§ 1. Управление и кибернетика

Определения и обозначения

Управление — целенаправленное воздействие на объект, которое помогает привести его в нужное состояние или поддерживать это состояние. Например, отопление включают, чтобы достичь комфортной температуры, а затем поддерживать её. Цель отличает управление от случайного воздействия. Без неё нельзя определить, каким должен быть результат.

Объект управления — система или процесс, состоянием которого нужно управлять. В поливальной установке это почва, влажность которой меняется, а в движении робота — его положение и направление. Это понятие помогает понять, на что именно направлены команды. Если неверно определить объект, можно ошибиться и в выборе воздействия.

Управляющая система — часть системы управления, которая получает информацию об объекте и вырабатывает команды. Ею может быть контроллер в устройстве, нервная система организма или группа людей, принимающих решения. Она связывает сведения о состоянии объекта с необходимым действием. Поэтому важно отличать её от самого объекта, на который направлено управление.

Обратная связь — передача в управляющую систему сведений о результатах управления и текущем состоянии объекта. Например, датчик может сообщить, что почва уже достаточно влажная. Тогда управляющая система решит, нужно ли продолжать полив. Благодаря обратной связи можно проверить результат и при необходимости изменить дальнейшие команды.

Как это устроено

Управление встречается в технике, живой природе и обществе, потому что во всех этих областях нужно достигать целей и поддерживать нужные состояния. В технике термостат регулирует температуру помещения. В организме нервная система участвует в управлении движениями и работой органов. В обществе органы управления организуют движение транспорта или работу учреждения.

Для управления нужны объект и управляющая система, потому что у них разные роли. Состояние объекта должно измениться или сохраняться, а управляющая система определяет, какое воздействие для этого нужно. Например, при поливе меняется влажность почвы, а устройство включает или выключает насос. Если разделить эти роли, проще понять, к чему относится датчик, кто принимает решение и что именно меняется.

Управляющая система выбирает команду не наугад: ей нужны сведения о состоянии объекта. Она может получить их от датчика, от органов чувств или из сообщения человека. Затем эти данные сопоставляются с целью, и выбирается подходящее воздействие. Если известно, что температура ниже заданной, термостат включит отопление; если она уже достаточная, команда будет другой.

Обратная связь сообщает управляющей системе, что произошло после команды и каково состояние объекта сейчас. Полученные сведения позволяют сравнить результат с целью: например, проверить, достигла ли температура заданного значения. Если цель ещё не достигнута, воздействие продолжают или меняют. Если достигнута, управляющая система может прекратить действие либо поддерживать состояние небольшими корректировками.

Кибернетика изучает общие закономерности управления и передачи информации в системах разной природы. Это возможно, потому что технические устройства, организмы и общественные структуры могут получать сведения о состоянии, вырабатывать воздействия и оценивать результат. Кибернетика помогает описывать такие процессы с помощью общих понятий, не сводя их к устройству конкретной машины. Поэтому её идеи применяются при создании автоматических систем и моделей процессов.

Элементы управления в системах разной природы

В таблице сопоставлены элементы управления в трёх областях. Сначала найдите, что именно изменяется, затем — кто или что вырабатывает воздействие, и проследите путь информации. Примеры условные: в реальной системе некоторые роли могут быть распределены между несколькими элементами.

Разбор задач

Автоматический полив

В системе датчик измеряет влажность почвы, а устройство включает насос. Нужно определить объект управления, управляющую систему и информацию обратной связи. Рассуждать следует по ролям элементов: почва меняет состояние, устройство принимает решение, а датчик сообщает измеренное значение.

1. Находим объект: им является почва, потому что именно её влажность требуется изменить или поддерживать.
2. Определяем управляющую систему: это устройство, которое получает данные датчика и включает насос по заданному правилу.
3. Выясняем, что сообщает обратная связь: датчик передаёт управляющей системе значение влажности почвы.

Ответ: объект управления — почва; управляющая система — устройство управления насосом; информация обратной связи — показания датчика о влажности. Сведения датчика позволяют решить, нужен ли полив. Сам насос выполняет команду и изменяет состояние объекта.

