Техническая кибернетика. Вычислительная техника

Технич. кибернетика возникла на совр. этапе развития теории и практики автоматич. регулирования и управления, она является научной базой комплексной автоматизации произ-ва, транспортных, энергетич. и др. сложных систем управления.

Основы классич. теории автоматич. управления были заложены в кон. 19 в. в трудах рус. учёных И. А. Вышнеград-ского, А. М. Ляпунова и Н. Е. Жуковского. В результате победы Окт. революции в 1917 и индустриализации страны сложились объективные условия для эффективного развития пром. произ-ва и его автоматизации. В 30-х гг. в крупнейших вузах СССР были введены новые специальности - автоматика и телемеханика, а в 1939 в Москве организован ведущий науч. центр - Ин-т автоматики и телемеханики (технич. кибернетики) АН СССР.

Исследования в области анализа и синтеза систем автоматич. регулирования (САР), и прежде всего линейных САР, выполненные сов. учёными в 30-40-х гг., явились важным подготовит, этапом формирования технич. кибернетики в её совр. понимании. Были разработаны и исследованы критерии устойчивости линейных САР (А. В. Михайлов, 1938), развиты осн. разделы теории устойчивости линейных САР (М. В. Мееров, Ю. И. Ней-марк, Л. С. Понтрягин, Я. 3. Цыпкин, А. Е. Барбашин и др.). Разработан метод автономности для исследования многосвязных линейных САР (Н. Н. Вознесенский, 1938). Создана теория инвариантных САР (Г. В. Щипанов, 1939; Н. Н. Лузин, 1940; В. С. Кулебакин, 1948; Б. Н. Петров, А. Г. Ивахненко, А. Ю. Ишлинский и др.).

Первостепенное значение имели работы сов. учёных в области теории нелинейных САР. Разработан метод фазового лространства для анализа систем с кусочно-линейными характеристиками и на его основе - метод точечных преобразований (А. А. Андронов, А. А. Витт и С. Э. Хайкин, 1937, А. Г. Майер). Развитию совр. теории устойчивости нелинейных САР способствовали работы Б. В. Булгакова, Н. Н. Красовского, А. И. Лурье, А. А. Воронова, И. Г. Малкина. В 60-х гг. была развита новая концепция устойчивости, позволившая подойти к анализу широкого класса задач автоматич. управления с единых позиций (Барбашин).

В 30- нач. 40-х гг. в СССР создана теория метода гармонич. баланса (Н. М. Крылов и Н. Н. Боголюбов, 1934, 1937) и на её основе разработан приближённый метод анализа периодич. режимов в нелинейных САР (Л. Е. Гольдфарб, 1940; В. А. Котельников, 1941; Е. П. Попов, 1953-60). Выполнены уникальные работы по статистич. методам анализа нелинейных систем (Андронов, Витт и Л. С. Понтрягин, 1933; В. С. Пугачёв, 1944). Разработана общая теория периодич. режимов в релейных САР (Неймарк, 1953). В кон. 40-х гг. в СССР были реализованы системы с переменной структурой, а в 50-60-х гг. разработана общая теория таких систем (В. А. Масленников, С. В. Емельянов, Б. Н. Петров, В. И. Уткин и др.).

Фундаментальные результаты получены при разработке теории систем оптимального управления (СОУ). В области теории детерминированных СОУ предложен общий метод определения критерия оптимальности - принцип максимума Понтрягина (1956). Разработаны: теория оптимального управления объектами с распределёнными параметрами (А. Г. Бутковский, 1959-73); теория стабилизации управляемых систем на основе синтеза методов теории устойчивости и теории оптимальных процессов (Красовский). Работа А. Н. Колмогорова по теории фильтрации (1941) явилась исходной в развитии статистич. методов анализа СОУ, а исследование Котельникова (1956)- первой работой по применению этих методов для анализа нелинейных СОУ; разработана общая теория оптимизации систем управления на базе статистич. методов (Пугачёв и др.). Построена теория дуального управления (А. А. Фельдбаум, 1963). Начало теоретич. исследования и практич. реализации адаптивных (самоприспосабливающихся) систем связано с изучением экстремальных САР (Ю. С. Хлебцевич, 1940; В. В. Казакевич, 1946, 1949); в СССР впервые была сформулирована задача построения многоканальных экстремальных систем, а также рассмотрены методы поиска экстремума (Фельдбаум, 1956-59). Ряд важных теоретических исследований и практич. разработок выполнен по беспоисковым самонастраивающимся системам (А. А. Красовский, В. В. Солодовников, Фельдбаум и др.), адаптивным и обучающимся системам (Я. 3. Цыпкин). Сов. учёным принадлежит приоритет в практич. применении методов распознавания образов для незрительных задач: в 1964 разработана программа «Кора-3» для распознавания нефтеносных пластов (М. М. Бонгард, М. Н. Вайнцвайг, М. А. Губерман, М. Л. Извекова, М. С. Смирнов).

