острых дискуссий, волнений, ожесточен-
ной борьбы мнений, связанных с непонятным словом — ки-
бернетика.
Летом 1946 года Винер был приглашен во Францию, в
город Нанси, на математическую конференцию. По дороге
он остановился в Англии, посетил своих коллег в Нацио-
нальной физической лаборатории в Теддингтоне, в Лондон-
ском, Кембриджском и Манчестерском университетах. И
тут он впервые узнал, что в Манчестерском университете
готовятся приступить к работам с быстродействующими вы-
числительными машинами. А в Национальной физической
лаборатории еще мало кому известный Тьюринг развивает
идеи, объединяющие математическую логику и электрони-
ку. Винер с удивлениехМ обнаружил, что здесь занимаются
как раз тем, над чем он не раз думал и к чему привели его
собственные работы. В голове его уже зрела мысль о книге,
рассказывающей об общности законов, действующих в об-
ласти автоматического регулирования, организации произ-
водства и в нервной системе. Винер даже договорился об
издании такой книги с парижским издателем Фейманом из
фирмы «Герман и К0».
Вернувшись в Америку, Винер приступил к работе над
книгой. Но с первых шагов натолкнулся на трудность —
как назвать предмет, о котором он хочет написать? Речь
будет идти о заводах-автоматах с разветвленной системой
контроля, регулирования и управления. По этой сложной
«нервной» сети, немногим менее сложной, чем нервная си-
стема, осуществляющая связи внутри живого организма и
его взаимодействие с внешней средой, будут циркулировать
потоки сообщений о работе отдельных частей громоздкого
аппарата.
Чтобы подобрать название новой науки, Винер стал по
традиции искать какое-нибудь греческое слово, имеющее
смысл «передающий сообщение». Сначала ему на ум прн-
199
шло слово «angelos» Но на английском языке «angel» зна-
чит «ангел», «посланник богов». Это никак не подходило.
Бог здесь был ни при чем. Какое же еще слово может по-
дойти? И тут Винеру попалось слово «Kybernetes», при-
шедшее, как он считал, из голландского языка и обознача-
ющее «штурман».
Но и в голландском языке это слово было гостем. За-
долго до нашей эры греки для навигации пользовались
гребными и парусными судами. В те времена не было ни
карт, ни компасов, ни лоций, ни точных часов, ни астроно-
мических приборов для определения места вне видимости
берегов — словом, не было ничего того, чем пользуются для
навигации в наши дни. Гребцами были невольники. Вот и
вся техника. Управлять такими кораблями, в особенности
в свежую погоду и в открытом море, было настоящим ис-
кусством. Моряк по-гречески «наутес», командир кораб-
ля — «хипернаутес» (от слова «хипер» — над, сверх), искус-
ство кораблевождения — «хипернаутика». Так в результате
языковых мутаций и получилось слово «кибернетика».
Отсюда же французское слово «гувернай» — руль. Даже в
царской России правителей крупных областей называли
губернаторами и эти области губерниями, вряд ли зная, что
это искаженное греческое слово. Интересно, что слово «ки-
бернетика», которое прозвучало как совершенно незнако-
мое, было давно хорошо известно ученым. Этим словом
пользовался Платон. Его использовал французский физик
Ампер, занимавшийся классификацией наук. Его применял
и английский физик Максвелл. Но ни Винер, ни его друзья,
работавшие над сложными проблемами автоматического
управления, сопровождения и поражения воздушных целей,
назвав новую науку об управлении и связи кибернетикой,
не знали, что этот термин уже употреблялся в науке.
Так или иначе, но в 1948 году в парижском издательст-
ве появилась книга под странным названием «Киберне-
тика».
Ни Винер, ни его издатель не возлагали особых надежд
на эту книгу. Они были поражены, когда она стала науч-
ным бестселлером! Книга мгновенно разошлась. Имя Ви-
нера стало известным далеко за пределами научной среды.
Ему посыпались приглашения прочесть лекции, написать
еще брошюры и книги о кибернетике, его приглашали в
разные страны. Правда, этот энтузиазм внезапно был по-
приглушен. Сигналом послужил инцидент в франкистской
Испании. Когда там поняли, что идеи кибернетики распро-
200
страняются на социальные отношения людей, Винеру за-
претили читать лекции по-испански, разрешили только по-
французски, чтобы его поняло как можно меньше людей.
А все потому, что он не ограничивал рамки кибернетики
лишь техникой.
Человеческое общество Винер неожиданно сравнивал
с мостом. Если мост закрепить намертво, то его конструк-
ция будет испытывать внутренние напряжения. Такой мост
недолговечен. Только благодаря тому, что мост — сооруже-
ние не вполне жесткое, следовательно, имеющее очень мно-
гие степени свободы, нагрузка равномерно распределяется
между его элементами и мост может выдержать огромные
тяжести и толчки. Человеческое общество состоит из инди-
видуумов, связанных друг с другом многообразными зави
симостями. Жесткая организация общества — тирания —
гибельна для него.
Винер в своей автобиографической книге признается,
что «никто из нас, включая и меня, не мог представить се-
бе, какое волнение эти идеи вызовут, появившись в печати».
Его намерения, казалось, были весьма скромными.
«Моя первая задача,— писал он,— была вполне конкрет-
на и довольно ограничена. Мне хотелось рассказать о новой
теории информации, созданной Шенноном и мной, и о но-
вой теории прогнозирования, основы которой были зало-
жены довоенной работой Колмогорова и моими исследова-
ниями, касающимися учета будущего движения самолета
при зенитной стрельбе. Кроме того, я хотел, чтобы предста-
вители более широких слоев обратили внимание на множе-
ство аналогий между человеческой нервной системой, с од-
ной стороны, и вычислительными машинами и системами
автоматического регулирования — с другой».
То, что внес в науку Винер, оказалось куда более серь-
езным. Слишком большой эрудицией и кругозором обладал
незаурядный ученый, чтобы ограничиться решением част-
ной задачи. И он выдает себя, говоря: «Почти с самого на-
чала мне стало ясно, что новые концепции связи и управле-
ния влекут за собой новое понимание человека и челове-
ческих знаний о вселенной и обществе».
Один из первых энтузиастов отечественной кибернетики,
который понял всю важность и перспективность новой нау-
ки для использования ее в социалистической экономичес-
кой системе, академик А. И. Берг писал о ней в то время:
«Когда-то Кант требовал от науки, чтобы она- давала
ответ не на вопрос почему, а только на вопрос к а к. По-
201
мо^му, это глупость. Наука должна прежде всего собрать
информацию об изучаемой области, которая характеризу-
ется наличием общих признаков, внутренних и внешних
связей. Ответить на вопрос: что имеется, дать описа-
ние, классификацию, систему (ихтиология изучает рыб,
орнитология — птиц ит. д.); каким закономерное
тям подчиняются происходящие процессы, явления (веро-
ятно, это и есть ответ на вопрос «почему»: потому, что су*
ществует закон природы... «Как» — следуя этому закону).
Дальше: для человека всегда возникает утилитарная сторо-
на— нельзя ли с пользой для себя употребить эти предме-
ты, вещи, законы, направить ход событий в желательную
для человека сторону. Не изменять законы природы, а ис-
пользовать их — вот научная логика. Поэтому вопросы
должны быть иными: что имеется — как организовано —
как развивается. С точки зрения кибернетики — как управ-
ляется, для какой цели развивается... Значит, пути научно
го поиска направлены к выявлению состава предмета,
структуры, закономерности процессов, возможности исполь-
зования человеком. Найти закономерности — это, по-моему,
установить причинные связи. Это, конечно, не определение,
а некая ориентация. Закономерности отвечают на вопрос
как, причинные связи на вопрос почему. Наука изуча-
ет состав, организацию (структуру и функции) целого и его
элементов, их взаимосвязи, взаимодействие, взаимозависи-
мости— это все относится к организации. В динами
ческих системах закономерности развития: причинные свя-
зи, вернее, причинно-следственные связи. Состав — Орга-
низация — Закономерности — Причинные связи — Возмож-
ность использования. Отсюда вытекает универсальная воз-
можность осуществить нужную замкнутую цепочку в любой
деятельности: сигнал — расчет — приказ.
Кибернетика подводит строгую количественную базу,
исключающую разнобой в действиях, под многие области
науки, бывшие ранее описательными».
Понимая, сколь сложны и ответственны эти задачи, Берг
проявил инициативу в создании при Президиуме Академии
наук СССР научного Совета по комплексной проблеме «Ки-
бернетика». Естественно, что руководство работой совета
было возложено на него.
Разносторонний ученый, страстный, бескомпромиссный
человек, Берг всю свою энергию отдавал перспективному
и новому в то время делу — кибернетике, роботостроению.
Возглавляемый им Совет по кибернетике проводил колос-
сальную работу и по пропаганде научно-технического про-
гресса, и по воспитанию кадров.
Плодотворное сотрудничество промышленности с уче-
ными позволило нашей стране своевременно подготовиться
к переходу на новый уровень автоматизации, простираю-
щийся от единичных автоматических станков с числовым
управлением до автоматизированных и роботизированных
линий и систем, включающих иерархию ЭВМ и микропро-
цессоров. Все они оснащены чувствительными приборами,
контролирующими ход процесса и обеспечивающими функ-
ционирование обратных связей, реализующих надежную
работу системы и высокое качество продукции.
Аксель Иванович глубоко изучал проблемы, возникаю-
щие перед новой наукой, определял важнейшие направле-
ния, помогал преодолеть трудности, а зачастую и охлаждал
слишком горячие головы, готовые провозгласить наступле-
ние «царства автоматов», предсказывающие возможность
«бунта» машин. Говорят, что даже создатель кибернетики
Норберт Винер боялся такого будущего.
Берг ни секунды не сомневался в грандиозных перспек-
тивах, которые открывает технике, промышленности, всему
народному хозяйству наука, использующая общие законы
управления в живом и неживом мире, в мозгу и электрон-
ной схеме, в организме и механизме.
«Заслуга Винера и его друзей очень велика,— говорил
он.— Установив общность в закономерностях управления
в живой природе, в человеческом обществе и в промышлен-
ном производстве, они открыли новую страницу в истории
науки. Кибернетика начала новую жизнь. Сейчас это слово
стало привычным и им широко пользуются, но ведь и за-
долго до появления такого термина человеку приходилось
управлять сложными процессами в промышленности и дей-
ствиями живых людей, организованных в большие коллек-
тивы. Это приходилось делать при недостаточности инфор-
мации и негодными средствами. Поэтому и результаты во
многих случаях получались неудовлетворительные.
Кибернетика — наука будущего, она смотрит вперед, но
рекомендует решения, основанные на изучении предшест-
вующего опыта. А некоторые хозяйственники и админист-
раторы до сих пор думают, что можно успешно строить
коммунизм, производя все экономические расчеты на от-
сталой технике, на счетах времен Ивана Грозного.
Это грубейшее заблуждение. Его надо преодолевать
всеми средствами! — Берг всегда страшно волновался, ког-
203
да заходила об этом речь.— Вы говорите, что в Программе
партии содержатся совершенно четкие указания по этому
вопросу и, следовательно, нет оснований для тревоги. Но
Программу партии надо не только изучать и хвалить, но
настойчиво и повседневно выполнять!»
Боец и ученый, он не боялся смотреть фактам в лицо
и умел выбрать прямую дорогу к цели.
«Хотя русские расточают похвалы Норберту Винеру, у
них есть свой родоначальник кибернетики — 70-летний Ак-
сель Иванович Берг, адмирал и академик, которому в боль-
шой мере принадлежит заслуга в развитии советской ра-
диолокации во время второй мировой войны»,— эту любо-
пытную характеристику дает Бергу американский журнал
«Эр форс».
А друг и сверстник Берга академик А. Л. Минц так го-
ворил о нем:
«Признанный и прославленный ученый-радиотехник,
академик Берг изменил круг своих интересов. А это совсем
не так просто после шестидесяти лет. Он возглавил в на-
шей стране молодую науку — кибернетику. Героизм этого
перехода заключается не только в том, чтобы заново пере-
учиваться в этом возрасте, но еще больше в том, чтобы бро-
ситься в область, которая поначалу отдельными философа-
ми определялась как лженаука, как проявление буржуаз-
ного идеализма. Вот почему почитатели Берга именуют эту
науку «ки-берг-нетикой».
Винер неоднократно возвращался к истории возникно-
вения кибернетики как области науки. Он упоминает о том,
что при создании этой науки им были использованы рабо-
ты А. Н. Колмогорова и А. Я. Хинчина, посвященные
проблемам статистики. Он называет имена Н. М. Крылова
и Н. Н. Боголюбова. Он придает особое значение исследо-
ваниям К. Шеннона, использовавшего при развитии теории
связи методы Булевой алгебры, разработанной задолго до
того математиком Дж. Булем. Он анализирует истоки но-
вой области науки и восходит в своих изысканиях к велико-
му математику Лейбницу, одному из создателей современ-
ной математики.
Говоря о нашем времени, он подчеркивает важность ис-
следований, проводимых на стыке различных областей нау-
ки, и в связи с этим многократно отмечает стимулирующую
роль своего друга и сотрудника Розенблюта. Отмечает зна-
чение работ В. Буша, достигшего больших успехов в созда-
нии вычислительных машин, основанных на аналоговых
204
преобразованиях, отдает должное выдающимся работам
фон Неймана и других западных ученых.
Мы уже познакомились с рядом замечательных иссле-
дователей, заложивших основы теории управления, с Выш-
неградским и Стодолой, с Жуковским и Крыловым.
По-видимому, Винер не знал их труды, так же, как и ра-
боты Мандельштама, Андронова и их сотрудников, разви-
вавших общую теорию колебаний и теорию автоматическо-
го регулирования в том направлении, которое привело к воз-
никновению кибернетики. Общая теория колебаний уже
давно вскрыла общность между весьма отдаленными обла-
стями науки и разными явлениями, ситуациями и объекта-
ми — радиотехникой и астрофизикой, теорией управления
и развитием популяций живых существ, походкой пьяного
человека и действием автопилота, функционированием па-
ровой машины и работой часов. Общая теория колебаний
установила, что глубинная общность приводит к тому, что
многие разнородные явления и процессы описываются од-
ной и той же математической моделью. Что результаты
исследования свойств и поведения такой модели могут
помочь пониманию все новых и новых проблем без допол-
нительного применения математических расчетов. Нужно
лишь, чтобы новые проблемы можно было свести к изучен-
ной ранее математической модели.
Следует отметить, что основоположники общей теории
колебаний не выходили за пределы физических явлений
и процессов, а также проблем, возникающих в технических
устройствах, в первую очередь автоматического управления.
Впоследствии С. М. Рытов, один из учеников и сотруд-
ников Мандельштама, расширил область общей теории ко-
лебаний, включив в нее сложнейшие задачи, связанные
с рассмотрением чрезвычайно широкого круга нерегулярных
(случайных) процессов, что имеет колоссальное значение
для разработки гибких роботов.
КИБЕРНЕТИКА И ЦВЕТОЧНАЯ ПЫЛЬЦА
Вспоминая о своих ранних работах, которые привели его
к кибернетике, Винер несколько раз упоминает о проблеме
броуновского движения. Он пришел к ней в начале 20-х го-
дов нашего века и посвятил много сил изучению и техниче-
скому применению. Оказалось, нечто подобное определяет
устойчивость работы будущих роботов. Но поначалу не
обходилось без вопросов: при чем тут какие-то мелкие ча-
205
стицы, движения которых наблюдал в начале прошлого
века ботаник Броун? Кибернетика и цветочная пыльца?
Действительно, в 1827 году ботаник Р. Броун наблюдал
при помощи микроскопа удивившее его, не прекращающее-
ся движение мельчайших частиц, плавающих в жидкости.
Это не были живые частицы, микробы или инфузории, об-
ладающие способностью самостоятельно передвигаться. Бро-
ун увидел движение мельчайших частиц цветочной пыль-
цы, не имеющих органов движения. Несмотря на это, они
постоянно перемещались в толще жидкости, описывая при-
чудливые изломанные траектории, причем след ик
перемещения казался составленным из очень коротких от-
резков прямых линий, длина и направление которых хаоти-
чески изменялись. Ни одна из частиц ни секунды не оста-
валась в покое.
Открытие Броуна не привлекло внимания физиков, веро-
ятно, потому, что они не видели возможности объяснить
причины и найти закономерности.
Эта проблема вновь возникла перед учеными в начале
века. Для понимания ее необходимо было применение ма-
тематики, точнее — математической статистики, занятой
изучением случайных процессов, не поддающихся анализу
на основе законов механики Ньютона. Говоря точнее, мож-
но сказать: физики стремились найти закон, управляющий
движением броуновских частиц.
Теперь результаты этих исследований приобрели боль-
шое значение для понимания процессов, происходящих в си-
стемах автоматического регулирования. Для определения
предельной точности действия роботов. Ведь случайные
внешние воздействия и внутренние нестабильности могут
привести, к катастрофическим последствиям для всякого ав-
томата. Они отклоняют его движения от предусмотренных
программой.
Подойти к пониманию природы броуновского движения
удалось только после того, как в физике возникла и утвер-
дилась молекулярно-кинетическая теория. Теория, учиты-
вающая реальное существование и хаотическое движение
атомов и молекул вещества. Только к третьей четверти
XIX века после создания молекулярно-кинетической теорий
стало понятно, что броуновское движение связано с тепло-
выми движениями молекул жидкости. Большие частицы не
проявляют тенденции к таким хаотическим движениям по-
тому, что множество независимых толчков, воспринимаемых
крупной частицей от молекул жидкости, взаимно гасится,
20$
не приводя к заметному перемещению частиц. Но если ча-
стица достаточно мала, толчки уже не гасят друг друга, не
уравновешиваются полностью. И она перемещается в том
направлении, в котором ее толкает преобладающее количе-
ство молекул. Эта догадка совершенно правильна, но от
догадки до физической теории, позволяющей делать коли-
чественные предсказания, доступные проверке опытом, дис-
танция огромного размера.
Основополагающий вклад в эту теорию, в математиче-
ское описание хаотических движений множества атомов и
микроскопических частиц, испытывающих их удары, внес
в 1905 году великий Эйнштейн. Исходя из законов статис-
тической механики, он создал точную теорию броуновского
движения, позволяющую вычислить вероятности того или
иного поведения броуновских частиц.
Здесь нельзя не вспомнить выдающегося физика XIX ве-
ка Л. Больцмана, заложившего основы статистической ме-
ханики. Он первым понял, что для объяснения случайных
воздействий на движение частиц, подчиняющихся законам
механики Ньютона, необходимо воспользоваться математи-
ческой статистикой. До Больцмана эти области науки никак
не были связаны между собой. Законы механики описывали
движение частиц и физических тел, законы статистики —
такие случайные явления, как выпадение определенного
числа на игральной кости, вероятность выпадения орла или
решки при падении монеты, вероятность несчастного случая
или вероятность того, что данный человек доживет до
определенного возраста.
Большинство ученых того времени считало невозмож-
ным объединить «прозрачные», точные и бесспорные зако-
ны механики Ньютона с «темными» и ускользающими от
понимания закономерностями математической статистики,
в частности математической теории вероятностей.
Больцман решился на этот шаг и был вознагражден. Ему
удалось объяснить несколько непонятных до того явлений
природы. Полученные им результаты были затем подтверж-
дены контрольными опытами, специально поставленными
для проверки его теории.
Но его противники не считали все это убедительным.
Прежде всего они обращали внимание на то, что с их точ-
ки зрения остается неясным, как из законов механики, спра-
ведливых как для будущих движений частиц, так и для дви-
жений в прошлом, могут получаться законы термодинами-
ки, указывающие только на изменения от прошлого
Ж
к будущему. Объяснения Больцмана казались им не кор-
ректными.
