Основная идея Винера состояла в том, что управление в лю​бых системах — технических, биологических, общественных — определяется одними и теми же законами и тесно связано с обме​ном информацией. Понятие «система» вам знакомо на «бытовом» уровне, теперь мы определим его более строго.

Что такое система?

Представьте себе, что человек, у которого болит голова, при​ходит к врачу. Врач может реагировать на его жалобу двумя спо​собами:​​

• Просто  дать обезболивающее;​ 

   • попытаться выяснить причину головной боли и лечить именно заболевший орган.

В первом случае врач применил простейшую модель: если бо​лит голова, нужно дать таблетку, чтобы она не болела. Во втором варианте врач понимает, что головная боль вызвана какой-то дру​гой болезнью в организме, и лечить нужно именно её. Он рассматривает человека как единое целое как систему, т. е. использует системный подход.

---

Система (от греч. σύστημα  — составленный) — это группа объектов и связей между ними, выделенных из среды и рассматриваемых как одно целое (рис. 1.10).

---

Системный подход состоит в том, что объект исследования рассматривается как система с учётом всех взаимосвязей между её частями.

Системой можно назвать организм жи​вотного и человека, автомобиль, компьютер, семью, общество, и вообще любой достаточно сложный объект, который можно разбить на части. В курсе информатики вы познакоми​лись с понятиями «операционная система», «файловая система», «система программиро​вания».

Различают естественные (природные) системы и искусствен​ные системы(созданные человеком). Любая искусственная систе​ма создана с определённой целью,например русский язык — для общения, дом — для жилья, поезд — для перевозки пассажиров и грузов.

Объекты, из которых строится система, называют её компо​нентами. За счёт связей между частями система обладает особы​ми свойствами, которых нет ни у одного отдельного компонента. Системный эффект состоит в том, что свойства системы нельзя свести к «сумме» свойств её компонентов. Например, скопление клеток — это не живой организм; процессор, память и устройства ввода и вывода, не связанные между собой, — это не компьютер. Все компоненты самолёта тяжелее воздуха, т. е. каждый из них стремится упасть на землю, однако составленная из них система (самолёт) летает.

Одни и те же элементы, связанные по-разному, могут пред​ставлять собой совершенно разные системы. Алмаз (самое твёрдое вещество) и графит (из которого делают грифели карандашей) со​стоят из одних и тех же атомов углерода, но эти вещества имеют разные кристаллические решётки, поэтому обладают разными свойствами.

Если в компоненте системы можно выделить отдельные части и связи между ними,он называется подсистемой (системой более низкого уровня). Как правило, для каждой системы существует надсистема — система более высокого уровня. Например, процес​сор — это подсистема в составе компьютера (он состоит из не​скольких взаимосвязанных узлов), а сам компьютер — подсисте​ма в составе компьютерной сети (надсистемы).

---

Цель работы системы задаётся надсистемой.

---

Например, автомобиль служит для того, чтобы перевозить лю​дей и грузы, цех выполняет задание директора завода, вы учитесь для того, чтобы быть готовыми к жизни после школы и т. д.

Простейшие компоненты системы, которые в данной задаче (!) нет смысла «разбирать» на части, называются её элементами. Например, винтик в составе машины можно считать элементом системы. Однако, с точки зрения химии, металл состоит из ато​мов, связанных в кристаллическую решетку, поэтому при изуче​нии строения вещества тот же «винтик» можно считать системой. На рисунке 1.11 система S состоит из двух подсистем S1 и S2, а также элементов Г и Д.

В результате развития системного подхода в середине XX века появилось новое научное направление — системный анализ. Задача системного анализа - изучение сложных систем (технических, биологических, экономических, социальных) на основе тео​рии управления и теории информации.