Существенные успехи достигнуты при разработке ряда разделов теории релейных устройств и автоматов. Выполнены первые работы по методам анализа структуры релейных устройств (А. К. Кутти, 1928; М. Цимбалистый, 1928; В. А. Розенберг, 1939), применению аппарата алгебры логики (В. И. Шестаков, 1935- 1941) и систематич. изложению основ теории релейных устройств (М. А. Гаврилов, 1950-54). Сов. учёным принадлежат первые работы, в к-рых с целью повышения надёжности релейных устройств и автоматов вводится избыточность, основанная на эффективных методах кодирования (Гаврилов, 1960; А. Д. Закревский, 1961). Важный аспект теории автоматов - разработка формализованных языков для описания функционирования и синтеза релейных устройств и конечных автоматов (А. А. Ляпунов, 1952-58, Ю. А. Базилевский, Гаврилов, В. М. Глушков, Закревский, А. А. Летичевский, Ю. Л. Сагалович, В. А. Трахтенброт и др.). Сов. учёным принадлежит приоритет в разработке потенциально-импульсных автоматов (А. Д. Таланцев, 1959; В. Г. Лазарев и Е. И. Пийль, 1964). В 60-х гг. была создана теория пульсирующих и растущих автоматов (Я. М. Бардзинь и др.). Построены теории поведения автоматов в случайных средах (М. Л. Цетлин, 1961-63). Всё большее значение приобретают исследования по играм автоматов, их коллективному поведению, вероятностным автоматам (Р. Г. Бухараев, В. И. Варшавский, И. М. Гельфанд, Лазарев и др.).

Важным и быстро развивающимся направлением технич. кибернетики является управление сложными технич. системами. Определению критерия, по к-рому можно судить о сложности той или иной системы, анализу и синтезу сложных систем посвящены работы А. И. Берга, Н. П. Бусленко, Колмогорова, Г. Н. Поварова, Г. С. Поспелова, В. А. Трапезникова, Ю. И. Черняка и др. Создана модельная теория ситуационного управления (Д. А. Поспелов, В. Н. Пушкин).

Существ, вклад был внесён в теорию передачи информации. Первые исследования в этой области были проведены Котельниковым в 1933. Матем. основы теории заложены в трудах Колмогорова и А. Я. Хинчина. С сер. 50-х гг. в СССР начался период быстрого развития теории передачи информации. Большая роль в этом принадлежит А. А. Харкевичу, с деятельностью к-рого связано основание в 1961 ведущего центра в этой области знаний - Института проблем передачи информации АН СССР (Москва). С 1966 Институт возглавляет В. И. Сифоров. Значительные успехи были достигнуты в исследованиях по теории информации (Сифоров, Р. Л. Добрушин, И. А. Овсеевич, М. С. Пинскер, Б. С. Цыбаков), теории кодирования (Э. Л. Блох, К. Ш. Зигангиров, В. В. Зяблов и др.), теории обработки изображений (Д. С. Лебедев, Л. П. Ярославский), теории распознавания образов (И. Ш. Пинскер, И. Т. Турбович, В. С. Фаин, Г. И. Цемель), биологической кибернетике (А. Л. Вызов, В. С. Гурфинкель, Е. А. Либерман, М. Л. Шик, А. Л. Ярбус). Быстрыми темпами ведутся исследования по передаче информации в сетях связи; создаётся Единая автоматизированная сеть связи СССР - ЕАСС (впервые эта задача была поставлена Харкевичем в 1956). В Ин-те проблем передачи информации в 60-х гг. созданы основы теории распределения информации (Лазарев, В. И. Нейман, В. Н. Рогинский, А. Д. Харкевич и др.).

В организации исследований в области кибернетики и её практич. применении, а также в разработке методологич. основ кибернетики вообще и технич. кибернетики, в частности, особенно большие заслуги принадлежат Бергу.

Область прикладных исследований технич. кибернетики охватывает широкий круг вопросов, связанных с общими принципами разработки автоматов и систем управления, а также методов синтеза цифровых вычислит, устройств для программного управления (Воронов, Глушков, Н. Н. Моисеев). Большое внимание уделяется ЭВМ и их математическому обеспечению. Это обусловлено, во-первых, тем, что на основе ЭВМ создаются наиболее сложные системы управления, во-вторых, тем, что реализация таких систем по масштабам ведущихся работ (1976) намного опережает реализацию всех др. систем управления.

