Хендрик Уэйд Боде - Hendrik Wade Bode

Хендрик Уэйд Боде
Хендрик Уэйд Боде
	Хендрик Уэйд Боде
Родился	24 декабря 1905 г.; Мэдисон, Висконсин
Умер	21 июня 1982 г. (76 лет); Кембридж, Массачусетс
Национальность	Американец
Альма-матер	Государственный университет Огайо ; Колумбийский университет
Известен	Теория управления ; Электронная инженерия ; Телекоммуникации ; Фильтр ; Боде График ; Боде зависимость коэффициента усиления от фазы ; Боде Интеграл чувствительности Боде
Награды	Премия Ричарда Беллмана за контроль над наследием (1979) ; Медаль Руфуса Олденбургера (1975) ; Почетная грамота президента ; Медаль Эдисона (1969) ; Премия Эрнеста Орландо Лоуренса (1960)
	Научная карьера
Поля	Системы управления , физика , математика, телекоммуникации
Учреждения	Университет штата Огайо ; Bell Laboratories ; Гарвардский университет

Хендрик Wade Боде ( / б oʊ d я / прогонять-ди , голландский: [bodə] ; 24 декабря 1905 - 21 июня 1982) был американский инженер, исследователь, изобретатель, автор и ученый, голландского происхождения. Как пионер современной теории управления и электронных телекоммуникаций, он произвел революцию как в содержании, так и в методологии выбранных им областей исследований. Его сотрудничество с Клодом Шенноном , отцом теории информации , заложило основы технологической конвергенции в информационную эпоху .

Он внес важный вклад в разработку, наведение и управление зенитными системами во время Второй мировой войны. Он участвовал в разработке автоматического артиллерийского оружия, которое защищало Лондон от летающих бомб Фау-1 во время Второй мировой войны . После войны Боде вместе со своим военным соперником Вернером фон Брауном, разработчиком V1, а затем и отцом космической программы США, служил членами Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA), предшественника НАСА . Во время холодной войны он участвовал в разработке и управлении ракетами и противоракетными снарядами .

Он также внес важный вклад в теорию систем управления и математические инструменты для анализа устойчивости линейных систем , изобретая графики Боде , запас по усилению и запас по фазе .

Боде был одним из великих инженерных философов своей эпохи. Давно уважаемый в академических кругах по всему миру, он также широко известен современным студентам-инженерам, главным образом благодаря разработке графика асимптотической величины и фазы , носящего его имя, графика Боде .

В частности, его исследовательский вклад был не только многомерным, но и далеко идущим, вплоть до космической программы США .

Образование

Бод родился в Мэдисоне, штат Висконсин . Его отец был профессором образования и факультета член в Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампань к тому времени молодой Хендрик был готов к начальной школе. Он поступил в начальную школу Леала и быстро продвинулся по школьной системе Урбаны, чтобы окончить среднюю школу в возрасте 14 лет.

Сразу после окончания средней школы он подал заявление о приеме в Иллинойский университет, но ему было отказано из-за его возраста. Спустя десятилетия, в 1977 году, тот же университет присвоил ему звание почетного доктора наук. Степень.

В конце концов он подал заявление и был принят в Университете штата Огайо , где его отец также учил, и он получил его BA степень в 1924 году, в возрасте 19 лет, и его MA Degree в 1926 году, как в математике. После получения степени магистра он остался в своей альма-матер, работая ассистентом преподавателя , еще на один год.

Ранние вклады в Bell Labs и Ph.D.

Только что окончив аспирантуру, он был незамедлительно принят на работу в Bell Labs в Нью-Йорке, где начал свою карьеру в качестве дизайнера электронных фильтров и эквалайзеров. Впоследствии, в 1929 году, его направили в группу математических исследований, где он преуспел в исследованиях, связанных с теорией электронных сетей и ее применением в телекоммуникациях. При финансовой поддержке Bell Laboratories он снова поступил в аспирантуру, на этот раз в Колумбийский университет , и успешно защитил докторскую диссертацию по физике в 1935 году.

