	Уровень: Глоссарии:

Общие закономерности управления в биологических, технических и социальных системах. Обратная связь

На методы исследования и способы решения практических задач в самых разнообразных областях науки и техники: биологии^* и медицине, технике связи и автоматике, вычислительной технике и экономике, - большое влияние оказывает кибернетика.^* В основе кибернетики лежит идея возможности использовать общий подход к рассмотрению процессов управления в системах различной природы. Кроме общих соображений методологического характера кибернетика дает мощный аппарат количественного описания процессов, основанный на методах теории информации, теории динамических систем, теории алгоритмов и теории вероятностей.

Рождение кибернетики принято связывать с именем Норберта Винера, который в 1948 г. опубликовал книгу "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине". Однако, необходимо отметить, что по существу ряд научных направлений, составляющих основные положения кибернетики, разрабатывался задолго до его исследований. Так, еще в 1843 году польский мыслитель Б.Трентовский опубликовал мало известную в настоящее время книгу "Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом". Д.К. Максвелл^* и И.А.Вышнеградский^* внесли значительный вклад в теорию регулирования и теорию систем^* с обратной связью, а идеей создания цифровых вычислительных машин интересовались Б.Паскаль^* и Г.Лейбниц. Но только после публикации работ Винера началась цепная реакция^* формирования общей теории управления.

Одной из основных идей кибернетики явился новый взгляд на составляющие, из которых состоит окружающий нас мир. Классическому представлению о мире, состоящем из материи и энергии, уступило место представление о мире, состоящем из трех составляющих: энергии, материи и информации. Без информации немыслимы организованные системы, но именно такими системами являются наблюдаемые в природе живые организмы и созданные человеком управляемые системы. Более того, они не только являются организованными, но и сохраняют свою организованность со временем, не растрачивая ее, как следовало бы из второго принципа термодинамики. Единственным возможным материалистическим объяснением факта сохранения организованности является непрерывное извлечение из внешнего мира потока информации о происходящих в нем явлениях и происходящих в самих системах процессах.

Кибернетика рассматривает управляемые системы не в статистическом состоянии, а в их движении и развитии. Рассмотрение систем в движении коренным образом меняет подход к их изучению. В ряде случаев это позволяет вскрывать закономерности и факты, которые иначе оказались бы невскрытыми. Например, для оценки работоспособности многих систем или выяснения возможности их длительного существования решающее значение имеет такое функциональное свойство систем, как их устойчивость. Для изучения этого свойства принципиально необходимо рассмотрение динамики^* процессов, происходящих в системах.

Кибернетика^* рассматривает не изолированные системы, а системы, взаимодействующие друг с другом. Она учитывает те многообразные связи, которые образуются между отдельными частями сложных систем и определяют их свойства, поведение, развитие, гибель и воспроизведение.

Кибернетический подход отличается относительностью точки зрения на систему. Эта относительность проявляется в том, что одна и та же совокупность элементов в одном случае может рассматриваться как самостоятельная система, а в другом - как часть некоторой большей системы, в которую она входит в качестве составляющей. Так, например, компьютер сам по себе может рассматриваться как некоторая динамическая система, но как систему можно рассматривать совокупность компьютера и человека, выполняющего работу при помощи компьютера. Эта совокупность, в свою очередь, является частью системы, в качестве которой рассматривается организации, в которой работает человек, и т.д. Свойства и особенности любых объектов не могут быть правильно оценены и учтены без рассмотрения многообразных связей и взаимодействий между отдельными объектами и окружающей их средой. Для кибернетического подхода характерен учет влияния среды на управляемые системы.

Понятно, что невозможно учесть все бесчисленное множество факторов, прямо или косвенно влияющих на поведение рассматриваемой системы. Поэтому приходится считаться с наличием случайных факторов. Для их учета в кибернетике используются статистические методы, благодаря которым возможно предсказывать поведение достаточно сложных систем, хотя лишь в вероятностном аспекте.

К основным задачам кибернетики^* относятся:

а) установление фактов, общих для всех управляемых систем или по крайней мере для некоторых их совокупностей;
б) выявление ограничений, свойственных управляемым системам, и установление их происхождения;
в) нахождение общих законов, которым подчиняются управляемые системы;
г) определение путей практического использования установленных фактов и найденных закономерностей.