Сов. учёные внесли значит, вклад в развитие вычислит, техники, причём первые крупные достижения в данной области связаны с созданием аналоговых устройств. В СССР были разработаны основы построения сеточных моделей (С. А. Гершгорин, 1927) и предложена идея электродинамич. аналога (Н. Минорский, 1936). В 40-х гг. была начата разработка электронных ПУАЗО на переменном токе и первых ламповых интеграторов (Л. И. Гутенмахер). В 1949 был построен ряд аналоговых вычислит, машин на постоянном токе (под рук. В. Б. Ушакова, Трапезникова, Котельникова и С. А. Лебедева).

Среди средств совр. вычислит, техники доминирующее положение занимают универсальные электронные ЦВМ. Первая в СССР электронная ЦВМ (МЭСМ) была построена в 1950. В 1952 была разработана ЭВМ БЭСМ - самая быстродействующая (по тому времени) в Европе (8 тыс. операций в сек). Проекты МЭСМ и БЭСМ были разработаны под рук. Лебедева. В 1952 была построена ЦВМ «М-2» (под рук. И. С. Брука). Серийное произ-во электронных ЦВМ 1-го поколения в СССР было начато в 1953 (ЦВМ •«Стрела», разработанная по проекту Ю. Я. Базилевского). В 1959 в МГУ была создана ЦВМ «Сетунь» - первая в мире ЦВМ, работающая в троичной системе счисления. В 1-й пол. 60-х гг. в СССР началось произ-во ЭВМ 2-го поколения. К числу наиболее крупных разработок 60-х гг. принадлежат: вычислит, система БЭСМ-6 (созданная под рук. Лебедева), малые ЦВМ серии МИР (созданные под рук. Глушкова), малые ЦВМ серии «Наири» (гл. конструктор Г. Е. Овсепян), серия ЦВМ «Минск» (созданная под рук. Г. П. Лопато и В. В. Пржиялковского), семейство ЦВМ «Урал» с единой архитектурой (гл. конструктор Б. И. Рамеев), управляющая мини-ЭВМ УМ-1-НХ (гл. конструктор Ф. Г. Старое) и др. Машина БЭСМ-6 (1966) по номинальному быстродействию (1 млн. операций в сек) значительно превосходила наиболее мощные отечеств. ЦВМ 1-го поколения. Быстродействие БЭСМ-6 было достигнуто преим. благодаря мультипрограммному режиму работы. В машине используется совмещение во времени работы внеш. накопителей и процессора, перекрытие циклов работы модулей оперативной памяти и опережающая подготовка арифметич. команд в устройстве управления. Малые ЦВМ серии МИР (МИР-1, 1966; МИР-2, 1969) были разработаны для выполнения инж. расчётов. Входной алгоритмич. язык машин максимально приближен к языку инж. расчётов. В серии МИР впервые применено ступенчатое микропрограммирование, позволяющее использовать небольшой объём памяти для записи сложных программ и повысить производительность ЦВМ. Важная особенность МИР-2 - наличие индикаторного устройства со световым пером, к-рое впервые было использовано для визуального контроля вычислит, процесса.

В развитии программирования существенную роль сыграл операторный метод (А. А. Ляпунов, 1952-58), применение к-рого позволило расчленить и формализовать процесс составления программы.

Операторный метод стал основой разработки формальных методов изучения программы и проблемно-ориентированных алгоритмич. языков. Выполнен ряд крупных работ по вычислит, математике (А. А. Дородницын, Бусленко, С. С. Лавров, Г. И. Марчук и др.)и математик, обеспечению ЦВМ (Глушков, А. П. Ершов, М. Р. Шура-Бура и др.).

В нач. 60-х гг. сов. учёными был предложен ряд концепций, реализация к-рых началась в 70-х гг. Таковы, напр., концепции создания гос. сети вычислит, центров и иерархич. сети автоматизиров. систем управления нар. х-вом СССР (Глушков); концепция семейства ЭВМ, совместимых по матем. обеспечению и внеш. устройствам (Рамеев); концепция вычислит, среды, т. е. набора однородных и универсальных цифровых автоматов с программной настройкой (Э. В. Евреинов и Ю. Г. Косарев). В 60-х гг. И. Я. Акушским и Д. И. Юдицким были получены важные результаты в области организации ЭВМ, использующих систему счисления в остаточных классах. 70-е гг.- период наиболее значит, разработок в области вычислит, техники. В 1972 начат выпуск ЦВМ Единой системы электронных вычислит, машин (ЕС ЭВМ), в разработке к-рой участвовало большинство стран СЭВ. ЕС ЭВМ представляет собой серию универсальных ЦВМ 3-го поколения (на интегральных схемах) с широким диапазоном производительности (от 10 тыс. до 2 млн. операций /сек). Косвенным показателем значения вычислит, техники для нар. х-ва СССР может служить доля средств вычислит, техники в общем объёме произ-ва приборов и средств автоматизации: если в 1960 она составляла всего 8%, то в 1975 - 69%.

