Тексты   На главную
Данная статья была опубликована в журнал "Наука и жизнь" №1 за 1965 год. В ней описывается базовая элементная база, позволяющая построить полноценный компьютер без малейшего применения электроники. Мечта Стимпанка! Скорость переключения элементов - несколько тысяч в секунду, что близко к показателям первых ламповых ЭВМ. Размеры - на уровне транзисторных компьютеров второго поколения. Технология уже тогда позволяла штамповать аналоги микросхем, то есть набор необходимых логических элементов на одной пластине. При этом компьютер мог бы работать в широчайшем диапазоне температур, при полной независимости от электромагнитных помех и радиационного фона...
В общем, очень интересное направление, которое до начала 70-х активно развивалось как в СССР, так и в США, но потом было почти забыто. Во всяком случае поиск по интернету дал лишь обрывочные сведения, а Яндекс упорно пытался убедить меня, что я ошибся и ищу слово "пневмония", а не "пневмоника".
Важным разделом технической кибернетики является вопрос о технических средствах для реализации найденных наилучших идей, направлений. Я уже отмечал тенденцию роста количества элементов в системах управления. Видимо, сложные системы управления в дальнейшем будут иметь структуру, напоминающую нервные сети. Необходимо своевременно подготовить пути реализации подобных сетей. Как известно, одним из таких путей являются молекулярные схемы, создаваемые на базе полупроводников, технология которых достаточно известна и о ней можно сейчас не говорить. Весьма вероятно, что появятся новые решения на основе химических элементов. Я хочу остановиться на одном из путей создания сложных схем управления, который может показаться неожиданным — пути использования пневматики. В этой, казалось бы, «старой», области техники Институтом автоматики и телемеханики получены новые, перспективные решения. Оказалось возможным создать вычислительные и логические элементы, позволяющие строить на их основе разнообразные схемы автоматического управления, в том числе выполняющие сложные решения, включающие сложные логические операции и сложные программные устройства. Созданная институтом унифицированная система пневмоавтоматики освоена нашей промышленностью, она запатентована во многих странах, а лицензия на производство аппаратуры уже продана одной из иностранных фирм.
За последние годы в Институте автоматики и телемеханики на основе широких исследований создан новый принцип построения систем управления на пневмогидравлических элементах. Эти устройства не имеют подвижных частей, и все операции выполняются на основе взаимодействия потоков рабочей жидкости. Новая отрасль техники автоматического управления названа струйной техникой или применительно к пневматическим системам — «пневмоникой»...
Эта новая техника построения приборов автоматического управления запатентована в ряде стран. С запозданием на 7 месяцев по сравнению с советскими авторскими свидетельствами материалы о работах по струйной технике опубликованы и в Соединенных Штатах Америки, и теперь они ведутся десятками фирм. Создание струйной техники контроля и управления расценивается американскими специалистами как переворот в технике контроля и управления, сравнимый по своему значению с созданием электроники. Эту точку зрения разделяем и мы.
Академик В. ТРАПЕЗНИКОВ
(Из доклада на заседании Президиума Академии наук СССР 28 мая 1963 года)
ГЛАВА ПЕРВАЯ,
в которой разъясняется смысл загадочных чисел 124719 и 124720, в которой читатель предостерегается от кое-какой ошибки и в которой он узнает о некоторых парадоксах и белых пятнах автоматики.
13 апреля 1959 года в Государственном реестре изобретений СССР появились номера 124719 и 124720. Так было официально зарегистрировано рождение нового замечательного направления автоматики. Впоследствии его окрестили пневмоникой. Первая часть этого звучного имени говорит, что в новых приборах работает воздух. Этим пневмоника похожа на пневматику. Однако все сходство на этом, пожалуй, и кончается. Дело в том, что принципы построения приборов пневматики и пневмоники различны. Там — поршни, заслонки и прочие механические подвижные части, приводимые в движение давлением воздуха. Здесь – борьба и взаимодействие струй, потоки воздуха, текущие по каналам, словно электрический ток по проводам. Может быть, это и было причиной того, что в названии нового направления вторая часть созвучна с окончанием слова «электроника».
