Tänkande” maskiner — automatiska kontrollsystem

UNDER hela människans historia har hon ständigt sökt förbättra sitt levnadssätt. Genom sin sinnrikhet har hon uppfunnit maskiner, som har befriat henne från många fysiska bördor. Människan har inte nöjt sig med dessa framsteg utan har fortsatt att skaffa sig maskiner, som skall utföra också en del av hennes mentala arbetsuppgifter åt henne. Genom att installera dessa nyare uppfinningar på de konventionella maskinerna har nu människan fått maskiner i sin tjänst, som förefaller att styra sig själva och gör arbetet med mycket större hastighet än vad som tidigare var möjligt. Resultatet av att använda dessa kontrollsystem är det som länge har varit människans åstundan — AUTOMATION!

För många av oss passerar nu knappast en dag utan att vi har utnyttjat automationens tjänster. Från termostaten, som håller ditt hus vid en lämplig temperatur, till väckarklockan, som så punktligt väcker dig, och brödrosten, som gör ditt bröd fräsigt och ger det rätt färg, drar du nytta av den ena automatiska apparaten efter den andra.

När vi förstår de grundprinciper, som gäller för dessa automatiska apparater, skingras känslan av ”science fiction” ur våra sinnen. Även om användningen av kontrollsystemen kan variera från användningar i hemmet till de invecklade styrsystemen i en satellit, är de grundläggande elementen till dessa system relativt enkla. När vi förstår hur några av dessa enklare system arbetar, får vi också en viss inblick i de mest komplicerade systemen.

Kontrollsystem med ”öppen krets”

För att närmare undersöka hur ett kontrollsystem arbetar skall vi se på det kända exemplet med den automatiska brödrosten. Du vet vilken rostningsgrad eller färg du önskar på brödskivan, och det anger du genom att vrida inställningsratten till den lämpliga inställningen. Det är det önskade värdet som matas in i brödrosten, och genom det meddelar du brödrosten vilken färg du vill ha på brödet, dvs. vilket slags färdig produkt du önskar. Ratten, som du vridit till den lämpliga inställningen och som i själva verket dirigerar tiduret, kontrollerar den del av brödrosten som gör det verkliga arbetet, dvs. värmeelementen. Här har vi alltså grundelementen till den typ av enklare kontrollsystem som ingenjörerna kallar kontrollsystem med ”öppen krets”. Det kan åskådliggöras genom följande figur:

De två huvuddelarna i systemet är referensväljaren och den arbetande delen. Referensväljarens arbete består i att ”översätta” det önskade värdet eller ordersignalen till data, som den arbetande delen kan ”förstå” och ”lyda”. Beträffande den automatiska brödrosten är referensväljaren den väljarknapp som dirigerar ett tidur, vilket reglerar hur länge värmeelementen skall vara påslagna. Det önskade värdet anger röstningen eller färgen på brödskivan — ljust, normalt eller mörkt rostad. I den här formen är ordersignalen inte förståelig för den arbetande delen. Därför ”översätter” referensväljaren denna ordersignal till en i förväg bestämd tidslängd och överför den på dess nya ”språk” till den arbetande delen. På det här sättet överför referensväljaren ordersignalen till den arbetande delen på ett ”språk” som gör det möjligt för den att fullgöra sitt uppdrag. Den arbetande delen består av värmeelementen, som utför arbetet i detta speciella system, dvs. rostar bröd.

Det är möjligt för oss att få en brödskiva med den exakt önskade kvaliteten genom att hålla brödet över en öppen eld, flytta och vända det och hela tiden vaksamt iaktta brödbiten. Den metoden fordrar ständig uppmärksamhet från den person som rostar brödet. Genom att använda de olika delarna i det ovan beskrivna enkla kontrollsystemet kan man fortfarande uppnå samma kontroll av den färdiga produktens kvalitet, men samtidigt bli befriad från den ständiga uppmärksamheten, som fordrades vid den manuella röstningen över öppen eld. På detta sätt uppfyller det enkla kontrollsystemet det främsta kravet för automation av maskiner.

Varför kallas ett sådant kontrollsystem för en ”öppen krets”? När ordersignalen matas in i systemet, utgör detta faktiskt slutet av kontrolloperationen. Härifrån följer operationen den riktning som anges i figur 1. Där finns ingen ytterligare kontroll. Under normala förhållanden, när varje del i systemet arbetar som den skall, överensstämmer slutprodukten med ordersignalen, dvs. ditt önskemål.

Men vad händer om någon del inte fungerar som den skall? Vad händer när några oväntade faktorer kommer in i bilden? Låt oss säga att brödet är torrare än vanligt. Det finns ingen del i systemet, som kan överföra denna upplysning till den arbetande delen så att dess arbetssätt förändras. Det kan innebära att du får en bränd brödbit, även om du har ställt ratten på normal röstning. Det finns inte något inbyggt i detta system som skulle kunna ändra eller korrigera brödrostens arbetssätt, även om den slutliga produkten inte är vad som önskas. Den färdiga produktens kvalitet inverkar inte och kontrollerar inte systemets arbetssätt. Det är därför denna sorts kontrollsystem sägs bilda en ”öppen krets”.