Некоторые из его противников вели дискуссию в столь
резкой и грубой форме, что Больцман, истощенный неверо-
ятными усилиями, которых потребовали от него создание
новой области науки и ее защита, обескураженный недове-
рием одних и нападками других, пришел к трагическому
решению о самоубийстве. Он умер 6 сентября 1906 года в
маленьком городке Дуано под Триестом.
Теперь трудно понять, почему гениальный ученый не
увидел в броуновском движении решающего опыта, дока-
зывающего правильность его идей и справедливость полу-
ченных их результатов. Возможно, он не оборвал бы свою
жизнь и работу, знай о трудах безвестного патентного экс-
перта в Берне Эйнштейна, которые не только бесспорно
подтвердили правильность идей Больцмана, но и открыли
новые пути для их применения в науке, а затем и в технике.
Речь идет об одной из трех статей Эйнштейна, написан-
ных им одна за другой и приведших к перевороту в трех
областях науки. К драме Больцмана относилась статья «О
движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, тре-
буемом молекулярно-кинетической теорией теплоты». Дву-
мя другими были статьи, содержавшие теорию относитель-
ности и квантовую теорию света.
В те годы Эйнштейн работал в Берне в полном отрыве
от других ученых. Он не имел возможности пользоваться
хорошей библиотекой. В результате он многого не знал. Не
мог опереться на достижения предшественников и совре-
менников. Он совершенно независимо, путем невероятной
сосредоточенности и огромных усилий пытался преодолеть
те противоречия в науке, которые мог обнаружить сам, ис-
ходя из лекций и самостоятельного чтения во время учебы
в Политехническом институте в Цюрихе.
Вероятно, увлеченный полемикой и переутомленный,
Больцман не обратил внимания на статьи начинающего уче-
ного. А они, однако, были приняты и опубликованы строгой
редакцией самого авторитетного физического журнала того
времени. Не обратил внимания, иначе он смог бы сразу оп-
ределить в авторе своего единомышленника. Мог по когтям
опознать льва, ибо этот неофит с самого начала заочно стал
на его сторону в изматывающей борьбе как с честно непо-
нимающими, так и со злобно и бездоказательно отрицаю-
щими оппонентами.
Первая опубликованная работа Эйнштейна была закон-
208
чена 13 декабря 1900 года, последнего года XIX века, когда
Эйнштейн сдал дипломные испытания, завершившие его обу-
чение в Политехническом институте. В этой работе он по-
новому рассмотрел давно известное, но далеко не изучен-
ное явление капиллярности. Это оно тянуло масло и керосин
по фитилям бытующих в то время повсюду, кроме крупных
гЬродов, керосиновых ламп и лампад. Это оно обеспечива-
ет течение соков от корней к листьям растений.
В работе «Следствия из явлений капиллярности» Эйн-
штейн подробно изучил эти процессы, исходя из принципов
термодинамики, не понятных большинству физиков конца
века. Главный вывод — каждому атому соответствует моле-
кулярное поле притяжения, не зависящее от температуры
и от способа, которым он связывается химически с другими
атомами. Следует заметить, что при обсуждении получен-
ных результатов Эйнштейн ссылается на закон теплового
расширения Менделеева, хотя и тогда и теперь многие за-
бывают указывать фамилию автора этого закона.
Весь следующий год Эйнштейн продолжал исследования
в области термодинамики. Теперь он трудится в Берне и ли-
шен возможности пользоваться библиотекой Политехничес-
кого института в Цюрихе, поэтому во второй статье, закон-
ченной в апреле 1902 года, он сослался только на свою пер-
вую статью. Его вторая статья явилась началом работ, по-
священных поведению молекул в жидкости и растворе. Она
заканчивается двумя фразами, которые ярко освещают ува-
жительное отношение автора к читателям, не изменившееся
и тогда, когда Эйнштейн стал знаменитым, когда он был
признан величайшим физиком XX века. Вот эти фразы:
«В заключение я хотел бы извиниться за то, что предлагаю
здесь лишь общий план трудоемкого исследования и сам не
занимаюсь экспериментом; для этого у меня нет возможно-
стей. Но эта работа все же достигнет своей цели, если пос-
ле знакомства с ней кто-нибудь займется эксперименталь-
ным исследованием проблемы молекулярных сил».
К слову сказать, и мы еще будем говорить об этом под-
робно,— такие люди нашлись, и именно благодаря их тру-
дам сегодняшние автоматы и роботы уже крепко стоят на
ногах.
Эйнштейн продолжает свои уединенные теоретические
исследования и в июне того же года заканчивает статью
«Кинетическая теория теплового равновесия и Второго на-
чала термодинамики». В ней он непосредственно соприка-
сается с работами Больцмана, прямо ссылается на его кни-
209
гу «Теория газов», считая его идеи и результаты справедли-
выми и стремясь дать им надежную основу. Он начинает
так: «Как ни велики достижения кинетической теории теп-
лоты в области физики газов, теория эта до сих пор не име-
ет удовлетворительной механической основы, поскольку
законы теплового равновесия и Второе начало термодина-
мики пока еще не удалось получить из одних только урав-
нений механики и теории вероятности, хотя Максвелл и
Больцман в своих теориях почти достигли цели. В этом
исследовании ставится задача восполнить этот пробел».
Если бы Больцман прочитал эту статью или Эйнштейн
знал о трагедии Больцмана, развитие физики могло бы пой-
ти другим путем. Но начинающий ученый в Берне и при-
знанный ученый в Вене каждый по-своему переживали свои
трудности. Каждый шел своим путем. Молодой Эйнштейн
шел к вершинам познания, причем он, как и его предшест-
венники, начиная от Ньютона, еще стремился объяснить все
на основе механики.
Однако и в начале своей научной деятельности Эйн-
штейн не останавливается на достигнутом. В январе следу-
ющего года он заканчивает работу, само название которой
свидетельствует о его вере в свои силы,— «Теория основ
термодинамики». В этой обстоятельной статье все ставится
на свои места — механика и термодинамика. Нам, не стре-
мящимся вникнуть в детали, важна прежде всего заключи-
тельная фраза: «Это соотношение говорит о невозможности
существования вечного двигателя второго рода».
Начиная с Карно невозможность существования вечно-
го двигателя второго рода, полностью преобразующего теп-
ловую энергию в механическую, считалась постулатом,
следствием многовекового опыта. Из него возникло знаме-
нитое Второе начало термодинамики. На нем выросло мощ-
ное здание науки о тепловых явлениях.
Здесь впервые невозможность существования вечного
двигателя превратилась из постулата в теорему, следую-
щую из более фундаментальных основ. Теорему, доказан-
ную путем соответствующего математического анализа. В
данном случае этой фундаментальной основой является за-
кон сохранения энергии, один из самых бесспорных законов
современной науки.
Затем, исходя из предыдущей работы, Эйнштейн уста-
новил физический смысл постоянной величины, получен-
ной Больцманом для идеальных газов и играющей боль-
шую роль в молекулярно-кинетической теории. Он пока-
210
зал, что величина, называемая теперь «постоянной Больц-
мана», может быть выведена из непосредственного
опыта.
„Однако и этим не ограничивается содержание корот-
кой статьи, которую Эйнштейн считает лишь дополнением
к предыдущей работе. Он делает еще два шага.
Прежде всего он показывает, что постоянная Больц-
мана играет выдающуюся роль в понимании физической
картины мира. Она определяет тепловую стабильность
любых систем, состоящих из многих частиц. Вот он, пер-
вый шаг, который потом привел к устойчивости автома-
тов.
Так был познан еще один закон природы, действующий
как в естественных условиях, так и в любых специальных
опытах и в технических устройствах (в том числе, конеч-
но, и в тех, которым посвящена эта книга). Теперь ученые
и инженеры получили ясное указание, когда в исследова-
ниях и разработках можно пренебречь атомистической
структурой вещества и излучения, а в каких случаях это
недопустимо. Пограничными столбами оказались постоян-
ные Планка и Больцмана. Грубые системы «не замечают»
существования этих постоянных. Чувствительные системы
неизбежно ощущают «тепловые толчки», вызванные дви-
жением частиц, и «оптические толчки», порождаемые фо-
тонами.
Вспомним, что эра роботов началась только через по-
ловину века. Но роботы, выполняющие «тонкие» функции,
точные работы, снабженные чувствительными «органами»
зрения и осязания, не могут быть работоспособны, если
их создатели не учитывают влияния тепловых движений
на измерительные и управляющие системы роботов, пред-
назначенных для выполнения очень точных работ.
17 марта 1905 года Эйнштейн закончил статью, в ко-
торой положено начало квантовой теории излучения. От-
крыты кванты света, которые много позже получат на-
звание фотонов. Эта замечательная работа была столь
новаторской, что еще в 1912 году самые крупные ученые, и
среди них отец квантов — Планк, рекомендуя Эйнштейна
для избрания в Академию наук, просили не ставить ему в
вину кванты света.
Думал ли Эйнштейн в это время об автоматах или ро-
ботах? Более чем вероятно, что нет. И тем не менее эта
работа Эйнштейна более чем через половину века приоб-
рела чрезвычайную актуальность в интересующей нас об-
211
ласти. Квантовая структура света, реальное существова-
ние фотонов приводит к своеобразному варианту броунов-
ского движения в приемниках света. Фотоприемники, ко-
торые используются как органы зрения автоматов, неза-
висимо от принципа их действия, преобразуют энергию
света, энергию, переносимую фотонами, в электрический
ток. Но приборы, регистрирующие этот фототок при сла-
бой освещенности, при обнаружении предельно малых све-
товых потоков испытывают хаотические перемещения. Они
не связаны ни с истинным броуновским движением, воз-
буждаемым ударами молекул воздуха в стрелку прибора,
ни с вибрациями, ни с другими внешними воздействиями.
Здесь проявляется «квантовый шум», квантовая структура
света, то, что фотсприемник реагирует на индивидуальные
фотоны. В слабых световых потоках отклонение от сред-
него, хотя бы на один фотон, отмечается показанием чувст-
вительного прибора.
Это учитывают создатели роботов, наделяя свои дети-
ща электронным зрением. Этим руководствуются ученые,
разрабатывающие для ЭВМ программы распознавания
зрительных образов.
К нашей теме, к проблеме автоматического управле-
ния, к робототехнике непосредственно относится написан-
ная задолго до возникновения роботики статья Эйнштей-
на, в которой он впервые прямо говорит о броуновском
движении. Статья закончена им в мае 1905 года. Ее на-
звание— «О движении взвешенных в покоящейся жидко-
сти частиц, требуемом молекулярно-кинетической* теорией
теплоты». Он начал ее так: «В этой работе будет показа-
но, что согласно молекулярно-кинетической теории тепло-
ты взвешенные в жидкости тела микроскопических разме-
ров должны, вследствие молекулярного теплового движе-
ния, совершать движения такой величины, что легко мо-
гут быть обнаружены под микроскопом. Возможно, что
рассматриваемые движения тождественны так называемо-
му броуновскому молекулярному движению; однако до-
ступные мне данные относительно последнего настолько
неточны, что я не мог составить об этом определенного
мнения.
Если рассматриваемое движение вместе с ожидаемыми
закономерностями действительно будет наблюдаться, то
классическая термодинамика не может считаться вполне
справедливой уже для микроскопически различимых обла-
стей, и тогда возможно точное определение истинных атом-
212
ных размеров. Если же, наоборот, (предсказание этого
движения не оправдывается, то это будет веским аргумен-
том против молекулярно-кинетического представления о
теплоте».
Вот ясно выраженное кредо молодого физика-теорети-
ка. Решающее слово должен сказать опыт. И в данном
случае результат опыта будет иметь огромные последст-
вия.
И опять длинная цепь вычислений, приводящих к мате-
матическим выражениям, доступным опытной проверке.
Наконец, итоговая фраза: «Если бы какому-либо исследо-
вателю удалось вскоре ответить на поднятые здесь важные
для теории теплоты вопросы!»
Итак, построена доступная опытной проверке теория
броуновского движения, о котором автор не имел опреде-
ленного суждения, не обладая о нем достоверными и точ-
ными знаниями.
В начале декабря того же 1905 года, столь урожайного
для науки, Эйнштейн уже знает, что экспериментаторы
подтвердили его теорию, и считает себя вправе озаглавить
свою очередную статью скромной фразой «К теории броу-
новского движения», где он обобщает свои прежние вычи-
сления и непосредственно применяет их к броуновскому
движению.
В январе 1907 года Эйнштейн в короткой статье делает
замечания, уточняющие теорию броуновского движения, а
в марте следующего года, по совету замечательного гол-
ландского физика Г. А. Лоренца, формулирует элементар-
ную теорию броуновского движения, предназначенную пре-
жде всего для химиков. Здесь он со свойственной ему яс-
ностью излагает физические основы этого явления, еще
недавно казавшегося столь таинственным, и приводит ре-
зультаты своей теории в виде формул, полезных при обра-
ботке результатов химических опытов. Эти формулы на-
всегда вошли в золотой фонд науки и техники.
Объяснение сущности броуновского движения, доступ-
ное для неспециалистов, изложение его закономерностей
сыграло важную роль в дальнейшем развитии не только
физики, но и ряда других естественных наук и многих от-
раслей техники. К ним принадлежат прежде всего радио-
электроника и электронные системы автоматического уп-
равления, включая роботы, предназначенные для работ,
требующих большой точности.
Работы Эйнштейна сыграли большую роль в том, что
213
больцмановское материалистическое толкование термоди-
намических законов получило всеобщее признание.
В. И. Ленин в своем труде «Материализм и эмпирио-
критицизм» отстаивал точку зрения Больцмана.
В 1906 году две работы Эйнштейна, в которых прямо
упоминается броуновское движение, привлекли внимание
польского физика М. Смолуховского, который до того уже
занимался развитием молекулярно-кинетической теории. В
отличие от Эйнштейна, который, решив основные принци-
пиальные вопросы, вскоре перешел к другим работам, бо-
лее важным с его точки зрения, Смолуховский, опублико-
вав два существенных исследования в 1906 году, вновь
возвратился к этой тематике. Он переехал в Краков, за-
нял кафедру экспериментальной физики, стал вскоре рек-
тором университета и всецело посвятил себя загадке дви-
жущихся частиц. Целый цикл работ, выполненных Смолу-
ховским в 1915 году, и его итоговая работа 1916 года за-
вершили построение теории броуновского движения.
Далее мы увидим, что теория броуновского движения
имеет непосредственное отношение к пониманию свойств
любых систем точного автоматического управления, неза-
висимо от их конструкции и от принципов их действия.
Проследим, как это было понято и использовано современ-
ными учеными.
«ГРУБЫЕ СИСТЕМЫ»
Вскоре оказалось, что Эйнштейн, а вслед за ним Смо-
луховский создали теорию, математический аппарат ко-
торой мог быть с успехом применен во многих научных и
практических задачах, все чаще возникающих перед уче-
ными и инженерами. Постоянное стремление увеличить
точность измерений неизменно приводило к непреодоли-
мой границе. Где бы ни работал экспериментатор, он рано
или поздно достигал рубежа, за которым показания изме-
рительных приборов начинали беспорядочно изменяться,
хотя в условиях опыта не менялось решительно ничего.
Ничего не менялось, а стрелки измерительных приборов
хаотически двигались, и этого не удавалось избежать!
Колебались коромысла сверхточных весов, стрелки
сверхточных гальванометров, показания газовых термо-
метров, словом, данные любых приборов, если они пред-
назначены для измерений малых величин,— пусть даже
они изготовлены со всей доступной тщательностью.
214
Работы Эйнштейна и Смолуховского подготовили уче-
ных и инженеров к тому, чтобы опознать в хаотических из-
менениях показаний измерительных приборов действие то-
го же механизма, который вызывает броуновское движе-
ние.
Но не только в этих случаях оказывалась применимой
теория броуновского движения. Ей подвластны качка оке-
анских судов и показания лучших гирокомпасов, работа
ламповых генераторов и лазеров и, наконец, работа инте-
ресующих нас систем автоматического управления. Особен-
но когда от этих систе^м и устройств требуется достижение
большого быстродействия и высокой точности. Чтобы пре-
дыдущее не казалось голословным утверждением, пояс-
ним, что волны, раскачивающие суда, никогда не воздей-
ствуют на них строго периодически. Присмотревшись к
морским волнам, легко увидеть, что их поверхность не бы-
вает гладкой: на «главные» высокие и пологие волны на-
кладывается беспорядочный набор меньших, иногда более
крутых волн, а на них, в свою очередь, налагается мелкая
рябь. Качка корабля возникает в результате наложения
на него всей этой совокупности волновых процессов, вкупе
с невидимыми, но иногда очень мощными волнами, рас-
пространяющимися под поверхностью воды на границе
зон, имеющих различную соленость или различную темпе-
ратуру.
На показания гирокомпасов влияют различные случай-
ные воздействия, передающиеся на механические гироско-
пы через подшипники их подвесов. Более совершенные при-
боры, гироскопы которых поддерживаются, например, маг-
нитным полем, реагируют на внешние магнитные поля.
Ламповые генераторы, лазеры и системы автоматичес-
кого управления испытывают случайные электрические,
магнитные и акустические Бездействия, ограничивающие
стабильность их работы и достижимую при их помощи точ-
ность.
Вероятно, первое и, несомненно, решающее слово в та-
ком расширении области применимости результатов Эйн-
штейна и Смолуховского сказали в 1933 году Андронов,
Витт и Понтрягин. Андронов и Витт были физиками, а ны-
не здравствующий Л. С. Понтрягин уже в то время считал-
ся одним из ведущих современных математиков. Здесь
мы встречаемся с одним из типичных случаев, когда уче-
ные, движимые лишь внутренней логикой развития науки,
неизбежно идут навстречу 'практике. Проблема, поставлен-
215
ная ими, относится к фундаментальной науке. Раньше ее
иногда называли «чистой» наукой. Одни — уничижительно,
другие — с неоправданным снобизмом.
Мы очень быстро увидим, как проблема, выглядевшая
вначале чисто математической, преобразовалась в задачу
прикладной физики, а затем перешла в арсенал инженеров,
создающих автоматические системы управления, автомати-
зированные промышленные системы и комплексы.
В данном случае исследованию подлежало влияние слу-
чайных толчков на произвольную динамическую систему.
Динамической системой ученые называют любую систему,
состояние которой закономерно изменяется со временем.
Здесь подлежали изучению системы, математические мо-
дели которых не испытывают регулярных внешних воздей-
ствий. Это значит: и описывающие их математические
уравнения не содержат членов, явно зависящих от време-
ни. Ученые для краткости называют все такие системы ав-
тономными. Это значит лишь то, что все их изменения
обусловлены внутренними силами. Андронов и его соавто-
ры хотели определить, как будет вести себя такая система,
если из внешнего мира на нее действуют случайные толч-
ки. Сегодня нам ясно, сколь актуальна эта задача для
современных автоматов и роботов.
Созданная ЭйнштейнохМ и Смолуховским теория броу-
новского движения, движения микроскопических частиц
в жидкостях, в газах — так же, как случайные изменения
показаний измерительных приборов — все это должно быть
объединено общим рассмотрением.
Как предыдущие теории, так и опыт показывали, что
поведение реальных динамических систем вовсе не полно-
стью определяется внутренними причинами. И не с безгра-
ничной точностью отображается три помощи математиче-
ских моделей. Движения модели соответствуют движениям
реальной системы лишь приблизительно, без учета толч-
ков и возмущений, исходящих из внешней среды.