Когда мы говорим об автоматике, читаем о проблемах автоматизации производства, узнаем о пуске новой автоматической линии, перед глазами невольно встают шкафы, набитые электронными лампами, перемигивающиеся огоньки счетных устройств, экраны осциллографов – одним словом, мы вспоминаем об электронной автоматике, исподволь отождествляя ее с автоматикой вообще.
Такое отождествление – ошибка, причина которой, вероятно, кроется в гипнотизирующем действии блестящих успехов электроники, достигнутых ею за последнее время. А вот статистика показывает, что 78 процентов всех работающих в промышленности регуляторов приводятся в движение не электрическим током, а воздухом.
Спору нет, электроника могуча, ей по плечу многое. Но ведь перед тем, как построить автомат и дать ему путевку в жизнь, нужно подумать и о том, сколько он будет стоить (электроника не так уж дешева), не закапризничает ли он в сложных условиях (для электроники, например, губительна радиация), не придется ли его часто ремонтировать (с электроникой это случается).
Потому-то конструкторы и обращаются зачастую к пневматике, может быть, более скромной по способностям, но гораздо более дешевой, неприхотливой и надежной.
Между тем бурный рост науки и техники постепенно подвел автоматику к такому рубежу, переступить через который пневматика уже не в силах. Механические подвижные части — основа пневматических приборов — слишком инертны и неповоротливы, они не позволяют быстро обрабатывать поступающую информацию. А если к тому же объем информации увеличивается, необходимые для ее обработки пневматические устройства становятся громоздкими, сложными, теряют свою привлекательную когда-то дешевизну и надежность.
Так на карте завоеваний современной автоматики вырисовалась недоступная область, своеобразное белое пятно, стереть которое надо было как можно скорее.
Время шло, и белое пятно постепенно уменьшалось. Совершенствовалась пневматика. Совсем недавно, в 1964 году, Ленинской премией была отмечена работа группы сотрудников Института автоматики и телемеханики, которая под руководством доктора технических наук профессора М. А. Айзермана создала универсальную систему элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). Однако механические подвижные части по-прежнему оставались и здесь. Ученые понимали, что завоевать недоступную область позволит лишь решительное наступление, открытие принципиально нового направления автоматики.
И вот в стенах того же института, буквально в том же отделе, рождается идея: строить приборы управления на потоках воздуха, без использования каких-либо механических частей. Смелая мысль оказалась решающей для построения целого комплекса приборов автоматики. Им-то и предстояло стереть белое пятно.
ГЛАВА ВТОРАЯ,
Ветер, ветер, ты могуч
А. С. Пушкин,
Нельзя написать ни слова, не зная азбуки. Точно так же нельзя говорить о создании какого бы то ни было управляющего устройства, покуда не ясно, как выполнить некоторые простейшие, «азбучные» операции автоматического управления, регулирования. О них наверняка слышал даже тот, кто отнюдь не считает автоматику своей специальностью (усиление сигналов, их запоминание, выполнение ряда основных логических операций и т. д.). И коль скоро исследователи решили создать новое направление автоматического регулирования, первая проблема, которая встала перед ними,— комплектование такой азбуки, построение приборов, выполняющих простейшие операции.
Какова же она, «азбука» пневмоники, «азбука» струйной автоматики?
Начнем с самого простого прибора — с усилителя. Его назначение — усиливать слабые сигналы. В радиотехнике, например, это делает электронная лампа. В пневмонике эта обязанность возложена на воздушные струи (рис. 1). Усилитель на воздушных струях ни в чем не уступает своим электронным коллегам. Свидетельство тому — его характеристика (рис. 2). Как и з радиотехнике, такие усилители можно соединять в многоступенчатые каскады (рис. 3) — характеристика круче пойдет вверх, коэффициент усиления резко возрастет. Итак, сигналы можно передавать и усиливать с помощью воздушных струй. Но в технике сплошь да рядом встречаются случаи, когда сигнал нужно использовать не тотчас же после получения, а спустя некоторое время. Сигнал необходимо запомнить. На помощь приходит несложное устройство, которое, образно выражаясь, вяжет на струе узелки на память (рис. 4). Управляющий сигнал заставляет основную струю отклониться, при этом часть отклоненной струи отводится по петельке — каналу обратной связи — и поддерживает струю в нужном положении, несмотря на то, что управляющий сигнал уже погас.