В 1938 году он разработал графики асимптотической фазы и амплитуды , теперь известные как графики Боде , которые четко отображали частотную характеристику систем. Его работа по автоматической ( Обратной связи ) Системе управления представила инновационные методы для исследования устойчивости системы , что позволило инженерам исследовать временную область устойчивости с использованием частотной области концепции усиления и запас по фазе , изучение которых способствовали его ныне известным сюжетам. По сути, его метод сделал стабильность прозрачной как для временной, так и для частотной областей, и, кроме того, его анализ на основе частотной области был намного быстрее и проще, чем традиционный метод, основанный на временной области. Это предоставило инженерам быстрый и интуитивно понятный инструмент для анализа стабильности и проектирования систем, который широко используется и сегодня. Он вместе с Гарри Найквистом также разработал теоретические условия, применимые к устойчивости схем усилителя.

Вторая мировая война и новые изобретения

Смена направления

С неумолимым началом Второй мировой войны Боде обратил свой взор на военные приложения своих исследований систем управления, изменение направления, которое в той или иной степени продлилось до конца его карьеры. Он пришел на службу своей стране, работая над проектом директора в Bell Labs (финансируемом Национальным комитетом по оборонным исследованиям (NDRC), секция D-2), разрабатывая автоматические системы управления зенитными орудиями, в которых радиолокационная информация использовалась для получения данных о местоположение вражеского самолета, которое затем передавалось на сервомеханизмы зенитной артиллерии, позволяющие осуществлять автоматическое баллистическое слежение за самолетом противника с помощью радиолокационных средств, другими словами, автоматическое сбивание вражеского самолета с помощью радиолокатора. Используемые серводвигатели имели как электрический, так и гидравлический привод, последний использовался в основном для позиционирования тяжелых зенитных орудий.

Первая беспроводная петля обратной связи и роботизированное оружие

Сигнал радара фиксировался на цели, и его данные передавались по беспроводной сети на наземный приемник, который был подключен к системе управления с обратной связью артиллерийского сервомеханизма, в результате чего сервопривод точно изменял свое угловое положение и поддерживал его в течение оптимального периода времени, достаточного для того, чтобы вести огонь по рассчитанным (прогнозируемым) координатам цели и таким образом успешно сопровождать цель.

Предсказание координат было функцией директора Т-10, разновидности электрического компьютера, названного так потому, что он использовался для управления позиционированием пушки по отношению к воздушной цели. Он также рассчитал среднюю скорость цели на основе информации о местоположении, предоставленной радаром, и предсказал будущее местоположение цели на основе своего предполагаемого уравнения траектории полета, обычно линейной функции времени. Эта система функционировала как ранняя версия современной модели противоракетной обороны . Статистический анализ также использовался, чтобы помочь в вычислении точного местоположения вражеского самолета и сглаживать данные, полученные от цели из-за колебаний сигнала и шумовых эффектов.

«Ружейный брак»

Поэтому Боде реализовал первую в истории систем автоматического управления беспроводную обратную связь по данным, объединив беспроводную передачу данных, электрические компьютеры, принципы статистики и теорию систем управления с обратной связью. Он продемонстрировал свое сухое чувство юмора, назвав эту междисциплинарную взаимосвязь браком с дробовиком , ссылаясь на зенитно-артиллерийское происхождение своего исторического изобретения, сказав: «Это, как я сказал, был своего рода брак с дробовиком, навязанный нам давлением военных проблем в стране. Вторая Мировая Война." Он также описал это далее как «своего рода« брак по дробовому ружью »между двумя несовместимыми личностями». и охарактеризовал продукт этой связи как «сын ружья брака».

Продукт этого «брака» - автоматическое артиллерийское орудие - тоже можно рассматривать как оружие роботов . Его функция требовала обработки данных, которые передавались по беспроводной сети на его датчики, и принятия решения на основе данных, полученных с помощью бортового компьютера, о его выходе, определяемом как его угловое положение и время срабатывания его пускового механизма. В этой модели мы можем увидеть все элементы более поздних концепций, таких как обработка данных , автоматизация , искусственный интеллект , кибернетика , робототехника и т. Д.

Работа над режиссерскими исследованиями

Боде, кроме того, применил свои обширные навыки работы с усилителями обратной связи для разработки целевых сетей сглаживания данных и прогнозирования положения улучшенной модели Director T-10, названной Director T-15 . Работа над Director T-15 проводилась в рамках нового проекта Bell Labs под названием Fundamental Director Studies в сотрудничестве с NDRC под руководством Уолтера Макнейра.