Отсюда возникает задача, поставленная Мандельшта-
мом: «выяснить общее поведение системы при наличии
случайных толчков и, в частности, дать теоретическое по-
строение, которое позволило бы из экспериментальных
данных подойти к выяснению характера «случайных толч-
ков» в реальных динамических системах». Так Мандельш-
там интуицией большого ученого почувствовал перспектив-
ность решаемой задачи.
При этом Мандельштам ставил свою задачу примени-
216
тельно к системам, самостоятельно совершающим регуляр-
ные движения без воздействия внешних сил. Эйнштейн,
Смолуховский и все, применявшие их теорию, ограничива-
ли свое рассмотрение более простым случаем — когда сис-
тема без воздействия внешних толчков оставалась бы не-
подвижной.
Исследователи ставили перед собой и вторую задачу:
обобщить результаты, полученные ранее Г. Д. Биркгоффом
и А. М. Ляпуновым. Эти ученые рассматривали системы,
способные совершать периодические движения нескольких
типов даже при наличии случайных толчков. Но они не по-
казали, какие из возможных движений реализуются при
этом с наибольшей вероятностью.
Вступая на новый путь, Андронов, Витт и Понтрягин,
естественно, начинают с простейшего случая, когда сис-
тема содержит только одну изменяющуюся величину, на-
пример ее положение на какой-либо линии. Вспомним в
связи с этим о продвижении детали, обрабатываемой на
автоматизированной роботизированной линии.
У них сразу возникает аналогия с движением абсолютно
пьяного человека, которой, как мы знаем, занимался уже
Релей. Они пишут: «Рассматриваемую нами задачу можно
по аналогии назвать «задачей о плавании абсолютно пья-
ного человека в канале, где существуют регулярные тече-
ния». Они считают, что читатель сам догадается о том, что
канал так узок, что пьяный может двигаться только вдоль
него, вдоль или против течения.
Авторы замечают, что анализ первой из поставленных
задач приводит к уравнению, аналогичному тем, которыми
пользовались Релей, Планк, Эйнштейн, математик Фок-
кер, Смолуховский, Колмогоров и другие. Сейчас принято
называть общие уравнения этого типа уравнениями Эйнш-
тейна — Фоккера или уравнениями Эйнштейна — Фокке-
ра — Планка.
В результате этой работы был создан математический
аппарат, пригодный для решения широкого класса задач,
в том числе и чисто инженерных, возникающих при проек-
тировании некоторых типов двигателей.
Окончательное решение второй из поставленных ими
задач потребовало больших усилий и было завершено Ан-
дроновым и Понтрягиным к концу 1935 года. Оно было
опубликовано лишь в 1937 году. Эта работа, в духе пре-
дыдущего исследования, содержит развитие и математичес-
кую обработку идеи о «грубых системах», высказанной Ан-
217
дроновым еще в его аспирантской работе. Андронов на-
звал «грубыми системами» те, что способны противосто-
ять внешним воздействиям. Не только не разрушаться, но
и не изменять существенно присущих им свойств и пове-
дения. Андронов противопоставил их всем остальным «не
грубым системам», не способным противостоять внешним
воздействиям. Конечно, граница между «грубыми» и «не
грубыми» системами определяется в каждом конкретном
случае. Почти всегда можно каким-либо способом нару-
шить функционирование любой системы. Сущность этой
идеи состоит в том, что процессы, описываемые математи-
ческими моделями, могут существовать в реальной дейст-
вительности только при одновременном выполнении двух
требований. Во-первых, модель должна приводить к та-
ким решениям, которым реальная система может следо-
вать и при наличии случайных внешних воздействий. Во-
вторых, сама система не должна при этих воздействиях
претерпевать такие изменения, которые делают принятую
модель недостаточной для описания свойств системы. Ес-
ли система не удовлетворяет этим условиям, она не «гру-
бая», она слишком сильно реагирует на случайные помехи
и поэтому не может существовать сколь-нибудь длитель-
ное время. Такая система не пригодна для практических
применений. И никто из конструкторов не возьмет ее за
основу создания надежного автомата или робота.
Теперь можно с уверенностью считать, что все системы,
реализующиеся в природе и технике, являются «грубыми
системами». Все «не грубые системы» разрушаются или
превращаются в «грубые системы» под влиянием неизбеж-
ных случайных внешних воздействий.
К таким «грубым системам» должны относиться и дей-
ствительно относятся все системы автоматического управ-
ления и передачи информации. Если бы это было не так,
то неизбежные случайные толчки, приходящие извне или
возникающие в самой системе, приводили бы к нарушению
ее работы. «Не грубая» система управления выходит под
действием этих толчков из режима устойчивой работы, а
в «не грубой» системе передачи информации возникают
существенные искажения передаваемого сообщения.
К «грубым системам» относятся и живые организмы. В
них действует множество систем автоматического управ-
ления, без постоянной работы которых организм выходит
за допустимые пределы. Вследствие этого нарушаются его
нормальные функции и может произойти катастрофический
248
распад — смерть организма. В качестве примера достаточ-
но указать на работу сердца, нормальный режим которо-
го— частота и наполнение пульса — должны хорошо со-
ответствовать нагрузке и общему состоянию организма.
Если он здоров, то есть функционирует нормально, то ра-
бота сердца изменяется в соответствии с сигналами нерв-
ной системы, возникающими при уменьшении или повыше-
нии физической нагрузки, обдумывании сложных проб-
лем, под действием эмоций и т. п. Нарушение системы уп-
равления приводит к возникновению сердечных аритмий, а
при некоторых условиях — и повреждению сердечной мыш-
цы, инфаркту.
Частота и глубина дыхания тоже должны строго соот-
ветствовать потребности организма в кислороде и удов-
летворять эту потребность. Это же относится к температу-
ре тела, которая автоматически «поддерживается в сравни-
тельно узких рамках, выход за которые — переохлажде-
ние или перегрев — ограничен пределами, за которыми
организм уже не является «грубой системой». Он уже не
мо^ет поддерживать требуемый режим, не способен
предохранить себя от повреждений и в тяжелых случаях —
от полного распада.
Важнейшей системой жизнедеятельности является пере-
дача основных признаков от поколения к поколению. Из-
вестно, что она реализуется генетическим механизмом на-
следственности. Именно «грубый» характер этого механиз-
ма делает его малочувствительным к внешним воздейст-
виям. Если бы механизм наследственности не был «гру-
бым», жизнь, раз возникнув, не могла бы сохраняться
долгое время.
Она прекратилась бы в результате, по крайней мере,
двух процессов. Один из них связан с ограниченным сро-
ком существования отдельных клеток организма. По окон-
чании определенного срока они должны быть заменены
новыми, обладающими теми же свойствами. Это требова-
ние оказывается нарушенным, например, при образовании
злокачественных опухолей, клетки которых вытесняют нор-
мальные, но не способны выполнять их функции. Второй
процесс связан с ограниченным сроком существования ор-
ганизмов, воспроизводящих потомство, которое заменяет
их и обеспечивает существование вида. Если бы все малые
ошибки (повреждения) генетического аппарата должны
были накапливаться, передаваясь по наследству от поко-
ления к поколению, то живые организмы не могли бы су-
219
ществовать в качестве «вида», повторяющегося во множе-
стве поколений.
В действительности в процессе эволюции потомки во-
спроизводят в себе основные особенности предков.
Известны случаи сильного повреждения генетического
механизма, приводящие к возникновению уродств или да-
же нежизнеспособных организмов. Но это — результат ка-
тастрофических воздействий, выводящих организм за пре-
делы, внутри которых он обладает свойством «грубости».
Конструкторы не ждут милостей от природы. Изучив :
механизм создания «грубых систем», то есть машин, ме-
ханизмов, автоматов, роботов, устойчивых против различ-
ных влияний на ход их работы, они проектируют системы
с нужными характеристиками, используя все богатство
знаний в нужной области, накопленное за прошедшие века.
ИНФОРМАЦИЯ
Рядом с кибернетикой начало широко и с новым науч-
ным содержанием применяться слово «информация». То,
что не все сведения, сообщения и измерения полноценны,
было совершенно ясно задолго до введения в науку и тех-
нику этого термина. Новым явилось лишь то, что ученые
научились измерять эту информацию и придавать ей чи-
сленное значение. Если бы это не было сделано в области
связи, надолго задержалась бы разработка электронных
машин, существо работы которых заключается в перера-
ботке информации. Теперь все понимают, что без полно-
ценной информации, высококачественных сведений, посту-
пающих своевременно по разным каналам и дополняющих
друг друга, непротиворечивых, но иногда неточных, нель-
зя ориентироваться и принимать разумные решения, нель-
зя целенаправленно управлять. Не имея нужных сведений
о работе заводов, фабрик за предыдущие годы, мы не мо-
жем составить точный план хозяйства на будущее; не соб-
рав полную информацию о залежах полезных ископаемых,
мы не можем планировать развитие промышленности; не
изучив, не получив точных сведений о характере, скажем,
доменного процесса, мы не можем сконструировать авто-
мат, ведущий плавку чугуна. Перечень примеров можно
продолжить до бесконечности. Они иллюстрируют одну
мысль: без полноценной информации нельзя добиться про-
гресса.
В условиях развитого социализма научно-технический
220
прогресс должен быть направлен на удовлетворение рас-
тущих потребностей членов общества. А это значит, что
их потребности должны быть изучены на основе накоп-
ленного опыта. На языке науки это означает, что мы дол-
жны располагать полноценной информацией о положении
в стране в настоящее время и должны располагать науч-
ными методами и техническими средствами для экстрапо-
ляции всей информации на будущее путем ее обработки,
переработки и выработки научно обоснованного прогноза
о будущих потребностях коммунистического общества. Со-
вершенно необходимо привлечь методы и средства мате-
матической статистики, теории вероятностей, теории мас-
сового обслуживания, оптимальных стратегий (решений)
для нахождения наилучшего пути достижения цели. Зна-
чит, кибернетика призывает нас к объединению далеких
друг от друга наук, что требует немалой затраты сил и
знаний.
Мы будем строить коммунизм на базе самого широкого
использования электронных машин, способных перераба-
тывать огромные количества производственной, экономи-
ческой и биологической информации в кратчайшее время.
Эти машины коренньъм образом меняют уже в наши дни
и в гораздо большей мере изменят в ближайшие годы воз-
можности принятия ответственных решений на основе пол-
ноценной информации. Сгруппированные в вычислитель-
ных центрах, связанные автоматическими линиями с про-
изводством, транспортом, энергетикой и сельским хозяйст-
вом, электронные машины ближайшего будущего обеспе-
чат задачи непрерывного и оптимального планирования и
управления.
Сейчас нет более важной задачи, чем скорейшая раз-
работка и широкое внедрение в народное хозяйство средств
электронной автоматики и роботики.
Связанные с производством, транспортом, энергетикой
и сельским хозяйством, электронные машины обеспечат
наиболее совершенное планирование народного хозяйства,
четкое управление им, полную реализацию преимуществ
социалистического общества.
Информацию, в ее применении к роботам и системам
автоматического управления, можно уподобить крови, раз-
носящей кислород ко всем органам живого организма, или
сравнить с нервной системой, обеспечивающей согласован-
ное функционирование его частей.
В технике, в том числе при создании автоматических
221
устройств, применяются два принципа передачи информа-
ции, ранее разработанные для передачи сообщений между
людьми. Эти принципы воплощены в телефонной и теле-
графной связи. Общими в них является применение элек-
трических сигналов и металлических проводов и кабелей
для их передачи. Различия заключены в методах и средст-
вах, служащих для преобразования информации в элект-
рические сигналы, а также для извлечения из них инфор-
мации и представления ее в форме, удобной для человека.
Конечно, внутри роботов нет потребности в передаче
информации на большие расстояния. Но предприятия, ос-
нащенные роботами, зачастую столь велики, что для сог-
ласованной работы всех звеньев приходится передавать ин-
формацию достаточно далеко. Сейчас вместо металлических
проводов применяют световоды, а место электрических си-
гналов заняли оптические. Однако два принципа, вопло-
щенные в телефонных и телеграфных системах,' остались
неизменными. Существо этих принципов мы рассмотрим и
проследим их воплощение на примере телефона и теле*
графа.
Телефонная связь существенно отличается от непосред-
ственного разговора двух людей. Общеизвестно, что мик*
рофон, имеющийся в микротелефонной трубке, преобразует
колебания звукового давления, соответствующие речи гово-
рящего, в колебания электрического тока, используемого в
качестве переносчика информации. Форма колебаний элек-
трического тока при этом аналогична форме колебаний зву-
кового давления. Процесс, в результате которого в канал
связи вводится сигнал, подлежащий переносу, называют
модуляцией.
В телефонной линии в качестве средства передачи ин-
формации применяется электрический ток, сила которого
в отсутствие сигнала остается постоянной. Сигнал модули-
рует, то есть изменяет силу тока в соответствии с звуками
речи — с частотой и амплитудой звуковых колебаний. По-
пав в телефонную трубку, ток, несущий в себе все особен-
ности передаваемой речи, вызывает колебания мембраны,
возбуждающие звуковые волны, мало отличающиеся от
тех, что действовали на микрофон. Таким образом на при-
емной стороне линии связи тоже происходит обратное ана-
логовое преобразование. На этот раз колебания силы тока
превращаются в механические колебания мембраны, а за-
тем в акустические колебания воздуха, воспринимаемые
ухом.
222
Телеграфная связь много старше телефонной. Она яв-
ляется простейшей и наиболее старой системой электриче-
ской связи. Сигналы, передаваемые по телеграфу, никак
не напоминают исходного сообщения. Для телеграфной
связи применяется система кодирования, преобразования
передаваемой информации в определенный набор услов-
ных сигналов, что требует применения специального обо-
рудования и, до недавнего времени, специально обученно-
го персонала.
Применение буквопечатающего телеграфного аппарата,
автоматически осуществляющего кодирование букв элект-
рическими символами, все же не позволяет полностью из-
бежать участия человека в кодировании. В этом случае,
как при обычном письме, приходится превращать содержа-
тельную информацию в буквенный текст. Но буквенный
текст, с технической точки зрения, является лишь одной из
возможных систем кодирования. Затем оператор вводит
буквенный текст в телеграфный аппарат, обычно при по-
мощи клавиатуры, напоминающей клавиатуру пишущей
машинки. Передающий аппарат автоматически перекоди-
рует буквенный текст в форму сигналов, хорошо приспо-
собленных для передачи по электрической линии связи.
Эти сигналы совершенно не похожи не только на звучание
слов, но и на буквы, при помощи которых произведен пер-
вый акт кодирования. На приемном конце телеграфной ли-
нии электрические кодовые посылки воздействуют на бук-
вопечатающее устройство. Получатель читает отпечатан-
ный текст.
Но если отправитель и получатель неграмотны, что во
многих развивающихся и в некоторых технически развитых
капиталистических странах далеко не редкость, то они
должны еще воспользоваться услугами «оператора» — пис-
ца или чтеца.
В технике построения роботов принят пока единствен-
но надежный способ передачи и приема информации —
кодирование. Так реализуется общение между человеком
и роботом, между роботами и автоматическими станками, в
процессе работы.
ТОЧКА-ТИРЕ
Кодирование, то есть преобразование содержательной
информации в условные знаки или сигналы, возникло не
вдруг, не на пустом месте. Оно восходит к глубокой древ-
223
ности. Короткие кодовые посылки в форме звуков бараба-
на, различающиеся характером и изменением их ритма, мо-
гут содержать в себе целую гамму сообщения о нападении
врага, появлении дичи и т. п.
Кодовые системы пиктографического письма, состояще-
го из стилизованных изображений, тоже первоначально
отображали понятия, а специальные добавочные значки
преобразовывали их в глаголы. Постепенно возникли сис-
темы слогового, а затем и буквенного письма, которые за
счет отказа от краткости приобрели большую гибкость,
способность фиксировать любые слова, строить предложе-
ния (при помощи знаков препинания), передавать их эмо-
циональную окраску (восклицательный и вопросительный
знаки).
Большинство древних создателей письменности оста-
лись безвестными. Но ученые, исследующие древние пись-
мена, обнаружили, что переход от древнейших пиктогра-
фических систем, использовавших более или менее стили-
зованные изображения предметов, к современным бук-
венным системам потребовал работы многих поколений.
На этом долгом пути прослеживается противоборство двух
тенденций. Одной из них явлется стремление к краткости,
другой — стремление к безошибочной передаче содержа-
ния записи.в Эти две тенденции снова скрестили свои пути
при создании «письменности и речи» роботов.
Первая тенденция в свое время привела к все большему
упрощению изображений, к иероглифическому письму.
Ведь в большинстве иероглифов невозможно найти сходст-
во с соответствующим предметом, а тем более с его дей-
ствием. А это значит, что иероглифы, а их приходилось
вводить тысячами, необходимо зазубривать. Ведь они не
позволяли, как в случае криптографического письма, ис-
пользовать сходство знаков с предметами. Вместе с тем
небольшие ошибки в начертании иероглифа приведут к то-
му, что адресат ошибочно истолкует содержание письма.
Так стремление к упрощению привело к уменьшению
надежности, к увеличению вероятности ошибочного пони-
мания.
В качестве противовеса возникло слоговое письмо, при
котором письменные знаки означают слоги, а их сочета-
ние воспроизводит звучание слова. Количество различных
слогов значительно меньше количества иероглифов, но их
все же очень много. Поэтому следующим шагом стал пе-
реход к буквенному письму.
224
Во многих древних и современных языках применяются
системы письма, при которых записываются только соглас-
ные буквы. Считается, что читающий сам дополнит их со-
ответствующими гласными. Это, конечно, делает алфавит
более коротким, но одновременно увеличивает вероятность
ошибочного прочтения. В этом может убедиться каждый,
если попробует записать свою мысль без применения гла-
сных букв.
Стремление к достоверности, к уменьшению вероятно-
сти ошибочного понимания привело к созданию современ-
ных систем алфавитного письма.
Эти системы позволяют, в большинстве случаев, пра-
вильно понять текст, даже если в нем пропущено или ис-
кажено несколько букв. Ученые называют это свойство
«избыточностью». Избыточность присуща не только язы-
кам и письменности, но и техническим системам кодирова-
ния. Благодаря ей достигается оптимальное соотношение
между краткостью и надежностью передачи и хранения
информации. Как ни экономят создатели автоматических
систем буквально на всем — на размерах машин, на объе-
ме памяти, они обязательно сохраняют «избыточность» ин-
формации как залог безошибочной работы машины.
Рассматривая системы информации под углом зрения
использования их в системах роботов, нельзя забывать о
том, что отдельные неурядицы, сбои, помехи, которые не
катастрофичны при использовании в повседневной жизни,
совершенно недопустимы в системах связи роботов. Бич
систем передачи информации в этом случае — помехи. Раз-
нообразные, разнохарактерные, но всегда вредные. Они
вносят ошибки в вычисления, и эти ошибки, накапливаясь,
могут привести к колоссальному ущербу. Вот почему борь-
ба с помехами, методы их устранения или сведения к ми-
нимуму— одна из важнейших проблем роботики.
Помехи нарушают не только нормальную работу сис-
тем связи, но и функционирование автоматических систем
управления. Известны случаи, когда станок, снабженный
системой автоматического управления, оказывается нера-
ботоспособным в цеху, если рядом производят электро-
сварку или включают и выключают мощное оборудование.
Задумаемся о том, каким образом кодовая система пере-
дачи может быть применена в системах автоматического
управления. Естественно, сюда входят и те средства пере-
работки информации, которыми снабжаются роботы.