Кибернетика как наука об управлении изучает только управляемые системы. Но область применения кибернетики распространяется на самые разнообразные системы: технические, биологические, экономические, любые другие, но при условии, что в них осуществляется управление. Соответственно приложение общих методов кибернетики для решения практических задач изучается в таких прикладных науках, как техническая кибернетика, экономическая кибернетика, биологическая кибернетика и т.п.

Одной из основных особенностей управляемой системы является ее способность изменять свое движение, переходить в другие состояния под влиянием управляющих воздействий. Так, автомобиль может занимать различные положения в пространстве, может двигаться в различных направлениях и с различной скоростью в зависимости от того, как им управляют. Воинское подразделение выполняет определенный маневр по соответствующим командам, причем этот маневр отличается от того, который оно способно выполнять по другим командам. Холодильный агрегат в холодильнике включается или выключается в зависимости от температуры воздуха внутри холодильного шкафа.

У управляемых систем всегда существует некоторое множество возможных изменений, из которого производится выбор предпочтительного изменения. Если у системы нет выбора, то не может быть и речи об управлении.

Изучение поведения любой управляемой системы должно производиться с учетом ее связей с окружающей средой. Поскольку все объекты, явления и процессы взаимосвязаны и влияют друг на друга, то, выделяя какой-либо объект, необходимо учитывать влияние среды на этот объект и его влияние на окружающую среду.

Таким образом, каждая кибернетическая система характеризуется свойствами тех объектов, которые составляют эту систему, и связями этой системы со средой. Конкретная кибернетическая система состоит из конкретных объектов (например, машин, природных ресурсов, людей и т.п.); ее связи с окружающей средой выражаются в виде определенных физико-химических величин (сил, потоков энергии или материи и т.п.).

Отвлекаясь от конкретных особенностей отдельных систем и выделяя общие для некоторого множества систем закономерности, вводят понятие абстрактной кибернетической системы. Последняя отличается от других систем тем, что ее составляющие описываются не в терминах названий объектов, а представляют собой некоторую абстрактную совокупность элементов, характеризующихся определенными свойствами, общими для широкого класса объектов.

Связи абстрактной кибернетической системы со средой определяются в виде количественных характеристик безотносительно к качественной природе конкретных связей. Переход от рассмотрения конкретных систем к абстрактной кибернетической системе носит такой же характер, как переход от действий над конкретными числами - в арифметике, к действиям с абстрактными числами - в алгебре.

Поскольку под кибернетическими системами понимаются управляемые системы, то в них всегда должен присутствовать элемент, осуществляющий функции управления. Иногда эти функции выполняются попутно органами, предназначенными для других целей, но часто этот управляющий элемент локализован в органах, предназначенных для управления. В этом случае управляемая система может быть схематически изображена в виде совокупности двух частей: управляющей (А) и управляемой (В), взаимодействующих между собой (рис. 4.1).

Рис.4.1. Взаимодействие управляющей(А)и управляемой (В)частей кибернетической системы

Такого рода простейшие управляемые системы никогда не являются изолированными. Они взаимодействуют с внешней средой, друг с другом, могут составлять более сложные управляемые системы, входя в качестве элементов в управляемые и управляющие части более сложных систем (рис. 4.2).

Рис.4.2. Взаимодействиеуправляюших и управляемых частей кибернетической системы и взаимодействие с внешней средой

Применимость понятия "кибернетическая система" к конкретной системе зависит не только от нее самой, но также и от целей исследователя системы. Так, например, самолет может изучаться как управляемая, а следовательно, кибернетическая система в процессе создания автопилота или при решении задачи выбора наивыгоднейшей программы полета. Однако при решении других задач этот же самолет может изучаться как тело, характеризующееся определенным сопротивлением обтекающему его воздушному потоку, или как конструкция, обладающая определенной жесткостью.

Таким образом, термин "кибернетическая система" характеризует не только и даже не столько определенный класс систем, сколько подход к их рассмотрению, подход, основанный на изучении свойств и особенностей системы как управляемой.