NDRC, агентство по финансированию этого проекта, работало под эгидой Управления научных исследований и разработок ( OSRD ).

Его финансируемое NDRC исследование в Bell Labs в рамках контракта на раздел D-2 (раздел систем управления) в конечном итоге привело к другим важным разработкам в смежных областях и заложило краеугольный камень для многих современных изобретений. В области теории управления , например, он способствовал дальнейшему развитию конструкции сервомеханизмов и управления - важнейшего компонента современной робототехники . Развитие теории беспроводной передачи данных Боде привело к более поздним изобретениям, таким как мобильные телефоны и беспроводные сети .

Причина появления нового проекта заключалась в том, что директор Т-10 столкнулся с трудностями при расчете скорости цели путем дифференцирования положения цели. Из-за неоднородностей , вариаций и шума в радиолокационном сигнале производные положения иногда сильно колебались, и это вызывало беспорядочные движения в сервомеханизмах пушки, потому что их управляющий сигнал основывался на значении производных. Это можно было смягчить путем сглаживания или усреднения данных, но это вызвало задержки в цикле обратной связи, что позволило цели уйти. Кроме того, алгоритмы Director T-10 требовали ряда преобразований из декартовых (прямоугольных) координат в полярные и обратно в декартовы, что приводило к дополнительным ошибкам отслеживания .

Боде спроектировал сети вычисления скорости в Director T-15, применив метод конечных разностей вместо дифференцирования . По этой схеме координаты положения цели сохранялись в механической памяти, обычно в потенциометре или кулачке . Затем скорость рассчитывалась путем деления разницы между координатами текущего положения и координат предыдущего показания, которые были сохранены в памяти, на разницу их соответствующих времен. Этот метод был более надежным, чем метод дифференцирования, а также сглаживал возмущения сигнала, поскольку конечный размер временного шага был менее чувствителен к случайным импульсам сигнала ( всплескам ). Он также представил в первый раз , алгоритм лучше подходит для современной цифровой обработки сигналов теории , а не к классической исчислении основанное аналоговой обработки сигнала подход , который был затем затем. Не случайно он является неотъемлемой частью современной теории цифрового управления и цифровой обработки сигналов и известен как алгоритм обратной разности. Кроме того, «Директор» Т-15 работал только в прямоугольных координатах, что исключало ошибки, связанные с преобразованием координат . Эти конструктивные нововведения принесли дивиденды в производительности, и Director T-15 был в два раза точнее своего предшественника и достиг цели в два раза быстрее.

Реализация алгоритма управления огнем его исследований в области артиллерийского проектирования и его обширная работа с усилителями с обратной связью позволили усовершенствовать современные вычислительные методы и в конечном итоге привели к разработке аналогового электронного компьютера , альтернативы сегодняшним цифровым компьютерам на базе операционного усилителя .

Подобные изобретения, несмотря на их военное исследовательское происхождение, оказали глубокое и длительное влияние на гражданскую сферу.

Военное использование

Анцио и Нормандия

Автоматизированные зенитные орудия, которые помогал разработать Боде, успешно использовались во многих случаях во время войны. В феврале 1944 года автоматизированная система управления огнем, основанная на более ранней версии Director T-15, которую Bell Labs называла Director T-10, или Director M-9 в вооруженных силах, впервые начала действовать в Анцио , Италия, где помогло сбить более ста самолетов противника. В день "Д" в Нормандии были развернуты 39 единиц для защиты союзных войск вторжения от гитлеровского люфтваффе .