Для достижения поставленной цели нужно преобразо-
3 Заказ 440
225
йать первичную аналоговую информацию в импульсно-ко-
довую. Обычно это сводится к преобразованию аналоговой
информации в цифровую, а затем к передаче ее при помо-
щи избранного импульсного кода.
Устройства, осуществляющие такое преобразование,
называют аналого-цифровыми преобразователями. Они ос-
нованы на очевидной возможности приближенного описа-
ния величины, изменяющейся непрерывно, посредством ря-
да значений этой величины, избранных соответствующим
образом. Например, водитель уверенно определяет линию
разметки рядов движения по дороге, даже если она на-
несена не сплошь, а лишь отдельными отрезками.
Для того чтобы перейти от закодированной информа-
ции обратно к ее первоначальному виду, необходимо про-
извести ее обратное преобразование. Преобразование, об-
ратное аналого-цифровому, называют цифро-аналоговььм
преобразованием.
«Легко понять, что обратное (цифро-аналоговое) преоб-
разование несколько сложнее, чем прямое. Особенно, если
при этом требуется, чтобы погрешность при таком преоб-
разовании не превышала заданной величины. Это видно
уже на примере восстановления прямой линии по двум- за-
данным точкам. Если точки выбраны слишком близко, то
восстановленная прямая неизбежно отклонится от пер-
воначальной так, что на значительных расстояниях откло-
нение может стать чрезмерно большим.
В случае, если для цифро-аналогового преобразования
заданы три точки, необходимо иметь дополнительные све-
дения о том, следует ли соединить их прямыми линиями- (об-
разующими треугольник) или же по ним нужно построить
окружность. Но как узнать, достаточны ли эти дополни-
тельные сведения для того, чтобы задана была решена
правильно?
Еще не было роботов, ЭВМ только появились, а воп-
рос, о котором мы только что говорили, уже серьезно об-
думывался и решался учеными.
КИБЕРНЕТИКА ДИКТУЕТ
Общий закон о том, как нужно производить аналого-
цифровое и цифро-аналоговое преобразование, был найден
свыше сорока лет назад академиком В. А. Котельниковым
и сформулирован им в форме теоремы, носящей его имя.
Теорема Котельникова, как оказалось впоследствии, управ-
226
ляет чрезвычайно широким кругом явлений, в которых не-
прерывные величины определяются по их отдельным зна-
чениям. Эта теорема, ставшая основой теории связи и об-
щей теории передачи и хранения информации, применима
и в таких далеких одна от другой областях, как биология
и теория автоматического регулирования, теория игр и
лингвистика. В области роботики ей нет замены.
Близкую по содержанию теорему получил в 1948 году
американец К. Шеннон. Он решал задачу, как следует
вести передачу по линии связи, чтобы сигнал, восстанов-
ленный на выходе линии, не отличался от введенного в
нее сигнала больше, чем на определенную величину. Эта
величина должна быть меньше, чем допустимая погреш-
ность.
Рассмотренные примеры подтвердили, что Винер, фор-
мулируя существо и задачи кибернетики, правильно исхо-
дил из глубокой аналогии между проблемами, возникаю-
щими при изучении систем связи, автоматического управ-
ления и контроля, действующими в машинах и живых ор-
ганизмах, включая такие сложные процессы, как функцио-
нирование промышленных предприятий и экономика в це-
лом.
Кибернетика — это наука о способах восприятия, хра-
нения, переработки и применения информации в машинах,
в живых организмах и в их объединениях. Поэтому для
нее совершенно безразлична природа информации. Это мо-
жет быть скорость движения машины или скорость проте-
кания химической реакции, книжный текст или нотная
запись. Не конкретизируется ни способ восприятия, ни
устройство, применяемое для этой цели. Это может быть
глаз или фотоэлемент, ухо или микрофон. Хранителем ин-
формации может быть книга или магнитофонная лента,
генетическая система клетки или чередование пластр.в
земной коры. Переработкой информации можно считать
ее передачу по линии связи или проведение вычисления,
изготовление фотографических изображений или сравне-
ние готовых фотографий. Столь же несущественными явля-
ются цель и способ применения информации. Поэтому ки-
бернетика, в ее техническом аспекте, играет существенную
роль при решении основных проблем создания роботов,
гибких управляемых систем и безлюдных производств.
V- > Развитие науки подчиняется всепроникающим .законам
диалектики. Внутреннее единство науки не препятствует
ее дифференциации. Возникнув на почве нескольких^ ра-
8*
227
«ее не связанных областей науки, кибернетика начала по-
рождать дочерние специализированные направления, име-
ющие свои конкретные задачи, развивающие свои специ-
фические методы.
Остановимся, по необходимости кратко, на главных из
этих направлений, не повторяя каждый раз того, что при-
общает их к основному — кибернетике. Этим общим
является применение математики, математических моделей,
использование понятия «информация», методов ее накоп-
ления, хранения и обработки, обращение к математичес-
кой статистике, теории вероятностей. Общим является
осознание роли обратной связи, ее значения для систем
управления. Общим является и учет «шумов» — всевозмож-
ных случайных воздействий при оценке процессов, проте-
кающих в этих системах.
На этой общей платформе существуют кибернетические
области, в названии которых нет слова «кибернетика». Та-
кова, например, бионика, рассматривающая биологичес-
кие процессы с точки зрения кибернетики и применяющая
полученные данные для построения все более совершенных
машин и автоматов. Одновременно бионика привлекает
результаты исследования искусственных систем для изу-
чения живых организмов.
Самостоятельное значение приобрела обширная область
технической кибернетики, породившая ряд направлений,
ереди которых и роботика — наука о проектировании, по-
строении и применении роботов и еще более сложных сис-
тем, в< которые сами роботы входят наряду с другими ком-
понентами.
К технической кибернетике относится исследование и
построение автоматических систем управления, включаю-
щих устройства прогнозирования.
Винер иллюстрировал это примером двух артиллерий-
ских морских сражений. Одно из них относится к первой
мировой войне, когда немецкий линейный крейсер «Дёрф-
лингер» уничтожил английский линейный крейсер «Куин
Мэри». Главный артиллерист «Дёрфлингера» при помощи
электромеханической системы дистанционной наводки уп-
равлял огнем восьми 12-дюймовых орудий, расположенных
в четырех двухорудийных башнях. Обстрел был начат
31 мая 1916 года в 18 часов 17 минут с дистанции 13 кило-
метров. Залпы производились через каждые 20 секунд. По
наблюдениям мест падения первых снарядов производи-
лось прогнозирование и автоматически вводились поправ-
ке
ки в наводку орудий. Через 7 минут, то есть после 21 зал;
•па, каждый следующий залп попадал в цель. Еще через
2 минуты «Куин Мэри» взорвался и затонул.
В начале второй мировой войны в Ютлендском проливе
произошел бой между немецким линкором «Бисмарк» и
английским линейным крейсером «Худ». Оба корабля бы-
ли оснащены радиолокационными средствами коррекции
стрельбы. Оба применяли самые совершенные в то время
устройства центрального управления и автоматической
коррекции наводки орудий по даннььм радиолокационного
наблюдения цели, определения направления и скорости ее
движения и наблюдения, всплесков воды в месте падения
снарядов. Бой произошел 24 мая 1941 года, «Бисмарк» от-
крыл огонь с дистанции 24 километра, руководствуясь
только показаниями радиолокаторов орудийной наводки.
Через 6 минут после первого попадания «Худ» взорвался.
Это было до рождения кибернетики, до изобретения
транзисторов, и огненные стрелы «катюш» еще не возве-
щали о том, что век реактивной техники уже наступил.
Теперь, в век реактивной авиации и развитой ракетной
техники, скорости целей существенно возросли. Но кибер-
нетика, полупроводниковая электроника и быстродейст-
вующие ЭВМ изменили основные характеристики наступа-
тельного и оборонительного оружия. Победу в этом извеч-
ном соревновании оружия нападения и защиты, как и пре-
жде, решают люди. Люди, развивающие науку, создающие
технические средства и управляющие ими. При этом ре-
шающую роль играет не только квалификация, но и идей-
ная стойкость.
Ученым и инженерам с самого начала было ясно, что
прогнозирование играет решающую роль в управлении
сложными технологическими процессами, при планирова-
нии экономики, включая прогнозирование урожаев и, ко-
нечно, предсказание погоды.
Большинство из подобных задач до сих пор изучены не
глубоко, а проблема прогнозирования погоды еще далека
от решения. Причина неизученности многих существенных
факторов, участвующих в формировании погодных процес-
сов, в недостаточном быстродействии современных ЭВМ, а,
также в относительно малом количестве метеостанций.
Требуемое их количество зависит от состояния теории, от
выбранной математической модели погодных процессов.
Кажущаяся чисто гуманитарной наукой структурная
лингвистика приобрела новую неожиданную область при-.
229
•менения. Оказалось, что изучение структуры, грамматики
и семантики языка непосредственно связано с программи-
рованием ЭВМ, с процессами общения человека с маши-
ной, <в том числе с роботами.
Раздел технической кибернетики, связанный с создани-
ем роботов и современных гибко перестраиваемых произ-
водственных систем широкого назначения, в последнее
время называют робототехникой, или роботикой. Она воз-
никла из синтеза нескольких областей науки: теории меха-
низмов, одной из ветвей технической механики; автомати-
ки, включающей изучение и создание автоматически дей-
ствующих устройств и систем автоматического управления;
электронно-вычислительной техники, содержащей разра-
ботку и промышленный выпуск специализированных мик-
ропроцессоров и микро-ЭВМ; метрологии, науки о разра-
ботке и применении разнообразных чувствительных и из-
меряющих устройств и оборудовании их специальными
приспособлениями, преобразующими результаты измере-
ния в электрические сигналы; систем передачи и обработки
информации, замыкающих цепи обратных связей и тем
объединяющих все элементы в единую автоматическую
систему...
Из этого перечисления можно видеть, что роботика
представляет, по существу, важную часть кибернетики.
Ниже мы установим, что роботика не ограничивает свою
сферу созданием специализированных роботов, сколь со-
вершенными они бы ни были. Реальностью наших дней
уже стали именно комплексные системы, объединяющие
ряд обрабатывающих станков и других устройств, управ-
ляемых общей микро-ЭВМ, а также обслуживающий их
комплекс роботов.
Не следует думать, что роботы управляют станками.
Это делает микро-ЭВМ. Роботы выполняют то, что сейчас
во многих автоматизированных системах еще делают люди.
Речь идет вовсе не о выполнении основных точных опе-
раций обработки. В цехах, оснащенных лучшими автомати-
ческими станками с числовым управлением, на долю че-
ловека приходится две задачи. Они лежат на противопо-
ложных полюсах производственного процесса. Одна из
них — задача высшей квалификации, требующая хорошей
подготовки и дающая человеку моральное удовлетворе-
ние, доставляющая ему особое удовольствие. Сюда отно-
сится настройка или программирование автоматических
етанкав в контроль их работы. Другая — вспомогатель-
но
ная, скучная, а порой и тяжелая работа по обслуживанию
автоматических обрабатывающих станков — подача сгрья
или заготовок и их закрепление на станке, съем готовых
изделий и их транспортировка к следующему станку или
на склад, уборка стружки и другая трудоемкая, а иногда
вредная или даже опасная работа.
Роботика оставляет человеку первую из них, делает его
повелителем машин и поручает роботам вторую, освобож-
дая человека от «черной» работы, от роли «слуги при ма-
шине».
На протяжении всей книги, говоря о самых разных ме-
ханизмах и машинах, мы, по существу, говорили о робо-
тах, разбирали только те проблемы, механизмы и машины,
которые пригодились при создании автоматизированных
и роботизированных комплексов.
ГЛАВА 7. СОЮЗ ДВУХ МИРОВ
ГЕФЕСТ И ВУЛКАН
В глубокой древности, еще до того, как люди научились
выплавлять металлы из руд, они обнаружили редкие и
поэтому высокоценимые самородные металлы, пригодные
для изготовления орудий труда, посуды и украшений. Ма-
стера превращали золотой песок и самородки в украшения,
изготавливали из меди и олова бронзовые орудия. Умель-
цы были окружены вниманием и почетом. Боги огня и куз-
нечного искусства вошли в сонм богов: Гефест — в древ-
негреческой мифологии, Вулкан — в древнеримской.
Конечно, и другие народы древности, освоившие обра-
ботку металлов, высоко ценили искусство кузнецов. Оно
дошло почти неизменным до середины прошлого века и
сохранилось в наши дни во многих странах. Еще теперь
можно встретить небольшие кузницы, где мастера изго-
тавливают не только простейшие орудия труда, но и уни-
кальные художественные поделки, будь то железная вязь
р.ещетки или декоративный фонарь, браслеты или художе-
ственная чеканка.
и И в древности и сейчас настоящий кузнец не работает
в> одиночку. Обычно ему помогает подмастерье-молотобо-
ец, стремящийся изучить секреты ремесла и овладеть ис-
кусством мастера. Иногда их обоих обслуживает горно,-
вой,- начинающий подмастерье. Прежде чем его допустят
231
к работе у наковальни, он должен научиться поддержи-
вать огонь в горне, регулировать температуру, раздувая
огонь при помощи мехов, иногда приводимых в движение
водяным колесом, а чаще руками самого горнового.
Зайдем незаметно в такую кузницу, стараясь не поме-
шать людям, занятым своей нелегкой работой.
Горновой загружает в горн уголь и металлические за-
готовки, качает меха, время от времени поворачивает за-
готовки, следя, чтобы они прогрелись как надо.
Мастер выхватывает одну из них длинными клещами
и переносит на наковальню. Он поддерживает и поворачи-
вает заготовку, орудуя клещами только одной рукой. Во
второй руке — молоток или зубило на длинной ручке, про-
бойник или другой необходимый инструмент. Теперь на-
чинается главная работа.
Мастер выбивает по наковальне звонкую ритмическую
дробь. Она содержит указания, кодированные сигналы, по-
нятные молотобойцу. Тот поднимает свой молот, делает
взмах и наносит удар по заготовке в то место и с такой
силой, с которой это нужно мастеру. Иногда мастер, если
это требуется по ходу работы, подставляет под молот зу-
било, и от заготовки отлетает лишний кусок. Он переносит
заготовку на край наковальни, где удары молота постепен-
но придают ей нужную форму. Если работа сложная и дли-
тся так долго, что заготовка успевает остыть, мастер воз-
вращает ее в горн. При этом он, наблюдая за яркостью и
цветом заготовки, судит о ее температуре, руководствуясь
опытом, который начал приобретать еще будучи подмас-
терьем.
Так многие поколения кузнецов изготавливали мечи и
наконечники копий, оси для колесниц и телег, серпы и ко-
сы, вилы и замки, ножи и вилки, подковы и гвозди — все,
что постепенно входило в быт человека и помогало ему в
труде и на войне. Шли века, но звонкий огненный труд ме-
нялся мало.
Пришло время, и для обработки крупных изделий поя-
вились тяжелые молоты. Их поднимали силой воды, или
это делали лошади, быки—большой прогресс, значительно
облегчивший труд молотобойца. Стало возможным койаТЙ т
такие тяжелые заготовки, что мастер не мог справиться
с ними самостоятельно. Это пришлось поручать подмМ^1
терью, иногда сразу нескольким. От грохота тяжких моЯй-4
тов содрогалась земля, и после каждого удара сыпались
искры.
232
Паровая машина с ее автоматическим регулятором и
здесь нашла достойное применение. Сначала она качала
меха. Со временем появились специализированные паровые
машины, паровые молоты, несущие службу и по сей день.
Увеличивалась мощность ковочных машин, и на смену гор-
нам пришли крупные нагревательные печи. Заготовки по-
рой оказывались столь тяжелыми, что перенести каждую
из них в нагревательную печь и затем на ковочную маши-
ну можно только при помощи специальных подъемно-тран-
спортных механизмов.
Теперь мастер управляет ковочной машиной, а его по-
мощники обеспечивают подачу горячих заготовок и их пе-
ремещение к ней. Машины, казалось, взяли на себя са-
мую тяжелую работу, но труд людей при этом не стал
легче. В жаре, при адском грохоте они манипулируют ог-
ромными заготовками, стараясь успеть обработать их пре-
жде, чем они остынут, чтобы не возвращать их лишний
раз в нагревательную печь. Уменьшились физические уси-
лия людей, но неизмеримо возросла их нервная нагрузка.
Следующий шаг в этом царстве огня связан с изобре-
тением прессов, способных деформировать металл не уда-
рами, а давлением.
При помощи прессов, гильотинных ножниц и других
специальных машин стало возможным во многих случаях
обрабатывать металлические заготовки без их разогрева*,
холодным прессованием и штамповкой. Но для обработки
крупных деталей горячее прессование оставалось лучшем
способом.
И во всех случаях, даже на современных автомааиаиро-
ванных прокатных станах, превращающих огромные кус-
ки металла в рельсы, балки и листы, доставка и установ-
ка заготовок, снятие и транспортировка готовых изделий
в течение долгих лет оставались самой трудоемкой рабо-
той. Она требовала не высокой квалификации, а главньш
образом большого нервного напряжения при управлении
транспортным оборудованием.
Почему же при обработке металлов основные операции
оказались давно и надежно автоматизированными, а тру-
доемкие вспомогательные работы остались сферой ручного
труда? Да и то далеко не везде обеспеченного устройст-
вами чи приспособлениями, его облегчающими?
Заметим, что рассмотренная выше ситуация характер-
на не только для кузнечно-прессового оборудования. Самый,
совершенный токарный или фрезерный автомат с число-
233
вым управлением, даже снабженный микро-ЭВМ, не мо-
жет работать, если оператор не закрепит на нем заготов-
ку, не установит предварительно заточенные резцы или фре-
зы и не снимет обработанное изделие.
Ткацкие автоматы тоже нуждаются в постоянной опе-
ке. Ткачихи соединяют узелками оборвавшиеся нити (пра-
вда, потребность в этом уменьшается по мере улучшения
конструкции станков и качества нитей). Они должны уста-
навливать на станок бобины с нитями, а для этого им при*
ходится брать их из тележки или из промежуточного на-
копителя. При этом они не должны допускать ошибок.
Ошибка в выборе бобины приводит к искажению фактуры
или рисунка ткани.
Таких примеров можно привести гораздо больше, чем
страниц в этой книге. Все они свидетельствуют о том, что
вспомогательные операции, обычно не требующие от ис-
полнителя высокой квалификации, остаются, как правило,
неавтоматизированными.
Понять причины этого парадоксального факта можно,
учтя, что в процессе труда соединяется умственный и фи-
зический труд. Развивая эту мысль, следует сказать — ле-
гче автоматизировать те виды труда, которые не требуют
сложной работы мысли, а могут быть сведены к повторе-
нию набора определенных движений. Автоматизировать
работу, главную часть которой составляет умственный
труд, неизмеримо труднее.
. Это многократно подтверждается историей. Для подъе-
ма тяжестей применяют рычаг, ворот, современные подъ-
емные краны и погрузчики. Для обработки земли — заост-
ренную палку, конный плуг, серп и косилку, современные
тракторные плуги и комбайны. В этих и во всех других
случаях машина все более заменяет физический труд чело-
века, оставляя за ним умственный — управление. Только
недавно ЭВМ смогли принять на себя часть умственного
труда, оставляя за человеком смену перфокарт, кассет с
магнитными лентами или магнитных дисков и нажатие
кнопок.
При стремительной механизации и автоматизации ква-
лифицированного труда остается не автоматизированным
тяжёлый труд разнорабочего, грузчика и напряженный
труд металлурга. '
Объяснение этого парадокса выглядит еще более па-
радоксально: дело в том, что в труде разнорабочего, груз-
чика и металлурга содержится значительная доля умствен-
234
ного труда, во всяком случае, не меньшая, чем физичес-
кого.