Свойством управляемости, очевидно, может обладать не любая система. Необходимым условием наличия в системе хотя бы потенциальных возможностей к управлению является ее организованность. Так, например, газ, состоящий из хаотически движущихся молекул, обладает, очевидно, нулевой организованностью, а организмы, способные к поддержанию своего существования и к воспроизведению, обладают высокой степенью организованности. Понятно, что не все организованные системы являются кибернетическими, хотя все кибернетические системы обладают определенной организованностью.

На рис.4.3 схематически показана система в виде некоторой части пространства, в которой сосредоточены все ее элементы, и связи системы с окружающей средой. Стрелки на линиях, изображающих связи, указывают направления, в которых передаются воздействия. Через X_i обозначены воздействия системы на среду, а через Y_i - воздействия среды на рассматриваемую систему. Эти связи могут выражать воздействия, сосредоточенные в определенных точках системы, например, в виде силы, приложенной к элементу системы; они могут также иметь распределенный характер, воздействуя на поверхность или на каждую точку всей системы или некоторой ее части. В качестве распределенных воздействий могут выступать тепловые воздействия, давление на поверхности частей системы, воздействия гравитационных^* или магнитных полей и т.п.

Требуемое поведение управляемой системы достигается за счет управляющих воздействий, под влиянием которых система целенаправленно изменяет свое состояние. Искусственная управляемая система оценивается ее создателем. Биологические управляемые системы сформировались в процессе эволюционного развития живой природы, для них целенаправленность управления означает влияние организма на его выживание и размножение.

Внешние воздействия на систему, которыми можно распоряжаться при управлении ею, являются управляющими воздействиями. Воздействие на поведение системы может достигаться как путем воздействий на ее координаты, так и путем изменения параметров управляемой системы - объекта управления.

Возможности управления тем шире, а управление - тем эффективнее, чем шире диапазон значений, которые могут принимать управляющие воздействия в процессе управления. Однако, в реальных системах диапазон изменения любого управляющего воздействия всегда ограничен.

Управление каким-либо объектом может осуществляться при помощи нескольких управляющих воздействий, каждое из которых ограничено некоторыми предельными значениями. Поэтому в пространстве управляющих воздействий Y₁, Y₂, ... , Y_m может быть выделена область, удовлетворяющая условиям

Y'_i < Y_i < Y''_i (i = 1, 2, ... , m),

внутри которой лежат точки, изображающие все возможные совокупности управляющих воздействий. Эту область называют областью возможных воздействий.

Часто управляющие воздействия могут принимать только конечное число фиксированных значений или могут рассматриваться как такие величины. В этом случае область возможных управляющих воздействий содержит конечное число возможных совокупностей управляющих воздействий. Его называют множеством возможных воздействий. Например, температура в холодильнике может поддерживаться близкой к заданному значению путем включения и выключения холодильного агрегата. Множество возможный воздействий такой системы состоит всего из двух управляющих воздействий: "включено" и "выключено".

Для управления каким-либо объектом нужно определенным образом изменять управляющие воздействия на него. Такое изменение управляющих воздействий может осуществляться при помощи сигналов управления, несущих сообщения о требуемых значениях управляющих воздействий. Часть системы, вырабатывающая сигналы управления, называется управляющим устройством.

Если требуемое поведение, условия работы объекта, а также его свойства заранее известны, то информация о последовательности управляющих воздействий может быть введена в управляющее устройство в виде программы управления заранее. Если же данные, необходимые для составления программы управления, заранее неизвестны, то формирование управляющих воздействий может быть организовано в управляющем устройстве. Это реализуется на основании информации об обстановке, складывающейся в процессе функционирования системы. Такой информацией могут служить данные о состоянии управляемой системы, требуемом ее состоянии, возмущающих воздействиях, а также характеристиках управляемой системы.

Переработка этой информации в управляющем устройстве по определенным правилам позволяет сформировать управляющие воздействия. Совокупность правил, по которым информация, поступающая в управляющее устройство, перерабатывается в сигналы управления, называется алгоритмом управления.