«Развязать» такой узелок не составляет труда. Достаточно дунуть на струю с противоположной стороны, по другой управляющей трубке. Не беда, что струя запоминает лишь два события: «есть узелок» — «нет узелка». Ведь память даже самых современных электронных машин основана на таком же принципе: она работает по двоичной системе «0–1», «да – нет».
Однако, чтобы управлять, одной памяти мало. Нужна способность к рассуждениям, к выполнению логических операций. С этим мы встречаемся на каждом шагу и в технике и в повседневной жизни. За примерами не придется далеко ходить. Обратимся к литературе. Протяните руку к книжной полке, возьмите любой том. Например, им оказалась «Поднятая целина». Раскройте наугад страницу...
«Бабка-повитуха,—рассказывает дед Щукарь, излагая историю своей «скособоченной» жизни,— моей покойной мамаше доразу сказала: «Твой сын, как в лета войдет, генералом будет. Всеми статьями шибается на генерала: и лобик у него, мол, узенький, и головка тыквой, и пузцо сытенькое, и голосок басовитый».
Вывод бабки - повитухи («генералом будет») следует на основании одновременного выполнения нескольких предпосылок (И лобик узенький, И головка тыквой, И пузцо сытенькое, И голосок басовитый).
Перед нами типичный пример логической операции «И», или, как ее называют ученые-логики, операции конъюнкции.
Выполнить такую операцию на струях сравнительно несложно (рис. 5). Струя в выходном канале появляется лишь при одновременной подаче нескольких управляющих сигналов, рождаясь в результате их слияния.
Рис. 5. Схема логического элемента «И», выполняющего операцию конъюнкции. При отсутствии обоих входных сигналов давление в приемном сопле 3 отсутствует. При подаче только одного из- входных сигналов струя течет мимо сопла 3 и давление на выходе остается нулевым. Лишь при одновременной подаче входных сигналов образуется суммарная струя, которая и попадает в сопло 3.
Другая основная логическая операция — «ИЛИ», она имеет научное название «дизъюнкция». Обратимся за наглядным примером снова к литературе. Мастер Безенчук, персонаж романа Ильфа и Петрова «Двенадцать стульев», проводя классификацию своих клиентов, говорит: «...Но самые могучие когда помирают, железнодорожные кондуктора или из начальства кто, то считается, что дуба дают. Так про них и говорят: «А наш-то, слышали, дуба дал».
Итак, характеристика «дуба дал» может быть употреблена при выполнении хотя бы одной предпосылки (ИЛИ железнодорожные кондуктора, ИЛИ из начальства кто).
Выполнить подобную логическую операцию нетрудно с помощью струй. Стоит лишь немного переделать предыдущий прибор — и элемент «ИЛИ» готов (рис. 6).
Рис. 6. Схема логического элемента «ИЛИ», выполняющего операцию дизъюнкции, отличается от предыдущей схемы наличием сопел 4 и 5. Это позволяет получить давление на выходе при подаче хотя бы одного из входных сигналов,
Конъюнкция и дизъюнкция — лишь два представителя из большой семьи логических операций, реализуемых на воздушных струях.
Но «азбука» еще не закончена. Не хватает реле — устройства, скачком переходящего из одного состояния в другое, как только управляющий сигнал перешагнет некоторую грань.
Чтобы понять, как работает струйное реле, обратимся к опыту. Заставим воздушную струю обтекать твердую стенку. В потоке воздуха давление меньше, чем в окружающей среде, и поэтому струя прижимается к стенке, распластывается по ней. Стоит, однако, создать у поверхности стенки зону достаточно высокого давления, как струя резко, словно испугавшись его, отрывается от стенки. Отпугивающим фактором может стать управляющий сигнал.
Струйное реле (рис. 7) основано уже не на взаимодействии струй, а на совершенно новом, аэродинамическом эффекте, возникающем при обтекании струей твердой стенки. Используя его, можно построить многие из уже рассмотренных нами «азбучных» приборов пневмоники.