Это нуждается в разъяснении. Само название «разно-
рабочий» показывает, что он должен выполнять разнооб-
разные функции. То, что эти функции связаны с большой
затратой физического труда, казалось бы, стимулирует при-
менение механизмов. Но это не так просто. Разнорабочий
может легко переходить от подметания двора к уборке
стружки, подноске и укладке заготовок и готовых деталей,
к выполнению других разнообразных задач. Казалось бы,
все это само собой разумеется, но происходит это только
потому, что мозг человека способен отдавать разнообраз-
ные команды, руководя движениями его рук и ног, глаз и
пальцев по сигналам, получаемым от органов чувств — зре-
ния, осязания, вестибулярного аппарата и т. п.
Разнорабочий легко переходит от одной операции к
другой только потому, что он человек—разумный человек.
В процессе труда соединяется умственный и физический
труд. При этом не имеет значения то, что во многих случа-
ях человек действует рефлекторно, не ощущая умственно-
го напряжения. Но его мозг выполняет сложную работу,
преобразуя сигналы, поступающие от органов чувств, в сиг-
налы, идущие от мозга к мышцам, осуществляющим целе-
направленные действия.
Для того чтобы заменить разнорабочего, необходимо
создать целую гамму специализированных автоматов или
один чрезвычайно сложный автомат, причем все они долж-
ны быть наделены способностью «видеть», «осязать» и ви-
доизменять свое поведение в соответствии с изменением
ситуации. А для этого их необходимо снабдить устройст-
вами, способными анализировать и принимать решения,
вырабатывать команды исполнительным органам.
Здесь в решение парадокса вмешивается экономика:
труд разнорабочего — самый дешевый, но его замена авто-
матами почти всегда требует наибольших затрат.
Так возникают два решения. Одно в капиталистическом
мире, мире чистогана и эксплуатации, другое в социали-
стическом обществе. Ниже мы увидим, чем и почему раз-
личаются эти решения.
Различие между основными и вспомогательными опера-
циями связано прежде всего е тем, что основные опера-
ции, такие, как сверление, фрезерование* печатание газет
и т. н., в значительной мере унифицированы. Правильность
и точность их выполнения может быть сравнительно про-
233
сто обеспечена конструкцией станка — и заготовка и ин-
струмент жестко закреплены или совершают заранее пред-
писанные движения. Напротив, вспомогательные операции
обычно включают сложные движения, выполнение которых
бессознательно корректируется мозгом человека, но с тру-
дом поддается автоматизации. Конечно, нельзя забывать,
что именно они требуют больших физических усилий и на-
пряженного внимания.
Сборочные операции, по своей специфике, приближают-
ся к вспомогательным. Действительно, сборщик должен
взять две детали, совместить их одну относительно другой
вполне определенным образом и скрепить, например, гай-
ками или болтами. Он должен взять их из соответствующе-
го контейнера, а затем ориентировать в нужном месте и в
требуемом положении и только после этого затянуть при.
помощи специального инструмента. После выполнения
этой операции собранный узел кладется в другой контей-
нер, а инструмент на место. Примерно такие же опера-
ции требуются, если узел собирается из нескольких дета^
лей.
Длительная многоступенчатая революция в технологии
сборки складывается из ряда революционных скачков.
Первый из них в начале нашего века произвел Генри
Форд. Он изобрел конвейер, транспортное устройство, пе-
ремещающее изделие от начала до конца сборки. Форд
ставил цель — удешевить производство автомобилей. Ис-
ходная операция на конвейере — это установка на него ра-
мы автомобиля. Сборщики, стоящие вдоль конвейера, кре-
пят к раме отдельные детали или узлы в таком порядке,
при котором ничто не мешает следующим сборщика^м кре-
пить одну деталь за другой.
Для сборщика, стоящего у конвейера, такая сложная
«единица сборки», как двигатель, составляет «узел», под-
лежащий креплению к раме. Двигатель должен быть соб-
ран на отдельном конвейере, в начале которого на него ус-
танавливают блок цилиндров. Для двигателя готовым уз-
лом является, например, карбюратор или распределитель
зажигания, они тоже должны быть собраны заранее.
Такие тяжелые узлы, как двигатель или задний мост,'
не могут быть установлены сборщиком вручную. Он пол|>/
зуется подъемным оборудованием, но от него все же тре-/
буются большие усилия, чтобы поставить эти узлы так/
чтобы они оказывались в нужных местах и были установ-
лены с требуемой точностью.
236
На современных конвейерах гайки и болты крупных раз-
меров уже не затягиваются вручную. Для этой цели сбор-
щик использует соответствующее приспособление, напоми-
нающее электрическую дрель. Она висит рядом со сбор-
щиком. Но от него требуются усилия и внимание, когда
он подводит это приспособление к заранее вставленному
болту, затем он совмещает его с головкой болта и удер-
живает, испытывая толчок, когда болт доходит до преду-
смотренного места.
Конвейерная сборка — один из самых прогрессивных
сборочных процессов, резко повышающий производитель-
ность труда многих обслуживающих его рабочих. Но и
интенсивность труда и связанное с этим утомление — фи-
зическое и, особенно, нервное — тоже увеличиваются.
Особенно при потогонной системе капиталистических
предприятий, систематически ускоряющих темп работы
конвейера. Однако попытки автоматизировать традицион-
ными методами труд сборщиков, работающих на конвейере,
не удавались. Мешают этому не технические трудности,
а соображение экономической целесообразности.
Уродливую сущность конвейеризации предприятий в ка-
питалистическом обществе, при которой человек уже не в
состоянии управлять машиной, а превращается в одну из
ее деталей, с трагической силой показал Чарли Чаплин в
своей картине «Новые времена».
ЧЕМ ПРОЩЕ, ТЕМ СЛОЖНЕЕ
Так возникла парадоксальная ситуация. Операции, тре-
бующие высокой квалификации, связанные с требования-
ми высокой точности, оказались автоматизированными. А
трудоемкие процессы, грубые вспомогательные и простые
сборочные операции по-прежнему возлагаются на работ-
ников низкой квалификации, рабочих при конвейере и на
разнорабочих, которых раньше называли чернорабочими.
Автоматизации не удалось проникнуть в две полярно про-
тивоположные области деятельности, в которых заняты
работники низкой квалификации — во вспомогательный
труд и обслуживание конвейеров. Весьма невелик еще и
уровень автоматизации в торговле и в складском хозяйст-
ве, в библиотеках и медицинском обслуживании.
Простой анализ показывает причины возникновения
этого парадокса. Одна из них — чисто экономическая, иг-
рающая решающую роль в капиталистическом мире: за-
237
мена низкооплачиваемых работников автоматами дает ма-
лый эффект по сравнению с заменой высокооплачиваемых.
Вторая — технико-экономическая. Автоматизация вспомога-
тельных и сборочных операций, сварки и окраски связана
с необходимостью больших затрат, намного превосходящих
затраты на автоматизацию квалифицированных работ. По-
мощь человеку в его интеллектуальной деятельности тре-
бует разработки наиболее сложных устройств, таких, как
ЭВМ.
Рассмотрим несколько примеров. Можно подумать, что
автоматизация закручивания гаек при конвейерной сборке
может быть достигнута просто и дешево. Ведь устройство
для механического закручивания гаек, о котором говори-
лось выше, обычно висит вблизи того места, где при оста-
новке шагового конвейера оказывается монтируемое изде-
лие. Та гайка, которую нужно завернуть, уже надета (как
говорят сборщики — наживлена) на соответствующий
болт.
Действительно, не трудно придумать приспособление,
надвигающее соответствующее устройство на гайку, вклю-
чающее электродвигатель, выключающее его, когда гайка
затянута, и отодвигающее его в исходное положение. Это
несложно и может быть реализовано без особых затрат.
Но для того, чтобы такой автомат мог выполнять свои
функции, необходимо значительно увеличить точность ос-
тановки конвейера и точность установки на нем собираемо-
го изделия. А это связано с огромными затратами, явля-
ется сложной и дорогой технической задачей. Более того,
без всякой пользы для дальнейшего его применения долж-
на быть значительно увеличена точность изготовления все-
го изделия. Даже в том случае, когда, по существу, можно
было бы допустить более грубый разброс габаритных и
крепежных размеров.
Еще один пример.
В любой крупной библиотеке весь книжный и журналь-
ный фонд, заполняющий книгохранилище, расположение
строгом порядке. Место каждой книги, брошюры или жур-
нала точно определено. Оно обозначается специальны^
кодом, записанным на карточке, представляющей эту кн«г
гу в каталоге. - ,.,и
Читатель, выбрав книгу по каталогу, обязательно доло-
жен помимо фамилии автора и названия книги указать в
своем требовании ее код. Работник книгохранилища руко^-
водствуется прежде всего- этим кодом. Затем он сверяет
238
фамилию автора и название и кладет книгу на транспор-
тер или на транспортную тележку.
Казалось, нет ничего проще, чем сделать автомат, на-
ходящий книгу по достаточно подробному коду, указываю-
щему ее положение в книгохранилище. Но это далеко не
так. Ведь код указывает не «абсолютное положение» кни-
ги, а лишь ее место в ряду других книг.
Задача может быть решена двумя путями. Первый —
это создание «интеллигентного» автомата, способного де-
лать то, что делает библиотекарь, отыскивая книгу. Вто-
рой путь — это радикальная перестройка книгохранилища
таким образом, чтобы все книги располагались в стандарт-
ных однотипных отсеках независимо от размеров книги.
Тогда сравнительно простой автомат сможет разыскать
нужный отсек (именно отсек, а не книгу) и перенести из
него книгу на транспортер.
Однако первый путь не может быть реализован вслед-
ствие технических трудностей, недоступных современной
технике. А второй требует радикальной перестройки и зна-
чительного увеличения объема книгохранилища. Требует
таких затрат, которые не могут окупиться и за сотню лет
экономии на оплате работников книгохранилища и биб-
лиотекарей.
Это же в еще большей мере относится к автоматизации
вспомогательных работ. Человек, имеющий минимальную
квалификацию, может, следуя простейшей инструкции, ра-
зыскать на складе требуемую деталь, принести или привез-
ти ее на нужное место и установить либо уложить в ука-
занном положении. Затем он может без какого-либо за-
труднения перейти на другую работу, например включить
рубильник, подмести или очистить пылесосом указанное
помещение, окрасить изделие сложной формы в требуемый
цвет или нанести на него по трафарету узоры различных
цветов.
Ни один классический автомат не обладает необходи-
мой гибкостью, чтобы переходить от решения одной зада-
чи к другой. Он не поддается простому переводу с одного
режима на другой. Не способен брать или перемещать
предметы, если они первоначально не расположены в стро-
гом порядке. Не может различать цвета, если он не снаб-
жен сложным оптическим устройством, и наносить крас-
ки даже по трафарету, если трафарет не установлен чело-
веком. Точная автоматическая установка трафаретов тре-
бует применения недопустимо дорогой оснастки. Классиче-
28$
ский автомат не в состоянии производить сварку изделий
по различным сложным контурам.
Классическому автомату недоступно многое, легко вы-
полняемое человеком, даже если его квалификация не вы-
сока. Уже первые попытки механизировать, а затем авто-
матизировать вспомогательные или сборочные операции
привели к конструированию устройств, движения которых
напоминали движения человека.
Так человек вступил в царство роботов.
Понаблюдаем за действиями оператора, обслуживаю-
щего точнейший токарный станок с числовым управлени-
ем. Станок уже налажен, в его управляющее устройство
введена программа работы. Это сделал квалифицирован-
ный наладчик.
Оператор берет заготовку из транспортной тележки,
подносит ее к патрону станка. Если заготовка не вполне
симметрична, то ее необходимо вставить в патрон вполне
определенным образом. Затем оператор зажимает заго-
товку в патроне. Если второй ее конец также должен быть
закреплен, то оператор осуществляет это при помощи зад-
ней бабки, в которой для этой цели должен быть укреплен
второй патрон или опорный центр. В случае, если заготов-
ка тонкая и длинная, то станок должен быть оснащен до-
полнительным опорным приспособлением — люнетом, за-
крепленным на суппорте станка и удерживающим ее от
прогибания под давлением резца. В этом случае оператор
.перед закреплением заготовки должен пропустить ее сквозь
люнет, а после закрепления отрегулировать его. Только
выполнив в определенной последовательности все эти опе-
рации, включающие много сложных взаимосвязанных дви-
жений, оператор нажимает кнопку пуска станка.
Далее станок автоматически обрабатывает деталь с не-
обходимой точностью, предусмотренной программой, и ав-
томатически останавливается.
Оператор, увидев это, должен снять обработанную де-
таль, выполнив движения, аналогичные тем, которые он
-произвел при закреплении детали, но в обратной последо-
вательности. Затем оператор положит готовую деталь во
вторую транспортную тележку. Иногда транспортные те-
лежки заменяют транспортерами.
При современных скоростях резания подчас оказывает-
ся, что основная операция рассмотренного цикла — точная
обработка заготовки — занимает меньшее время, чем вспо-
могательные, выполняемые оператором.
240
Здесь парадоксальность ситуации выступает еще на-
гляднее. Не точный автоматический станок, а оператор,
человек является вспомогательным участником производ-
ства. При этом движения человека столь сложны и много-
образны, что классическая автоматика не способна их вос-
произвести, оставаясь в жестких рамках соображений эко-
номики.
Но «бригада роботов» может разделить между собой
обязанности оператора, если речь идет о массовом произ-
водстве однотипных изделий.
При этом возникает еще один парадокс: во многих слу-
чаях требуемый комплект простых механических роботов
может оказаться дороже одного робота, снабженного мик-
ро-ЭВМ и способного быстро переходить от решения одной
задачи к другой, в соответствии с программами, введенны-
ми в память ЭВМ. Устранить этот парадокс можно толь-
ко при помощи роботов, управляемых ЭВМ.
Возвратимся к токарному станку и попробуем предста-
вить себе, как действует робот или бригада роботов, за-
меняющих оператора. Несложный, узкоцелевой, чисто ме-
ханический робот способен переносить заготовки из транс-
портной тележки к патрону станка. Но для этого необхо-
димо, чтобы каждая последующая заготовка ложилась
точно на то же место тележки, что и первая, иначе меха-
нический захват робота не сможет ее взять. Значит, те-
лежка должна быть оснащена специальными приспособле-
ниями, различными для различных деталей, и ее необходи-
мо устанавливать и закреплять в точности так, как это
«удобно» механическому роботу.
Если эти требования выполнены и механический робот
безошибочно захватывает заготовки и подносит их к пат-
рону станка, то другой робот или другая «рука» этого же
робота закрепляет заготовку в патроне. Затем обе руки ро-
бота возвращаются в исходное положение, попутно нажав
кнопку пуска станка.
После окончания обработки станок «подает команду»
роботу — снять изделие, и робот должен произвести но-
вый, вполне определенный цикл движений, которые закон-
чатся укладкой готовой детали на место, заранее выбран-
ное конструктором, после чего весь цикл повторяется
вновь.
241
ЧЕМ СЛОЖНЕЕ, ТЕМ ПРОЩЕ
Легко допустить, что проще и дешевле заменить слож-
ный механический робот двумя, более простыми, поручив
одному устанавливать заготовки, а другому снимать го-
товые детали. Несомненно, эти два робота окажутся бо-
лее эффективными, а их общая стоимость меньше, чем
стоимость одного, более сложного робота.
А надежность, а экономичность? Более зрелым будет
иное решение. Робот с электронным управлением, содер-
жащим микро-ЭВМ, намного более надежен и более де-
шев, чем его механические собратья. Преимущества та-
ких роботов — в гибкости их программ. Вместо того чтобы
изготавливать различные механические роботы для выпол-
нения многих разнородных операций, можно выпускать
крупные серии однотипных механизмов, способных осуще-
ствлять множество различных операций по команде микро-
ЭВМ. При этом задачей человека является только введе-
ние в микро-ЭВМ соответствующих программ и наблюде-
ние за работой роботов.
Конечно, здесь нельзя увлекаться, выходить за преде-
лы разумного. Нецелесообразно создавать роботы по прин-
ципу «и жнец, и чтец, и на дуде игрец». Такие универеалы
не удовлетворяют критерию технико-экономической целе-
сообразности. Просто невозможно создать робот, способ-
ный переходить от сборки часов к сборке автомобильных
двигателей. Как могли бы функционировать рабочие орга-
ны второго из них в маленьком поле деятельности перво-
го? А рабочие органы первого, рассчитанные на точную
установку и крепеж легких миниатюрных деталей часов,—
они попросту не пригодны для перемещения коленчатых
валов и других громоздких и массивных деталей двига-
теля.
Как и в других областях техники, конструктор должен
отыскивать золотую середину между требованиями универ-
сализма и специализации. Рабочие органы роботов в од-
них случаях выгоднее снабдить механическими захватами,
а в других — пневматическими присосками. При этом на-
до учитывать требуемую силу захвата. Например, при за-
хвате грубых заготовок давление на него может значитель-
но изменяться. Важно, чтобы оно было больше того, кото-
рое необходимо для надежного удержания.
В других случаях, например, при захвате стеклянных
изделий, давление должно быть строго ограничено: надо,
242
чтобы изделие не выскользнуло, но и не было раздавлено
захватом.
В подобных случаях почти всегда выгоднее заменять
простую механическую конструкцию, требующую высокой
точности выполнения, электронной схемой. При этом схе-
ма, конечно, снабжена чувствительным элементом и цепью
обратной связи, соединяющей чувствительный элемент
с приводом захвата.
Такая система действует очень слаженно. Чувствитель-
ный элемент, установленный на внутренней поверхности
захвата, измеряет давление, с которым он сжимает изде-
лие. Сигнал чувствительного элемента управляет элект-
ронной схемой, поддерживающей давление в заданных
пределах. Такая система может путем простой смены про-
грамм перестраиваться для работы с изделиями различной
формы и различной массы.
Конечно, есть и другие решения. Можно, например,
снабдить захват не измерителем давления, а устройством,
обнаруживающим скольжение изделия относительно захва-
та. Оно увеличит давление захвата до тех пор, пока не
прекратится скольжение.
Еще один пример. Для того чтобы механический робот
мог брать гайки из контейнера, они должны храниться в
нем в строгом порядке. Это требует применения специали-
зированных, а следовательно, дорогих контейнеров.
Робот, управляемый микро-ЭВМ, снабженный простей-
шей1 оптической системой и программой распознавания
образов, захватывает гайки, расположенные произвольным
образом. При этом электронная система ориентирует за-
хват так, чтобы его плоскости расположились параллельно
граням гайки.
Современное промышленное производство можно четко
подразделить на три категории. Первая — массовое про-
изводство однотипных сложных изделий, например авто-
мобилей, тракторов, телевизоров, часов. Такое производ-
ство обычно в высокой степени механизировано, автомати-
зировано и построено на разделении труда, при котором
каждый рабочий, каждый автомат изо дня в день выполня-
ют одни и те же операции. Обычно такие производства
конвейеризированы. Конвейер определяет ритм работы.-Рас-
членение производства на отдельные операции делается
так, чтобы каждый рабочий успевал выполнить свою* опе-
рацию в темпе, заданном конвейером. При этом конвейер не
только задает темп, но и уменьшает количество- вспомога-
243 -
тельных операций, перемещая изделие вдоль рабочих мест.
Однако конвейерное производство является жестко специа-
лизированным. Даже переход от одной модели автомобиля
к другой требует существенной реконструкции конвейера.