Бывает, что управление нужно не только для нормального функционирования системы, но и для обеспечения ее развития в требуемом направлении (например, для развития организма из зародыша, модернизации развития предприятия, совершенствования транспортной системы и т.п). Управление в этом случае состоит в формировании плана развития объекта и в реализации этого плана. План развития живых организмов храниться в наследственной информации, заложенной в хромосомах^*. План развития какой-либо экономической системы оформляется обычно в виде проекта, то есть документа, содержащего информацию о воздействиях (в виде капиталовложений, преобразований объектов и т.п.), приводящих к требуемому изменению во времени функций системы и ее структуры.

С учетом изложенных положений для систем любой природы понятие "управление" можно определить следующим образом.

Рис.4.4. Схема простейшей системы управления

Управление - это воздействие на объект, выбранное из множества возможных воздействий на основании имеющейся для этого информации, улучшающее его функционирование или развитие.

Управляемый объект и присоединенное к нему управляющее устройство образуют систему управления. Простейшая система управления показана на рис.4. Сигналы управления, вырабатываемые управляющим устройством (УУ) на основании информации Z поступают в так называемый исполнительный орган (ИО), изменяющий управляющее воздействие Y на объект О в соответствии с сигналами управления.

В системах управления решаются задачи следующих четырех типов: стабилизации, выполнения программы, слежения и оптимизации.

Задача стабилизации системы состоит в поддержании управляющих величин X_i вблизи некоторых неизменных заданных значений X₀ при условии наличия возмущений М, влияющих на значения Х_i. Так, для нормальной жизнедеятельности организма теплокровного животного с учетом возможности изменений во внешней среде, необходимо стабилизировать такие величины, как температуру тела, состав и давление крови. В системах энергоснабжения вне зависимости от изменения потребления энергии должны быть стабилизированы напряжение и частота тока.

Задача выполнения программы возникает в случаях, когда заданные значения величин X₀ изменяются во времени заранее известным образом. Например, для обеспечения вывода космического летательного аппарата на заданную траекторию ее ракета-носитель управляется по заранее известной программе; с целью компенсации вращения Земли перемещается по определенной программе труба телескопа. Задача управления по программе возникает в производстве при выполнении работ согласно заранее намеченному графику. В биологии примерами действий типа "выполнение программы" являются развитие организма из зерна, яйца или клетки, сезонные перелеты птиц, метаморфозы насекомых.

В случаях, когда изменение заданных значений управляемых величин заранее неизвестно, возникает задача слежения. Последняя связана с обеспечением соответствия между параметром текущего состояния системы X(t) и некоторым значением X₀(t). Необходимость в слежении возникает, например, при управлении производством товара в условиях неопределенности изменений спроса; при управлении ритмом и глубиной дыхания, которые должны следовать за изменениями физической нагрузки на организм; при управлении антенной радиолокатора, которая должна следить за непредсказуемыми движениями маневрирующего самолета.

В ряде случаев задача управления не может быть сформулирована как задача обеспечения соответствия состояния системы заданному ее состоянию (постоянному или изменяющемуся), поскольку сведения о заданном состоянии не могут быть введены в систему управления заранее или получены в процессе ее работы. Такая ситуация возникает, например, при управлении энергетическим агрегатом, работающим в сложных изменяющихся условиях, когда цель управления состоит в обеспечении оптимального, иногда максимально возможного значения коэффициента полезного действия агрегата в любых режимах его работы. В подобных случаях возникает задача оптимизации.

Задачи оптимизации - это установление оптимального, (в определенном смысле) режима работы управляемого объекта. К подобным задачам относятся: управление экономической системой с целью оптимизации прибыли, управление технологическими процессами с целью минимизации потерь сырья и полуфабрикатов и.т.п.

Свойства систем управления существенно зависят от того, какие источники информации используются в управляющем устройстве для формирования сигналов управления.

Системы, в которых для формирования управляющих воздействий не используется информация о значении управляемых величин, принимаемых ими в процессе управления, называются разомкнутыми системами управления. Структура такой системы управления показана на рис. 5. Алгоритм управления, реализуемый управляющим устройством УУ, основан на идее компенсации возмущений: для каждого возмущения М при помощи преобразования подбирается такое значение Y, которое компенсирует влияние М на управляемую величину Х.

