ВВЕДЕНИЕ

К приборостроению относятся две области человеческой деятельности: 1) часть машиностроения, занятая производством средств измерения, анализа, обработки и представления информации, устройств регулирования, автоматических и автоматизированных систем управления; 2) область науки и техники, разрабатывающая средства измерений, автоматизации и системы управления.

Каждая из областей настолько обширна и многогранна, что описать их с какой-то степенью подробности не представляется возможным. Тем более что средства измерений и автоматизации развиваются и совершенствуются опережающими темпами относительно других областей человеческой деятельности, определяя направления и скорость научного и технического прогресса. Поэтому в пособии будут рассмотрены только начальные сведения о средствах измерений и автоматическом управлении, однако достаточные для общего качественного представления о них.

Исторически сначала начали развиваться техника и теория измерений, определившие развитие научных знаний и обеспечившие фундамент современного технического прогресса. Причины определяющей роли измерений в развитии человечества не очевидны и станут понятны из дальнейшего изложения. Пока же можно повторить изречения великих ученых [13]:

  • • «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить» (У. Кельвин);
  • • «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры» (Д.И. Менделеев).

Последнее всестороннее исследование состояния и потребностей развития измерительной техники было проведено в 2005—2006 гг. Национальным институтом стандартов и технологий США (сокращенно NIST) [6]. Приведем краткие сведения из заключительного доклада института.

Были проанализированы состояние и потребности промышленности, медицины и обороны США. О роли измерений можно судить хотя бы по следующим данным: в год в США тратится более 100 млрд долл, на измерения в области здравоохрания; в Вооруженных силах находится 58 тыс. наименований средств измерения и автоматического управления, обеспечивающих оперативную готовность систем вооружения страны; только полупроводниковая промышленность потратила в 2007 г. на разработку и оснащение измерительной техникой и оборудованием 9 млрд долл.

з

Результаты проведенной оценки состояния измерительной техники были обобщены следующим образом:

  • • основным препятствием на пути инноваций во всех сферах экономики, медицины, обороны, экологии остается недостаточная точность методов и средств измерений;
  • • практически во всех новых технологиях сдерживающим их развитие фактором является отсутствие точных и достаточно чувствительных датчиков различных величин, необходимых для реализации новых производственных процессов и создания систем управления новыми технологическими процессами;
  • • отсутствие стандартов и эталонов для оценки качества создаваемых технологий служит барьером для инноваций в новых развивающихся технологиях.

Отдельно авторы доклада останавливались на вопросе внедрения нанотехнологий. По прогнозам экономистов рынок продукции нанотехнологий в течение 10 лет превысит 2,5 трлн долл. Однако указанная продукция серийно не производится ввиду отсутствия необходимых теоретических основ, стандартов и измерительных средств.

Сказанное не означает, что в США низкий научный и технологический уровень измерительной техники. Как раз наоборот. Во многих областях специалисты США являются пионерами новых направлений создания теории, методов и средств измерений. Ими создан массовый расходомер (Кориолисов расходомер) высокой точности, разработаны первые сенсорные измерители влажности газов, микропроцессорные системы измерений, космический телескоп «Хаббл», глобальная навигационная система определения положения объектов GPS и т.д.

Поэтому указанные в отчете направления развития измерительной техники необходимо понимать как общую задачу для всех стран, не желающих оказаться (или остаться) в ряду развивающихся.

Системы автоматического управления, включающие как составную часть средства измерений, получили широчайшее распространение во всех областях техники. Задачей систем подобного типа является поддержание неизменными (заданными) значения каких-то параметров процессов управляемых объектов или изменение их по заданному закону функционирования.

Системы, выполняющие первую задачу, поддерживают постоянными напряжение и частоту на выходе электрогенераторов электростанций при изменении потребителями величин нагрузок (отбираемой мощности); состав компонентов и параметры процессов (температура, давление, расход) в химических производствах; высоту, скорость и направление полета самолета, заданного пилотами (автопилот), и т.д.

Системы автоматического управления, выполняющие изменение параметров процессов в управляемых системах по заданным законам функционирования, сложнее первых, поскольку позволяют не просто поддерживать заданные режимы, но и изменять их по какому-то критерию — например, по данным о температуре автомобильного двигателя, числу оборотов коленчатого вала автоматически устанавливать соотношение между количеством поступающего воздуха и расходом бензина, обеспечивающих максимальный коэффициент полезного действия двигателя.

Переоценить важность систем автоматического управления невозможно, поскольку они, исключая человека из процессов управления, позволяют выпускать серийную продукцию с гарантированными параметрами при любом объеме производства.

Во многих случаях человек не в состоянии вести управление процессами в силу физиологических ограничений (по скорости реакции на возникшую ситуацию; по габаритам; невозможности нахождения в районе расположения управляемого объекта типа спутника или космической станции).

Все сказанное только доказывает важность средств измерений и автоматического управления, не объясняя, как они функционируют и обеспечивают заданные требования. Поэтому далее покажем на качественном уровне (т.е. без строгого математического анализа) основные положения, составляющие основу теории измерительных приборов и систем автоматического управления.

Поскольку изложение ведется на качественном уровне, пособие не может служить руководством для проведения анализа или синтеза средств измерения или автоматического управления. Оно дает только общее представление о составе средств измерений и управления, общих принципах функционирования и оценки качества полученных результатов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >