§ 3. Информационные связи в системах различной природы

Определения и обозначения

Информационная связь — обмен информацией между элементами системы, благодаря которому они могут согласовывать свои действия. Например, сигнал датчика помогает термостату выбрать режим нагрева. Без таких сведений элементу пришлось бы действовать вслепую, не учитывая происходящее в других частях системы.

Информационный канал — путь или средство, по которому информация передаётся от источника к получателю. Им могут быть провод, радиосигнал, нервный импульс или устное сообщение. Понятие канала помогает понять, как именно участники системы обмениваются сведениями и где может возникнуть сбой передачи.

Прямая связь — передача управляющей информации от управляющего элемента к управляемому объекту. Управляющий элемент выбирает команду, а объект получает её и выполняет действие. Это понятие позволяет проследить направление команды и не перепутать её с сообщением о результате.

Обратная связь — передача информации о состоянии или результате работы объекта обратно управляющему элементу. Например, датчик сообщает термостату текущую температуру. Благодаря этим сведениям управляющий элемент может проверить, выполнена ли задача, и при необходимости изменить команду.

Как это устроено

Технические, биологические и социальные системы состоят из элементов, которые должны действовать согласованно. Если каждый элемент реагирует только на собственные условия и не сообщает о них остальным, совместный результат может не совпасть с целью. Поэтому информация помогает системе учитывать состояние частей и координировать действия: датчик передаёт показания, организм — сигналы между органами, а люди — сообщения и отчёты.

Управление начинается с получения сведений: управляющий элемент узнаёт, что происходит, и соотносит это с поставленной целью. Затем он принимает решение и посылает объекту команду по прямой связи. Такая схема нужна, потому что объект сам по себе может не знать общей цели или требуемого режима; команда связывает решение с конкретным действием.

После команды важно выяснить, что произошло на самом деле. По обратной связи управляющий элемент получает сведения о фактическом состоянии объекта или о результате его работы. Сравнение результата с требуемым показывает, выполнена ли задача: без такого сравнения управляющий элемент не отличил бы успешное действие от неудачного.

Обратная связь позволяет корректировать управление, если результат отличается от цели. Термостат получает показание датчика и включает нагрев, когда температура ниже заданной; достигнув нужного значения, система меняет режим. В организме сигналы о состоянии внутренней среды запускают реакции, помогающие поддерживать её постоянство. Руководитель, узнав результаты работы, может изменить план, потому что прежние действия не всегда дают ожидаемый эффект.

В разных системах различаются и каналы, и содержание сигналов: техника использует, например, электрические сигналы, организм — нервные и химические, общество — речь, документы и цифровые сообщения. Однако везде можно найти передачу управляющего сигнала и получение сведений о результате. Общий принцип сохраняется, потому что системе нужно не только воздействовать на объект, но и узнавать, к чему привело это воздействие.

Информационные связи в системах различной природы

Чтобы пользоваться таблицей, выберите систему и проследите её элементы сверху вниз: кто управляет, на что воздействует и какие сведения получает обратно. Затем сравните столбцы: конкретные сигналы разные, но направления прямой и обратной связи совпадают. Если участник непонятен, определите, кто принимает решение, а кто выполняет команду.

Разбор задач

Оператор и компьютер

Условие: в системе «оператор — компьютер» нужно указать источник команды, получателя и информационный канал. Сначала проследим, кто формирует сообщение и к кому оно направлено. Затем назовём средство, по которому компьютер получает команду.

1. Источник команды — оператор: он выбирает действие и вводит соответствующий сигнал.
2. Получатель — компьютер, точнее его устройства и программы, которые принимают команду и обрабатывают её.
3. Канал — устройство ввода и соединение, через которое передаётся сигнал: например, клавиатура или мышь и внутренняя электронная передача данных.

Ответ: оператор является источником, компьютер — получателем, а клавиатура или мышь вместе с каналом передачи данных служит средством передачи команды. Если компьютер показывает результат оператору, это уже обратный поток сведений: важно различать передачу команды и получение ответа.