Термостат и отопление

Термостат включает отопление, если температура ниже заданной, и выключает его после нагрева. Требуется объяснить работу обратной связи. Для этого нужно проследить, как измеренное состояние влияет на команду, а результат нагрева — на последующее решение.

1. Термостат получает информацию о текущей температуре от датчика.
2. Он сравнивает её с заданным значением и включает отопление, если температура ниже цели.
3. После нагрева датчик передаёт новое значение; термостат получает обратную связь и выключает отопление, когда цель достигнута.

Ответ: обратная связь здесь — сведения датчика о текущей температуре, в том числе после нагрева. По ним термостат понимает, достигнута ли цель, и выбирает следующую команду. Без повторного измерения он не смог бы вовремя прекратить нагрев или снова включить отопление при остывании.

Робот и заданный маршрут

Робот должен двигаться по заданному маршруту. Датчики сообщают об отклонении, после чего контроллер меняет команды моторам; нужно описать цикл и выяснить, что произойдёт без передачи данных от датчиков. Важно проследить не только команду, но и возвращение информации о результате.

1. Сначала контроллер получает сведения от датчиков о положении робота и отклонении от маршрута.
2. Затем он сопоставляет положение с заданным маршрутом и формирует команды моторам.
3. Моторы изменяют движение, а датчики снова сообщают результат; этот цикл повторяется и позволяет исправлять отклонения.

Ответ: цепочка управления идёт от задания маршрута и данных датчиков к контроллеру, затем к моторам, движению робота и новым показаниям датчиков. Если убрать передачу данных от датчиков, контроллер не узнает о фактическом положении робота. Тогда он не сможет корректировать команды, и робот может продолжить движение с отклонением от маршрута.

Типичные ошибки

Ошибка — считать управлением любое воздействие. Её допускают, когда замечают действие, но не проверяют, есть ли у него цель и связано ли оно с изменением состояния объекта. Случайный толчок сам по себе управлением не является. Проверьте себя вопросом: какой результат нужно получить или поддержать?

Ошибка — путать объект управления с управляющей системой. Объектом управляют, а управляющая система получает информацию и вырабатывает команды, поэтому это разные роли. Путаница возникает, если в примере несколько устройств и неясно, какое из них что делает. Чтобы проверить ответ, назовите отдельно то, чьё состояние меняют, и того, кто выбирает воздействие.

Ошибка — называть обратной связью саму команду. Команда идёт от управляющей системы к объекту, а обратная связь возвращает сведения о состоянии объекта или результате действия. Их можно перепутать, если не проследить направление передачи информации. Проверьте направление: сообщение о состоянии возвращается к управляющей системе, а команда направляется к объекту.

Ошибка — полагать, что управление возможно только в технике. Такое представление возникает из-за привычных примеров с автоматами и датчиками, но управление есть также в живой природе и обществе. В организме нервная система участвует в управлении, а в обществе люди организуют совместные действия. Проверьте себя: можно ли выделить цель, объект, управляющую систему и информацию?

Связь с другими темами

Для изучения управления нужно понимать, что такое система, её элементы и связи между ними. Тогда легче определить, какие части выполняют разные роли и как они взаимодействуют. Например, можно проследить, откуда информация поступает и куда направляется команда. Эти понятия помогают анализировать систему целиком, а не отдельный прибор.

Понятие информации и способы её передачи нужны, чтобы разобраться в обмене данными между объектом и управляющей системой. Датчик, например, не управляет насосом сам по себе: он передаёт измеренное значение. Затем это значение обрабатывается, и появляется команда. Поэтому управление связано с тем, как информация получается, передаётся и используется.

Тема пригодится при изучении алгоритмов, устройств компьютера, автоматизации и моделирования систем. Алгоритм может описывать выбор команды, а компьютер — обрабатывать сведения о состоянии объекта. Автоматизация использует такие принципы, чтобы устройства действовали без постоянного участия человека. Моделирование помогает исследовать поведение системы и проверять варианты управления.

Что запомнить

• Кибернетика изучает общие закономерности управления и передачи информации.
• Управление направлено на достижение цели или поддержание нужного состояния.
• В системе управления есть объект и управляющая система.
• Для выработки команды управляющей системе нужна информация об объекте.
• Обратная связь сообщает о состоянии объекта и результате воздействия.
• Управление встречается в технических, живых и социальных системах.