Теперь о второй категории. К ней следует отнести круп-
носерийное производство, при котором каждое изделие
изготавливают ограниченное время, после чего начинают
производство следующего. В таких случаях применение
обычного конвейера нецелесообразно. А без него сразу
увеличится количество необходимых вспомогательных и
транспортных операций. При этом неприменимы узкоспе-
циализированные станки. Их место должны занять уни-
версальные, сконструированные так, что их переналадка,
переход от одного изделия к другому значительно облег-
чены.
Наконец, третья категория производства — это изготов-
ление уникальных изделий и изделий, выпускаемых в не-
большом количестве. Конечно, и здесь конструкторы стре-
мятся применять унифицированные детали и узлы, при-
годные для комплектации различных изделий и поэтому
допускающие их предварительное массовое производство.
Все же в уникальных изделиях необходимо в большем или
хМеньшем количестве применять детали и узлы, специально
сконструированные для данного изделия. Для этого нуж-
ны специализированные сборочные приспособления, кото-
рые невозможно использовать для других целей.
Каково же место роботов в производствах, принадлежа-
щих к этим трем типам?
Проще всего, конечно, поставить роботов к конвейеру,
где каждый из них должен выполнять лишь одну или не-
сколько простых операций. Подобно тому, как рабочий,
стоящий у конвейера и действующий строго по инструкции,
может обладать минимальной квалификацией, заменяю-
щий его робот тоже может быть сделан предельно про-
стым. Такие роботы долго работают по заданной програм-
ме, а их переналадка или замена требуется только при
существенном изменении изделия или реконструкции кон-
вейера.
Робот, сопряженный с универсальным станком, дол-*
жен быть много сложнее, чтобы допускать переналадку
каждый раз, когда изменяют программу станка.
И наконец, для того чтобы робот мог найти применение
в малосерийном или штучном производстве, он должен
быть сделан таким, чтобы перевод его от производства
244
одной детали к другой занимал мало времени и не требо-
вал чрезмерно высокой квалификации наладчика.
Сейчас применение автоматических станков и роботов
ограничивается не техническими трудностями, а технико-
экономическими соображениями. Поэтому в промышлен-
ности возникла потребность в оборудовании, которое, по-
добно мастеру высшей квалификации, допускает быструю
и простую переброску от изготовления одного изделия к
производству других изделий. При этом возрастают и тре-
бования к надежности и долговечности оборудования.
В ответ на это конструкторы начали объединять автомати-
ческие станки с числовым управлением и универсальные
роботы, способные к выполнению различных операций.
Так возникли гибкие, легко переналаживаемые комп-
лексы, управляемые микро-ЭВМ. Вначале такой комплекс
формировали вокруг одного универсального автомата, на-
пример вокруг токарного или фрезерного станка с число-
вым управлением, обслуживание которого поручалось ро-
ботам. Такие комплексы получили название гибких обра-
батывающих модулей, или гибких обрабатывающих цент-
ров. Это название подчеркивает принцип, согласно кото-
рому требуемое количество роботов группируется вокруг
одного станка. Он служит технологическим центром всего
комплекса, приспособленного к совместной работе без
участия оператора. За человеком остается при этом роль
наладчика и задача периодического контроля качества из-
готавливаемой продукции.
Затем конструкторы и технологи начали объединять
два или несколько гибких обрабатывающих центров, вме-
сте с обслуживающими их роботами в гибкий обрабаты-
вающий комплекс или в гибкую автоматизированную тех-
нологическую линию. Так достигается быстрый и удобный
переход от изготовления одной детали или узла к изготов-
лению других деталей и узлов. Для этого наладчик должен
лишь перевести микро-ЭВМ с выполнения одной програм-
мы к другой и проверить работу всей линии.
Наконец, из объединения подобных гибких управляе-
мых центров и линий образовались гибкие производства,
управляемые иерархией микро-ЭВМ. Главная ЭВМ управ-
ляет более специализированными микро-ЭВМ и микропро-
цессорами. Те. входят в состав универсальных станков или
роботов. Их универсальность проявляется в том, что они
способны выполнять много различных движений, необходи-
мых для осуществления различных операций.
245 ...
Предприятия, способные гибко перестраиваться для
производства различной продукции и требующие для такой
перестройки небольшого времени,— самые предпочтитель-
ные. Конечно, они должны стать наиболее многочислен-
ными среди всех промышленных предприятий. По уровню
автоматизации все они не будут уступать предприятиям,
предназначенным для длительного выпуска однотипной
продукции.
Предприятия, с конвейеров которых один за другим схо-
дят автомобили или другие, столь же массовые изделия,
о которых мы уже говорили, благодаря введению гибких
автоматизированных линий тоже можно быстро и деше-
во перестраивать на производство новых моделей без ко-
ренной реконструкции оборудования.
Высшей степени автоматизации достигают оснащенные
ЭВМ предприятия, предназначенные для производства хи-
мических удобрений, полимеров, горючего для автомоби-
лей, тракторов и самолетов, и другие подобные массовые
и многотоннажные производства. На них уже сейчас авто-
матизированы все технологические процессы, обеспечи-
вающие непрерывность превращения сырья в конечные
продукты. Но операции транспортирования и складирова-
ния готовой продукции пока еще ждут прихода специали-
зированных и универсальных роботов, строительства ав-
томатизированных складских комплексов.
С первого взгляда может показаться, что, проектируя
нефтеперерабатывающий завод, можно отказаться от
складов. Очень заманчиво выглядит технологическая схе-
ма, начальный элемент которой непосредственно присо-
единен к нефтепроводу, а конечные этапы, предусматри-
вают немедленную погрузку готовой продукции в автомо-
били или железнодорожные вагоны. Но ни один проекти-
ровщик не откажется от того, чтобы предусмотреть храни-
лища для резервной нефти, чтобы исключить остановку за-
вода при авариях нефтепровода. Он не может отказаться»
и от складов готовой продукции, их емкость определяется
не только возможными перебоями в работе транспорта, но
и сезонными колебаниями спроса. Ведь современное про-
изводство такого типа должно постоянно работать в опти-
мальном режиме. Только так достигается стабильное ка-
чество продукции и максимальная эффективность произ-
водства.
24<
ПРИМЕТЫ БУДУЩЕГО
Приметы будущего видны уже сегодня. В традиционно
текстильном городе Иванове недавно было создано станко-
строительное предприятие. Вскоре на его основе возникло
научно-производственное объединение. Инициативный от-
ветственный подход к делу объединил ивановских уче-
ных, инженеров и рабочих в динамичный творческий кол-
лектив, способный ставить и реализовывать самые слож-
ные задачи.
Дух новаторства привел к тому, что ивановцы за ко-
роткий срок поднялись к вершинам самого передового ма-
шиностроения. Автоматические станки с числовым управ-
лением, созданные на их основе роботизированные обра-
батывающие центры и гибкие производственные линии за-
служили добрую славу в нашей стране и более чем в дю-
жине передовых промышленных стран, в том числе в таких
индустриальных капиталистических странах, как Швеция,
ФРГ и Япония.
Создатели этой совершенной техники удостоены Госу-
дарственной премии СССР.
Флагманом нефтехимической промышленности не толь-
ко в нашей стране, но и среди зарубежных предприятий
такого типа является Ново-Бакинский нефтеперерабаты-
вающий завод имени Владимира Ильича.
Оператор, заступающий здесь на смену, не должен
изучать и анализировать показания многочисленных при-
боров, смонтированных на огромных щитах управления.
Да и во время работы приборы не требуют его постоян-
ного пристального внимания. Все это поручено ЭВМ.
Оператор, начиная работу и контролируя ход процессов
переработки нефти в течение смены, имеет дело только с
ЭВМ. Он ведет диалог с ЭВМ как с умным, неутомимым
помощником. Запрашивает ее о сложных процессах, иду-
щих в многочисленных установках, занимающих большую
территорию, но действующих согласованно.
ЭВМ, по его запросу, демонстрирует на экране схему
Технологического процесса и его ключевые параметры, та-
кие, как температура, давление и ряд других. Если опера-
тор замечает отклонение от нормы в каком-либо звене,
он Просит ЭВМ выдать ему более подробные сведения
именно об этом звене. На экране дисплея мгновенно по-
является «подозрительный» участок технологической схе-
мы с более детальными данными о ходе процесса.
247
За оператором остается право решить, как нужно по-:
ступить, чтобы ввести процесс в пределы нормы. Но он,
как правило, не принимает решения, не посоветовавшись
с ЭВМ. ЭВМ быстро оценивает в нескольких вариантах ме-
ры, предлагаемые оператором, помогает ему найти опти-
мальное решение и по его сигналу передает исполнитель-
ным органам приказ произвести такие изменения, чтобы
процесс вернулся к норме самым быстрым и надежным пу-
тем.
Этот комплекс реализован в сжатые сроки. В исследо-
ваниях и разработках объединили свои силы ученые и
инженеры Академии наук Азербайджанской ССР, инсти-
тутов промышленности, ученые высших учебных заведе-
ний, специалисты и производственники завода.
Прогрессивные технические решения этого коллектива
не имеют аналогов в отечественной и зарубежной практи-
ке. Они уже дают годовой экономический эффект около
13 миллионов рублей. Их опыт используется на нефтепере-
рабатывающих предприятиях Москвы и Ярославля, Уфы и
Перми, а также за рубежом. Основные участники этой ра-
боты удостоены Государственной премии СССР.
Государственной премии СССР удостоен коллектив, со-
здавший и внедривший в промышленное производство вы-
сокоэффективное оборудование для гибкого автоматизиро-
ванного производства сложных корпусных деталей и фи-
нишной обработки колец высокоточных приборных под-
шипников.
Впечатляющим примером применения роботов и прос-
тейших манипуляторов является конвейер Угличского ча-
сового завода, выпускающий наручные часы «Чайка».
Женские наручные часы — один из наиболее миниатюрных
точных механизмов. Миниатюрные шестеренки этих часов
вращаются в еще более миниатюрных опорах, изготовлен-
ных из рубина, в которых необходимо создать опорные
каналы микроскопических размеров. До последнего вре-
мени обработка опорных рубиновых камней требовала
точнейшего оборудования и была весьма трудоемкой. Сей-
час эту операцию выполняет автоматический лазерный
станок' затрачивающий на нее считанные секунды.
Теперь у конвейера, предназначенного для сборки Жен-
ских наручных часов, не сидят сборщицы. Разве моЖно
назвать сборщицей работницу, наблюдающую за семью
роботами? Первый из этих роботов ставит в механизм оси,
второй — барабаны, третий — зубчатые колёсики, четвер-
248
тый — барабанные мосты. Еще три устанавливают на мес-
то и закрепляют миниатюрные винтики.
Сборщица, ставшая оператором автоматической сборки,
вскоре будет наладчиком, а роботы, как и сегодня, но уже
без ее непрерывного контроля, будут работать в заданном
им темпе, производя около 4000 часов в смену. При кон-
вейерной сборке в 1975 году каждая работница могла
изготовить за смену в среднем по 10 часов, а на современ-
ном механизированном конвейере—по 1200.
Сначала в цехе работали около 250 роботов, которые
не только устанавливали на место детали часов, но и за-
кручивали винтики, производили смазку, контролировали
качество сборки и участвовали в регулировке часов. При
этом в сборочном цехе на каждую работницу в среднем
приходилось только по два робота. Это значит, что часть
операций еще производилась вручную. Но в следующем
году в этом цехе было установлено еще 282 робота, что
полностью исключило ручной труд, увеличило выпуск ча-
сов и, главное, превратило сборщиц в работниц более вы-
сокой квалификации, в наладчиц роботов и манипулято-
ров—специалистов по их обслуживанию и ремонту.
Интенсивное внедрение роботов и гибких обрабатыва-
ющих линий осуществляется и на остальных заводах часо-
вой промышленности, на приборостроительных предприя-
тиях и в машиностроительных производствах.
Уже сейчас работает ряд крупных, полностью автома-
тизированных предприятий, на которых в первую смену
трудится всего несколько десятков людей. Их задачей яв-
ляется контроль за работой полностью автоматизирован-
ных линий и цехов, и прежде всего выявление и преду-
преждение возможных неполадок. Главные из них вызы-
ваются недостаточной стойкостью рабочего инструмента —
резцов, фрез, сверл, метчиков и лерок, предназначенных
для нарезания резьб.
Как правило, роботы, обслуживающие гибкие произ-
водства, заменяют инструменты по сигналам* измеритель-
ных устройств, когда те сообщают, что размеры обрабаты-
ваемой детали приближаются к границе допускаемых от-
клонений. При этом роботы используют запасной комплект
инструментов, хранящийся в накопителе.
‘ Так возникают саморемойтирующиеся системы. Но если
запасной комплект истощается слишком быстро или начи-
наются поломки инструмента — тогда требуется вмеша-
тельство человека. Оператор легко выяснит причину неис-
249
правности и ликвидирует ее, даже когда неисправность
возникла неожиданно и ее устранение при помощи роботов
не предусмотрено программой.
Если стойкость инструмента высока и все оборудование
выполнено надежным, то во вторую смену на современ-
ном автоматизированном производстве достаточно присут-
ствия трех-четырех операторов.
Их труд напоминает труд команды современного само-
лета, а их рабочее место похоже на пилотскую кабину оби-
лием разнообразных приборов. Но операторы не должны
непрерывно следить за показанием каждого из них. Они
общаются с работающими машинами и механизмами при
помощи ЭВМ, которая непрерывно обрабатывает всю ин-
формацию, поступающую из безлюдных цехов и складов,
демонстрируя на экранах только самое главное. В случае
грозящей неполадки ЭВМ сообщит об этом людям и уст-
ранит ее при помощи автоматики. Но если автоматика не
справляется с этим, ЭВМ подает аварийный сигнал. Со-
общит персоналу о возможной неисправности, о причинах,
препятствующих автоматическому устранению неполадок,
покажет более подробно место неисправности и ее харак-
тер. Только в исключительных случаях человеку придется
проверить сведения, даваемые ЭВМ, при помощи контроль-
ных приборов.
Подобно капитану, старший оператор не покидает сво-
его места. Его помощник, играющий роль бортинженера,
придет на помощь автоматам. Только в крайних случаях
придется вызывать на помощь аварийную бригаду.
КАКОВ ДИАГНОЗ, КОЛЛЕГА?
В 1959 году была созвана первая Всесоюзная конферен-
ция по применениям средств радио в медицине, подведены
первые итоги, намечены дальнейшие цели и пути осуществ-
ления многолетней программы радио вооружения всех об-
ластей медицины.
Это было событие в научной среде. Конференция собра-
ла огромное количество радиоспециалистов и медиков.
Теперь в любой поликлинике, в любом врачебном каби-
нете вы встречаетесь с теми или иными электронными при-
борами — их выпускает наша промышленность.
•Электроника в медицине сегодня — это элекгроэнцефа-
лографы для исследования состояния мозга, электрокардиог
графы для контроля работы сердца, это миниатюрные
250
радиозонды, которые больной глотает как пилюлю и та пе-
редает из желудка данные о составе желудочного сока.
Электроника в медицине — это диагностические машины,
которые в своей электронной памяти хранят симптомы мно-
гих болезней и помогают врачу установить диагноз. Элект-
роника в медицине — это целая армия приборов и методов,
без которой современная наука и практика невозможны. Но
радиовооружение медицины, конечно, на этом не останови-
лось. Оно продолжается...
Применение роботов по-новому решает проблему помо-
щи инвалидам. Уже давно, и прежде всего в нашей стране,
были разработаны протезы руки, управляемые электричес-
кими потенциалами, возникающими на коже культи, когда
человек хочет произвести движение отсутствующей рукой.
Это было огромное достижение.
Но такие протезы по различным причинам не могли
стать универсальными. Не во всех случаях на поверхности
культи возникают сигналы, достаточные для управления
протезом. Дополнительные трудности возникают при жела-
нии облегчить протез и снабдить его автономными источни-
ками питания, способными обеспечить работу протеза в те-
чение целого дня.
Все функции руки может выполнять современный робот,
снабженный микро-ЭВМ. Его не обязательно крепить к
культе. Удобнее, если он оформлен как автономное устрой-
ство. Перемещается вслед за хозяином и действует, подчи-
няясь его голосу. Емкости памяти микро-ЭВМ такого робо-
та с избытком хватает для выполнения любых действий, не-
обходимых хозяину. Робот может, используя «свободное
время», подключаться к осветительной сети для зарядки
своих аккумуляторов. Разработка таких роботов — реаль-
ная задача наших дней.
Уже появились первые роботы, способные убирать поме-
щения больниц. Но, увы, они никогда не заменят вниматель-
ных и добрых медицинских сестер. Здесь дело не только
в многообразии функций. Даже самый современный ро-
бот — не эквивалент заботливой сестры, умеющей несколь-
кими теплыми словами снять нервное напряжение у боль-
ного и вселить надежду и стремление к победе нал болез-
нью.
Но автоматические системы и ЭВМ уже уверенно вторг-
лись в лечебные учреждения. Не являясь роботами, не вос-
производя движения человека, они берут на себя однооб-
разный утомительный труд лаборантов, осуществляя с не-
доступной человеку быстротой и точностью всевозможные
анализы.
Во многих медицинских центрах ЭВМ выполняют слож-
нейшие задачи диагностики — определяют характер забо-
левания— и предлагают оптимальные методы лечения.
ЭВМ должна была пройти долгий путь развития и обу-
чения прежде, чем она превратилась в надежного помощ-
ника врача. Быстродействие процессора, объем памяти и бы-
строта обращения к памяти современных средних ЭВМ
столь велики, а работа в диалоговом режиме так удобна,
что им по плечу и такая сложная и ответственная работа.
Прежде чем ЭВМ получает пропуск в клинику, она про-
ходит курс обучения. В ее память вводят типичные симпто-
мы (признаки) болезней, относящихся в той области меди-
цины, в которой она будет работать, характерные стадии
развития этих болезней, типичные способы лечения с учетом
возраста, общего состояния больного, сопутствующих или
перенесенных им ранее болезней.
Затем в ЭВМ вводят диалоговую программу, содержа-
щую перечень вопросов, с которыми лучшие специалисты
обычно обращаются к своим больным, и систему, по кото-
рой ЭВМ кодируют получаемые ответы.
Теперь электронный диагност готов к работе.
Перед терминалом ЭВМ садится пациент. ЭВМ в соот-
ветствии с программой задает ему стандартные вопросы и
фиксирует в своей памяти ответы. В наиболее совершенных
вариантах ЭВМ обращается к пациенту человеческим го-
лосом и воспринимает его голосовые ответы. Идет обычная,
беседа. В других системах вопросы высвечиваются в форме
надписей на экране, а ответы «да», «нет», «не знаю» паци-
ент вводит нажатием соответствующих клавишей.
Одновременно ЭВМ может измерить у больного темпе-
ратуру и провести другие исследования и анализы, жела-
тельность которых выявляется в ходе диагноза. Часть этих
исследований проводится без непосредственного контакта
с пациентом. Закончив опрос и проведя анализы, ЭВМ пе-
редает врачу все полученные сведения, свой диагноз и ре-
комендации лечения. Эти рекомендации ЭВМ вырабатывает
на основе комплексной обработки ответов и результатов,
обследования. Сопоставляет ответы больного с банком инп.
формации, содержащим весь опыт современной медицины»
находящийся в памяти ЭВМ.
Если врач согласен с рекомендациями ЭВМ, он поруча-
ет ей выписать рецепты и, если нужно, направление на ме-
252
дицинские процедуры. В случае сомнения дополнительно
осматривает пациента. Сопоставление диагнозов, даваемых
ЭВМ и установленных опытными врачами, показывает, что
ЭВМ ошибается очень редко, гораздо реже, чем молодые
врачи, а при некоторых заболеваниях превосходит даже
опытных врачей.