Рис.4.5. Схема разомкнутой системы управления

Системы, в которых для формирования управляющих воздействий используется информация о значении управляемых величин, называются замкнутыми системами управления. Структура замкнутой системы управления показана на рис. 4.6. Название "замкнутая" связано с наличием замкнутого контура в цепи передачи воздействий.

Рис.4.6. Схема замкнутой системы управления

Связь между выходным воздействием i-го элемента системы X_i и входом j-го элемента Y_j называется прямой связью.

Связь между выходом X_i и входом Y_j того же самого элемента называется обратной связью.

Обратная связь может осуществляться либо непосредственно от выхода элемента системы на его вход, либо через другие элементы системы. В разомкнутых системах управления используются только прямые связи, в замкнутых же системах - используются еще и обратные связи. Связь между выходом и входом элемента системы называется 1 обратной 0 потому, что передача воздействий в этом случае направлена в сторону, противоположную направлению передачи воздействий в этом элементе.

Обратная связь является одним из важнейших понятий кибернетики. Обратную связь можно обнаружить при изучении процессов, протекающих в живых организмах, экономических структурах, системах автоматического регулирования.

Обратная связь, увеличивающая влияние входного воздействия на выходную величину элемента системы, называется положительной, а уменьшающая это влияние - отрицательной.

Отрицательная обратная связь способствует восстановлению равновесия в системе при нарушении его внешним воздействием. Положительная же обратная связь вызывает еще большее отклонение, чем то, которое вызвало бы внешнее воздействие в отсутствие обратной связи. Любая система, содержащая обратную связь, представляет собой систему с замкнутым контуром передачи воздействий.

Преимущество замкнутых систем управления состоит в том, что в них можно обеспечить достижение цели управления в условиях, когда возмущающих воздействий много, и не все они могут быть измерены, а также в случаях, когда влияние возмущений на управляемые величины заранее неизвестно.

Рис.4.7. Схема комбинированной системы управления

Преимущество разомкнутых систем управления состоит в том, что управляющие воздействия изменяются в соответствии с изменением возмущающих воздействий сразу, еще до того, как возмущения успеют существенно изменить значение управляемой величины.

Совмещение преимуществ разомкнутых и замкнутых систем управления достигается в комбинированной системе управления. Ее структура показана на рис.7. Здесь в формировании сигналов управления участвует информация как об основных возмущающих воздействиях, так и о значениях управляемых величин. При этом быстрая, но приближенная компенсация возмущения достигается за счет первой составляющей управляющего воздействия, которая зависит от контролируемого возмущения. Точное, но постепенное управление выполняет вторая составляющая управляющего воздействия. Она зависит от отклонения управляемой величины и сводит это отклонение к допустимому значению, какова бы ни была причина его появления.

Примером управляемой системы является человек. У него в качестве управляющего устройства выступает мозг^*, а в качестве объекта управления, в частности, рука. Здесь управляющими воздействиями являются мускульные усилия, которые, естественно, у каждого человека имеют свой диапазон изменений. Очевидно, сигналы управления в рассматриваемом случае реализуются в виде сигналов, вырабатываемых в коре больших полушарий мозга и передаваемых по нервной системе. Сами эти сигналы или формируются в соответствии с выбранной программой (например, при беге на лыжах), или вырабатываются по информации, получаемой от органов чувств (например, глаза).

Очевидно, рассматриваемая система способна решать задачи управления всех четырех типов (стабилизации, выполнения программы, слежения, оптимизации). Такая система, конечно же, является комбинированной и может при определенных условиях функционировать как разомкнутая (например, в темноте), и как замкнутая (например, при нормальной видимости).

Рука человека с помощью мозга, нервной системы, органов зрения и осязания при нормальных условиях функционирования обеспечивает обратную связь, причем эта связь, несомненно, является отрицательной. И если появляется противодействие движению руки в заданном направлении, или возникает преграда, то организм реагирует на них вполне однозначно.

Суть кибернетического подхода в данном случае состоит в том, что и движение руки человека и, например, движение манипулятора промышленного робота можно исследовать в одних и тех же терминах.