§ 36. Информация и управление

Определения и обозначения

Управление — целенаправленное воздействие на объект, чтобы привести его в нужное состояние или поддерживать его. Например, включение отопления меняет температуру в комнате. Понятие нужно, чтобы отличать осмысленное воздействие от случайного изменения.

Управляющая система — устройство или совокупность устройств, которые получают информацию о состоянии объекта и вырабатывают управляющие воздействия. Ею может быть человек, компьютер или автоматический регулятор. Она нужна для выбора команды на основе сведений и поставленной цели.

Объект управления — устройство, процесс или система, состояние которых изменяют с помощью управления. В примере с отоплением это помещение, температуру которого требуется поддерживать. Такое понятие помогает понять, на что именно направлена команда.

Обратная связь — передача в управляющую систему информации о текущем состоянии объекта и результатах управления. Например, датчик сообщает термостату температуру комнаты. Эти сведения нужны, чтобы оценить результат команды и при необходимости выбрать следующую.

Как это устроено

Управление невозможно разумно организовать без информации: сначала нужно выяснить, в каком состоянии находится объект, а затем определить, каким оно должно стать. Если известно только желаемое состояние, но неизвестно исходное, нельзя понять, какое воздействие требуется. Поэтому управляющая система использует сведения об объекте и цель управления. Например, чтобы поддерживать заданную температуру, нужно знать и её текущее значение.

В системе управления информация проходит несколько этапов. Сначала сведения об объекте поступают в управляющую систему, которая оценивает их и выбирает решение. Затем она передаёт объекту управляющее воздействие — команду или сигнал, меняющий его состояние. Такой порядок связывает данные с действием: команда не возникает сама по себе, а выбирается для достижения нужного результата.

При управлении без обратной связи команда задаётся заранее, например по расписанию или готовой программе. После её передачи управляющая система не получает сведений о том, как изменился объект. Такой способ подходит, когда условия достаточно предсказуемы и заранее заданного воздействия обычно хватает. Если же состояние изменится неожиданно, система этого не заметит и не сможет сама приспособить команду.

При управлении с обратной связью сведения о результате возвращаются в управляющую систему. Она сравнивает полученное состояние с требуемым и решает, нужно ли продолжить, усилить или прекратить воздействие. Поэтому команда может меняться вслед за изменениями объекта, а не только повторяться по расписанию. Именно возврат информации позволяет системе автоматически учитывать фактический результат.

В системе отопления датчик измеряет температуру комнаты, управляющее устройство сравнивает её с заданной, а исполнительный механизм включает или выключает нагрев. Датчик выступает источником информации, управляющее устройство принимает решение, а исполнительный механизм выполняет команду. Когда температура достигает нужного уровня, показание датчика меняется, и термостат может остановить нагрев. Затем новое снижение температуры снова становится основанием для команды.

Системы управления с обратной связью и без неё

Сравнивайте системы по тому, откуда управляющая система получает сведения и возвращаются ли к ней данные о результате. Именно это показывает, может ли она корректировать воздействие по фактическому состоянию объекта. Примеры в последней строке помогают применить признаки к знакомым устройствам.

Разбор задач

Включение освещения выключателем

Выключателем включают лампу. Нужно определить объект управления, управляющую систему и управляющее воздействие. Чтобы не перепутать их, выясним, что меняет состояние, кто передаёт команду и в чём эта команда состоит.

1. Найдём объект: состояние меняет осветительное устройство — лампа или система освещения. Именно на неё направлено действие выключателя.
2. Определим управляющую систему: в простом примере это выключатель вместе с действием человека, который выбирает положение и замыкает или размыкает электрическую цепь.
3. Назовём воздействие: это команда включить или выключить свет, передаваемая изменением состояния цепи. Сам выключатель — не объект управления, а часть устройства, подающего команду.

Ответ: объект управления — лампа или система освещения; управляющая система — человек и выключатель; управляющее воздействие — команда включить либо выключить свет. Если сведения о том, загорелась ли лампа, не возвращаются для изменения команды, одна лишь передача команды не образует обратную связь. Такое уточнение помогает не смешивать управление и контроль результата.