Рис. 7. Схема струйного релейного элемента. Основная струя, выходящая из сопла 1, при отсутствии управляющего давления течет вдоль стенки 4. Давление в сопле 3 равно нулю (а). Если по соплу 2 подается достаточно сильный управляющий сигнал, то основная струя отрывается от стенки 4 и попадает в сопло 3 (б). Реле срабатывает.
От струйного реле недалеко и до аэродинамического генератора колебаний (рис. 8). Периодические «выдохи» резервуара, то и дело переполняемого основной струей, сбивают ее с пути, проложенного вдоль стенки, и вызывают ее колебания. Тысячами герц измеряется частотный диапазон таких генераторов — цифра, немыслимая для пневматики.
Рис. 8. Схема аэродинамического генератора колебаний. Основная струя, подаваемая по соплу 1, протекает вдоль стенки 2 и заполняет резервуар 3 (а). Давление в резервуаре повышается, и воздух теперь начинает уже вытекать из него обратно, заставляя основную струю оторваться от стенки 2 (б). Как только давление в резервуаре упадет, струя возвратится в «пристеночное» положение (а). Начинается новый цикл. Частота колебаний аэродинамического генератора зависит от объема резервуара 3 и количества воздуха. вытекающего из сопла 1 за единицу времени.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ,
Эта фотография может занять достойное место среди загадок под рубрикой «Что здесь изображено?», Рисунок вполне можно принять и за узор для выпиливания, и за отпечатки листьев диковинных растений, и за негатив фотографии абстрактной картины...
Но это ни то, ни другое; ни третье. Объектив запечатлел плату цифрового струйного устройства. Приглядевшись, можно здесь различить и воздушные камеры, и соединительные каналы, и сложные профили, обтекаемые струями воздуха.
Что лее касается невольных сравнений с отпечатками листьев, узорами для выпиливания и фотонегативаг ми, то они не так уж неуместны. Дело в том, что, такая плата может быть изготовлена и путем прорезания пластин, и способом фотохимического травления с заранее изготовленных негативов, и методом штамповки. Последний способ весьма прост и удобен. Судите сами: десятки тысяч отпечатков можно сделать одной матрицей без особого ущерба для последней. Полученный отпечаток перекрывается крышкой — и прибор готов! Остается вдохнуть в него жизнь, подав, на вход давление питания. _
До этого додумывались, вероятно, лишь писатели- фантасты — приборы печатаются, как книги.
Особая привлекательность таких методов состоит не столько в простоте, сколько в их необычайной дешевизне. Ведь, как правило, имен- но она определяет, получит ли новое изобретение всеобщее признание и широкое распространение или же останется экспонатом в музее истории науки.
И электричество и водопровод давно стали неотъемлемой частью нашего быта. Но представьте себе на минуту, что стоимость такого обыденного устройства, как выключатель, выражалась бы цифрой с «...надцатью» нулями, а детали для водопроводного крана делались бы на тридцати специализированных заводах. Не исключена была бы такая мрачная картина: мы до сих пор таскали бы воду ведрами и коротали бы вечера при свете коптилки.
Для современной техники автоматика уже стала предметом первой необходимости. Поэтому столь остро и встает вопрос о простоте и дешевизне приборов контроля и управления.
У пневмоники в этом отношении на руках все козыри. По предварительным, подсчетам, при массовом выпуске приборов струйной автоматики стоимость их изготовления будет в десятки раз меньше по сравнению со всеми другими средствами контроля и управления. Даже метод печатных схем, применяемый сейчас в радиотехнике, не может составить серьезной конкуренции способам изготовления струйных приборов. Ведь там печатаются лишь; соединительные каналы, а транзисторы, катушки, конденсаторы приходится встраивать отдельно.
Не только изготовление, но и эксплуатация струйных приборов отличается простотой и малой стоимостью. Они не менее экономичны, чем полупроводниковые: мощность, потребляемая струйными приборами, составляет сотые доли ватта. Например, в лаборатории автоматов на струйной технике Института автоматики и телемеханики часть приборов работает от обычного пылесоса.