 

Системы управления

Во многих системах взаимодействие между подсистемами можно рассматривать как управление. Такие системы (их называ​ют системами управления) всегда содержат управляющий объект (в теории управления его называют регулятором) и управляемый объект (просто «объект»). Цель управления чаще всего задаётся извне, т. е. регулятор является только исполнителем. Например, водитель служебной машины никогда не решает сам, куда везти своего начальника.

Регулятор действует на объект (управляет им) так, чтобы цель была достигнута (рис. 1.12).

Управление (управляющее воздействие) — это сигнал, кото​рый поступает от регулятора к объекту. Это значит, что при управлении передается информация.

На приведённой схеме (см. рис. 1.12) регулятор не получает никакой информации о состоянии объекта, т. е. действует «всле​пую ». Такие простейшие системы управления называют ра​зомкнутыми, в них информация идет только в одну сторону, от регулятора к объекту. Приведём некоторые примеры разомкну​тых систем:

• светофор (выдает вам световой сигнал, но не получает информации о вас);

• табло на вокзале или аэропорту;

• процессор выставляет данные для записи в ОЗУ на шину, ждет некоторое время и затем, без всякого подтверждения от ОЗУ,  продолжает работу (считается, что ОЗУ работает  надежно и за это время данные всегда записываются);

• начальник отдает приказания, но не проверяет их выполнение.

Разомкнутые системы используются в двух случаях. Во-пер​вых, когда регулятору всё равно, реагирует ли объект на управле​ние (светофор, табло). Во-вторых, когда регулятор настолько хорошо знает объект (имеет точную модель объекта), что уверен в выполнении своих команд. Например, начальник, уверенный в исполнительности своих подчинённых, может позволить себе (иногда) не контролировать их.

Достоинство разомкнутых систем — в их простоте. Напри​мер, во многих случаях частоту вращения электродвигателя регу​лируют простым реостатом, при этом не нужно ставить сложный и дорогостоящий датчик частоты вращения.

В ответственных случаях разомкнутые системы лучше не при​менять, потому что они имеют серьезные недостатки:

•​ для достижения цели регулятор должен иметь точную мо​дель объекта; на практике такая модель чаще всего неиз​вестна;

•​ на объект всегда действует внешняя среда, и из-за этого воздействия свойства объекта могут непредсказуемо менять​ся; регулятор в разомкнутой системе не получает об этом никакой информации.

Даже очень исполнительные работники могут в какой-то мо​мент «схалтурить» из-за личных переживаний или неурядиц. По​этому в разомкнутых системах чаще всего нельзя гарантированно достичь цели управления, т. е. решить поставленную задачу.

Для достижения цели регулятор должен получать информа​цию от объекта. Этот канал передачи информации называют обратной связью, потому что по нему информация передаётся (с помощью датчиков) в обратном направлении, от объекта к ре​гулятору (рис. 1.13).

Системы с обратной связью называют замкнутыми система​ми управления, потому что информация передаётся по замкнуто​му контуру, циклически. 

Задача регулятора — сравнить поставленную цель и реальное состояние объекта, а потом выдать нужный управляющий сигнал. Если цель достигнута, как правило, сигнал управления больше не изменяется.

Например, регулировщик, управляющий движением на пере​крёстке, использует обратную связь. Он оценивает (с помощью глаз-датчиков) количество машин, движущихся в разных направ​лениях, и «открывает» то или другое направление. Человек управляет лучше, чем светофор, потому что учитывает реальную обстановку, которая может изменяться непредсказуемо.

Чаще всего реальные системы управления (в природе, техни​ке, обществе) — это замкнутые системы. Они обладают несомнен​ными достоинствами:

• могут решать задачу даже тогда, когда модель объекта не​точна или свойства объекта изменяются во времени;

• позволяют учитывать случайные воздействия внешней среды.

За это приходится расплачиваться усложнением системы — нужны датчики, которые передают информацию от объекта.

