§ 4. Информация и управление

Определения и обозначения

Управление — целенаправленное воздействие на объект, которое переводит его в нужное состояние или поддерживает его работу. Оно нужно, чтобы согласовать действия объекта с поставленной целью, например поддерживать заданную температуру в помещении.

Объект управления — система или процесс, состояние которого требуется изменить или сохранить. На объект воздействует управляющее устройство, а сведения о его состоянии помогают понять, нужно ли продолжать выбранное действие.

Управляющее устройство — человек, прибор или программа, которые выбирают и передают команды объекту. Оно использует информацию о цели и текущем состоянии, чтобы сформировать подходящее воздействие.

Обратная связь — передача управляющему устройству информации о результатах его команды. Она нужна для проверки результата: если объект отклонился от цели, устройство может изменить воздействие, а не продолжать действовать вслепую.

Управляющее воздействие — команда или сигнал, который меняет состояние объекта. В простейшей модели данные о состоянии поступают управляющему устройству, оно вырабатывает воздействие, а результат может вернуться по каналу обратной связи.

Как это устроено

Любое управление начинается с цели: без неё нельзя определить, какое состояние считать правильным. Управляющее устройство должно знать не только желаемый результат, но и то, что происходит с объектом сейчас. Разница между этими сведениями показывает, требуется ли вмешательство и в какую сторону его направить.

Информация о состоянии объекта поступает к управляющему устройству по каналу связи. Она может быть получена датчиком, наблюдением человека или программой, обрабатывающей входные данные. Канал важен потому, что команда зависит от точности и своевременности сведений: запоздалые данные могут описывать состояние, которое уже изменилось.

Получив данные, управляющее устройство выбирает воздействие и передаёт его объекту. Например, если контроллер получает сигнал, что температура ниже заданной, он включает нагреватель. Воздействие изменяет объект не мгновенно, поэтому результат может отличаться от ожидаемого; устройство должно учитывать это при выборе следующей команды.

Если система получает сведения о результате, управление называют замкнутым: информация возвращается по каналу обратной связи. Устройство сравнивает результат с целью и при необходимости корректирует команду. Так термостат выключает нагрев после достижения заданной температуры, а при дальнейшем охлаждении снова включает его.

При разомкнутом управлении команда подаётся без проверки того, что получилось. Такой способ подходит, когда условия предсказуемы и результат не требуется постоянно уточнять, например для однократного сигнала таймера. Но если на объект влияют помехи или меняются внешние условия, заранее заданная команда может оказаться недостаточной.

Обратная связь бывает не только технической: человек тоже оценивает результат своих действий и меняет план. В автоматической системе сведения о состоянии часто собирают датчики, а решение принимает программа. Качество управления зависит от того, насколько точно цель и состояние представлены в информации и успевает ли управляющее устройство отреагировать.

Виды управления и обратной связи

Сравнивайте системы по тому, получает ли управляющее устройство информацию о результате и как использует её. Таблица помогает определить, сможет ли система самостоятельно исправить отклонение от цели. Для анализа конкретного примера найдите в нём управляющее устройство, объект и путь передачи сведений.

Разбор задач

Задача. Термостат должен поддерживать температуру 20 °C. Датчик сообщает, что в комнате 17 °C, после чего термостат включает нагреватель. Позже датчик показывает 20 °C, и нагреватель выключается. Определите объект управления, управляющее устройство, информацию о состоянии, управляющее воздействие и тип управления.

1. Сначала определим, что именно требуется менять. Температура воздуха в комнате должна приблизиться к заданному значению, поэтому помещение вместе с воздухом рассматриваем как объект управления.

2. Найдём устройство, которое получает сведения и выбирает команду. Это термостат: он принимает показания датчика и решает, включить нагреватель или выключить его.

3. Выделим информацию и воздействие. Показания датчика 17 °C и 20 °C сообщают о текущей температуре, а включение и выключение нагревателя являются командами, меняющими состояние объекта.

4. Проверим, возвращается ли результат. После включения нагревателя датчик снова измеряет температуру и передаёт показание термостату; значит, система получает информацию о результате действия и может принять следующую команду.

5. Сопоставим показание с целью 20 °C. При 17 °C температура ниже цели, поэтому нагрев включается; при достижении 20 °C необходимость в нагреве исчезает, поэтому термостат его выключает.

Ответ: объект управления — воздух в комнате; управляющее устройство — термостат; информация о состоянии — показания датчика; управляющее воздействие — команды включить или выключить нагреватель. Это замкнутая система управления с обратной связью, потому что сведения о результате нагрева возвращаются термостату и влияют на последующую команду.

Типичные ошибки

• Путать объект управления и управляющее устройство. Их смешивают, потому что оба участвуют в одном процессе, но один изменяет своё состояние, а другое выбирает команду. Проверьте себя вопросом: «На что воздействуют?» — это объект; «Кто или что принимает решение?» — управляющее устройство.

• Считать любую передачу сигнала обратной связью. Обычно замечают сам канал связи, но обратная связь существует только тогда, когда управляющему устройству возвращается информация о результате воздействия. Проверьте, влияет ли эта информация на следующую команду.

• Называть систему замкнутой только потому, что в ней есть датчик. Датчик может передавать сведения, которые устройство не использует для коррекции. Проследите весь путь информации: от измерения до решения, которое меняет воздействие.

• Путать цель с текущим состоянием. Например, заданные 20 °C — это требуемое значение, а показание датчика — то, что есть сейчас. Перед анализом выпишите эти величины отдельно и сравните их, чтобы определить направление коррекции.

Связь с другими темами

Тема управления связана с передачей и обработкой информации: данные нужно получить, представить в подходящем виде и использовать для выбора команды. В информатике это происходит в алгоритмах и программах, которые анализируют входные значения и задают действия устройства. В кибернетике изучают общие закономерности управления в технических, биологических и социальных системах.

Обратная связь встречается и в биологии: организм реагирует на изменения внутренней среды, чтобы поддерживать её устойчивость. В повседневной жизни похожий принцип используется, когда человек сравнивает результат своих действий с целью и меняет план. Во всех случаях важны цель, информация о состоянии и корректировка действий.

Что запомнить

• Управление помогает объекту достичь цели или сохранять нужное состояние.

• Управляющее устройство получает информацию, выбирает команду и передаёт воздействие объекту.

• Обратная связь возвращает сведения о результате и позволяет корректировать управление.

• В разомкнутой системе результат не проверяется, поэтому команда не корректируется автоматически.

• Чтобы разобрать пример, определите цель, объект, устройство, информацию, воздействие и наличие обратной связи.