Так как воздух может подаваться в приборы пневмоники с помощью обычных вентиляторов, то он не требует даже предварительной очистки. Мощные компрессоры, столь обычные в пневматике, становятся в пневмонике излишними. Струйные автоматы не нуждаются в частых наладках и перенастройках и потому весьма просты в обслуживании, а что касается ремонтов...
...В одной из древнеиндийских легенд для изображения огромного отрезка времени, который хоть как- то можно сравнить с вечностью, создан такой образ. На берегу Ганга стоит алмазная гора в форме куба. Время от времени к ней подлетает ворон и чистит о ее грань клюв. Время, за которое куб будет стерт до основания, кажется действительно умопомрачительным сроком. Но ведь поток воздуха, путешествующий по каналам струйного прибора, разрушает его не более, чем клюв ворона алмазный куб! Не удивительно, что релейные элементы, даже после астрономического числа переключений, не отличаются от своих новорожденных братьев.
И, наконец, еще один плюс в актив пневмоники. Приборы на струях могут работать в самых разнообразных условиях: при перегрузках и вибрациях, в условиях повышенной радиации, в широком диапазоне температур. Ни один из этих злейших врагов электроники не страшен воздуху – рабочему веществу струйных приборов. Что же касается корпуса прибора, его можно сделать из чего угодно. Жарко – в дело идет керамика, холодно – годится стекло. Меняется лишь материал, но никаких усложнений не вносится в конструкцию приборов.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ,
Ой, ты, песня-песенка девичья,
Ты лети, как ясный солнца свет,
И бойцу на дальнем пограничье
От Катюши передай привет.
М. Исаковский
Как-то в компании молодых физиков зашел шутливый спор о том, кто из современных поэтов лучше всего знает физику? После долгих дебатов пальма первенства была присуждена Михаилу Исаковскому за его популярную песню «Катюша». Героиня этого произведения, желая, чтобы ее песенка-привет поскорее долетела до милого друга, выбирает в качестве оптимальной скорости скорость света. Девушка права. Скорость света максимальная из всех возможных в природе. Как тут не позавидовать радиотехникам! Ведь в их приборах сигналы распространяются со скоростью света. В струйной технике естественным пределом, ограничивающим быстродействие приборов, является скорость звука. Ведь с большей скоростью сигналы в газе распространяться не могут. Конечно, для разных газов эта скорость различна. Поэтому, например, приборы, работающие на гелии, обладают большим быстродействием, чем воздушные. Но это не меняет сути дела.
Насколько естественна победа пневмоники в соревновании по простоте и надежности, настолько неизбежно ее поражение в состязании по быстродействию. Конечно, не надо думать, что отношения между этими техническими средствами автоматики складываются по принципу «кто кого выживет». В каждом конкретном случае конструкторы решат, кому отдать предпочтение. Вероятно, будут создаваться и комбинированные пневмоэлектронные приборы.
Пневмоника сегодня – это уже не чертежи, не модели, не опытные образцы. Со всех концов света приходят вести о новых и новых ее применениях [Л. А. 3алманзон. Пневмоника. Струйная пневмоавтоматика. Изд-во «Наука». М. 1964.]
Искусственное сердце на струйных автоматах! Уже в течение пяти месяцев без малейшего сбоя работает оно назло инфарктам и гипертонии.
Аэродинамический генератор колебаний в роли кочегара! Создавая колебания нужной частоты в потоке газа, поступающего в горелку, прибор «подкидывает» топливо отдельными – порциями и обеспечивает его более полное сгорание.
Воздушные приборы в воздухе! Пневматические приборы на самолете доказали и здесь свое преимущество перед электроникой. Это понятно: большинство данных, обрабатываемых приборами управления, являются пневматическими,— давление окружающего самолет воздуха, скоростной напор... Такую информации можно сразу вводить в струйные приборы.
Перечислить все области где может успешно работать пневмоника,— труд нелегкий. Ядерные реакторы и нефтепроводы, ракеты и гидроэлектростанции, конвейеры и измерительные устройства... Да мало ли где пригодятся дешевые и неприхотливые, малогабаритные и неутомимые приборы!
