Некоторые принципы действия систем управления

Прежде всего, рассмотрим некоторые из основных характеристик этих особых систем, известных как системы управления. Две характеристики, с которых мы начнем, касаются очень старой проблемы целенаправленности (purposiveness) действия системы и нового, современного понятия обратной связи.

Было время, когда употребление ученым слова «целенаправленность» по отношению к поведению животных или попытка построить психологию поведения человека на основе учения о целесообразности было равносильно объявлению себя виталистом и исключению из общества всеми уважаемых ученых. Разработка систем управления повышенной сложности, таких, как, например, системы управления самонаводящихся ракет, изменили это положение. Сейчас признано, что механизм, действующий на основе обратной связи, действительно может иметь целевую направленность. Таким образом, в наши дни признавать целенаправленность поведения и рассуждать если не в духе телеологии¹, то, по крайней мере, в духе телеономии (Pittendrigh, 1958)²*, считается не только проявлением здравого смысла (впрочем, как это было всегда), но и вполне укладывается в рамки «высокой» науки.

_________________

¹ Подробнее термины «телеологический» и «телеоиомический» обсуждаются в конце гл. 8, в разделе «Проблемы терминологии».

²* В отличие от телеологии — идеалистического учения о цели и целесообразности — телеономия представляет собой концепцию, описывающую причинные отношения на языке кибернетики, в частности с помощью понятий «программа» и «обратная связь». — Примеч. ред.

Особым свойством, которое дает возможность машине «вести себя» целенаправленно (в смысле достижения заранее заданной цели различными способами), является обратная связь. Это процесс, посредством которого сведения о результатах выполнения действия постоянно направляются в регулирующий центр машины, где они сравниваются с ее первоначальным заданием. Последующее действие машины определяется результатами этого сравнения, и, таким образом, конечный результат действия приближается к первоначальному заданию. Подобно спортсмену, который намеревается пробежать дистанцию в 1,8 км за 4 мин и поэтому тренируется с секундомером в руке для проверки времени на каждом круге, машина постоянно проверяет результаты своих собственных действий и строит свои дальнейшие действия в зависимости от степени совпадения этих результатов с заданными.

Элементарная форма системы управления — это регулятор, «целью» которого является сохранение постоянным какого-либо состояния. Простейший пример — комнатный термостат, который должен на заданном уровне поддерживать комнатную температуру. Действие системы «диктуется» результатами сравнения наличной температуры с заданной. Для проведения такого сравнения системе необходимо: во-первых, первоначальная установка на определенную температуру и, во-вторых, постоянный приток информации о температуре в комнате. Эти показания снимаются с термометра и в соответствующей форме поступают обратно (обратная связь) для сравнения их с первоначально установленной температурой.

Регулятор может быть чрезвычайно простым устройством наподобие обычного комнатного термостата, функции которого сводятся к «включению» тепла, когда температура падает ниже заданного уровня, и к его «выключению», когда температура достигает уровня, выше заданного. Однако у такого простого устройства имеются существенные ограничения. Если температура за пределами помещения вдруг опустится, то температура в комнате тоже может резко упасть, и системе понадобится определенное время, чтобы перестроиться. Если же комнатная температура станет выше заданной, то у системы нет возможности ее снизить. Для преодоления этих ограничений и создания системы, способной поддерживать температуру, близкую к заданной, необходим ряд усовершенствований исходной системы. Например, при повышении температуры термостат мог бы не только «выключать» тепло, но и включать охлаждающую систему. В случае падения температуры его конструкция могла бы реагировать не только на сам факт понижения температуры ниже заданного уровня, но также учитывать величину расхождения, действуя следующим образом: чем больше расхождение — тем чаще «включается» тепло и наоборот. Кроме того, в новой конструкции можно было бы предусмотреть, чтобы фиксировалась не только абсолютная разница температур, но также и скорость, с которой эта разница возрастает или убывает. И чтобы дополнительно гарантировать поддержание температуры на точно заданном уровне, все приборы должны быть в двух или трех экземплярах, возможно, работающих на основе аналогичных, но не идентичных процессов; например, обогревающие приборы могли бы быть как масляными, так и электрическими.