Не роботы, а ЭВМ облегчают работу медицинского пер-
сонала, распределяя лекарства согласно предписанию вра-
ча. Не роботы, а ЭВМ следят за состояниехМ больных, их
температурой, давлением крови, пульсом, электрокардио-
граммой и другими факторами, отражающими течение бо-
лезни. В случае опасных отклонений от нормы ЭВМ немед-
ленно информируют дежурного врача и предлагает ему
варианты дальнейшего лечения. Применение таких «элект-
ронных сидедок» уже позволило реально уменьшить коли-
чество осложнений и смертных случаев, связанных с про-
медлением медицинской помощи при внезапных обостре-
ниях болезни.
Замечательным достижением ЭВМ в диагностике
является создание вычислительной томографии. Термин
«томография» происходит от греческих слов «томос» — слой
и «графо» — пишу. Он вошел в медицину более полувека
назад, когда наряду с обычной рентгеновской диагности-
кой— просвечиванием организма лучами Рентгена — были
изобретены рентгеновские томографы.
Для получения обычной рентгенограммы человека по-
мещают между источником лучей Рентгена — рентгенов-
ской трубкой и фотопленкой. На рентгеновском снимке хо-
рошо различаются кости, но изменения в мягких тканях мо-
жет обнаружить лишь опытный врач. Причина в том, что
на снимке фиксируется полное поглощение рентгеновских
лучей в теле человека или в ином объекте, а мягкие ткани
слабо поглощают рентгеновские лучи.
Идея рентгеновской томографии состоит в том, чтобы
сформировать на снимке только изображение той области
тела, которая является объектом исследования и усреднить
(смазать) влияние остальных тканей. Для этого рентгенов-
скую трубку и пленку перемещают по дугам окружности,
центр которой расположен в исследуемом участке тела. Яс-
но, что «смаз» проявляется сильнее всего в участках, уда-
ленных от центра вращения, а область, примыкающая к
центру, дает наиболее контрастное изображение. Обычно
рентгенологи делали несколько таких томографических
снимков, перемещая в одной и той же плоскости центр вра-
253
щения по отношению к исследуемой области. Такие рент-
геновские томографы существенно облегчили диагностику
туберкулезных каверн легких, увеличенных лимфатических
желез, опухолей и т. п.
Применение ЭВМ к рентгеновской томографии произве-
ло настоящую революцию в медицинских исследованиях.
Это направление получило наименование вычислительной
томографии. В томографии этого типа не нужна фотоплен-
ка. На место кассеты с пленкой помещают электронный
приемник рентгеновских лучей, представляющий собой осо-
бую разновидность фотоприемника (фотоэлемента). Пер-
вым выигрышем стала возможность значительно уменьшить
интенсивность рентгеновских лучей, проходящих через тело
человека, что обеспечено высокой чувствительностью при-
емников рентгеновских лучей.
Главное преимущество вычислительного томографа по-
дарено применением ЭВМ. Как и в первых томографах,
рентгеновскую трубку и приемник лучей перемещают по
окружностям вокруг тела больного. В памяти ЭВМ фикси-
руется связь интенсивности лучей с углом поворота. Теперь,
в отличие от прежней томографии, не требуется многократ-
ное просвечивание в одной плоскости с перемещением оси
вращения системы. Связанная с этим экономия времени
обследования и уменьшение дозы рентгеновских лучей, по-
лучаемой больным, обеспечиваются программой обработки
на ЭВМ данных однократного просвечивания каждой плос-
кости. Стол, на котором лежит больной, после однократного
просвечивания, смещают относительно плоскости, в которой
вращаются источник и приемник рентгеновских лучей. И
вновь, уже в новой плоскости, повторяют запись. Так осу-
ществляют ряд «сечений» человеческого тела.
После того как просвечивание закончено, ЭВМ начина-
ет обрабатывать зафиксированные данные. Делает она это
по программе, напоминающей усложненную программу по-
строения «электронных чертежей». Так реконструируют
распределение плотности в различных частях исследуемого
слоя. Перед врачом, слой за слоем, появляется изображение
различных сечений тела больного. При этом кости, обычно
затеняющие органы, расположенные за ними или перед
ними, не мешают построению четкого изображения, а врач
может изучать срез за срезом — полную картину состояния
исследуемого органа и его окрестностей.
Новейшим усовершенствованием рентгеновской аппара-
туры является введение резонансного рентгеновского излу-
254
чения. Оно направлено на увеличение эффективности дейст-
вия контрастных веществ. Врачи называют контрастными
веществами те, что поглощают рентгеновские лучи сильнее,
чем мягкие ткани человеческого тела. К ним принадлежат
химические соединения тяжелых элементов. Например, сви-
нец и его соединения применяются для защиты самих рент-
генологов. Для этого такие соединения вводят в материалы,
применяемые для изготовления защитных фартуков и пер-
чаток. Соединения бария применяют для исследования
пищеварительного тракта. При этом пациент проглатывает
небольшое количество разбавленного водой порошка,
а рентгенолог наблюдает за его перемещением по пищево-
ду, желудку и кишечнику.
Для того чтобы увеличить контраст рентгеновского сним-
ка кровеносных сосудов и некоторых внутренних органов,
в вену пациента вводят раствор соединения йода, тоже
сильно поглощающего рентгеновские лучи. Но и при этом
кровеносные сосуды, обладающие малой толщиной, все же
плохо видимы на фоне остальных тканей человеческого
тела.
Недавно физики и рентгенологи существенно увеличили
контраст кровеносных сосудов, применив для обнаружения
соединений йода вместо обычных рентгеновских трубок но-
вый источник рентгеновских лучей, а именно синхротрон.
Синхротрон — современный ускоритель заряженных микро-
частиц, изобретенный академиком В. И.. Векслером. Если
синхротрон применен для ускорения электронов, то их дви-
жение внутри ускорителя порождает электромагнитное из-
лучение. Его называют синхротронным излучением. Окааа*-
лось, что,, выбрав особую конструкцию и особый режим*,
небольшого синхротрона и ускоряя в нем электроны, мож-
но получить рентгеновское излучение, сильно поглощаемое
атомами йода и слабо* поглощаемое другими атомами. При-
менив такой синхротрон длят рентгеновской диагностики,
можно за тысячную долю секунды сфотографировать кро-
веносные сосуды сердца, а повторяя это по; нескольку раз
в секунду, можно получить кинофильм, демонстрирующий
состояние кровеносных сосудов сердца в течение всех фаз
его сокращения и расслабления. Этот же метод можно при-
менять и в вычислительной рентгеновской томографии для
исследования состояния кровеносных сосудов мозга, сердца
и других жизненно важных органов^
Рентгеновская вычислительная? томография недавно
залась превзойденной ядерной вычислительно® томографа
255
ей. Новый метод исследования имеет два решающих преи-
мущества. Во-первых, он делает совершенно ненужным
применение рентгеновских лучей, которые даже в малых
дозах опасны, прежде всего для организма младенцев. Во-
вторых, ядерная томография способна не только фиксиро-
вать плотность тканей, что делает рентгеновская томогра-
фия, но и выяснять их химический состав. Например, отли-
чать мышечную ткань от жировой и даже нормальную здо-
ровую от опухолевой.
Процесс, лежащий в основе ядерной томографии, назы-
вают ядерным магнитным резонансом. Суть его, как видно
из самого названия, заключена в том, что поглощение ра-
диоволн в веществе зависит от свойств ядер тех атомов,
которые входят в его состав. Взаимодействуя с радиовол-
ной, ядра ведут себя как радиоприемники. Они интенсивно
поглощают те радиоволны, которые воздействуют на них
в резонансе, и не взаимодействуют с радиоволнами, имею-
щими нерезонансную с ними длину волны. Особенно удоб-
но наблюдать явление ядерного магнитного резонанса
в протонах — ядрах атомов водорода, а также в ядрах ато-
мов фосфора и некоторых других атомов, входящих в со-
став человеческого тела. Интенсивность поглощения радио-
волн зависит от концентрации соответствующих атомов, то
есть от их количества в данном малом объеме ткани.
Важно, что частота радиоволн, которые особенно сильно
поглощаются ядрами атомов каждого сорта, зависит от
ближайшего окружения этих атомов. Например, частота
ядерного магнитного резонанса протонов в воде, где их бли-
жайшими соседями являются атомы кислорода и остальные
атомы водорода, отличается от соответствующей частоты
резонанса для протонов, входящих в атомы водорода, со-
держащихся в жировой или в мышечной ткани.
Благодаря таким изменениям частоты резонанса удает-
ся с большой точностью различать ткани здоровых частей
тела от тканей, пораженных тем или другим заболеванием.
Мы видим, что и в области медицины автоматические
Системы, снабженные ЭВМ, захватывают все большее и
большее поле деятельности.
ПО ПЛЕЧУ ЛИ АВТОМАТУ ТВОРЧЕСТВО?
Люди и роботы... Два мира, две цивилизации, развиваю-
щиеся каждая по своим законам. Что ожидает эти два ми-
ра? Вражда? Союз?
256
Сегодня рядом с человеком трудятся тысячи мудрых ав-
томатов, роботов, умных вычислительных машин — «усили-
телей» умственных способностей человека.
Человек обучает их многому из того, что умеет сам, пе-
редает им свой опыт.
ЭВМ теперь неотъемлемый компонент систем управле-
ния самолетами и другими сложными машинами и слож-
ными процессами, протекающими при участии многих ро-
ботизированных комплексов на крупных заводах. ЭВМ обя-
зательны и при планировании и управлении народным хо-
зяйством.
Но человек учит роботов и игре на органе, и сочинению
стихов, и игре в шахматы... Зачем? Не пустая ли эго трата
времени и сил?
Лишь в плохих фантастических романах можно встре-
тить роботов, играющих в шахматы в свободное время, ро-
ботов, перемещающих шахматные фигуры. Истинная зада-
ча ЭВМ не перемещение фигур, а выбор ходов.
ЭВМ, играющая в шахматы, может ограничиться тем,
что она укажет очередной ход в символической форме, дав-
но принятой при записи шахматных ходов, или «нарисует»
изображение фигур на экране электронно-лучевой трубки.
Поэтому специалисты, любящие точность, говорят не
о шахматных роботах, а о шахматных программах. И до-
бавляют: соединить шахматную программу с манипулято-
ром, способным передвигать шахматные фигуры, сравни-
тельно не сложно по сравнению со сложностью самой
шахматной программы. Но такое, чисто внешнее усовер-
шенствование не дает ничего нового в продвижении к глав-
ной задаче, ради которой учат ЭВМ играть в шахматы: к
применению ЭВМ для управления процессами, содержа-
щими множество элементов, связанных между собой слож-
ными, еще не расшифрованными зависимостями.
При решении таких задач нельзя двигаться путем пере-
бора всех возможностей. Нельзя перебрать и все ходы, до-
пускаемые правилами шахматной игры в дебюте и миттель-
шпиле. Только в эндшпиле, когда на доске остается всего
несколько фигур, можно, используя быстродействие ЭВМ,
заставить ее перебрать все варианты дальнейшего развития
партии. Но и в этом простейшем случае не следует загру-
жать ЭВМ простым перебором возможностей.
Игра в шахматы является моделью решения задач, столь
сложных, что метод перебора не дает возможностей найти
оптимальное решение.
1/29 Заказ 440
257
При анализе шахматной партии можно существенно су-
' зить задачу, введя в программу ЭВМ ряд оценок и крите-
риев, способных сразу отбросить множество бесперспектив-
ных вариантов. Это значительно сокращает объем требуе-
мого перебора. Шахматист делает это «не думая», рефлек-
торно, так же, как идущий человек не думает о том, в какой
последовательности должны сокращаться мышцы его ног.
Объем перебора можно дополнительно сократить, вво-
дя в программу оценки «силы хода», которыми пользуется
каждый шахматист. Ведь даже сильнейший гроссмейстер
не способен вести партию по строгому плану, разработан-
ному при подготовке к игре. Такого плана попросту не мо-
жет быть, так как невозможно точно предусмотреть ответ-
ные ходы противника. Но сила шахматиста состоит в уме-
нии ставить локальные цели, оценивать сложившиеся си-
туации, мысленно проигрывать партию на несколько ходов
вперед. Учитывая, что противник тоже выбирает наиболее
сильные ходы и отбрасывает заведомо слабые варианты.
Имеется много путей, ведущих к созданию шахматных
программ. Возможны различные способы оценки качества
(шахматист сказал бы «силы») программы. Но окончатель-
ную оценку качества программ дают соревнования между
ними. Таких программ еще мало. Поэтому еще не прово-
дятся турниры со многими «участниками». Но матчи, в ко-
торых участвуют две программы, созданные двумя науч-
ными коллективами, проводились уже несколько раз.
В чемпионате мира среди шахматных программ в 1974
году победила и получила золотую медаль программа «Ка-
исса», созданная в нашей стране Институтом проблем уп-
равления. Через три года первое место заняла новая про-
грамма «Чесс-4,6», созданная в США. С тех пор чемпиона-
ты электронных шахматистов проводят каждые три года,
и раз от раза ЭВМ играют все сильнее.
На западных рынках уже появились упрощенные шах-
матные тренажеры, основанные на применении микропро-
цессоров. Конечно, гроссмейстер легко победит в соревно-
вании с таким тренажером. Но шахматист, привыкший
пользоваться дорожными шахматами для решения шахмат-
ных задач или для анализа партий, получает большое удо-
вольствие от игры с таким электронным противником.
Конечно, в пору первых увлечений шахматными програм-
мами не обходились без иронических замечаний.
«Зачем учить машину играть в шахматы, кому это нуж-
но? Это всего лишь курьез, дорогостоящие шалости...»
258
Впрочем, нечто подобное говорилось когда-то и в адрес ки-
бернетических «черепах», «мышей», «лис».
Но эти «шалости», как оказалось, имеют глубокие кор-
ни. Шахматы — игра умная, она служит не только отдыху,
но и тренировке мысли. «Тот, кто изобрел шахматную игру,
сделал модель военного искусства, ибо в этой игре пред-
ставлены все военные ходы и планы»,— писал испанский
мыслитель Хуан Уарте.
И, создавая программы для игры в шахматы, ученые, по
сути, создают модели программ стратегии и тактики, эври-
стические программы — программы творчества.
Совет по кибернетике проводил широкие исследования
в области эвристического программирования, усиленные
поиски путей обучения машины творческим методам «мыш-
ления». Эти исследования преследуют важную цель. Рабо-
та такой машины может пролить свет на законы творчест-
ва. Хотя человек сотни лет совершенствует свой умствен-
ный труд, но до сих пор не имеет представления о важней-
ших принципах, лежащих в основе творчества. Наблюдение
за работой обучающих машин позволит выработать более
эффективные методы умственного труда. И, что в наше вре-
мя является самым главным, поможет решить проблему
обучения человека новым, более эффективным способом.
Это чрезвычайно важно. Если присмотреться к работе
шахматной программы, в ней можно разглядеть черты той
новой машины, о которой мечтают сегодня педагоги. Черты
обучающей машины, приспосабливающейся к своему уче-
нику. Что делает машина, играющая в шахматы? Она ана-
лизирует ход противника. В зависимости от него она посту-
пает каждый раз по-новому, так, как вынуждает ее к этому
его очередной ход. А обучающая машина? В зависимости
от вопроса ученика она пересматривает свою программу,
стараясь действовать в соответствии с потребностями ин-
дивидуума, задавшего вопрос. Она гибко меняет свои от-
веты, предлагает ученику ту или иную программу обучения.
Отрабатывая шахматные программы, мы приближаемся к
созданию разумных обучающих программ с тем, чтобы, не
загружая память машины чрезмерно большим количеством
сведений, дать ей возможность строить на основе ограни-
ченной информации разнообразные варианты действия.
Да, шахматная машина не может перебрать все возмож-
ные варианты ответов на ход противника. Таких вариантов
больше, чем звезд во Вселенной. Машина должна выбирать
продолжение игры лишь на основе разумных вариантов, от-
259
сеивая бесперспективные. То есть должна «думать». То
же относится и к обучающим программам приспосабли-
вающихся машин, которые завтра войдут в обиход школ.
А специалисты в области теории управления, привлекая
к сотрудничеству сильнейших шахматистов (в этой области
много сделал экс-чемпион мира по шахматам, доктор тех-
нических наук М. Ботвинник), создают все более совершен-
ные шахматные программы, разрабатывая таким путем ме-
тоды решения сложнейших задач управления процессами,
имеющими большое практическое значение, такими, как
задачи крупномасштабного планирования производства и
торговли, управления роботизированными безлюдными
предприятиями и т. п.
Для того чтобы слова о связи шахматных программ
с задачами планирования и управления в народном хозяй-
стве не остались простой декларацией, рассмотрим конк-
ретный пример.
В героические годы первых пятилеток наша страна соз-
давала мощные промышленные предприятия. В историю
навсегда вошло освоение богатых железных руд горы Маг-
нитной и создание Уралмаша — завода тяжелого машино-
строения, призванного обеспечить современным оборудова-
нием другие новостройки. Основным поставщиком коксую-
щихся углей был в то время Донецкий угольный бассейн.
Масштабы Магнитостроя требовали более близкого постав-
щика кокса. Им стал новый Кузнецкий угольный бассейн.
Но сокращение расстояния не могло полностью решить за-
дачу. Доставка кокса из Кузбасса к Магнитке не могла
сопровождаться возвращением в Кузбасс массы порожних
вагонов. Экономисты нашли единственное разумное реше-
ние: построить в Кузбассе металлургический завод и соз-
дать сбалансированную транспортную систему. Вагоны,
привозящие из Кузбасса кокс, возвращаются груженными
рудой, питающей домны Кузбасского филиала Магнитки.
Экономисты, конечно, должны были правильно определить
производственные мощности каждого звена этого комплек-
са с тем, чтобы транспортный конвейер действовал эффек-
тивно, не вызывая простои и перегрузки. Они при этом
должны были увязать строительство и развитие комплекса
с другими новостройками и действующими предприятиями.
Объем нашего народного хозяйства в 30-е годы позволял
провести эту большую работу, опираясь на энтузиазм, опыт
и арифмометры.
Мы начали с этого примера, ставшего классическим и
260
решенного в то время, когда экономисты еще не мечтали
об ЭВМ, для того, чтобы увидеть яснее, насколько теперь
усложнились задачи планирования и управления промыш-
ленностью.
Допустим, сегодня проектируется строительство круп-
ного автомобильного завода. От чего отталкиваются проек-
тировщики? Что берется за исходный критерий? Исходным
при этом является его производительность — класс и коли-
чество автомобилей, выпускаемых в год.
Проектируя этот завод, необходимо обеспечить согласо-
вание огромного набора различных требований, решения
множества задач, кажущихся, с первого взгляда, не имею-
щими значения для выполнения главной задачи — произ-
водства автомобилей.
Попробуем взглянуть на все это глазами людей, проек-
тирующих завод. Им задана производственная мощность
будущего завода. Они имеют полную документацию, отно-
сящуюся к конструкции и технологии производства запла-
нированного автомобиля. Они должны предусмотреть стро-
ительство заводских помещений, размещение заказов на
все необходимое оборудование, строительство жилья и все-
го культурно-хозяйственного комплекса для персонала него
семей, трудоустройство членов семей, не занятых на буду-
щем заводе, укомплектование специалистами школ, детских
садов и лечебных учреждений, строительство дорог, водо-
провода и канализации, присоединение к энергосистеме,
обеспечение завода комплектующими изделиями и многое
другое.