Использование против летающей бомбы Фау-1

Возможно, угроза, наиболее подходящая для проектных спецификаций такой автоматизированной артиллерийской системы, появилась в июне 1944 года. Неудивительно, что это был другой робот. Немецкие авиационные инженеры с помощью Вернера фон Брауна создали собственного робота; Фау-1 , автоматическое наведение и широко считаются предшественником крылатых ракет . Его летные характеристики почти идеально соответствовали критериям проектирования цели Director T-10, то есть самолета, летящего прямо и горизонтально с постоянной скоростью, другими словами, цель, хорошо соответствующая вычислительным возможностям модели линейного предсказателя, такой как Director T-10. . Хотя у немцев действительно была хитрость в инженерном рукаве, заставляя бомбу лететь быстро и низко, чтобы уклониться от радаров, техника, широко распространенная даже сегодня. Во время лондонского блица по специальному запросу Уинстона Черчилля по периметру к югу от Лондона были развернуты сто 90-мм автоматических орудий с участием директора Т-10 . В AA блоки включали SCR-584 радиолокационный блок , полученный с помощью радиационной лаборатории в MIT и близость предохранителей механизм, разработанный Мерл Тьюв и его специальной Division T на NDRC, что взорвали вблизи мишени с использованием микроволновой печи контролируется предохранитель под названием ТН или переменную предохранитель времени, позволяющий увеличить радиус действия детонации и увеличить шансы на успешный результат. В период с 18 июня по 17 июля 1944 года было сбито 343 бомбы Фау-1, или 10% от общего количества бомб Фау-1, отправленных немцами, и около 20% от общего количества сбитых бомб Фау-1. С 17 июля по 31 августа количество убитых автоматами увеличилось до 1286 ракет Фау-1, или 34% от общего количества Фау-1, отправленных из Германии, и 50% фактически сбитых Фау-1 над Лондоном. Из этой статистики видно, что автоматизированные системы, которые Бод помогал разработать, оказали значительное влияние на решающие сражения Второй мировой войны . Также видно, что Лондон во время Блица стал, среди прочего, исходным полем битвы роботов .

Синергия с Шеннон

В 1945 году, когда война подходила к концу, NDRC выпускал краткие технические отчеты в качестве прелюдии к своему окончательному закрытию. В томе об управлении огнем специальное эссе под названием « Сглаживание и прогнозирование данных в системах управления огнем» , в соавторстве с Ральфом Биби Блэкманом , Хендриком Боде и Клодом Шенноном , официально представило проблему управления огнем как особый случай передачи, манипулирования и использования. интеллекта , другими словами, он смоделировал проблему с точки зрения обработки данных и сигналов и, таким образом, возвестил наступление информационной эпохи . Эта работа оказала большое влияние на Шеннона, которого считают отцом теории информации . Ясно, что технологической конвергенции в информационную эпоху предшествовала синергия между этими научными умами и их сотрудниками.

Дальнейшие достижения военного времени

В 1944 году Боде был назначен руководителем группы математических исследований в Bell Laboratories.

Его работа над электронными коммуникациями, особенно над дизайном фильтров и эквалайзеров, продолжалась в это время. В 1945 году его кульминацией стала публикация его книги под названием Network Analysis and Feedback Amplifier Design , которая считается классикой в области электронных телекоммуникаций и широко использовалась в качестве учебника для многих программ аспирантуры в различных университетах, а также для внутренние учебные курсы в Bell Labs. Он также был плодовитым автором многих исследовательских работ, опубликованных в престижных научных и технических журналах .

В 1948 году президент Гарри С. Трумэн вручил ему Почетную грамоту президента в знак признания его выдающегося научного вклада в военные усилия и в Соединенные Штаты Америки.

Вклады мирного времени

Смена фокуса

Когда война подошла к концу, его исследовательский центр сместился и стал включать не только военные, но и гражданские исследовательские проекты. В военной сфере он продолжил исследования в области баллистических ракет, включая исследования в области противоракетной обороны и связанных с ней вычислительных алгоритмов , а в гражданской сфере он сосредоточился на современной теории связи. На послевоенном военном фронте он работал над ракетным проектом Nike Zeus в составе команды с Douglas Aircraft , а затем над разработкой противобаллистических ракет .

Уход из Bell Labs

В 1952 году его повысили до уровня директора по математическим исследованиям Bell Labs . В 1955 году он стал директором по исследованиям в области физических наук и оставался там до 1958 года, когда его снова повысили до одного из двух вице-президентов, отвечающих за военные разработки и системную инженерию, и эту должность он занимал до выхода на пенсию. Он также стал директором Bellcomm, компании, связанной с программой Apollo .