Аналогия между описанием сложного комнатного термостата и инстинктивным поведением человека может показаться слишком далекой. Тем не менее мы даем это описание по двум причинам: во-первых, для того чтобы ознакомить читателя с понятиями установки (setting) (или инструкции), установочной цели и обратной связи в том виде, как они используются в системах управления¹, и, во-вторых, потому что в настоящее время известно, что системы, действующие согласно этим самым принципам, лежат в основе многих физиологических функций. Например, за поддержание постоянного уровня содержания в крови сахара в организме отвечает система управления, использующая все описанные ранее компоненты (Goldman, I960). Это свидетельствует о том, что строение живых организмов включает в себя системы управления, а также подтверждает, что целый ряд их жизненно важных функций весьма существенно от них зависит.

_____________

¹ Хотя понятия «установка» (setting), или «программа» (instruction), и «установочная цель» (set-goal) — неотъемлемые компоненты теории управления, термины «установка» и «установочная цель» таковыми не являются. То, что здесь называется «установкой» или «заданием», инженеры систем управления обычно именуют термином «сигнал команды» (command signal), а вместо слов «цель» или «установочная цель» они используют термин «уровень равновесия» (equilibrium level). Некоторые причины, по которым следует предпочесть названные термины, изложены в разделах последующих глав, а именно, в разделе «Типы систем управления поведением» (гл. 5) и в разделе «Проблемы терминологии» (гл. 8).

Тем не менее описанный регулятор — относительно статичный тип системы, и едва ли он может служить моделью даже простейшей формы инстинктивного поведения. Это система, работающая на основе только одной установки, к тому же постоянной; все, что от нее требуется, — это поддерживать наличное состояние на уровне, как можно более приближенном к заданному. Для нас больший интерес представляет другой тип системы управления — сервомеханизм. В этом случае установка часто или даже постоянно меняется, а задача системы состоит в том, чтобы каждый раз приводить свое действие в соответствие с изменением установки. Хорошо известным примером этого механизма служит рулевое управление автомобиля. Поворачивая рулевое колесо, водитель задает нужное ему положение передних колес, и сервомеханизм «получает задание» привести положение колес в соответствие с этой установкой. Вначале сервомеханизм «сравнивает» фактическое положение передних колес с новой установкой, а затем приводит в соответствие фактическое положение колес с заданным. Когда водитель вновь поворачивает руль, он меняет предыдущую установку на новую, и сервомеханизм «получает» новую цель — «сравнить» фактическое положение с заданным, а затем «обеспечить» совпадение фактического положения с заданным.

Следует отметить, что в обсуждаемых до сих пор системах управления установка машине задается человеком. Сам термостат не устанавливается на какой-либо определенной температуре — ее устанавливает человек; то же происходит и с передними колесами автомобиля. Но можно спроектировать систему управления, для которой установки будут задаваться другой системой. Например, установки, на которых работают сервомеханизмы зенитного орудия, могут поступать от радара, конструкция которого позволяет не только следить за движением самолета, но и выходить за пределы имеющихся в этот момент данных о его движении, чтобы экстраполировать будущее положение самолета. Это позволяет направлять орудие таким образом, чтобы самолет был обязательно сбит. Данный вид систем существует и у живых организмов. Есть основание полагать, что именно наличие у человека систем такого рода, скоординированных между собой в единое целое, дает ему, например, возможность ударять по летящему теннисному мячу. Подобным же образом взаимосвязанные системы позволяют соколу ловить птиц прямо на лету. В дальнейшем такую цель, как попадание по мячу (или по самолету), или ловлю птицы на лету, мы будем называть установочной целью системы.