"Информатика (базовый уровень)", Гейн А.Г., Юнерман Н.А.
Управление — это целенаправленное воздействие на систему или процесс, которое помогает достичь нужного состояния и поддерживать его. Чтобы управлять, нужно знать цель, передавать объекту команды и, если требуется, получать сведения о результате. Обратная связь позволяет менять команды при изменении условий. Эти идеи лежат в основе работы термостатов, автоматического полива, роботов и других систем, где действия выполняются по алгоритму.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Управление — целенаправленное воздействие на объект для перевода его в нужное состояние или поддержания заданного состояния. Цель помогает понять, какого результата нужно добиться. Без неё нельзя определить, успешно ли подействовала команда.
Объект управления — система или процесс, состоянием которого необходимо управлять. Например, при регулировании температуры объектом становится помещение вместе с воздухом в нём. Это понятие помогает отделить то, что изменяют, от того, кто или что принимает решения.
Управляющая система — устройство, человек или программа, вырабатывающие управляющие воздействия. Она получает сведения об объекте и выбирает подходящую команду. Такое название указывает на источник решений, а не на то, что подвергается воздействию.
Обратная связь — получение управляющей системой информации о текущем состоянии объекта и использование этой информации для коррекции управления. Например, датчик передаёт термостату измеренную температуру. Благодаря обратной связи команда может меняться вслед за изменениями состояния объекта.
Управление всегда связано с целью, потому что результат оценивают относительно того, чего хотели достичь. Для термостата такой целью может быть поддержание заданной температуры, а для полива — достаточная влажность почвы. Если результат заранее не задан, нельзя отличить успешное воздействие от неудачного. Поэтому сначала определяют нужное состояние, а уже затем выбирают действия.
Управляющая система и объект управления образуют взаимосвязанную пару: одна вырабатывает команды, другой изменяет своё состояние под их действием. Обычно система получает сведения об объекте, решает, что нужно сделать, и передаёт ему воздействие. Например, человек задаёт стиральной машине программу, а машина выполняет команды, меняя состояние белья и воды. Разделение ролей помогает понять, кто принимает решение, а что именно изменяется.
Чтобы выбрать команду, нужно соотнести сведения о состоянии объекта с требуемым состоянием. Если измеренная величина уже соответствует цели, воздействие может быть не нужно; если есть отклонение, выбирают действие, которое его уменьшит. Так термостат сравнивает измеренную температуру с заданной и решает, включить ли нагреватель. Сравнение превращает данные в решение, а решение — в управляющее воздействие.
При управлении без обратной связи система заранее задаёт команды, но не узнаёт, что произошло после их выполнения. Такой способ прост, однако он не учитывает изменения условий: например, расписание полива не заметит дождь. При обратной связи состояние объекта измеряют и используют для коррекции команд. Поэтому система может приспосабливаться к возмущениям — внешним факторам, которые влияют на объект, например к похолоданию или изменению дорожной загруженности.
Алгоритм управления описывает, в каком порядке система получает информацию, принимает решение и воздействует на объект. Этот порядок нужен, чтобы действия были понятными и повторяемыми, а не случайным набором команд. В цикле управления после воздействия снова проверяют состояние и при необходимости выбирают следующую команду. Программа может реализовать такой алгоритм с помощью получения данных, условий и повторения действий.
| Признак | Управление без обратной связи | Управление с обратной связью |
|---|---|---|
| Получение информации о текущем состоянии объекта | Состояние не измеряется для управления | Состояние получают, например, от датчика |
| Зависимость команды от результата воздействия | Команда не меняется по результату | Результат учитывается при выборе команды |
| Учет внешних изменений и возмущений | Изменения обычно не учитываются | Изменения можно учесть по новым данным |
| Точность достижения цели | Зависит от того, насколько условия совпали с ожидаемыми | Может корректироваться по отклонению от цели |
| Пример системы | Светофор с переключением по таймеру | Термостат с датчиком температуры |
Сравнивайте системы прежде всего по тому, получает ли управляющая система сведения о состоянии объекта и меняет ли по ним команды. Наличие датчика само по себе ещё не доказывает обратную связь: данные должны влиять на управление. По таблице также видно, почему обратная связь полезна, когда условия меняются.