Его прикладные исследования в Bell Labs на протяжении многих лет привели к многочисленным запатентованным изобретениям, некоторые из которых были зарегистрированы на его имя. К моменту выхода на пенсию у него было в общей сложности 25 патентов в различных областях электротехники и связи, включая усилители сигналов и системы управления артиллерией .

Он ушел из Bell Labs в октябре 1967 года в возрасте 61 года, прекратив сотрудничество, которое длилось более четырех десятилетий и изменило облик многих основных элементов современной инженерии.

Гарвард

Профессорство Гордона Маккея

Вскоре после выхода на пенсию Боде был избран на престижную с академической точки зрения должность профессора системной инженерии Гордона Маккея в Гарвардском университете .

Во время своего пребывания там он занимался исследованиями алгоритмов принятия военных решений и методов оптимизации , основанных на случайных процессах , которые считаются предшественниками современной нечеткой логики . Он также изучал влияние технологий на современное общество и читал курсы по тому же предмету на Гарвардском семинаре по науке и государственной политике, одновременно руководя и обучая студентов и аспирантов в отделе инженерии и прикладной физики.

Наследие исследований

Хотя его профессорские обязанности требовали его времени, он внимательно следил за тем, чтобы оставить свое исследовательское наследие. Одновременно он работал над новой книгой, в которой излагался его обширный опыт исследователя в Bell Labs, которую он опубликовал в 1971 году под названием « Синергия: техническая интеграция и технологические инновации в системе Bell» . Используя термины, легко доступные даже для неспециалистов, он проанализировал и расширил технические и философские аспекты системной инженерии, практикуемой в Bell Labs. Он объяснил, как сливаются, казалось бы, разные области инженерии, руководствуясь необходимостью потока информации между компонентами системы, выходящей за пределы ранее четко определенных границ, и таким образом познакомил нас с технологической сменой парадигмы . Как видно из названия книги, а также из ее содержания, он стал одним из первых представителей технологической конвергенции , инфометрии и обработки информации еще до того, как эти термины вообще появились.

В 1974 году он вышел на пенсию во второй раз, и Гарвард присвоил ему почетное звание заслуженного профессора . Тем не менее он сохранил свой офис в Гарварде и продолжил работать оттуда, в основном в качестве советника правительства по вопросам политики.

Академические и профессиональные отличия

Боде отмечен наградами, наградами и профессиональными знаками отличия.

Академические медали и награды

В 1960 году он получил премию Эрнеста Орландо Лоуренса .

В 1969 году IEEE наградил его знаменитой медалью Эдисона за « фундаментальный вклад в искусство коммуникации, вычислений и управления; за лидерство в использовании математической науки в инженерных проблемах; а также за руководство и творческие советы в области системной инженерии » - дань уважения красноречиво резюмировал широкий спектр его инновационных вкладов в инженерные науки и прикладную математику в качестве исследователя и в общество в качестве советника и профессора.

В 1975 году Американское общество инженеров-механиков наградило его медалью Руфуса Ольденбургера, цитируя: « В знак признания его достижений в развитии науки и технологий автоматического управления и, в частности, за его разработку методов частотной области, которые широко используются при разработке обратной связи. системы управления ".

В 1979 году он стал первым лауреатом Премии Ричарда Беллмана за культурное наследие от Американского совета по автоматическому контролю . Награда вручается исследователям, «внесшим выдающийся вклад в теорию или приложения автоматического управления », и «это высшее признание профессиональных достижений американских инженеров и ученых по системам управления ».

Посмертно , в 1989 году, Общество систем управления IEEE учредило Премию Хендрика В. Боде за лекции , чтобы: признать выдающийся вклад в науку и технику систем управления.

Членство в академических организациях и государственных комитетах

Он также был членом или членом ряда научных и инженерных обществ, таких как IEEE , Американское физическое общество , Общество промышленной и прикладной математики и Американская академия искусств и наук , независимая Американская академия, не входящая в Национальные академии США .

В 1957 году он был избран членом Национальной академии наук , старейшей и самой престижной Национальной академии США, созданной в разгар гражданской войны в 1863 году тогдашним президентом Авраамом Линкольном .