Отопление поддерживает заданную температуру

Система отопления должна поддерживать заданную температуру комнаты. Нужно определить источник информации, управляющую систему и обратную связь. Рассмотрим, какие сведения получает система и как они влияют на работу нагрева.

1. Источник информации — датчик температуры: он измеряет состояние помещения и передаёт показания управляющему устройству.
2. Управляющая система — термостат или контроллер отопления. Он сопоставляет показание датчика с заданной температурой и решает, нужно ли включить или остановить нагрев.
3. Обратная связь возникает потому, что сведения о температуре поступают обратно в управляющую систему после изменения работы отопления. Контроллер использует новые показания, чтобы скорректировать команду.

Ответ: датчик сообщает температуру, термостат принимает решение, а отопительный прибор выполняет команду. Обратная связь здесь — повторное поступление данных о температуре и их использование для управления. Так система реагирует не только на первоначальную настройку, но и на фактические изменения в комнате.

Два способа полива

В первой системе вода подаётся по таймеру, во второй — в зависимости от показаний датчика влажности почвы. Нужно выяснить, где используется обратная связь. Сравним, учитывает ли каждая система реальное состояние участка или выполняет только заранее назначенный график.

1. Полив по таймеру запускается в установленное время. Если датчик влажности не сообщает системе состояние почвы, результат предыдущего полива не влияет на следующую команду.
2. Во второй системе датчик передаёт сведения о влажности управляющему устройству. Оно решает, требуется ли полив, то есть использует информацию о состоянии объекта при выборе воздействия.
3. Проверим признак обратной связи: сведения о состоянии почвы поступают в управляющую систему и влияют на команду. Во втором варианте это условие выполнено, в первом — нет.

Ответ: обратную связь использует система с датчиком влажности. Полив по таймеру управляет по заранее заданной программе, а полив с датчиком корректирует решение в зависимости от фактического состояния почвы. Наличие команды в обоих случаях само по себе не означает наличие обратной связи.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любая передача команды уже означает обратную связь. Так думают, потому что команда действительно передаёт информацию объекту, но направление передачи здесь только от системы к объекту. Проверьте себя: возвращаются ли сведения о состоянии объекта после команды? Если нет, обратной связи нет.

Ошибка: путать управляющую систему с объектом управления. Путаница возникает, когда оба элемента представлены устройствами и их роли кажутся похожими. Спросите себя, кто вырабатывает команду, а на что она воздействует: первое — управляющая система, второе — объект управления.

Ошибка: называть обратной связью любое поступление информации. Данные могут поступать в систему из внешнего источника и никак не сообщать о результате воздействия. Чтобы проверить себя, проследите путь сведений: информация должна возвращаться от объекта к управляющей системе и использоваться при управлении.

Ошибка: считать управление без обратной связи невозможным. Его принимают за неуправляемое, потому что система не проверяет результат, однако заранее заданная команда всё равно может менять объект. Проверьте себя: если воздействие выполняется по расписанию, но результат не учитывается, управление есть, а обратной связи нет.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об информации, информационных процессах и передаче информации: управление использует сведения и превращает их в команды. Связь с алгоритмами проявляется в том, что управляющая система может по заданным правилам обрабатывать данные и выбирать воздействие. Понятие обратной связи пригодится при изучении автоматических устройств, робототехники и систем регулирования: во всех них важно выяснять, как устройство узнаёт о результате своей работы.

Что запомнить

• Управление — это целенаправленное изменение состояния объекта.
• В системе управления различают управляющую систему и объект управления.
• Управляющая система использует информацию, чтобы выбрать воздействие.
• Обратная связь сообщает управляющей системе о состоянии объекта и результате управления.
• Без обратной связи команда не корректируется по фактическому результату.
• С обратной связью управляющее воздействие может изменяться в ответ на полученную информацию.