АВТОМАТИКА

АВТОМАТИКА — отрасль науки и техники, разрабатывающая теорию, прикладные методы и средства для осуществления производственных и организационно-управленческих процессов без непосредственного участия человека. А. охватывает теорию автоматического управления, методы построения автоматических систем, а также совокупность необходимых для этого технических средств. А. обеспечивает непрерывный рост производства, устраняя зависимость его развития от ограниченных возможностей человеческого организма. С помощью автоматов осуществляется управление такими устройствами, непосредственное обслуживание которых человеком исключается вследствие вредности, опасности, недоступности и других мешающих факторов.

В биологии и медицине А. позволяет осуществлять контроль и управление физиологическими и биохимическими процессами в организме человека и животных, а также обеспечивает поддержание жизнедеятельности органов и систем человеческого организма при нарушении их функций.

Примитивные автоматические устройства были еще в Древней Греции и Египте. В 1673 г. впервые упоминается об изобретении X. Гюйгенсом сложного для того времени автомата — пружинных часов. В дальнейшем было создано множество образцов пружинных автоматов, к-рые имели большое значение для развития механики. Но подлинный расцвет А. получила после создания выдающимся русским ученым и инженером И. А. Вышнеградским (1831—1895) теории автоматического регулирования. Теория, прикладные методы и технические средства А. развивались крупными научными коллективами как в Советском Союзе, так и за рубежом. Среди советских ученых известны своими работами в этой области академики А. А. Андронов, И. И. Артоболевский, М. П. Костенко, В. С. Кулебакин, Б. Н. Петров, В. А. Трапезников и большая группа их учеников и последователей.

После второй мировой войны началось широкое применение средств А. в медицине и биологии. В СССР созданы научно-исследовательские институты, конструкторские бюро и заводы, специализирующиеся на разработке и выпуске автоматических устройств, систем и приборов для нужд клинической, теоретической и экспериментальной биологии и медицины.

Основные понятия и техническое обеспечение. Совокупность устройств (машин, аппаратов), осуществляющих определенный процесс, рассматривается как система, взаимодействующая с внешней средой (рис. 1). Выполняемый процесс всегда направлен на достижение поставленной цели — поддержание параметров технологической операции на необходимых уровнях, обработку деталей, проведение анализа вещества и т. д. Для достижения поставленной цели автоматическая система выполняет набор четко установленных правил-предписаний, осуществляет, как принято говорить, определенный алгоритм функционирования (см. Алгоритм).

Рис. 1. Схема взаимодействия технической системы и внешней среды

Если система сама по себе не может реализовать требуемый алгоритм функционирования, то на нее приходится оказывать извне специально организованные воздействия. Совокупность предписаний, определяющих характер воздействий на систему, т. е. способ осуществления алгоритма функционирования, называется алгоритмом управления.

Взаимодействующие между собой управляемый объект и автоматическое управляющее устройство образуют автоматическую систему. Схема осуществления воздействий управления в автоматической системе изображена на рис. 2. Для классификации автоматических систем, являющихся технической основой А., выбраны признаки, характеризующие алгоритм функционирования и алгоритм управления, т. е. общие для всех областей применения автоматических систем.

Рис. 2. Схема осуществления воздействий управления: А - управляющее устройство; B - управляемый объект; X0 - планируемое входное воздействие; F0 - непланируемое воздействие (от внешней среды); X - выходное планируемое воздействие; F - выходное непланируемое воздействие (на внешнюю среду); V - управляющее воздействие

По характеру изменения переменных алгоритма функционирования различаются следующие системы: стабилизирующая автоматическая система, в которой управляемая величина, характеризующая состояние управляемого объекта и входящая в алгоритм функционирования, поддерживается на заданном уровне; программная автоматическая система, в к-рой управляемая величина изменяется в соответствии с заранее заданной функцией времени; следящая автоматическая система, в к-рой управляемая величина изменяется в зависимости от заранее неизвестной переменной величины (величин) на входе.