КОСПУП

С 1967 по 1971 год он был членом Совета Национальной академии наук. В то же время он был представителем инженерной секции Академии в Комитете по науке и государственной политике (COSPUP).

Будучи глубоким мыслителем и ясным писателем, он внес значительный вклад в три важных исследования COSPUP: фундаментальные исследования и национальные цели (1965 г.) , « Прикладная наука и технологический прогресс» (1967 г.) и « Технология: процессы оценки и выбора» (1969 г.) . Эти исследования имели дополнительное различие быть первым , когда - либо быть готовой Академией для законодательной власти , или более конкретно для Комитета по науке и астронавтике в Палате представителей США , таким образом выполняя мандат Академии, в соответствии с его Уставом, а консультативный орган при правительстве США .

Специальный комитет по космической технике

Хендрик Уэйд Боде (см. Увеличение слева) на заседании Специального комитета по космической технике 26 мая 1958 года (четвертый слева). Вернер фон Браун стоит во главе стола и смотрит в камеру.

Предшественником НАСА была NACA. Специальный комитет NACA по космическим технологиям также назывался Комитетом Стива , в честь его председателя Гайфорда Стива , был специальным руководящим комитетом, который был сформирован с мандатом для координации различных ветвей федерального правительства, частных компаний, а также университетов в Соединенных Штатах. с целями NACA, а также использовать их опыт для разработки космической программы. В состав комитета вошли: Боде и Вернер фон Браун, основатели космической программы США.

Историческая ирония заключается в том, что Хендрик Уэйд Боде, человек, который помог разработать роботизированное оружие, сбившее нацистские летающие бомбы Фау-1 над Лондоном во время Второй мировой войны, на самом деле служил в том же комитете и сидел за одним столом с Вернером. фон Браун, который работал над разработкой V-1 и был главой команды, которая разработала V-2, оружие, терроризировавшее Лондон.

Хобби и семейная жизнь

В свободное время Бод был заядлым читателем. Вместе со своей женой Барбарой он также написал в соавторстве с женой Барбарой художественный рассказ, который был опубликован журналом Harper's Magazine в августе 1936 года. Боде также любил кататься на лодке . В начале своей карьеры, работая в Bell Labs в Нью-Йорке, он плавал на лодке по проливу Лонг-Айленд-Саунд . После Второй мировой войны он купил лишний десантный корабль ( LCT ), на котором исследовал верховья Чесапикского залива у восточного берега Мэриленда . Он также любил заниматься садоводством и делать проекты своими руками. Был женат на Барбаре Боде ( урожденной Пур). Вместе у них было двое детей; Доктор Кэтрин Бод Дарлингтон и миссис Энн Хэтэуэй Бод Орнес.

Инженерное наследие

Боде, несмотря на все высокие награды, полученные им как от академии, так и от правительства, не почивал на лаврах. Он считал , что проектирование, как институт, заслужил место в Пантеоне в научных кругах столько , сколько сделала науку. С типичной инженерной находчивостью он решил проблему, помогая создать новую академию.

Он является одним из основателей и служил в качестве постоянного члена в Национальной академии наук , которая была создана в декабре 1964 года , только второй Национальной США академии в сто один год с момента создания первого, и который в настоящее время является составной частью из Национальной академии Соединенных Штатов .

Таким образом, он помог сублимировать извечную дискуссию инженеров и ученых и превратить ее в дискуссию между учеными. Это тонкое, но очень символичное достижение составляет неотъемлемую часть его наследия.

Хендрик Уэйд Бод умер в возрасте 76 лет в своем доме в Кембридже, штат Массачусетс .

Публикации

Сетевой анализ и конструкция усилителя обратной связи (1945)
Синергия: техническая интеграция и технологические инновации в системе Bell (1971)
Счетный дом (Художественная литература) Хендрик В. (Hendrik Wade) Боде и Барбара Боде Журнал Харпер Отделение «Львиная пасть». С. 326–329, август 1936 г.

Научные статьи в Bell Labs

Выдано патентов США

Патентное ведомство США выдало Боде двадцать пять патентов на его изобретения. Патенты охватывали такие области, как сети передачи данных, электронные фильтры , усилители, механизмы усреднения, сети сглаживания данных и артиллерийские компьютеры.

Languages

In other projects