Представьте себе, что в тёмной комнате упала на пол пугови​ца, и вы не слышали, как она стукнулась. Сказать точно, где ле​жит пуговица, не сходя с места, невозможно, потому что вы этого не знаете (модель неточна). Вы можете попробовать искать её на ощупь (используя обратную связь — осязание). Если и это не по​лучается, можно включить свет (зрительная обратная связь даёт больше информации), и тогда пуговица точно будет найдена (если она, конечно, там есть). В этом примере датчиками служат наши органы чувств.

Системы с обратной связью широко используются в технике. Это, например, автопилоты на самолётах и судах, регуляторы час​тоты вращения турбин, роботы, оборудованные датчиками (в том числе устройствами «компьютерного зрения»).

Обратная связь существует и в обществе. Жалобы граждан должны помогать работе органов управления, сигнализируя о том, что не всё в порядке. Не зря все официальные учреждения имеют контактные телефоны и сайты в Интернете, с которых можно отправить сообщение с просьбой или предложениями по их работе.

Обратная связь, при которой регулятор стремится уменьшить разницу между заданной целью и фактическим состоянием объек​та, называется отрицательной.

Если нужно быстро перевести объект из одного состояния в другое, иногда применяют положительную обратную связь, при которой регулятор стремится увеличить разницу между заданным значением и сигналом обратной связи. Часто в этом случае систе​ма переходит в колебательный режим, поэтому положительная обратная связь используется в генераторах колебаний. Другой пример положительной обратной связи — цепные реакции в хи​мии и физике (горение, взрыв, ядерные реакции).

Системы управления делятся на автоматические и автомати​зированные. Автоматические системы работают без участия чело​века, например автопилот. В автоматизированных системах сбор и предварительную обработку информации выполняет компью​тер, а решение по поводу управления принимает человек.

Многие системы умеют «подстраиваться» под изменения внешних условий или изменение свойств объекта управления. Они называются адаптивными. Классическая адаптивная систе​ма — глаз человека, который изменяет диаметр зрачка в зависи​мости от освещённости. В технических системах адаптивные регу​ляторы могут управлять объектом, модель которого очень плохо известна или меняется. Они параллельно решают две задачи — управляют и уточняют имеющуюся модель, что, в свою очередь, позволяет улучшить управление.

 

Вопросы и задания

1. Объясните, что такое управление.

2. Как связана информация с управлением?

3. Какая наука изучает общие закономерности процессов управления и передачи информации? Кто считается её основоположником?

4. Что такое система? Чем она отличается от группы объектов? Приведите примеры.

5. Что такое подсистема?

6. Всякий ли объект можно считать системой? Почему?

7. Как вы думаете, можно ли назвать русский язык системой? Обоснуйте ваш ответ.

8. Объясните, почему операционная система, файловая система и система программирования - это именно системы?

9. Что такое системный подход?

10. Чем различаются естественные и искусственные системы?

11. Чем различаются понятия «компонент системы», «элемент системы» и «подсистема»? Приведите примеры.

12. Что такое надсистема? Почему цель для системы всегда задает надсистема? Приведите примеры.

13. Что такое система управления? Какие элементы в ней всегда есть?

14. Что такое обратная связь? Зачем она нужна?

15. От чего зависят свойства системы?

16.  Приведите примеры разомкнутых систем. В чем их достоинства и недостатки?

17. Почему разомкнутые системы не используют в ответственных случаях?

18. Почему разомкнутые системы все же используются, несмотря на их недостатки?

19. Перечислите достоинства и недостатки замкнутых систем. 

20. Приведите примеры управления с обратной связью из разных областей, из вашей жизни.

21. Что такое отрицательная обратная связь?

22. Когда используют положительные обратные связи?

23. Чем различаются автоматические и автоматизированные системы?

24. Что такое адаптивные системы? Приведите примеры.

 

Подготовьте сообщение

а) «Вклад Н. Винера в науку»

б) «Системы управления в природе»

в) «Системы управления в обществе»

г) «Отрицательная и положительная обратная связь»

д) «Что такое адаптивная система?»

---

Вернуться в главу