Пневмоника родилась и развивается у нас на глазах. Совсем недавно первооткрыватели нового направления — коллектив лаборатории Института автоматики и телемеханики, возглавляемый доктором технических наук Л. А. Залманзоном,— создал опытные образцы струйных приборов. Первые патенты на них были выданы сначала в Советском Союзе, а спустя несколько месяцев были запатентованы аналогичные работы американских ученых и в США. Прошло всего пять лет, и за это короткое время – мгновение в историческом смысле – пневмоника получила широкое признание, добилась блестящих успехов.
ГЛАВА ПЯТАЯ,
из которой читатель узнает, что триггер — зто не игрушка, в которой пневмоника знакомится с таинственной СМСТ и в которой содержится кое-что из дальнейших глав, которые допишут историки техники.
Нельзя не впасть к концу, как в ересь,
В неслыханную простоту...
Б. Пастернак
К простоте стремится всякий конструктор. Ведь она, как правило, эталон совершенства. Однако в каждом деле есть известный предел простоты. Где же такой предел в пневмонике? Что должно стать «атомами» струйной автоматики? Может быть, отдельные усилители, ячейки памяти, логические элементы? Нет, такой выбор был бы неверным. Ведь в таком случае простейшие элементы пришлось бы соединять сложнейшей сетью трубок, соединительных каналов.
В качестве «атомов» пневмоники были выбраны стандартные сочетания простейших струйных элементов, так называемые модули. Собрать из них автоматическое устройство гораздо проще, чем из простейших элементов, описанных во второй главе, так ребенок (да простят нам это сравнение), не умея нарисовать сложный предмет, скажем, самолет, без труда складывает его из кубиков, на которых изображены его отдельные части.
Система модулей струйной техники (СМСТ) была разработана в Институте автоматики и телемеханики; Эта система по инициативе Управления радиоэлектронной промышленности и приборостроения СНХ Армянской ССР уже освоена впромышленном производстве. Она насчитывает немного представителей. Один из них — триггер. «Прибор, имеющий два устойчивых состояния и переходящий из одного в другое под действием поданного на него сигнала» — так определяется триггер в техническом словаре. Способность этого прибора преображаться при каждом управляющем импульсе исключительно важна для счетной техники. Без преувеличения триггер можно назвать сердцем электронной машины: в каждой из них в бешеном ритме бьются тысячи таких сердец.
Электронный триггер — весьма сложное устройство. Это полупроводники, конденсаторы, сопротивления, это хитросплетения проводов, десятки спаев, это германий, при очистке которого счет примесям идет на атомы...
Конечно, схему струйного триггера можно полностью скопировать с электронной схемы. Однако конструкторы СМСТ разработали оригинальные схемы, как для триггера, так и для других модулей. Они несравненно проще, и в этом — их привлекательность. Устройства такого типа сейчас разрабатываются и за границей. На рис. 9 приведен один из возможных вариантов струйного триггера — всего четыре воздушных канала, выдавленных одним ударом штампа. Умелое использование целого ряда аэродинамических эффектов позволило создать простую схему весьма сложного устройства.
Путь науки не маршрут автобуса. На нем нет конечной остановки. Не следует думать, что в пневмонике все сделано и все изучено. Та цель, которую ставили перед собой первооткрыватели нового направления автоматики — исследовать различные аэрогидродинамические эффекты и создать на основе их новые приборы контроля и управления,— не снята с повестки дня и сегодня. Много больших и малых, теоретических и экспериментальных проблем предстоит еще решить.
Математические методы современной аэродинамики, которые без труда описывают обтекание летательных аппаратов, становятся бессильными, когда речь заходит о течении и взаимодействии воздушных струй в камерах. Вот почему так остро встает вопрос о скорейшем создании строгой математической теории, глубоко и всесторонне объясняющей сложные процессы, протекающие в струйных автоматах. Появление такой теории, несомненно, даст мощный толчок для дальнейшего развития этой отрасли автоматики.
Оригинал статьи в формате ДежаВю - здесь
Заинтересовавшихся отсылаю к книге "Цифровые устройства пневмоники", изданной в 1971году.
Тексты   На главную