По способу осуществления алгоритма функционирования различают автоматические системы с прямым управлением, в которых воздействиями для управляющего устройства являются только внешние воздействия; автоматические системы с обратной связью (см.), в к-рых автоматическое управляющее устройство А оказывает воздействие на управляемый объект В, выход к-рого в свою очередь через цепь обратной связи (ОС) действует на управляющее устройство (рис. 3).

Рис. 3. Схема автоматической системы с обратной связью (ОС)

В замкнутых системах (с обратной связью) применяются два принципа выработки управляющих воздействий: в автоматических системах регулирования управляющие воздействия вырабатываются в результате сравнения действительно получаемого значения управляемой величины с предписанным ее значением; в автоматических системах поиска рабочие управляющие воздействия формируются с помощью анализа результатов, получаемых от пробных управляющих воздействий. На рис. 4 изображена схема комбинированной автоматической системы, в к-рой производится автоматический поиск значений параметров устройства А₁ с помощью дополнительного устройства А₂. Различны физические принципы и структуры, служащие технической основой построения автоматических систем. Особое место в современной А. занимают электронные вычислительные машины (ЭВМ) (см. Электронная вычислительная машина).

Рис. 4. Схема комбинированной автоматической системы: A1 — автоматическое управляющее устройство; А2 — дополнительное управляющее устройство; OC1 и ОС2 — контуры обратной связи; В — управляемый объект

Рис. 4. Схема комбинированной автоматической системы: A₁ — автоматическое управляющее устройство; А₂ — дополнительное управляющее устройство; OC₁ и ОС₂ — контуры обратной связи; В — управляемый объект

А. в медицине и здравоохранении применяется для проведения автоматической диагностики, измерения физиологических параметров, создания автоматизированных установок для монитор-контроля за состоянием больных и автоматических электробиостимуляторов, при производстве клинических, бактериологических и биохимических экспресс-анализов, при создании систем для автоматического распознавания микрообъектов и структур, в системах биоуправления, таких, напр., как аппараты «искусственная почка», аппарат искусственного кровообращения (АПК), наркозные устройства и др.

Большое значение имеет А. в создании с помощью ЭВМ измерительно-вычислительных систем в области многоканальной кардиографии, электроэнцефалографии, радиоаутографии и других направлениях, связанных с применением сложной многоканальной биоизмерительной аппаратуры, для комплексной оценки состояния организма.

Широко используются теория и средства А. в различных медико-кибернетических системах для диагностики болезней (см. Диагностика машинная), прогнозирования исходов лечения и выработки планов лечения больных.

На рис. 5 представлена блок-схема автоматизации диагностики и лечения с использованием ЭВМ.

Рис. 5. Блок-схема автоматизации процессов диагностики и лечения с использованием ЭВМ: 1 — обобщение результатов лабораторных анализов и другой информации о состоянии здоровья пациента; 2 — составление списка возможных диагнозов и их логический анализ на основе оценки комплекса симптомов, профиля симптомов и комплекса болезней; в — определение перечня дополнительных исследований для сокращения списка возможных диагнозов; 4 — изыскание наиболее эффективного набора тестов при дополнительных исследованиях; 5 — вычисление вероятностей для каждого из возможных диагнозов; 6 — составление оптимального плана лечения на основе максимизации вероятности выбора лучших лечебных мероприятий и их последовательности; 7 — реализация выбранного плана лечения; 8 — учет изменений в состоянии здоровья пациента при лечении; 9 — анализ данных для уточнения списка возможных диагнозов и плана лечения

Блоки 1, 2, 3 и 4 составляют автоматический цикл «диагностика — исследование», а блоки 5, 6, 7, 8 и 9 — «диагностика — лечение». Велико значение А. в космической медицине (см.).

См. также Автоматизированная система управления, Алгоритм, Обратная связь, Регулирование, Система, Управление.

Библиогр.: Ахутин В. М. и др. Автоматическое управление физиологическими функциями организма в процессе хирургического вмешательства, Мед. техника, № 2, с. 5, 1968, библиогр.; Морозов Н. А. Очерк развития автоматики, Л., 1969; Xрамой А. В. Очерк истории развития автоматики в СССР, Дооктябрьский период, М., 1956.