Термостат и температура

Условие: задана температура 20 °C, датчик показывает 18 °C. Нужно описать прямую и обратную связи и определить действие системы. Сначала отделим измерение от команды: показание датчика сообщает о состоянии, а управляющий сигнал меняет работу нагревателя. Затем сравним фактическую температуру с требуемой.

1. Обратная связь: датчик передаёт термостату значение 18 °C.
2. Термостат сравнивает его с заданием 20 °C и обнаруживает, что в помещении холоднее требуемого.
3. Прямая связь: термостат передаёт нагревателю команду включиться или усилить нагрев.

Ответ: система должна включить нагрев и продолжать получать показания датчика. Когда температура достигнет заданной, термостат сможет отключить или уменьшить нагрев. Такое решение следует из сравнения фактического и требуемого значений, а не только из самого факта наличия датчика.

Автомобиль и организм

Условие: сравнить управление движением автомобиля водителем и регулирование температуры тела. Для каждого случая нужно назвать управляющий элемент, объект, прямую и обратную связи. Чтобы не перепутать роли, сначала выясним, кто принимает решение, а затем — откуда он получает сведения о результате.

1. В автомобиле управляющий элемент — водитель, а объект управления — автомобиль и его движение. По прямой связи водитель передаёт команды через руль и педали, а по обратной получает сведения о скорости и положении машины, наблюдая дорогу и приборы.
2. В организме управляющим элементом выступают регулирующие центры, а объектом — органы и процессы, влияющие на температуру тела. По прямой связи центры передают регулирующие сигналы, а по обратной получают сведения о температуре и состоянии организма.
3. В обоих случаях обратные сведения нужны, чтобы сопоставить фактическое движение или температуру с требуемым состоянием и изменить действие, если есть отклонение.

Ответ: обе системы используют прямую команду и обратное сообщение о результате, хотя сигналы и способы их передачи различаются. Водитель корректирует управление автомобилем по наблюдениям, а организм регулирует процессы по сигналам о внутреннем состоянии. Это сравнение показывает, что один принцип применим и к технической, и к биологической системе.

Типичные ошибки

Ошибка — считать прямую и обратную связь просто передачей информации в двух направлениях. Так можно подумать, потому что сигналы действительно движутся между элементами системы, но направление само по себе не объясняет их роль. Проверьте, что передаётся: команда объекту означает прямую связь, а сведения о состоянии или результате для управляющего элемента — обратную.

Ошибка — называть обратной связью любую реакцию объекта. Реакция может быть физическим изменением, например нагревом, и сама по себе не обязательно сообщает управляющему элементу о результате. Убедитесь, что информация об этой реакции действительно возвращается в контур управления; без такого сообщения это не обратная связь.

Ошибка — путать управляющий элемент с управляемым объектом, особенно когда система сложная и оба участника активно действуют. Для проверки задайте два вопроса: кто принимает решение и кто выполняет воздействие? Тот, кто выбирает или передаёт команду, управляет, а тот, чьё состояние меняют, является объектом управления.

Ошибка — считать, что информационные связи бывают только в технических устройствах. Такое впечатление возникает из-за наглядных датчиков и проводов, но в организме и обществе тоже передаются сигналы и команды. Проверьте пример: если элементы обмениваются сведениями для согласования действий, информационная связь есть независимо от природы системы.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужно понимать, что система состоит из элементов и связей между ними: именно между элементами возникает обмен информацией. Информационный канал и передача сигналов связаны с кодированием и передачей информации, поскольку сообщение нужно представить и доставить получателю. Модель прямой и обратной связи пригодится при изучении алгоритмов управления, автоматических систем и компьютерных сетей: в них тоже важно передать команду и получить сведения о результате.

Что запомнить

• Информационные связи объединяют элементы системы и помогают согласовать их действия.
• По прямой связи управляющий элемент передаёт объекту команду.
• По обратной связи управляющий элемент получает сведения о состоянии или результате работы объекта.
• Обратная связь позволяет сравнить результат с требуемым и скорректировать управление.
• Один и тот же принцип информационного управления встречается в технических, биологических и социальных системах.