För att komma över denna påtagliga brist måste tydligen något hjälpmedel anskaffas, varigenom systemets arbetssätt kan förändras om den färdiga produktens kvalitet inte blir den önskade. I ett system med ”öppen krets” åstadkoms denna hjälp av människan. När du ser att brödbiten börjar bli bränd i brödrosten, ändrar du brödrostens ”färg”-inställning. Å andra sidan, när du märker att brödet inte blir tillräckligt rostat, ökar du inställningen. På det här sättet ges information om den färdiga produktens kvalitet till systemet genom dig, den mänsklige operatören. Varje nödvändig justering av systemets arbetssätt sker alltså så att den färdiga produkten möter de uppställda önskemålen.

Kontrollsystem med ”sluten krets”

I ett helt automatiskt kontrollsystem utförs naturligtvis denna återföringsmekanism inte av en människa utan av några inbyggda enheter, som kan fullgöra samma kontrollerande funktioner men mycket snabbare och noggrannare. Sådana system benämns kontrollsystem med ”sluten krets” eller återföring.

För att se hur ett enkelt kontrollsystem med ”sluten krets” fungerar skall vi granska ett annat mycket välkänt exempel — det termostatreglerade centralvärmesystemet. Detta system har alla detaljer som ingår i det tidigare granskade kontrollsystemet med ”öppen krets”. Den arbetande delen är naturligtvis värmepannan, som värmer upp hela huset. Referensväljaren är inställningen på termostaten, och termostaten själv är den tillagda återföringsenheten. Placeringen av dessa viktiga detaljer visas schematiskt i figur 2.

Låt oss anta att du önskar hålla rumstemperaturen vid behagliga 22° C. Därför ställer du in termostatens temperaturmätare på denna temperatur. Detta är systemets ordersignal. Denna signal påverkar värmepannans kontroller och sätter i gång den. När det fortsätter att brinna i pannan, stiger rumstemperaturen och närmar sig den i förväg valda temperaturen. När slutligen rumstemperaturen kommer upp i 22° C, påverkas termostaten, som skickar informationen tillbaka till värmepannans kontrollorgan och stänger av pannan.

I allmänhet fortsätter temperaturen att stiga ytterligare något, sedan värmepannan har stängts av. Temperaturen når ett maximum för att sedan börja falla. Naturligtvis sker allt detta i närheten av den i förväg valda temperaturen. När rumstemperaturen minskat till 22° C, påverkas termostaten på nytt och värmepannan sätter i gång för att förhindra att rumstemperaturen faller ytterligare. På det här sättet blir värmepannan och termostaten tillsammans ett automatiskt system, som kan värma upp och hålla ett visst utrymme vid en given temperatur. Termostaten i det här exemplet fungerar som systemets ”hjärna”, vilken kontrollerar och reglerar systemet.

Återföringsenheten

Av denna kortfattade undersökning av de två kontrollsystemen, ”öppen krets” och ”sluten krets”, och en jämförelse mellan figurerna 1 och 2 inser vi lätt att den egentliga skillnaden mellan de båda systemen är återbäringen. Denna är verkligen det automatiska kontrollsystemets hjärta. Det är återföringsenheten som ger dessa system deras ”automatiska” möjligheter. Återföringsenhetens egentliga funktion är att mäta den färdiga produkten och jämföra den med den gjorda inställningen. I de flesta fall sker detta elektriskt, eftersom det vanligen är den lämpligaste och även noggrannaste metoden.

Anordningar som kallas givare används för att omvandla sådana fysikaliska storheter som temperatur, tryck, rörelse, hastighet, acceleration, belysning osv. till elektriska signaler. Dessa signaler mäts och till och med registreras så att en kontinuerlig övervakning av systemets arbetssätt kan ske. Bland de mest bekanta exemplen på givare är den fotoelektriska cellen, gyroskopet och den piezoelektriska kristallen. Utförandet och användningen av dessa är verkligen ett fängslande område.

Även om de automatiska kontrollsystemen är ett välutvecklat område i dag, är deras historia relativt kort, inte mer än omkring 50 år. Under denna tid har vi sett tillkomsten, utvecklingen och användningen av teorin om kontrollsystem. De snabba framstegen inom det här området kan hänföras till två huvudsakliga orsaker.

För det första försåg den ständigt förbättrade teknologin inom de elektriska och elektroniska områdena kontrollingenjörerna med de nödvändiga redskapen för att bygga dessa system. För det andra befrämjade industrins krav forskningen beträffande dessa kontrollsystem så att vetenskapen och kännedomen om dem kommit till den nuvarande ståndpunkten.

I dag är det inte ovanligt för oss att se hem som är fullt utrustade med automatiska apparater, kontor fyllda med räknemaskiner och datamaskiner, och fabriker där hela tillverkningsprocesser, från råvaran till den färdiga produkten, dirigeras av automatiska kontrollsystem. Kontrollsystemens historia visar verkligen den förmåga Skaparen har nedlagt hos människan, då det gäller att utforska och använda material och lagar, som Gud själv är upphov till.

[Bild på sidan 13]

FIG. 1 KONTROLLSYSTEM MED ”ÖPPEN KRETS”

1) Arbetande del (Värmeelement); 2) Färdig produkt; 3) Referensväljare (”Färg”-väljare); 4) Önskat värde

[Diagram på sidan 15]

(För formaterad text, se publikationen)

FIG. 2 SCHEMATISK SKISS ÖVER KONTROLLSYSTEM MED ”SLUTEN KRETS”

Önskat värde

Temperaturmätare

Värmepanna

Referensväljare

Arbetande del

Verkligt värde

Termostat

Återföreningsenhet