Но это далеко не все. Как круги на воде, разбегающиеся
от места падения камня, рождение любого крупного пред-
приятия требует реакции многих частей хозяйственного ор-
ганизма страны.
Кто и где выпустит оборудование для нового завода?
Кто будет снабжать его комплектующими деталями, инст-
рументами, материалами?
Нужно решить, например, можно ли получать двигате-
ли со специализированного завода, а если свободных мощ-
ностей нет, где следует строить новый завод (а строитель-
ство нового завода поднимает еще раз весь комплекс проб-
лем, которые мы перечислили, применительно к автозаводу,
причем наш перечень далеко не является исчерпывающим).
Необходим металл— дефицитный стальной лист, цвет-
ные металлы — и для нового завода, и для моторного за-
вода, и для строителей. Новые автомобили требуют допол-
661
нительных покрышек и камер. Способны ли их выпустить
существующие заводы или возникнет еще одна стройка?
Но для шинного завода необходимо сырье. Откуда его
брать?
Для автомобилей необходимо специальное стекло, поли-
мерные материалы для сидений, комплект электрических
ламп.
Новые автомобили потребуют дополнительного горюче-
го и смазочного масла. Нужно будет готовить больше води-
телей и ремонтников, чем раньше...
У нас не хватило бы места, а у читателя времени для
того, чтобы просто перечислить все, что необходимо преду-
смотреть проектировщикам для нового автомобильного за-
вода.
Нужно подчеркнуть, что связи, намеченные здесь, навер-
няка замкнутся еще не раз. Ведь где-то должно быть изго-
товлено оборудование для производства дополнительных
двигателей и дополнительное оборудование для добычи
руды, из которой будет выплавлен дополнительный металл,
и буровое оборудование для добычи дополнительного коли-
чества нефти, и технологическое оборудование для ее пере-
работки. Но могут ли справиться с этим существующие ма-
шиностроительные заводы?
Не будем углубляться в эти проблемы, но примем во
внимание другие заводы, проектируемые одновременно, и
строительство дорог, пусть не таких крупных, как БАМ,
и рост населения, и повышение нашего жизненного уровня.
Все это далеко выходит за пределы компетенции орга-
низации, проектирующей новый автозавод. Предусмотреть
это может только центральная планирующая организа-
ция Госплан СССР при помощи планирующих организаций
союзных республик, краев и областей. Сюда стекаются все
заявки. Здесь должны решать и решают, что должно быть
включено в план, а что отложено, ибо ресурсы страны не
безграничны и нельзя распылять средства, начиная строи-
тельство объекта, если он и его продукция не могут быть
обеспечены всем необходимым в установленный срок.
Планирование и управление народным хозяйством такой
большой страны, как наша, возможно только на основе
применения самых современных ЭВМ, самого гибкого про-
граммного обеспечения, позволяющего накапливать и опе-
ративно выдавать всю огромную информацию, циркули-
рующую между многочисленными звеньями хозяйственного
организма.
262
Бросаются в глаза два обстоятельства. Первое — чрез-
вычайная сложность задачи планирования и невозможность
применения к ней хорошо освоенных математических мето-
дов, предназначенных для решения задач, все условия ко-
торых сформулированы предельно точно. Второе — на-
личие в хозяйственном механизме сложных перекрестных
связей. Как мы видели во многих местах этой книги, слож-
ные системы, включающие связи между отдельными частя-
ми, могут, при некоторых условиях, терять устойчивость.
В технических системах это приводит к остановке процес-
са, к разрушению системы или к возникновению периоди-
ческих или близких к периодическим процессов.
Первое обстоятельство приводит к необходимости при-
менения статистических методов, которым выше было
уделено много внимания.
Второе обстоятельство требует введения в систему целена-
правленных обратных связей. Как мы видели на примерах
многих автоматических систем, только эффективные обрат-
ные связи могут обеспечить устойчивый режим функциони-
рования системы.
Прежде чем идти дальше, необходимо заметить, что в
масштабах страны невозможно жестко планировать все до
последнего гвоздя и последней пуговицы. Ведь не известно,
сколько гвоздей каждого типа и размера будет согнуто или
потеряно. Невозможно предусмотреть изменение моды, от-
вергающей привычные пуговицы и требующей новинок.
Планировщик противопоставляет влиянию непредска-
зуемых факторов создание резервов—запасов соответст-
вующих изделий и создание резервных производственных
мощностей. При этом необходимо максимально приблизить-
ся к золотой середине. Запасы, этот омертвленный труд, не
должны быть слишком велики, но их нельзя сделать чрез-
мерно малыми. То же самое относится к резервным произ-
водственным мощностям. Найти путь к золотой середине
можно только при помощи статистики и ЭВМ.
Статистика, о которой идет речь, состоит из двух нераз-
рывных частей. Первая — это учет, получение и системати-
зация сведений, характеризующих изучаемую систему. Вто-
рая— применение методов математической статистики для
обработки полученных данных и прогнозирования их изме-
нений в будущем.
Специалисты, создающие и изучающие шахматные про-
граммы для ЭВМ, по существу, разрабатывают и исследуют
пути к решению сложных стратегических задач, аналогич-
263
ных задачам планирования и управления такими сложными
системами, как экономика, экология, тонкая химическая
технология и т. п.
Невозможно уйти от вопроса: как людям удается спра-
виться с этими задачами, более сложными, чем шахматные?
При их решении ярко проявляется различие между социа-
листическим плановым хозяйством и капиталистическим
хозяйством с его рыночной экономикой. Различие заложено
в целях, которым служит экономическая структура, и в за-
конах, на основе которых она функционирует.
Цель социалистического общества, цель, поставленная
перед социалистическим хозяйством,— максимальное удов-
летворение жизненных потребностей людей. Законы, на ос-
нове которых осуществляется планирование и управление
народным хозяйством,— экономическая теория, разработан-
ная классиками марксизма, уточняемая в соответствии с
развитием нашей общественной структуры, науки и техни-
ки, включая развитие техники, необходимой для обеспече-
ния оперативного учета, оперативного и перспективного
планирования.
Мы являемся свидетелями успешного развития нашего
народного хозяйства, свободного от кризисных явлений и
безработицы. Хозяйства, обеспечивающего неуклонный рост
уровня жизни граждан, обеспечивающего надежную оборо-
ну против возможных посягательств извне, обладающего
ресурсами для помощи в укреплении экономики социалис-
тических и развивающихся стран.
Для ускорения научно-технического прогресса необхо-
димо совершенствовать теорию, способную анализировать
и прогнозировать столь сложную систему, какой является
экономика нашей страны. Это дело ученых, экономистов
и социологов. Следует обеспечить их совершенными и мощ-
ными ЭВМ, электронной системой сбора, накопления и об-
работки огромных потоков экономической информации. Это
общее дело ученых и работников промышленности. Дело
экономистов и плановиков освоить и эффективно применять
новую технику, совершенствовать теорию социалистическо-
го общественного хозяйства.
Конечно, рекомендации науки и разработанные планы
могут быть реализованы только при наличии высокой ис-
полнительской и технологической дисциплины, при правиль-
ном сочетании моральных и материальных стимулов.
264
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Заканчивается наше путешествие в мир автоматов, ЭВМ
и роботов, наше знакомство с поколениями людей, стремив-
шихся покорить силы природы, заставить их служить чело-
вечеству, с творцами техники, создателями систем автома-
тического управления, автоматических станков, все более
совершенных ЭВМ и роботов.
Мы видим, как, продвигаясь по бесконечной спирали
прогресса, человек, решая одну задачу, ставил перед собой
другие. И этому нет конца.
Было время, когда многие думали, что вершиной техни-
ческого прогресса станут роботы, способные заменить че-
ловека. Со страниц фантастических романов на страницы
газет и научных журналов перекочевали опасения — не по-
работят ли роботы людей?
Теперь мы знаем, что это — надуманная проблема.
Знаем, что роботы не являются и не явятся вершиной тех-
нического прогресса. Что они найдут и уже находят свое
место во «второй природе» — в технике, создаваемой чело-
веком. Что место роботов там, где простой автомат не спра-
вляется с работой. Постепенно они заменят людей в тяже-
лой и монотонной деятельности, во вредных и опасных
условиях работы, где нужна гибкость мозга человека, соп-
ряженная с его органами чувств, и где робот, снабженный
микро-ЭВМ, проявит себя наилучшим образом. Место ро-
бота— в строю универсальных исполнительных механиз-
мов, рядом со станками с числовым управлением, в системах
управления атомными и химическими реакторами. Роботы
должны объединить целый ряд специализированных и уни-
версальных устройств в систему машин, допускающих гиб-
кую и быструю перестройку при переходе от производства
одного типа изделий к производству другого.
В дальнейшем, как и теперь, робот будет верным помощ-
ником человека в его восхождении по спирали прогресса,
причем его поведет за собой человек, которому будут по-
могать все более совершенные ЭВМ, разрабатываемые с
помощью ЭВМ предыдущих поколений.
Создавая вторую природу —технику, человечество пре-
образует и себя. Это происходит на наших глазах. В тече-
ние короткого времени, охватывающего лишь смену двух-
трех поколений, радикально изменился интеллектуальный
уровень человечества. Особенно быстро этот процесс дви-
жется теперь в бывших колониальных и зависимых, стра-
265
нах, где подавляющее большинство населения еще недавно
было неграмотным.
Наглядно и ярко проявляется интеллектуальная новь в
играх и пристрастиях детей. Можно смело утверждать, что
стремление к трудовой деятельности заложено в тайниках
человеческих генов. Маленькие дети, никогда не видевшие
своих родителей за работой, тем не менее уделяют много
времени созидательным играм — строят дома и крепости из
песка или кубиков, нянчат кукол, рисуют или мастерят бу-
мажные кораблики и многое другое.
С возрастом эти игры всё более отражают технический
уровень своего времени. Дети прошлого века играли моде-
лями паровозов и пароходов, к которым, в ногу с техничес-
ким прогрессом, затем присоединились игрушечные авто-
мобили и тракторы, самолеты и вертолеты, ракеты и
спутники. Ребенок взрослеет, готовые игрушки усту-
пают место самоделкам, собираемым из специальных «кон-
структоров» или изготавливаемым из подручных материа-
лов.
В конце первой четверти нашего столетия в мир детства
вторглись такие спутники технического прогресса, как авиа-
моделизм и радиолюбительство. Почти все крупные авиа-
конструкторы прошли через кружки авиамоделизма и пла-
неризма. Множество ученых и инженеров увлекалось созда-
нием радиоприемников, строило роботов, отличием которых
были не технические возможности, а внешнее сходство с че-
ловеком.
Совсем недавно старших школьников охватило новое
увлечение. Они начали создавать самодельные ЭВМ. Ко-
нечно, этому способствует возможность приобрести необхо-
димые детали, включая разнообразные микросхемы и даже
микропроцессоры. Естественно, что юные создатели ЭВМ
сами разрабатывают для них программы, не только прос-
тейшие игровые, но даже программы телеуправления ле-
тающими моделями самолетов.
Некоторые плоды технического творчества детей подни-
маются до уровня изобретений, оформленных авторскими
свидетельствами и патентами. Они свидетельствуют об ори-
гинальности и непревзойденности юных новаторов.
Воистину можно сказать, что бывают задачи, слывущие
неразрешимыми и отпугивающие своей сложностью даже
наиболее квалифицированных специалистов, вооруженных
самыми современными ЭВМ и новейшим оборудованием
для проведения экспериментов. И эти задачи остаются не-
\ 266
разрешенными до тех пор, пока не появляется молодой
человек, или попросту «невежда», не знающий о том, что
разрешить эту задачу невозможно, но обладающий любо-
знательностью, остроумием и настойчивостью. И он решает
ее, иногда самыми примитивными средствами. Решает по-
тому, что он человек, обладающий интуицией, способный
к выявлению далеких аналогий, короче, способный к твор-
честву.
Не следует, однако, думать, что в нашей стране элек-
тронные игры развиваются только благодаря инициативе и
творчеству детей. Наша промышленность активно идет на-
встречу детским интересам, выпуская целый ассортимент
электронных игр, начиная с простейших типа «Ну, погоди!»
и «Тайна океана» до более сложных, оформленных в виде
приставок к телевизорам. В них могут быть введены раз-
личные игровые программы, интересные и для взрослых,
причем имеются возможности и для собственного творче-
ства.
Имея в виду все увеличивающийся масштаб применения
ЭВМ и роботов в народном хозяйстве, Коммунистическая
партия и Советское правительство поставили задачу регу-
лярного обучения школьников умению взаимодействовать с
ЭВМ. Сюда входит знакомство с принципами действия
ЭВМ, с их устройством и работой с ними, с принципами и
методами программирования.
За короткий срок проведена огромная работа, включая
подготовку педагогов, разработку и серийный выпуск комп-
лектной аппаратуры для оборудования компьютеризиро-
ванных классов, оснащения их наглядными пособиями и
персональными профессиональными ЭВМ. Эти ЭВМ дадут
учащимся старших классов возможность решать реальные
задачи, не уступающие по сложности тем, что ждут их за
порогом школы.
Академия наук и Минвуз СССР организовали в Москве
научно-учебный центр «Робототехника», задачи которого
четко отражены в его названии.
Так мы начинаем готовить тех, кому придется работать
на рубеже столетий и в XXI веке.
Хочется закончить книгу, перефразируя мысль Винера:
человеку — человеческое, роботу — машинное. И еще: ро-
бот— друг и помощник человека. Робот помогает человеку
в физическом труде, ЭВМ—в интеллектуальной деятель-
ности. И наконец, робот, снабженный сенсорными устрой-
ствами и микро-ЭВМ, берет на себя не только физический,
267
но и интеллектуальный труд людей, работающих в про-
мышленности.
В этой книге можно было описать множество конструк-
ций самых современных роботов, автоматов и систем
роботов. Это, конечно, было соблазнительно, но недально-
видно. Ведь каждое, современное с точки зрения сегодняш-
него дня, достижение завтра уже чуть-чуть устареет.
Автору показался более конструктивным другой путь
решения темы «человек и машина», «люди и роботы»: про-
следить за ходом человеческой мысли в поисках тех реше-
ний — научных и технических,— которые привели к созда-
нию роботов и гибких автоматизированных производств. Мы
уже об этом говорили во введении. Теперь же подчеркнем,
почему именно такой угол зрения на развитие науки кажет-
ся автору наиболее плодотворным. Во-первых, потому, что,
пройдя весь путь мысли от колеса и рычага до робота и со-
временных автоматизированных систем, читатель может
найти неиспользованные резервы и применить их в своей
работе. Он разглядит возможность применения идей, о ко-
торых прочел здесь, к новым областям, к решению насущ-
ных задач, возникающих перед ним и его товарищами. Став
на этот путь, читатель, несомненно, будет творцом новых
идей, неведомых конструкций, словом — пролагателем пути
в будущее.
Прослеживая историю научной мысли, новое поколение
обнаруживает неисчерпаемые резервы для своей творчес-
кой деятельности. И главное, пример, творческая судьба
предшественников — это неоценимая школа мысли, богатый
опыт, без которого еще не обходилось ни одно поколение.
В этой книге мы следовали за теми направлениями
научного и технического поиска, которые, однажды скре-
стившись, породили чудо сегодняшнего дня — роботы. Но
этим не заканчивается прогресс. Этим начинается новая
страница технической цивилизации, в которую человек всту-
пает, опираясь на небывалых помощников.
Нас ждут великие свершения, новые проблемы, новые
трудности. Внимательно вчитайтесь, вглядитесь, вдумай-
тесь в то, что сделано предшественниками,— хотя бы в то,
о чем повествует эта книга. Будем помнить мудрые слова,
сказанные одним из великих творцов науки — Исааком
Ньютоном. Он сказал: если я видел дальше других, то толь-
ко потому, что стоял на плечах гигантов.
Мудрые, поучительные слова, которые можно взять как
девиз в любой творческой деятельности. Они предопределя-
268
ют успех в будущем, советуя опереться на опыт прошлого.
Чтобы появилось что-то новое, нужное, полезно знать,
как создавались до нас те ценности, которые служат чело-
веку Надо понимать ход мыслей предшественников на пу-
ти прогресса, причины их успехов и неудач — это поможет
поиску правильного пути к истине.
Сегодняшний день — закат вчерашнего, заря завтраш-
него. Перед нами — необозримое будущее, оно наше. От нас
зависит сделать его прекрасным.
Дерзай, дорогой читатель, смелее смотри в будущее, но
не забывай сверять свой шаг с прошлым, учитывая его
ошибки и вдохновляясь его достижениями.
Мы уверенно идем в будущее, в эру ЭВМ и роботов, в
мирный мир.
В добрый путь, читатель, входи смело в новый мир, но
помни, что этот мир нужно защищать от тех, кто хочет при
помощи роботов и ЭВМ превратить Землю в ядерную пу-
стыню.
ОГЛАВЛЕНИЕ
От автора ....... ...... 3
ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ................................14
Да — нет, свой — чужой....................14
Небывалые модели..........................20
«Усилители» умственных способностей .... 37
Спортсмены и автоматы.....................46
Машинизированная цивилизация ..... 51
ГЛАВА 1. ИСТОКИ................................60
Предки....................................60
Безвестные и великие......................65
Скромное величие ........................ 72
«Бунт машин»..............................76
ГЛАВА 2. УКРОЩЕНИЕ МАШИН.......................83
С неба на землю...........................83
«Ошибка» Вышнеградского...................91
ГЛАВА 3. НАЗАД К ВОДЕ.........................100
На рубеже веков..........................100
Стодола..................................105
Турбины сопротивляются...................109
Под натиском математики..................112
ГЛАВА 4. НАКАНУНЕ.............................117
«Впереди — тупик»........................117
Снова с неба на Землю....................126
От частностей к общности.................131
Путь к автопилоту........................137
ГЛАВА 5. ВСЕ БЫСТРЕЕ..........................147
От счетов к ЭВМ..........................147
От МЭСМ к БЭСМ...........................154
Дважды два...............................162
Как обращаться с машиной? ...... 170
270
Образы......................................178
Ступени автоматизации.................. 189
ГЛАВА 6. ВЕЛИКИЙ ГУБЕРНАТОР......................198
Родословная.................................198
Кибернетика и цветочная пыльца ..... 205
«Грубые системы»............................214
Информация..................................220
Точка — тире . .............................223
Кибернетика диктует ....................... 226
ГЛАВА 7. СОЮЗ ДВУХ МИРОВ.........................231
Гефест и Вулкан.............................231
Чем проще, тем сложнее ....... 237
Чем сложнее, тем проще......................242
Приметы будущего............................247
Каков диагноз, коллега? ....... 250
По плечу ли автомату творчество? .... 256
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................... . 265
Ирина Львовна Радунская
ЛЮДИ И РОБОТЫ
Редактор И. М. Поспелова
Художественный редактор И. И, Рыбченко
Технические редакторы Г. О. Нефедова и Л. А. Фирсова
Корректор Т. Б. Лысенко
И Б № 3640
Сдано в набор 04.11.85. Поди, в печать 09.06.86. А00390. Формат
84Х108/з2. Бумага типогр. № 1. Гарнитура литературная. Печать высо-
кая. Усл. п. л. 14,28. Усл. кр.-отт. 14,60. Уч.-изд. л. 15,71. Тираж
50 000 экз. Заказ 440. Цена 80 к. Изд. инд. НА-207.
Ордена «Знак Почета» издательство «Советская Россия» Государствен-
ного комитета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной
торговли. 103012, Москва, проезд Сапунова, 13/15.
Книжная фабрика № 1 Росглавполиграфпрома Государственного коми-
тета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли,
144003, г. Электросталь Московской области, ул. им. Тевосяна, 25.