Характерная особенность развития технич. кибернетики в СССР в кон. 60-х - нач. 70-х гг.- широкое использование вычислит, техники в системах класса «человек - машина», в т. ч. в автоматизиров. системах управления (АСУ). В рамках технич. кибернетики проводятся исследования и решаются задачи, относящиеся гл. обр. к инж. уровням управления произ-вом (управлению агрегатом, технологич. процессом, цеховой системой). Ведущими (по кол-ву реализованных систем и используемых в них ЭВМ) являются АСУ, создаваемые в различных отраслях экономики, и АСУ технологич. процессами (АСУТП). Первые такие системы начали создаваться в СССР в кон. 50-х - нач. 60-х гг. В 1962 была создана одна из первых в мире систем с непосредств. цифровым управлением технологич. процессами (АСУТП «Автооператор» на Лисичанском хим. комбинате). Ряд наиболее удачно разработанных и внедрённых в 60-х гг. АСУ (напр., АСУ Ленингр. оптико-механич. объединения, Моск. з-да «Фрезер», Львовского телевизионного з-да, Барнаульского радиозавода) принесли значит, экономич. эффект. Всего за 1966-70 в СССР было введено в действие 370 автоматизиров. систем управления предприятием (АСУП) и 174 АСУТП. В начале 70-х гг. проектированием, разработкой и созданием АСУ было занято ок. 40 тыс. специалистов. Всего в 1971-75 было введено в действие (полностью или частично) ок. 1800 АСУП и ок. 700 АСУТП на базе ЭВМ. С нач. 70-х гг. осуществляется план мероприятий по созданию Общегос. автоматизиров. системы сбора и обработки информации для учёта, планирования и управления нар. х-вом (ОГАС). Осн. функцией ОГАС должно стать обеспечение общегос., республиканских и территориальных органов управления, министерств и ведомств информацией, необходимой для решения задач учёта, планирования и принятия решений. Разработка ОГАС ведётся в тесной связи с развитием АСУ всех уровней и создаваемой ЕАСС. В состав технич. базы ОГАС должны войти Гос. сеть вычислит, центров и являющаяся частью ЕАСС Общегос. система передачи данных. Актуальность и возможности реализации проекта ОГАС определяются объективными потребностями экономики Сов. roc-ва, плановым характером развития сов. общества и общим уровнем технич. кибернетики в СССР.

Планами развития нар. х-ва СССР предусмотрено дальнейшее расширение работ по созданию приборов и средств автоматизации для применения в различных отраслях пром-сти, на транспорте, в энергетике, коммунальном х-ве и т. д.; увеличение выпуска средств вычислительной техники, универсальных и управляющих вычислительных комплексов, технологич. оборудования с программным управлением, автоматич. устройств регистрации и передачи данных для АСУТП и систем оптимального управления в отраслях нар. х-ва.

В 70-х гг. технич. кибернетика и вычислит, техника как науч. дисциплины входят в учебные программы более чем 200 вузов, а значительные по масштабам исследования в данной области проводятся в неск. десятках НИИ и вузов, в крупнейших вычислит, центрах страны [Ин-те проблем управления, Вычислит, центре АН СССР (оба в Москве), Ин-те кибернетики (Киев), Вычислит, центре Сиб. отделения АН СССР (Новосибирск), Ин-те автоматики и процессов управления Дальневосточного науч. центра АН СССР (Владивосток) и др.].

Периодич. издания: «Известия АН СССР. Техническая кибернетика» (с 1963), «Автоматика и телемеханика» (с 1936), «Проблемы передачи информации» (с 1965), «Кибернетика» (с 1965), «Управляющие машины и системы» (с 1972), «Автоматика и вычислительная техника» (Рига, с 1967) и др.

См. также Автоматизация производства, Автоматическое управление, Вычислительная техника, Кибернетика техническая, Оптимальное управление, Программное управление, Регулирование автоматическое, Сложная система, Управления автоматизированная система, Управление в технике, Управляющая машина, Цифровая вычислительная машина. И. А. Апокин.