Условие. Для системы автоматического полива нужно определить цель, объект управления, управляющую систему и управляющее воздействие. Сначала выясним, какое состояние должно быть достигнуто, затем разделим функции системы. Такое разложение не позволяет перепутать устройство, которое принимает решение, с тем, на что оно действует.
Ответ. Система должна поддерживать заданную влажность почвы; объект — почва, управляющая система — контроллер с датчиком, а воздействие — включение или прекращение подачи воды. Если контроллер использует измерения датчика, это управление с обратной связью. Вода здесь не является управляющей системой: она участвует в изменении состояния объекта.
Условие. Составьте алгоритм, который поддерживает температуру в помещении с помощью термостата, датчика и нагревателя. Заданное значение температуры обозначим как цель, а показание датчика — как сведения о состоянии объекта. Для решения достаточно сравнить эти значения и выбрать команду.
Ответ. Алгоритм образует повторяющийся цикл измерения, сравнения и управления нагревателем. Датчик передаёт обратную связь, поэтому термостат может включать и выключать нагреватель при изменении температуры. Для точной настройки реальные системы могут учитывать допустимый диапазон, чтобы не переключать устройство слишком часто.
Условие. Сравните светофор, переключающий сигналы по таймеру, и систему, которая регулирует движение по датчикам загруженности дороги. Нужно выяснить, где используется обратная связь и почему системы по-разному реагируют на дорожную ситуацию. Проверим, влияет ли информация о результате на выбор команды.
Ответ. У обычного светофора с таймером обратной связи нет, а у регулирующей системы с датчиками она есть, если показания используются для изменения сигналов. Вторая система лучше приспосабливается к переменному потоку машин, потому что принимает решение по текущим данным, а не только по заранее заданному расписанию.
Считать любое воздействие управлением. Ошибка в том, что воздействие принимают за управление, даже если у него нет цели. Это часто происходит потому, что обе вещи могут менять объект. Проверь себя вопросом: можно ли назвать желаемый результат, ради которого выполняется действие?
Путать объект управления с управляющей системой. Тогда объекту приписывают принятие решений, а управляющей системе — состояние, которое меняют. Путаница возникает, когда оба элемента описывают как части одного устройства. Проверь роли: объектом управляют, управляющая система получает информацию и формирует команду.
Называть обратной связью само управляющее воздействие. Команда направлена к объекту, а обратная связь сообщает управляющей системе о состоянии или результате. Эти понятия смешивают, потому что оба связывают части системы. Чтобы проверить себя, выясни, куда направлена информация: от системы к объекту — команда, от объекта к системе — обратная связь.
Считать заранее заданную последовательность команд системой с обратной связью. Если команды выполняются по расписанию, но результат не измеряется и не меняет дальнейшие действия, обратной связи нет. Ошибку допускают, принимая повторение цикла за проверку состояния. Проверь, использует ли система новые данные для коррекции команды; без этого обратная связь не работает.
Для понимания управления нужны знания об алгоритмах, исполнителях, командах, условиях и получении информации от датчиков. В программировании алгоритм управления можно записать с помощью условных операторов, циклов и обработки данных. Эти идеи применяют в автоматических устройствах, робототехнике и информационных системах, а также при моделировании процессов. Понимание обратной связи помогает объяснить, как устройство реагирует на изменения, а не просто выполняет фиксированный набор команд.
Можно ли назвать управлением любое воздействие на объект?
Нет. Управлением называют воздействие, направленное на заранее заданную цель. Если воздействие случайное или не связано с достижением нужного состояния, это не управление.
Чем управляющая система отличается от объекта управления?
Объект управления — это система или процесс, состояние которого нужно изменить или поддержать. Управляющая система получает информацию, принимает решение и формирует команды для объекта.
Зачем нужна обратная связь?
Она сообщает управляющей системе о текущем состоянии объекта или результате команды. Благодаря этой информации можно исправить действие, если объект отклонился от цели или изменились условия.
Есть ли обратная связь у светофора, работающего по таймеру?
У обычного светофора с неизменным расписанием обратной связи нет: он переключает сигналы по времени, не измеряя поток машин. Если сигналы меняются по данным датчиков о загруженности, система использует обратную связь.
Как управление связано с алгоритмами и программами?
Алгоритм задаёт порядок действий: получить сведения, сравнить состояние с целью, выбрать команду и воздействовать на объект. Программа может выполнять такой алгоритм, обрабатывать данные датчиков и управлять исполнительными устройствами.
§ 43. Что такое управление
